De rollende donut. Achtergrond. Bio Inspired Technology 3/15/2006

Transcriptie

1 De rollende donut Dit artikel beschrijft de ontwikkeling van gewone colonoscoop tot een autonome darminspectierobot. De darminspectierobot is uitgerust met een tweetal donuts die voor de voortbeweging zorgen. Ontdek zelf snel hoe deze ontwikkeling gegaan is en welke mechanismen uit de natuur hier in verwerkt zijn. Eerst wordt verteld waarom zo n apparaat nodig is. Vervolgens lichten we toe hoe we dat aangepakt hebben en tenslotte wat het resultaat van deze aanpak is. Als laatste voegen we nog een lijstje met referenties toe, hier kun je zelf op zoek naar nog meer informatie. Achtergrond De dikke darm (colon) is een ongeveer 1,5 meter lange darm die van de dunne darm naar de anus loopt (Figuur 1). In deze darm wordt hoofdzakelijk water aan het verteerde voedsel onttrokken en weer opgenomen door het lichaam. In dit stuk darm komt behoorlijk vaak darmkanker voor. Darmkanker Eerst wat cijfers 1 : 1 Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 1 van 7

2 - jaarlijks krijgen ruim mensen in Nederland darmkanker mensen overlijden jaarlijks aan de gevolgen van dikke darmkanker. - 1 op de 21 mannen en 1 op de 29 vrouwen krijgen voor hun 75 e levensjaar dikke darmkanker ( = risico) - 58% van deze patiënten is na 5 jaar nog in leven ( = overleving na 5 jaar) Zoals je ziet is het risico om dikke darmkanker te krijgen behoorlijk aanwezig. En het aantal gevallen zal in de de toekomst gaan stijgen tot in 2015! 2 Om darmkanker goed te kunnen behandelen, is het belangrijk om zo snel mogelijk te ontdekken dat iemand kanker heeft. Als dit vroeg genoeg ontdekt wordt kan de patiënt in een vroeg stadium van de ziekte geholpen worden, en zal de overlevingskans stijgen! Vergelijk de cijfers van ontdekking in een laat (uitgezaaid) stadium maar eens met de cijfers van ontdekking in een vroeg stadium. (De overleving na 5 jaar stijgt dan van respectievelijk 5% naar 90%!) En de enige manier om dit vroeg te ontdekken is een regelmatig darmonderzoek (colonoscopie). Huidig darmonderzoek De huidige manier om iemands darm te onderzoeken is met behulp van een colonoscoop. Een colonoscoop is een flexibele slang van 1 cm dik en 1,5 meter lang (Figuur 2). Het voorste stukje (de tip) van de slang is bestuurbaar. In deze tip zit onder andere een lensje voor de camera en voor de lichtbron. Met behulp van een stroomkabel wordt het beeld van het lensje naar een beeldscherm getransporteerd. Eveneens via een glasvezelkabel wordt het licht vanaf een lichtbron naar het tipje getransporteerd. Via de anus wordt de slang in de dikke darm ingebracht. Om alles goed zichtbaar te maken wordt de darm lichtjes opgeblazen met een gasmengsel. De arts kan Figuur 1: traditionele colonoscoop vervolgens op een beeldscherm zien wat er in de dikke darm te zien is. Een colonoscopie is helaas niet erg comfortabel voor de patiënt. De dikke darm is namelijk erg gevoelig voor het uitrekken van de darmwand. Tijdens het onderzoek wordt de darm licht opgeblazen. Dit veroorzaakt een klein deel van de pijn. Het grootste deel van de pijn wordt echter veroorzaakt doordat de colonoscoop niet precies doet wat de arts wil doen. Soms blijft de tip achter een stukje darm haken. Als de arts dit niet merkt en de slang gewoon verder naar binnen duwt, dan komt er een slag in de slang. 2 Vroege_opsporing_van_dikke_d armkanker_.html Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 2 van 7

3 Figuur 2 Ontstaan van een loop in de dikke darm (Bron: Advancing the Colonoscope - AJ Loeve) Dit noemen we een lus of loop (Figuur 3). Hierdoor wordt de darm erg ver uitgerekt, wat erg pijnlijk is voor de patiënt. Inspectie van de dikke darm is dus een stuk te verbeteren als we kunnen voorkomen dat de colonoscoop in een loop raakt. En dat is precies waar een deel van het BITE onderzoek zich op richt. Hoe dat gaat lees je in het volgende stuk. Methode Omdat de huidige colonoscoop voor darmonderzoek niet goed werkt is binnen de afdeling Bio-Mechanal Engineering een aantal nieuwe instrumenten ontwikkeld. Eén van deze instrumenten is de Rolling Donut Endoscoop Dit instrument bevat een soort rollende donut, geïnspireerd op de peesschede in menselijke gewrichten. Analyse Om een bestaand instrument te verbeteren of een nieuw instrument te ontwerpen moet je eerst begrijpen wat precies het probleem is. Pas als duidelijk is wat het probleem is kan er naar een oplossing gezocht worden! Om te begrijpen wat er aan de hand is met de colonoscoop geef ik een voorbeeld: Neem in gedachten een lange trein met aan de voorkant én aan de achterkant een locomotief. Doordat er aan de voorkant even hard getrokken wordt als aan de achterkant blijft de trein ook in een bocht netjes op de rails. Als er echter alleen aan de achterkant een locomotief duwt kan de trein gemakkelijk ontsporen, zeker als er aan de voorkant een obstakel is. Dit voorbeeld laat zien wat er aan de hand is bij de huidige colonoscoop: de arts duwt alleen aan de achterkant van de lange, dunne slang. Als de voorkant nu eventjes blijft haken ontspoort de hele slang en ontstaat er een lus. Als we dit probleem willen oplossen moeten we dus zorgen dat er ook aan de voorkant van het instrument getrokken wordt! Dit is precies wat Paul Breedveld in zijn ontwerp gedaan heeft. De peesschede Tussen onze botten en spieren zitten dunne stroken weefsel, dit zijn de pezen. De pees brengt de kracht van de spier over op het bot. Op veel plaatsen glijdt de pees over het bot heen. Dit geeft wrijving waardoor de beweging moeilijker gaat én de pees slijt. Om dit te voorkomen zit er om de pees op die plek een peesschede. Dit is een soort hoes die met vocht gevuld is (Figuur 4). Hierdoor gaat de beweging gemakkelijker. Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 3 van 7

