Opinion please – Nobel endeavors

At first glance it seemed as if this year’s Nobel Prize in Physics was rather surprisingly awarded to two quite different types of research. Charles Kao received half the prize for being the first to figure out that it is possible to send light through glass fibers along very long distances. It was his work that led to the birth of fiber optics, and on to the present day widespread use of glass fiber for communication networks.

The other half of the Nobel Prize in Physics went to Willard Boyle and George Smith, for their development of CCD sensors. This technique allows light – in the form of photons – to be converted to electrical signals. CCD chips have previously been used in night vision cameras, astrophysics, and various other areas, but nowadays they enjoy even more widespread use, as CCD chips are a key component in digital cameras.

Professor Huub Salemink, head of the photronic devices group at TU Delft’s Faculty of Applied Sciences, does however see a link between the two prize-winning research areas: “They both have to do with using light, or photons. Moreover, it’s not the first time that a Nobel Prize has been awarded to two seemingly very different techniques, so this isn’t all that special. For instance, back in 1986 the Nobel Prize in Physics was awarded for microscopy, but to two completely different types of microscopy: the electron microscope and the scanning tunneling microscope.”

Salemink is very pleased with the subjects of this year’s award: “The field of optics hasn’t received a lot of attention recently; that is to say, it hasn’t been the subject of the Nobel Prizes in recent years, so I’m delighted with this recognition. And I think it’s nice that this year’s prize goes to research that’s not just fundamental science but also has a lot of relevance to society. There has been some debate about Nobel Prizes mostly going to fundamental research, not applied research. I think Kao’s proposition for the use of glass fiber has been truly pioneering work for communication as we know it today.”

Salemink was however somewhat surprised that the prize was co-awarded to CCD:  “But it’s also well deserved, if you look at all that CCD technology has meant for our society.”      

The Nobel Prize in Medicine this year was awarded to Elizabeth Blackburn, Carol Greider and Jack Szostak, for their research on telomeres and the enzyme telomerase, both of which play an important role in the ageing of cells. “It has long been expected that Elizabeth Blackburn would receive this prize,” says professor Cees Dekker, of the Kavli Institute of Nanoscience. “Telomeres and telomerase are both very important in fundamental cell biology, as well as in medicine. And they are still an important focus of research, also in our group.”

Kijkoperaties of minimaal invasieve ingrepen zijn voordelig voor de patiënt, maar lastig voor de chirurg. Wie zijn galblaas via een kijkoperatie laat verwijderen houdt daar slechts een paar littekens aan over van minder dan een centimeter groot. De kans op infectie is kleiner en het herstel gaat over het algemeen sneller dan bij een ‘open’ operatie, doordat slechts kleine gaten in de buikwand gemaakt worden waar tangen en endoscoop doorgevoerd worden, evenals een slang waarmee de buikholte met CO2 een beetje wordt opgeblazen om voldoende ruimte te maken voor de operatie. Maar voor de chirurg is het lastig opereren in de buikholte. Wie voor het eerst achter een
oefenopstelling staat en bijvoorbeeld probeert kraaltjes uit een bakje op een rooster te leggen – nog een van de eenvoudiger oefeningen – voelt zich als iemand die met bokshandschoenen aan een draad door een naald moet krijgen: klunzig. Vooral het gebrek aan diepte in het videobeeld is voor een beginnende operateur lastig. Ze bekwamen zich door te oefenen met een mechanische oefenbak (een ‘box’) of in de virtuele werkelijkheid met een geschikt computerprogramma. De TU ontwikkelde daarvoor in 2005 de VR-trainer ‘Simendo’.
“Assistenten die oefenen moeten beoordeeld worden”, vindt prof.dr. Jenny Dankelman van biomechanical engineering (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen). “Anders neemt de motivatie al snel af.” Tot nu toe was beoordeling van taken wel mogelijk bij een Simendo-achtig systeem, maar niet met de ‘box’, terwijl de mechanische oefenset wel het voordeel heeft van realistische krachtbeleving. Afgelopen week promoveerde dr.ir. Magda Chmarra op een systeem dat beoordeling van endoscopische operaties ook mogelijk maakt op een mechanische oefenset: het Trendo Tracking-systeem.
De kern van Trendo bestaat uit een gyroscoopachtige constructie waardoor een lang laparoscopisch werktuig is gestoken. De Trendo registreert de bewegingen van het doorgevoerde instrument in vier bewegingsrichtingen: insteken/uittrekken, op/neer, links/rechts en draaiing van het instrument om de lengteas. De manier waarop Chmarra dat doet is even slim als simpel: met drie optische sensoren van computermuizen. De gevoeligheid van de sensoren bedraagt 0,06 millimeter. Dat betekent een minimale gevoeligheid van 1,27 graad voor de rotatie om de as en 0,23 graad voor de rotatie van het instrument om een scharnierpunt.
Een trainingsbox in het zogenaamde skillslab van het Leids Universitair Medisch Centrum is met twee prototype trackers uitgerust. De afdeling gynaecologie daar, onder leiding van co-promotor dr. Frank Willem Jansen (secretaris van de Nederlandse Vereniging voor Endoscopische Chirurgie), is actief betrokken bij verbetering van de laparoscopische praktijk. Chmarra nodigde mensen van verschillende niveaus uit om verschillende tests af te leggen op de oefenset. Zo moesten ze een pijpenrager door een stel schroefoogjes rijgen of een elastiekje om een aantal uitsteeksels leggen. Tien experts legden de proeven af, tien arts-assistenten met tien tot honderd operaties op het cv en tien beginnelingen. Chmarra wilde zien of je uit de bewegingen iemands ervaringsniveau kon aflezen. In driekwart van de gevallen bleek dat het geval.
Bepaalde bewegingen blijken kenmerkend voor ervaring. Als iemand bijvoorbeeld het instrument van A naar B beweegt, gebeurt dat meestal niet via een rechte lijn. In plaats daarvan trekt een operateur het instrument een stukje terug, en beweegt het dan schuin naar voren. Experts maken die beweging vrij vloeiend, maar beginnelingen zoeken aarzelend hun weg en leggen daardoor een veel grotere afstand af. De afgelegde padlengte is daarom een goede indicator voor de ervaring, evenals een korte tijdsduur waarin een opdracht wordt uitgevoerd.
In de toekomst zou de Trendo de basis kunnen vormen voor een automatisch systeem dat arts-assistenten beoordeelt op hun motorische kunnen. Dankelman overweegt de productie van een kleine serie om ervaring mee op te doen, zeker nu het VU Medisch Centrum ook belangstelling heeft getoond. Ook is het de bedoeling om de Trendo uit te breiden met krachtmeting. Daar gaat een volgende promovendus nu mee aan de slag.

Magdalena K. Chmarra: ‘Trendo Tracking System – Motion Analysis in Minimally Invasive Surgery’ – promotie 12 januari 2009.