Biomechanical Engineering viert vijftigste verjaardag
De afdeling Biomechanical Engineering viert in 2018 haar 50-jarig bestaan. Relatief jong, in een faculteit van meer dan 150 jaar oud, maar toch een feestelijk moment om bij stil te staan. Wat legde de basis voor Biomechanical Engineering, een van de zeven afdelingen van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE) van de TU Delft? Om de aandacht te vestigen op dit jubileum zijn in dit verhaal wat anekdotes uit de afgelopen vijftig jaar verzameld.
Voor sporters of mensen met lichamelijke beperkingen staat fysieke prestatie centraal. Een arts denkt en handelt vanuit de medische problematiek. De ingenieur en wetenschapper denkt vanuit de techniek, wil het probleem fundamenteel doorgronden en zoekt daar vervolgens een technische oplossing voor. Waar zij elkaar ontmoeten ontstaan bijzondere dingen. Van een insuline-injectiesysteem voor blinde diabetici tot een model van de doorbloeding van het hart en van de meetfiets tot de meetschaats voor (top-)sporters en een feedbacksysteem voor pitchtechniek in honkbal.
Als ‘ceremoniële datum’ voor de vijftigste verjaardag van Biomechanical Engineering is gekozen voor de promotie in december 1967 van professor Henk Stassen, een out-of-the-box denker die als een van de eersten met ingenieurstechnieken vernieuwingen tot stand wist te brengen in de medische praktijk.
Een bepalend moment in de ontstaansgeschiedenis van 
Biomechanical Engineering was de introductie van Thalidomide op de markt, in 1956. Thalidomide was de werkzame stof in wat bij ons bekend is als Softenon, bedoeld om misselijkheid en slapeloosheid bij zwangere vrouwen te bestrijden. Dit medicijn bleek geboortedefecten te veroorzaken; er werden kinderen geboren met misvormingen aan armen en benen. In Nederland werden 25 ‘softenonkinderen’ in de Maartenskliniek in Nijmegen behandeld met zg. ‘Heidelberg Protheses’. Slecht werkende pneumatisch aangedreven protheses die onbetrouwbaar waren en waarvan de gasflessen met CO2 te snel leeg waren. Een arts uit Nijmegen vroeg professor Boiten, hoofd van de afdeling Werktuigbouwkundige Meet- en Regeltechniek: “Jullie in Delft hebben verstand van meet- en regeltechniek en van pneumatiek, help ons”. Boiten zette de werkgroepen “instrumenten” en “mens machine interactie” aan het werk. Zo begon de bemoeienis van de werktuigbouwkunde in Delft met protheses en groeiden de eerste contacten met medische wereld.
In 1967 werd de werkgroep Orthesen Prothesen (de WOP) opgericht, een samenwerking tussen revalidatiecentrum De Hoogstraat in Leersum, de TU Delft en het medisch fysisch instituut van TNO. Hier werd het werk voor softenon patiënten uitgebreid, doorgezet en breder getrokken en werden krachten gebundeld om mensen met een fysieke beperking multidisciplinair te helpen. Dat gebeurt nog steeds, maar nu onder de naam Biomechatronics & Human-Machine Control.
Parallel aan het orthesen en prothesen onderzoek liep een iets frivolere, ook medisch georiënteerde onderzoekslijn. Vanuit de groepen meet- en regeltechniek en mens-machine systemen werd onderzoek gedaan naar de invloed van het gebruik van alcohol, geestverruimende middelen en medicijnen op fietsgedrag en op de stabiliteit van fiets en fietser. Dat kon in die tijd. In samenwerking met de Jelgersma kliniek Leiden werd in het lab Wodka toegediend aan proefpersonen op de fiets. Later zijn in diezelfde groep de eerste stappen gezet in de ontwikkeling van een lichtvlek bestuurde typemachine voor gehandicapten. De interactie met medische wereld bleef een bron van inspiratie.
En zo groeiden ‘bio’ en ‘mechanical engineering’ steeds meer naar elkaar toe.
Vanuit de klinische contacten kwam Henk Stassen in aanraking met de klinische problemen rond letsels aan de plexus brachialis, een knooppunt van zenuwen ongeveer ter hoogte van het sleutelbeen, die de arm “besturen”. Bij Plexusletsel fungeert vaak de arm niet meer goed maar de hand nog wel. Vanuit de overtuiging dat de behandeling beter kon startte hij een project gericht op de bouw van een expertsysteem voor vroege voorspelling van de functie-uitval na een ongeluk en de ontwikkeling van een biomechanisch model waarmee noodzakelijke operaties voorspeld konden worden. Dit eerste model is uitgegroeid tot het Delft Shoulder and Elbow model, dat wereldwijd gebruikt wordt en nog steeds als inspiratie dient voor nieuwe modellen van zowel de bovenste als de onderste ledematen.
Ook destijds worstelde het onderzoek al met het probleem: hoe financier je het onderzoek en waar haal je de mensen vandaan. In de jaren zeventig boden de erkende gewetensbezwaarden een oplossing; die kon je voor een redelijk bedrag inzetten via het ministerie van Sociale Zaken. In de Hoogstraat had Henk Stassen kennis gemaakt met Anne Vondeling, oud-minister van Financiën en prominent PvdA politicus. Anne Vondeling revalideerde in De Hoogstraat in Leersum na een ernstig auto-ongeluk. Hij heeft zich er sterk voor gemaakt dat een groot aantal gewetensbezwaarden voor niks aan de slag konden in de onderzoeksgroepen Mens-Machine Systemen en Instrumenten, bij wijze van vervangende dienstplicht. Veel van deze ‘gewetenlozen’, zoals ze genoemd werden, hebben de vakgroep nooit meer verlaten.