4 Experiment met peesschede Je kunt zelf een peesschede testen. Vul een (stevig) plastic zakje halfvol met water en knoop het zakje goed dicht. Leg het zakje op de tafel en leg je hand er bovenop. Druk zachtjes op het zakje. Als je nu beweegt merk je dat dit makkelijk gaat. Beweeg ook maar eens je hand over de tafel zonder het zakje ertussen. Zeker als je je hand flink tegen de tafel drukt is er een groot verschil! Als nu over de tip van de colonoscoop zo n soort peesschede bevestigd kan worden ontstaat er een instrument dat zich makkelijker voortbeweegt (Figuur 5). Als we nu deze peeschede korter maken onstaat er een soort donut aan de tip van de colonoscoop. Het idee is nu bijna klaar. De laatste stap die we moeten zetten is het aandrijven van de donut. Als dat lukt hebben we ook een locomotiefje aan de voorkant van de trein. Het resultaat zie je op de volgende bladzijde. Figuur 3: anatomische weergave van menselijke peesschede (in paars) (Bron: P Breedveld) Figuur 4: peesschede inspectievoertuig (Bron: P Breedveld) Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 4 van 7

5 Resultaat Figuur 5: metalen stent die gebruikt wordt voor de donut (Bron: P Breedveld) Figuur 6 De roterende beweging van de donut (Bron: P Breedveld) Aan de tip van de colonoscoop is nu een donut gemonteerd die uit 3 segmenten bestaat. Deze 3 segmenten zijn zo aan elkaar vastgemaakt dat de diameter van de donut groter of kleiner gemaakt kan worden. Hierdoor kan de donut zich aanpassen aan de diameter van de dikke darm. Elk segment van de donut bestaat uit een stent. Een stent is een soort buisje van metaalgaas, wat erg flexibel is en gemakkelijk gebogen kan worden (Figuur 6). Door de hele colonoscoop heen lopen een aantal draden die aan de tip een paar maal om de donut gewonden zijn. Door aan deze draden te trekken gaat de donut draaien: de locomotief is geboren (Figuur 7 en Figuur 8). Ook het stuurprincipe van de donuttip is nieuw. Daarover kun je binnenkort meer lezen op deze site onder het kopje Kabelkransmechanisme. Een laatste uitbreiding van het concept is een klein voertuigje waarbij aan beide zijden een donut gemonteerd is. Tussen de twee donuts zit een klein stukje flexibele slang. Op deze manier is de darminspectierobot klaar (Figuur 9). Uiteraard moet in deze robot een soort motortje om voor de voortbeweging te zorgen. Dit onderdeel van de robot is nog heftig in ontwikkeling! Figuur 7: De aangedreven rollende donut (Bron: P Breedveld) Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 5 van 7

6 Figuur 8: de darminspectierobot met een dubbele donut (Bron: P Breedveld) Conclusie De Donut Endoscoop wordt op het ogenblik gebouwd om te worden uitgetest in een varkensdarm. Het systeem is beschermd door twee octrooiaanvragen en er is grote belangstelling vanuit de medische industrie. Er moet echter nog veel onderzoek verricht worden voordat er een perfect apparaat voor een pijnloze colonoscopie op de markt gebracht kan worden. Veel aspecten moeten nog uitgedacht of ontwikkeld worden. Zoals het aandrijven van de autonome darminspectierobot. Dit zijn allemaal zaken waar nu keihard over nagedacht wordt en waar onderzoek naar verricht wordt. Wellicht kunnen we over enige tijd op deze site vermelden dat pijnloze colonoscopie een feit is! Overigens kunnen we wel vermelden dat op dit moment al een prototype gebouwd wordt (figuur 10), daarin is onder andere de donut uit figuur 9 gebruikt. Een definitief ontwerp is er echter nog niet. Hopelijk is wel duidelijk geworden hoe een idee vanuit de natuur vertaald kan worden naar een nuttig mechanisch apparaatje. Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 6 van 7

7 Referenties Vroege_op sporing_van_dikke_darmkanker_.html Team BITE Technische Universiteit Delft Pagina 7 van 7