Door het verbeteren van fysische beeldvormende technieken als MRI, CT, PET, SPECT en ultrasound en deze te combineren wordt anatomische en functionele informatie geëxtraheerd ten behoeve van een betere diagnose. Vroege en gedifferentieerde diagnose maakt de behandelingen vervolgens effectiever en veiliger. Moderne beeldverwerkingtechnieken brengen niet alleen organen en hun werking gedetailleerd in beeld, maar tonen door het kwantificeren van anatomische structuren en functie ook een eventueel disfunctioneren aan.

Technieken voor het zichtbaar maken van individuele, levende cellen en zelfs moleculen in die cellen toont de mechanismen achter het ontstaan van ziekten aan. Zoekstoffen die zich hechten aan tumorcellen maken deze beter zichtbaar. De chirurg weet nu precies waar hij moet opereren. Daarnaast ondersteunen beeldverwerkingtechnieken chirurgen daadwerkelijk bij het opereren. Met minuscule camera's wordt het operatieve gebied extreem nauwkeurig in beeld gebracht.

Charl Botha is universitair docent medische visualisatie op de afdeling Mediamatica van de TU Delft en is daarnaast aangesteld bij de afdeling Radiologie van het LUMC. “Eenvoudig gezegd,” aldus dr. Botha, “draait het bij medische visualisatie allemaal om het omzetten van grote en complexe sets met medische gegevens naar visuele weergaven, die onderzoekers en klinisch specialisten helpen om de gegevens beter te begrijpen. Het uiteindelijke doel is om uit deze gegevens kennis en nieuwe inzichten te vergaren, die anders verborgen zouden blijven.”

Bij vrijwel alle onderzoeksprojecten die door dr. Botha en zijn collega’s worden uitgevoerd, wordt samengewerkt met klinische partners. “Wij beoordelen problemen soms vanuit een puur technisch perspectief,” zegt hij, “maar over het algemeen is er altijd een klinisch specialist of medisch onderzoeker bij betrokken.” Samen ontwikkelen zij nieuwe technieken voor preoperatieve planning en intra-operatieve begeleiding (zoals schoudervervangingsoperaties), klinische diagnose (bijvoorbeeld vaststellen van poliepen via virtuele colonoscopie), en medisch onderzoek zoals het gebruik van de beeldvormende diffusietensortechniek, waarbij neurale verbindingen in de hersenen worden gevisualiseerd. 

Wij beoordelen problemen soms vanuit een puur technisch perspectief.

Dr. Botha

Verbetering van schoudervervangingsoperaties

Een van de onderzoekslijnen waar al veel in is bereikt is het onderzoek naar schoudervervangingsoperaties. Een operatie waarbij gedeelten van gewrichten die aangetast zijn door artritis worden vervangen door kunstmatige componenten, helpt vaak tegen de pijn. Dergelijke operaties brengen echter vaak complicaties met zich mee die de beweeglijkheid van gewrichten beperken of zelfs verslechteren. De onderzoekers hebben een preoperatief planningsysteem ontwikkeld voor het vervangen van choudergewrichten, waardoor chirurgen dergelijke complicaties kunnen voorkomen. Het systeem maakt gebruik van een automatische planningsfunctionaliteit, gebaseerd op berekeningen van kenmerkende oriëntatiepunten op patiëntspecifieke oppervlaktemodellen die voortkomen uit gegevens van CT-scans. Aan de hand van een intra-operatief begeleidingssysteem kan de chirurg de ingreep uitvoeren in overeenstemming met het preoperatieve plan.

Inmiddels is LUMC-onderzoeker Peter Krekel op dit onderzoek gepromoveerd en gaat hij met het spinoff-bedrijf Clinical Graphics het pre-operatieve planningssysteem Articulis vermarkten. Met het systeem kan de chirurg een operatieplan opstellen en een simulatie uitvoeren van de te verwachten bewegingsvrijheid van het gewricht. Orthopedisch chirurgen hebben hierdoor een goede basis voor het maken van operatiebeslissingen.

Daarnaast gaan in een recent gehonoreerd STW project Dr. Botha, Dr. Edward Valstar (LUMC Orthopaedie en TUD Biomechanische technologie) en Prof. Rob Nelissen (LUMC Orthopaedie) samen met twee promovendi uitzoeken hoe de geleiding van schoudervervangingsoperaties gedaan kan worden met patiënt-specifieke instrumenten, waar de instrumenten voor iedere patiënt automatisch geconfigureerd worden op basis van de pre-operatieve planning. Op deze manier hoeft er in de operatiekamer geen duur en tijdsintensief tracking-systeem aanwezig te zijn. De instrumenten maken het mogelijk om computers voor de planning te gebruiken en helpen om een succesvolle uitkomst van de operatie te verzekeren.