Het fietsonderzoek werd voortgezet, maar zonder alcohol en medicijnen, en niet medisch georiënteerd maar vanuit het perspectief van mens-machine interactie. Net als het “Supervisory Control” onderzoek dat midden jaren zeventig gestart werd. Mensen lanceren vanuit controlekamers satellieten of houden toezicht op grote nucleaire installaties. Hoe richt je een controlekamer slim in, hoe zorg je dat de mens adequaat reageert op waarschuwingssignalen? Dit onderzoek legde een basis voor de latere ontwikkeling van DORA, de Digital Operating Room Assistant. Van ruimtevaart naar operatiekamer en weer terug: het prothesen en orthesen onderzoek vormde het uitgangspunt voor “Manual Control” projecten, zoals het ontwikkelen, in samenwerking met de European Space Agency, van op afstand bestuurbare robotarmen in een ruimtestation.
Eind jaren zeventig startte een nieuw project: het modelleren van de doorbloeding van de hartspier vanuit meet- en regelkundig perspectief. Het model was gebaseerd op pure werktuigbouwkundige wiskunde, waarbij ook metingen verkregen tijdens hartchirurgie werden gebruikt . Vanuit die kennis en ervaring is in de jaren 90 het eerste lijntje naar de minimaal invasieve chirurgie gelegd.
In beide gevallen, zowel de modellering van de hartspier als de bemoeienis met chirurgie was de aanpak vanuit de techniek uniek en leidde tot vernieuwende resultaten. Rond 1997 is er een grote subsidie verworven in de vorm van het DIOC9-programma (DIOC = Delfts Interfacultair OnderzoeksCentrum). Met deze stimulans hebben onderzoekers het MISIT-lab (Minimally Invasive Surgery and Interventional Techniques) tot volle bloei laten komen. Bij het nadenken over technieken en het ontwerpen van gereedschappen laten de onderzoekers zich graag inspireren door de natuur: de oprolbare tong van een kameleon, de angel van een wesp, de bewegelijke arm van een octopus.
In de jaren negentig kwamen naast schouders, armen en handen ook benen in beeld. Een tweebenige looprobot zette zijn eerste stappen bij de afdeling Biomechanical Engineering. Een student mocht de robotbenen ontwerpen op voorwaarde dat deze niet elektronisch aangedreven werden. Dat lukte, door de benen van een subtiel heuveltje af te laten lopen. De kennis van het menselijk lichaam werd gebruikt om een robot te laten lopen. Vervolgens werd de kennis van robotbenen weer gebruikt om mensen met fysieke beperkingen te laten lopen met behulp van exoskeletten en andere vormen van technische loopondersteuning. Vanuit de opgebouwde kennis in alle verschillende disciplines binnen de afdeling groeide geleidelijk een grote sectie (bio-)robotica. Onlangs is dit robotica-deel samen met andere onderzoekslijnen op het gebied van robotica binnen de faculteit 3mE samengebracht in een nieuwe afdeling “Cognitive Robotics”.
Tweebenige looprobot
De onderzoekslijn Biomaterialen was ooit onderdeel van Technische Materiaalwetenschappen aan de TU Delft. Deze lijn paste niet meer goed in de onderzoekskoers van Materiaalwetenschappen, maar des te beter in die van Biomechanical Engineering. De adoptie was snel geregeld. In 2011 sloot de afdeling Biomaterialen aan bij Biomechanical Engineering. Biomaterialen zijn van groot belang bij de ontwikkeling van zowel medisch gereedschap als prothesen en implantaten. De mogelijkheden van 3D-printing voegen weer nieuwe dimensies toe aan dit onderzoek. Door biomaterialen met bijzondere eigenschappen te ontwikkelen die door middel van specifieke ‘triggers’ bijvoorbeeld kunnen uitvouwen, krimpen of buigen wordt gewerkt aan slimme implantaten voor de toekomst.
Het jarenlange onderzoek bood een solide basis voor het opstarten in 2004 van de master BioMedical Engineering. Een initiatief van Biomechanical Engineering, in samenwerking met Elektrotechniek, Technische Natuurkunde en Werktuigbouw. Ook hebben veel medewerkers, docenten en onderzoekers van Biomechanical Engineering aan de wieg gestaan van de in 2014 gestarte Bachelor Klinische Technologie en de in 2017 gestarte Master Technical Medicine, een samenwerking tussen de TU Delft, het Leiden Universitair Medisch Centrum (LUMC) en de Erasmus Universiteit Rotterdam (Erasmus MC). Je zou dit kunnen zien als de kroon op de jarenlange bijzondere en vruchtbare cross-over tussen technische en medische wetenschap.
Hoe onvolledig dit verhaal ook is, het laat zien hoe Biomechanical Engineering zich heeft ontwikkeld tot een veelzijdige en bloeiende vakgroep door diep in de materie te duiken en tegelijk open te staan voor vragen van buiten, voor samenwerking met andere vakgebieden, door te luisteren naar patiënten, sporters en medici en, in de geest van de ‘founding father’ Henk Stassen, steeds weer nieuwe wegen in te slaan.