23 juli 2024
Door de samenwerking met Brainport voor Elkaar kunnen we uitdagingen eerder tackelen
- Brainport voor elkaar
Ondernemen & innoveren
Door onze unieke hightech competenties en de krachtige samenwerking tussen bedrijfsleven, onderwijs- en kennisinstellingen en overheden is Brainport Eindhoven uitgegroeid tot een economische kernregio. Samen realiseren we innovaties voor de maatschappelijke vraagstukken van vandaag en morgen.
Ondernemen & Innoveren 
Sluiten
Sluiten
Fotoakoestiek als toevoeging op de prestaties van echo, MRI en röntgen: holy grail van de vaatchi-rurgie?
Zien wat er onder je huid gebeurt, met je organen, slagaderen. Dat doen we met onder meer röntgen, een MRI-scan en een echo. Aan alle drie kleven nadelen: lange opnametijd, onveilig, duur of juist beperkt in wat er te zien is. De onderzoeksgroep van Richard Lopata zoekt naar een beeldvormende technologie waarmee op een veilige manier te zien is wat er zich onder de huid bevindt. Als het lukt, heeft hij misschien wel de ‘holy grail’ van vaatchirurgie in handen.
De halsslagader zorgt voor de bloedtoevoer naar onze hersenen. Vetophoping in de bloedvaten kan ervoor zorgen dat een bloedvat vernauwt. Die vetophoping ontstaat door bijvoorbeeld veroudering, leefstijl of een verhoogd cholesterol. Zo’n vernauwing heet ‘plaquevorming’ en het kan gevaarlijk zijn. “Kan”, benadrukt Lopata, universitair hoofddocent en vakgroepleider Photoacoustics & Ultrasound Laboratory Eindhoven. “Er ontstaat een knobbeltje. Dat hoeft niet erg te zijn. Zolang er genoeg bloed je brein instroomt, is er niets aan de hand. Je hebt immers twee halsslagaders. Ze mogen alle twee een beetje dicht zitten.”
Bloedprop
Anders wordt het als die zogenoemde plaque een kwetsbare is. “Ik vergelijk het met een puistje. Geen harde knobbel, maar een puistje dat kan scheuren als je een keer je nek uitrekt, schrikt of valt.” Eenmaal gescheurd, komt de inhoud van die plaque, veelal een vetophoping, in de bloedbaan. “Jouw bloedplaatjes zeggen dan: ‘Ho wacht even dat hoort hier niet thuis’, en die klonteren opeen. Zo ontstaat er een bloedprop. Dat gaat heel snel en ondertussen gaat het je brein in en kun je dus een herseninfarct krijgen. Geen hersenbloeding, maar een infarct, een tia.”
In Nederland krijgen patiënten met een vernauwing van 70 procent of meer, standaard een operatie. Dan haalt een chirurg de binnenste laag van de vaatwand weg. “Ze leggen dan de doorbloeding van jouw brein aan een kant stil. Het is een gevaarlijke ingreep met een soms lange revalidatie.” Niet alle operaties zijn nodig. Zo blijkt achteraf dat 1 op de 6 plaques mogelijk een kwetsbare, en dus zieke, plaque was, zegt Lopata. “En statistisch gezien moet je 21 patiënten opereren om één infarct te voorkomen.”
Beeldvormende technieken
Die vernauwing is met de huidige beeldvormende technieken - röntgen, magnetische radiogolven en echografie - te visualiseren. Een röntgenfoto of CT-scan maakt het verschil in doorlaatbaarheid van de weefsels in het lichaam zichtbaar. Botten worden wit omdat die weinig straling doorlaten. Door gradaties in grijstinten zijn botten, spieren en organen te onderscheiden. “Maar bij een CT heb je te maken met straling. Wat weer gevaarlijk kan zijn voor de gezondheid.”
Magneetvelden en radiogolven maken bij een MRI-scan een afbeelding van het lichaam. Een MRI-scan heeft, net als een CT-scan, als voordeel dat het heel het lichaam in beeld kan brengen. Ook hierbij duiden grijstinten de verschillende weefsels in het lichaam. Nadelen zijn dat het lang duurt om een MRI-scan te maken en het veel geld kost.
Echografie werkt met hoge geluidstonen die niet te horen zijn. De weerkaatsing van het geluid maakt onderscheid tussen hard en zacht weefsel. Die geluidsgolven zijn onschadelijk en de apparatuur is relatief goedkoop, zegt Lopata. “Het is de enige techniek die direct filmpjes van het bewegende hart of de foetus in de baarmoeder kan laten zien. Omdat het zo ongevaarlijk is, mag je het veelvuldig toepassen. Zelfs bij ongeboren kinderen, de meest kwetsbaren onder ons.”
Licht en geluid
Lopata werkt met nieuwe beeldvormende technieken. Samen met mede-onderzoeker Min Wu combineert hij geluid - echografie - en licht: fotoakoestiek. “Fotoakoestiek wordt nu vaak toegepast voor fundamenteel onderzoek. Je kunt er de meest fantastische plaatjes mee maken. Wat wij en een aantal andere groepen in de wereld proberen te doen is dit echt naar klinische beeldvorming te brengen. De combinatie geluid en licht biedt mogelijkheden om op een ongevaarlijke manier verschillend weefsel in het lichaam te onderscheiden.”
