Vandersloten presentatie

(1)

Ingenieur en arts:

samen voor een betere

gezondheidszorg

Jos Vander Sloten

Overzicht

• Ingenieurswetenschap in de moderne geneeskunde o Fundamentele inzichten

o Medische technologie • Leren uit de fouten • Intuïtieve technologie

• Meer doen met minder schade • Besluit

(2)

• Ingenieurswetenschap in de moderne geneeskunde o Fundamentele inzichten

o Medische technologie

• Leren uit de fouten • Intuïtieve technologie

Wat is osteoporose?

• Volgens NIH, 2000:

een aandoening van het skelet, gekenmerkt door een afnemende sterkte van de beenderen waardoor er een vergroot risico op breuk ontstaat

Massa + materiaal + structuur

(3)

Meten van botsterkte

mens muis

(4)

Meet DXA de botsterkte?

• DXA meet bot mineraal densiteit (BMD – hoeveelheid bot)

• Vaak gebruikt als maat voor botsterkte

• 10% tot 90% van de variatie in de sterkte van trabeculair bot kan NIET worden verklaard door botdensiteit (DXA).

(Wehrli et al, Topics in Magnetic Resonance Imaging, 2002) • Densiteit EN structuur

Computermodel voorspelt botsterkte

Pistoia et al, Bone, 2002 • Experiment

o 54 radii

o Sterkte gemeten tot breuk

• Computermodel

o Beeldpunten: 165 m o 1.7 miljoen elementen o Supercomputer Cray J90 o Per specimen:

500 Mb geheugen, 50 uur CPU

• Overeenkomst:

o FE: R2= 0.75 o BMD: R2= 0.31

(5)

Botsterkte versus hoeveelheid bot

Melton et al. JBMR 2007 y = 1.2036x + 107.67 R2_{= 0.7973} 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 400 600 800 1000 1200 1400 BV [mm3] S tr e n g th [N ] 0.0% 0.7%

(6)

Schade in zachte weefsels - slagaders

Waar ligt de grens?

STAP 1: Experimenteel bepalen van de schade in slagaders STAP 2: Hoeveelheid schade als functie van de belasting STAP 3: Wiskundig materiaal‐ model voor slagaders STAP 4: Eindige elementen modellering (EEM) 12 STAP 1: Experimenteel bepalen van de schade in slagaders

Quantificeren van vasoregulatie?

Myograaf: meet contractiliteit van de SMC

Famaey et al., 2010

(7)

13 20.12.13 Jos Vander Sloten

STAP 2:

Hoeveelheid schade als functie van de belasting

Verband: Maar alleen voor deze _situatie! Dit verband voor een andere situatie zonder

nieuwe dierproeven? Klemtoestel met krachtmeting

Klemtoestel met krachtmeting

Quantitatief verband tussen klemkracht en vasoregulatie

Famaey et al., 2010

20.12.13 Jos Vander Sloten

STAP 3:

Wiskundig materiaal‐ model voor aders

1. HGO model (matrix en vezels)

2. Activatie van SMC 3. Schade aan componenten

(8)

15 STAP 4: Eindige elementen modellering (EEM) STEP 1: Circumferential residual strains STEP 2: Longitudinal residual strains STEP 4: Clamp STEP 1: Circumferential residual strains STEP 2: Preload STEP 3: Activate smooth muscle cells Stress STEP 3: Pressurize Simulatie

RESULTAAT: Computersimulatie vs. experiment RESULTAAT: Computersimulatie vs. experiment

D_sim≈ D_exp

Experiment

D_exp D_sim

(9)

• Ingenieurswetenschap in de moderne geneeskunde

o Fundamentele inzichten

o Medische technologie

(10)

Segmentatie

19 • Scène D = (V,f) met V = domein van de scène

f = densiteitsfunctie [L, H] • Segmentatie

= transformatie van de scène binair : Sb: D  Dbmet

V’ = V en [L, H] → {0,1} Voorbeeld: thresholding f’(v) = 1 als f(v)  [T_l, T_h]

0 anders

• Precisie! Gelaude 2008, Vanden Broeck 2013

Precisie!

• Van den Broeck et al, 2013: - 10 cadaver tibiae

- CT, MRI versus optical scan - CT: 0.53 mm (±0.23 mm) - MRI: 0.42 mm (± 0.38 mm) Standard Mimics settings

• Rathnayaka et al, 2012: - 5 ovine limbs

- CT, MRI versus contact scan - CT: 0.15 mm

(11)

Technologie in de chirurgie

• Bistouri • Endoscopen • Navigatie • Robots • Maatwerk

Orthopedische chirurgie

ROBODOC Acrobot CASPAR

(12)

PROBOT

Abdominale & thoracale chirurgie

AESOP & ZEUS

Da Vinci PROBOT

(13)

Instrumenthouders

• AESOP arm • Stemgestuurd • Korte leercurve • Max. 3 anatomische posities in geheugen