Toekomstige uitdagingen

“De grootste uitdaging waar wij mee te maken hebben is de stortvloed aan gegevens die onze klinische partners aanleveren,” zegt dr. Botha. “De scantechnologie ontwikkelt zich in razend tempo, de vragen die wij voorgelegd krijgen worden steeds complexer en wij moeten nieuwe methoden zien te vinden voor visuele gegevensanalyse. Wij worden steeds vaker geconfronteerd met medische langetermijnonderzoeken waarbij van een veelvoud aan patiënten op een veelvoud aan tijdstippen grote hoeveelheden multimodale gegevens worden verzameld.

Medisch onderzoekers willen graag bepalen welke mogelijkheden er zijn om, op basis van beelden, het begin en verloop van ziektes te voorspellen en te beschrijven. Wij ontwikkelen technieken waarmee de verzamelde gegevens kunnen worden omgezet naar effectieve visuele weergaven.

Die kunnen vervolgens door onderzoekers worden beoordeeld en worden gebruikt voor directer onderzoek naar relevante kenmerken en gebeurtenissen. Doordat het geheel aan gegevens in beeld wordt gebracht, zullen ze in staat zijn om van alle patiënten op alle tijdstippen belangrijke patronen te ‘zien’.

Lucas van Vliet is hoofd van de onderzoeksgroep Quantitative Imaging (QI) van de afdeling Imaging Science & Technology. “Wij creëren nieuwe oplossingen voor biomedische beeldvorming van molecuul tot mens”, legt Van Vliet uit. “Wij ontwikkelen algoritmen voor beeldverwerking, -analyse, -reconstructie en -herkenning.” Dit onderzoek draagt bij aan de verbetering van de gezondheidszorg, aldus de toelichting van Van Vliet.

Het schept nieuwe mogelijkheden voor het visualiseren en analyseren van gegevens die worden gegenereerd met behulp van medische beeldvormende technieken, zoals röntgenfotografie, CT, echografie en MRI. Van Vliet: “De kwantitatieve informatie die daaruit voortkomt, kan worden gebruikt voor vroege diagnose en voor het monitoren van het ziekteverloop en de behandeling.” 

Nieuwe oplossingen voor biomedische beeldvorming van molecuul tot mens.

― Prof.dr.ir. L.J. van Vliet

Darmkanker

Een van de doelen van het onderzoek is het ontwikkelen van minder invasieve screeningmethodes, zoals virtuele colonoscopie. Bij deze technologie kunnen poliepen, die als voorlopers van darmkanker worden beschouwd, worden herkend op grond van 3D CT-beelden. “Momenteel moet bij patiënten een colonoscopie worden uitgevoerd,” aldus Van Vliet “een behandeling die voor de patiënt met ongemak gepaard gaat, zoals het gebruik van laxerende middelen. Velen vinden het onderzoek ook gênant.

Bovendien is het een pijnlijk onderzoek dat een aantal risico’s heeft. Bij een CT-scan van het abdomen zijn de voorbereidingen echter minder belastend: een vezelarm dieet en het drinken van contrastvloeistof. Door deze patiëntvriendelijke benadering is de patiënt eerder bereid om aan onderzoeken mee te werken, wat de kans vergroot dat darmkanker vroeg kan worden vastgesteld of voorkomen. Patiënten zullen immers eerder instemmen met screening.”

Hart in 3D

Aandoeningen van het cardiovasculair systeem behoren tot de hoofdoorzaken van sterfte in de Westerse wereld. Met het project ‘Hart in 3D’ wordt gestreefd naar het in elkaar schuiven van de informatie van verschillende beeldvormende technieken (MRI, CT, CTA, PET, echografie), om zo te komen tot persoonsgericht ziektemanagement.

“Als CT-angiografieën van de kransslagaderen worden gecombineerd met MRI-scans van het myocardium, kunnen 3D-modellen worden opgezet die een geïntegreerde analyse mogelijk maken,” aldus Van Vliet. “Zo kan bijvoorbeeld de relatie worden onderzocht tussen de hartslagaders en de werking van de hartspier. Dit leidt uiteindelijk tot een betere diagnose en behandeling van bijvoorbeeld atherosclerose.”

Toekomstige uitdagingen

Voorkomen is beter dan genezen, aldus het oude gezegde. Dit geldt in het bijzonder bij een vergrijzende populatie en is zowel vanuit menselijk als economisch oogpunt van belang. “Wij proberen risicoprofielen af te leiden uit bestaande gegevens van onderzoeken onder grote populaties.

Door deze gegevens te vergelijken kunnen wij patronen ontdekken, de zogenaamde biomarkers, en daarmee normale leeftijdsgerelateerde ontwikkelingen onderscheiden van ziektegerelateerde veranderingen,” vertelt Van Vliet. Een technologie die wordt gebruikt voor het zoeken naar neurologische aandoeningen is diffusietensor-MRI (DTI).