Licht bestaat uit fotonen en gedraagt zich als golven. “In het zichtbare spectrum noemen we die verschillende golflengtes ‘kleur’. Rood en blauw hebben een compleet andere golflengte. Stel dat de lever, en dit is geen realistisch voorbeeld, heel goed rood licht absorbeert en de nieren groen licht. Als ik dan korte pulsjes licht uitzend met een golflengte die dicht bij rood zit, dan zullen de moleculen die in de lever zitten zeggen: ‘Ah, dat is roodlicht, lekker, kom maar.’ Ze nemen die energie op. Dan warmt het weefsel een klein beetje op.”
Schokgolfjes
Als het weefsel opwarmt, zet het uit, gaat Lopata verder. “Daarom moet het een knipperlicht zijn. Hele korte pulsjes die dat weefsel een klein beetje opwarmen wat vervolgens, als het licht weg is, weer afkoelt. Het klapt dan in. Er komt een klein schokgolfje, een ultrasoon geluidsgolfje. Onhoorbaar maar te vergelijken met een klap in de handen.”
Dat kleine geluidsgolfje creëert genoeg verschil in druk, dat het met een sensor, net zoals bij echografie, is op te vangen. “Je merkt daar zelf helemaal niets van. Met onze toepassing kun je het optische contrast tussen weefsels afbeelden met de resolutie van van een echo. Dat zou kunnen betekenen dat we van buiten af kunnen zien wat er in de plaque zit. Of vernauwingen in de kransslagaders van het hart duiden.”
Er is wel een probleem. “Al die geluidsgolfjes lopen door elkaar heen.” Dat gebeurt ook als je vooraan op een festival staat, tussen twee grote torens met speakers in. “Als je dan van links naar rechts over het veld loopt dan hoor je dat geluid af en toe harder en zachter worden. Dat fenomeen zie je met de geluidsgolfjes in het lichaam ook. Daardoor krijg je een soort korrelpatroon in beeld. Het maakt dat contrast slechter.”
Catharina Ziekenhuis
Ook verlies je, doordat je door de huid moet schijnen, aan licht. De onderzoeksgroep van Lopata ontwikkelde samen met bedrijven en het Catharina Ziekenhuis in Eindhoven een speciale echokop, een zogenoemde probe. “Die probe kun aan een echoapparaat klikken. Je zet de scanner van ultrasound naar fotoakoestiek en dan straalt die probe lichtpulsen uit en ontvangt hij ultrasoundsignalen.”
Omdat het licht ontstaat met een laser, is er een laserveilige omgeving nodig. Sommige operatiekamers en poli-ruimtes van een ziekenhuis zijn daarvoor geschikt. Lopata draaide samen met mede-onderzoeker en vaatchirurg Marc van Sambeek een kleine pilot in het Catharina Ziekenhuis bij patiënten die geopereerd zouden worden aan hun halsslagader. Nadat de patiënten ermee instemden werden er voor de operatie twee scans gemaakt. Een met fotoakoestiek en een met echo.
Ook tijdens de operatie werd er een scan gemaakt. “Dan ligt die hals al open en is er geen tussenlaag.” De onderzoekers kregen na de operatie de verwijderde plaque mee. “Uiteraard ook weer met toestemming van de patiënt.” Vervolgens werd van die plaque een nieuwe fotoakoestiek opname gemaakt, in het lab van de TU/e. Daar staat hetzelfde systeem als in het Catharina Ziekenhuis. “Dat beeld is puur voor de validatie. Daarna ging het naar de histologielaboranten, de weefselexperts van de TU, en die maakten er mooie anatomische beelden van om te kijken wat er nou eigenlijk in de vernauwing zat.”
Op de beelden van Lopata’s onderzoeksteam waren bloeduitstortingen te onderscheiden. “Op een gewone echo zie je een plaque. Al dan niet vernauwd, de rest is korreling grijs. Bij fotoakoestiek zie je een optisch contrast. Een bloeduitstorting absorbeert een bepaalde kleur licht wel en zijn omgeving niet. Wij hebben onderzocht bij welke golflengte een bloeduitstorting oplicht.”
Nog niet af
Het onderzoek is nog lang niet klaar, zegt Lopata. Twee onderzoeksgroepen uit Duitsland en Zwitserland werken aan een techniek op de computer waarbij het ruisniveau omlaag gaat. Zodat er ook signalen door de huid heen opgevangen kunnen worden. “Die penetratiediepte is bij fotoakoestiek echt een probleem. Bij echo kun je tot, laten we zeggen 15 tot 20 centimeter komen. Bij fotoakoestiek was het altijd tot maximaal één centimeter.” De probe haalt nu zo’n 2,5 centimeter. “Dat is voor fotoakoestiek van een halsslagader of straks van een beenslagader genoeg.”
In het lab zijn met een grote laser ontelbare golflengtes te creëren. “Zo kun je uitproberen hoe je het beste de samenstelling van het weefsel af kunt beelden. Daarna moet je specifieker de kleuren kiezen. Het valt dan eigenlijk zelfs compleet te integreren in een normale echokop, zoals we met het Catharina Ziekenhuis hebben gedaan. Ons onderzoek naar fotoakoestiek en echografie is enorm uitdagend. Het is niet makkelijk en echt zeker niet volgende week af. Maar de mogelijkheden zijn enorm.”