Medische robots uit de printer

Prototype van de medische robot uit de 3D-printer. (Bron: Photothèque ICube / A. Morlot) / Prototype van de medische robot gegenereerd door 3D-printer. (© Photothèque ICube / A. Morlot)

3D-geprinte zuigers van de hydraulische aandrijving. (Bron: Marius Siegfarth) / 3D-geprinte zuigers voor het hydraulische aandrijfsysteem. (© Fraunhofer IPA / Marius Siegfarth)

Voor de tumortherapie van de toekomst ontwikkelen vijf internationale onderzoeksteams een robot. Hoewel deze bestaat uit tientallen componenten, gewrichten en actuatoren met verschillende materiaaleigenschappen, kan hij in één enkele processtap worden vervaardigd met een 3D-printer.

Een druk op de knop is voldoende, de rest wordt automatisch door de 3D-printer gedaan. Net als bij een inkjetprinter wordt vloeistof op een oppervlak gespoten. In plaats van verschillende kleuren gebruikt de PolyJet-printer echter kunststof: de nozzles kunnen twee verschillende polymeren-oplossingen afzonderlijk of gemengd precies op het juiste punt aanbrengen. UV-licht uithardt de kunststoffen voordat de volgende laag wordt aangebracht. Zo ontstaat laag voor laag een medisch robot. Wanneer de ontwikkeling voltooid is, moet de robot artsen ondersteunen bij het nemen van weefselmonsters en bij de thermische tumortherapie.

»Het positioneren van een naald of sonde bij een dergelijke minimaal invasieve ingreep is een bijzonder moeilijke taak, want de arts kan zich het beste oriënteren met behulp van CT- of MRI-beelden – en dat betekent dat hij moet werken terwijl de patiënt in een nauwe buis ligt. Daar blijft nauwelijks bewegingsvrijheid«, legt Marius Siegfarth uit van de projectgroep voor automatisering in de geneeskunde en biotechnologie (PAMB) van het Fraunhofer IPA aan de medische faculteit Mannheim van de Universiteit Heidelberg.

De robot, die zijn team samen met vier andere onderzoeksgroepen uit Duitsland, Frankrijk en Zwitserland ontwikkelt in het project SPIRITS, is zo klein en licht dat hij samen met de patiënt in de buis kan worden geschoven. Hij wordt vanaf buiten bediend via een hydraulisch systeem – de arts kan dus enkele meters verderop of zelfs in een andere kamer zitten, waar hij beschermd is tegen straling tijdens een CT-scan. De afkorting SPIRITS staat voor Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery.

»De uitdaging van het project lag in het ontwikkelen van een ontwerp dat met een PolyJet-printer in één stap kan worden vervaardigd, maar dat toch uit volledig functionele componenten bestaat – bijvoorbeeld draaigelen met hydraulische actuatoren en een aandrijving voor de naaldvoeding. Al deze componenten hebben verschillende materiaaleigenschappen«, legt Siegfarth uit.

Bij het Institut national des sciences appliquées de Strasbourg, INSA, waar het SPIRITS-project wordt gecoördineerd, drukt de PolyJet al de eerste prototypes. Deze beschikken over hefarmen die via gewrichten verbonden zijn. Hiermee kan een naald in alle richtingen rond het punctiepunt draaien. Voor de aandrijving zorgt een hydraulisch systeem, een ontwikkeling van de PAMB-onderzoekers: kleine buisjes met een diameter van slechts 4 millimeter, afdichtingen en zuigers. Het bijzondere is dat de zuigers zo konden worden ontworpen dat de hydraulische druk op de afdichting werkt en deze werking versterkt.

Eerste tests tonen aan dat de hydraulische aandrijving uit de 3D-printer werkt. In de komende maanden worden verdere componenten in het prototype geïntegreerd: bijvoorbeeld de slimme naald met krachtensensor, een ontwikkeling van de École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL. De voermecanisme voor de naald is ontwikkeld door INSA-onderzoekers. Daarnaast wordt de «haptische feedback» ontwikkeld. Deze vertaalt de meetresultaten van de krachtensensor in weerstanden die de arts voelt wanneer hij de naald door zachter of harder weefsel voert. Deze feedback is ontwikkeld door onderzoekers van de Hochschule Furtwangen. En aan de Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW worden momenteel printbare, niet-magnetiseerbare metalen componenten gemaakt voor de volgende generatie prototypes.

De eerste volledig geprinte medisch robot zal nog in 2019 op dummy's worden getest.

Met een totaalbudget van 1,67 miljoen euro wordt SPIRITS mede gefinancierd door het programma INTERREG V Oberrhein met 436.201 euro uit het EFRE (Europees Fonds voor regionale ontwikkeling). In het kader van de initiatief «Offensive Sciences», dat grensoverschrijdende topwetenschappelijke projecten financiert, wordt het project daarnaast ondersteund door regionale en kantonale partners. Zo wordt het project mede gefinancierd door de Großregio Oost, de deelstaten Baden-Württemberg en Rijnland-Palts, de Zwitserse Bondsrepubliek, het kanton Aargau, het kanton Basel-Stadt en het kanton Basel-Landschaft.