DTI stelt ons in staat om informatie te verkrijgen over veranderingen in de witte stof in de hersenen als gevolg van normale ouderdomsprocessen of van aandoeningen zoals schizofrenie, ALS en Alzheimer. “Over het algemeen wordt de behandeling van een ziekte vergemakkelijkt en verloopt hij milder als hij vroeg wordt vastgesteld. Bovendien heeft de behandeling vaak meer effect, wat ook weer een kostenbesparing met zich meebrengt.” 

Het team van Freek Beekman ontwikkelt verbeterde beeldvormende systemen op basis van straling, zoals SPECT (single photon emission computed tomography, computertomografie met behulp van straling van enkelvoudige fotonen), PET en röntgen-CT, zowel afzonderlijk als in combinaties (hybride systemen). “We proberen afbeeldingen op allerlei manieren te verbeteren,” legt Beekman uit, “bijvoorbeeld door middel van verbeterde detectortechnologie, een slimmere systeemopzet, timinginformatie en speciale lenzen, die collimatoren heten. Voor al deze apparatuur is beeldreconstructie een kerngegeven. Daarbij wordt een aantal projectieaanzichten gebruikt voor de reconstructie van volumeopnames, 3D-stacks van doorsnedebeelden van het lichaam.”

Bij andere, hiermee samenhangende onderzoeken van de sectie Radiation, Detection and Medical Imaging wordt gekeken naar detectortechnologie en lichtgevende materialen. Binnen het detectorprogramma worden innovatieve sensoren ontwikkeld op basis van scintillatie voor (time-of-flight/TOF)-PET en hogeresolutie-SPECT. Het materiaalprogramma, dat wordt geleid door Pieter Dorenbos, richt zich onder andere op de ontwikkeling van nieuwe materialen voor het detecteren van ioniserende straling. Deze nieuwe materialen ('scintillatoren') met een hogere dichtheid, een hogere lichtopbrengst of een snellere responstijd, kunnen worden gebruikt voor vernieuwende CT-, SPECT- en PET-apparatuur.

We proberen afbeeldingen op allerlei manieren te verbeteren.

― Prof.dr. F.J. Beekman

Een ‘Hubble-telescoop’ voor medisch specialisten

Vergeleken met de nieuwste apparatuur die momenteel door de onderzoeksgroep van Beekman wordt ontwikkeld, hebben de SPECT-systemen die momenteel in medische centra worden gebruikt een heel lage ruimtelijke resolutie. “Onze U-SPECT-scanner is een eigenlijk een soort ‘Hubble-telescoop’ voor biologen die basaal onderzoek doen naar de verdeling van moleculen binnen lichaamsweefsels. Nu staan wij voor de spannende uitdaging om voor klinische beeldvormende technieken dezelfde hoge resolutie te realiseren. We hebben aangetoond waartoe deze machines bij kleine dieren in staat zijn.

Ze worden wereldwijd ingezet voor het bepalen van het ideale tracermolecuul dat in combinatie met een therapeutisch isotoop of een ander medicijn kan worden gebruikt voor het behandelen van een tumor. Er zijn binnen de nucleaire geneeskunde al voorbeelden te noemen van combinaties van tracers en isotopen die bij mensen tot dezelfde resultaten in staat zijn.” Door het toekomstige gebruik van U-SPECT bij mensen, ontstaan mogelijkheden voor een veel effectievere diagnose en behandeling, zonder de nadelen van chirurgische ingrepen en andere traditionele behandelingen.

U-SPECT

Beekman en zijn team aan de TU Delft ontwikkelen nu nieuwe collimatie-, reconstructie- en detectortechnologie voor de verdere verbetering van de door hen ontwikkelde U-SPECT-scanner (ultrahogeresolutie-SPECT-scanner). De tracer- en behandelmoleculen zijn reeds lang geleden ontwikkeld met behulp van PET-scanners, en recenter SPECT-scanners, en via tests bij laboratoriumknaagdieren. Bij scans door middel van U-SPECT ontstaan afbeeldingen met een veel hogere resolutie en daarmee grotere kwantitatieve nauwkeurigheid dan bij PET-scans van kleine dieren.

Hiermee kan voor onderdelen van organen of kleine gedeelten van tumoren bij muizen en ratten worden nagegaan hoe de accumulatie van geneesmiddelen en tracers verloopt. Een recentelijk ontwikkelde versie van het apparaat beschikt nu over een volledig geïntegreerde röntgen-CT-scanner met een hoge verwerkingscapaciteit en een lage dosering. Hiermee kunnen moleculen worden onderzocht op resolutieniveaus van minder dan een halve millimeter, en kunnen die moleculen met dezelfde nauwkeurigheid worden gelokaliseerd binnen de anatomische structuur.