Nathan et al, Skull Base 2006 Zhao et al, J Card Surg 2009

Instrumen – supporting your surgery

(14)

o Fundamentele inzichten o Medische technologie • Leren uit de fouten

• Intuïtieve technologie

Instrument manipulatoren

Implant positie < 0.5mm, 0.3°

(15)

ROBODOC CASPAR

Automatisatie

(16)

o Fundamentele inzichten o Medische technologie

• Leren uit de fouten

• Intuïtieve technologie

Teleoperatie

Ergonomie (spiegelen, schalen) Beperkt werkgebied Beperkt gezichtsveld Minder of geen gevoel

Minder bloedverlies Minder pijn

Sneller herstel Kleinere littekens

(17)

Da Vinci

(Intuitive Surgical Inc)

(18)

MIS revisited

The Da Vinci® Surgical Robot

Ergonomie

(spiegelen en schalen) Beperkt gezichtsveld Beperkt of geen gevoel

GEEN gevoel

LoTESS: Bilaterale teleoperatie

Menselijke operator

Communi-catie en controle

Meester Slaaf Omgeving

(19)

LoTESS: feedback

(20)

Patiënt-specifieke implantaten

Image guided surgery

Biomechanical evaluation of surgical guides:

Van den Broeck et al, CMBBE, 2013

aMace voor Paproski type III

Proces i.p.v. product

(21)

Overdreven angulatie

Verborgt et al. (2011)

Artificieel defect in 10 cadavers Gelijkaardige defecten L & R

Bone Type 1R Central 1L Central 2R Central 2L Central 3R Anterior 3L Anterior 4R Posterior 4L Posterior 5R Posterior 6L Posterior 4R 4L

Met en zonder patiënt-specifieke mal

• Random: 5 met & 5 zonder mal

Bone type Guide?

1R Central NO 1L Central YES 2R Central YES 2L Central NO 3R Anterior NO 3L Anterior YES 4R Posterior YES 4L Posterior NO 5R Posterior NO 6L Posterior YES 4R 4L

(22)

Resultaat

• Mal reduceert hoekafwijking t.o.v. planning (P < 0.1)

Resultaat

• Met mal: meer schroef in bot



gepland



zonder mal

(23)

• Meer doen met minder schade

• Besluit

Beperken van weefselschade

Pre-operatief patiënt-specifiek model: -CT/MRI scan -patiënt informatie -materiaal model Intra-operatieve metingen: -instrument positie -instrument kracht On-line patient-specifiek model Actuele weefselspanning

Beperking van weefselschade door overbelasting

Grens van schade

(24)

Real time EEA (eindige elementen analyse)

Intel i980x (host) - 4 cores - ~8 threads

Nvidia Tesla C2075 (device) - 448 cores - ~ 14000 threads - GPGPU computing

- CUDA programming

Tool %diff Time

Abaqus explicit - ~3m

Abaqus implicit - ~4s

TLED - CUDA 0.02% 65ms

Real-time EEA

48 20.12.13 Jos Vander Sloten

max displacement min displacement  Simulatie aan 14 fps ~70ms per berekening  Belasting: 0-500mmHg volgens sinus

 Simuleert expansie van endoclamp ballon

 Materiaal is Neo-Hookean met E=3000Pa, v=0,49

(25)

Controleschema : comanipulatie

Menselijke operator Communi-catie en controle

Meester Slaaf Omgeving

Zuivere teleoperatie in de veilige zone

Zuivere teleoperatie in de

veilige zone Weerstand verhogen in de grens-zone Weerstand verhogen in de grens-zone Virtuele muur in de verboden zone Virtuele muur in de verboden zone

Flexibele instrumenten – inherente veiligheid

Kracht‐ meting Kracht‐ meting IVUS IVUS Artificiële spier Artificiële spier

(26)

(27)

• Meer doen met minder schade

• Besluit

Beter versus efficiënter

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 19 60 19 62 19 64 19 66 19 68 19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00 20 02 20 04 20 06 20 08 T o ta l He a lth E x pe nditur e (% GDP ) Year Belgium USA ൌ௢௨௧௣௨௧_{௜௡௣௨௧}

(28)

Efficiëntie & productiviteit

• ൌ ௢௨௧௣௨௧_{௜௡௣௨௧}

• Meer/beter doen met minder/gelijke middelen • Klassieke industrie: productiviteit

• Zorg (en cultuur): menskracht-gebonden • Zorg: kwaliteit sterk menskracht gebonden • Technologie:

- aanvullend, kwalitatief - breder bereik

- standaardisatie

E. Schokkaert, Karakter Nr. 44, 2013; W.J. Baumol The Cost Disease 2012

• Aandeel prothese beperkt • Specialisatie en expertise

- echelonnering

- inventarisatie kwaliteit

(29)

Tot slot

• Ingenieursbijdragen op het vlak van o fundamenteel onderzoek (inzichten)

o medische technologie (toepassing/implementatie) • Synergie ingenieur/arts – machine/mens

• Slimme instrumenten, intuïtieve controle

• The future is smart and small