dr.ir. Esther Leung

Technologiestichting STW

Een promotieplaats was dan ook al snel gevonden binnen het Erasmus MC, in het Thoraxcenter bij de afdeling Biomedische Technologie. Doel van het onderzoek was om met ultrasoon geluid driedimensionale (3D) video’s van het hart te maken. Deze echografische 3D-beeldvorming is pas sinds kort beschikbaar, en vervangt in snel tempo de tweedimensionale afbeeldingen. Het onderzoek sloot direct aan bij Leungs afstudeerproject. Dat gaf haar veel voordelen: “Bij de afbeeldingen met ultrasoon geluid is het niet alleen een kwestie van theorie, je moet echt een gevoel krijgen voor hoe je de beelden moet interpreteren. Bovendien had ik al geleerd dat je in een ziekenhuis niet zomaar in het wilde weg nieuwe methodes kunt ontwikkelen, maar dat je apparaten ontwikkelt die in de kliniek bruikbaar moeten zijn.”

Leung kon in haar eerste jaar meteen met de kern van het onderzoek beginnen: methodes bedenken om in de 3D-beelden anatomische doorsneden geautomatiseerd te identificeren, te kwantificeren en daarna te analyseren. Voor de patiënt is deze techniek minimaal belastend: hij hoeft er alleen de borst voor vrij te maken. Om hartstoringen op te kunnen sporen, wordt eerst een video gemaakt van het hart als de patiënt in rust is, daarna opnieuw als die zich inspant. Leung: “Je verwacht dat als er iets niet in orde is, er plaatselijk een gebrek aan zuurstof kan optreden. Dus door de videobeelden van het hart in rust te vergelijken met het hart in stress kun je nauwkeurig zien of er afwijkingen zijn.”

Driedimensionale hartopnames analyseren in de kliniek.

Technologiestichting STW

Kloppend hart

De eerste opgave was een fundamentele: software ontwikkelen die in de videobeelden automatisch de anatomische punten ontdekt, zoals het linker hartventrikel, de apex of de mitralisklep. Daar is contourdetectie voor nodig, en dat is een lastige opgave omdat de resolutie en het contrast van de videobeelden niet zo hoog is, er talloze verschillende hartafwijkingen en hartvormen mogelijk zijn, en er allerlei variaties kunnen zijn in de hoek waaronder de beelden worden opgenomen. Bovendien moeten de beelden met een zeer hoge snelheid geanalyseerd worden, om ze realtime, dus terwijl het hart klopt, te kunnen analyseren. Samen met een systeemprogrammeur lukte het om de algoritmes voor het bepalen van de oriëntatie van de beelden – verschuiving, rotatie, en schaling – binnen enkele seconden uit te laten rekenen.

Leung: “Toen de herkenning van de anatomische hoekpunten eenmaal werkte, en we het linker hartventrikel in de bewegende beelden konden identificeren, ging het erom, de wand van dit ventrikel te analyseren. Pas als je heel nauwkeurig kunt vaststellen hoe het weefsel beweegt, kun je mogelijke hartafwijkingen diagnosticeren. Maar het probleem is, dat de beelden veel te wazig zijn om die informatie uit de opnames te kunnen halen. Soms valt er een schaduw op de wand van het ventrikel waardoor hij helemaal niet meer zichtbaar is. Al doende leerde ik dat er in de beelden te weinig informatie beschikbaar is om de missende gegevens in te vullen. Op basis van alleen de opname kun je zonder voorkennis moeilijk zeggen of het bloed is of weefsel.”

Om de missende informatie in de videobeelden te kunnen invullen, moest Leung een model opstellen waarmee de computer zou kunnen berekenen hoe een hart zich normaal gesproken beweegt. Leung: “Je wilt dat zo’n expertsysteem van ieder punt in de ruimte kan zeggen tot welk anatomisch deel van het hart het behoort, en hoe het zich zal bewegen in de loop van de tijd. Samen met de artsen hier heb ik zo’n expertsysteem opgebouwd.”

Systeem om hartopnames te maken (l) en het ultrasoon apparaat klaarmaken voor gebruik (r ).

Technologiestichting STW

Complexe algoritmes

De grote uitdaging ontstond daarna: hoe kun je de videobeelden synchroniseren met de voorspellingen van het model? De techniek om model en beeldenstroom op elkaar af te stemmen nam het derde en vierde jaar in beslag. Leung moest er complexe beeldanalyse-algoritmes voor bedenken, die uit twee opeenvolgende beelden kunnen uitrekenen hoe een beeldelement in de tussentijd is verschoven, met welke snelheid, en hoe het mogelijk een andere oriëntatie heeft gekregen. Daarna moet die informatie met het model worden vergeleken.

Nadat de software was gerealiseerd, kon Leung het systeem testen met video-opnames van een honderdtal patiënten. “We werkten daarbij samen met een groot medisch bedrijf, en door heel veel slimme correcties in de software te maken, konden we uiteindelijk beeld en model goed op elkaar afstemmen.”

Inmiddels heeft Leung een vaste baan in het Thoraxcenter. “Ik werk nog steeds aan hartfilms, niet alleen van ultrasoon geluid, maar ook bijvoorbeeld van röntgenfilms. Ik ben nog steeds enorm gedreven: hart- en vaatziekten zijn een van de belangrijkste doodsoorzaken in de westerse wereld. Als je dan een systeem kunt maken dat objectieve gegevens over een hart kan leveren, dan is dat erg motiverend.”

Het promotieonderzoek van Esther Leung is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van de Technologiestichting STW.

Meer over ultrageluid op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/ultrageluid.atom", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}