Soms moet het leven gewoon even mee zitten: terwijl Richard Lopata op de middelbare school hevig twijfelde of hij nu arts wilde worden of meer met ‘echte techniek’ aan de slag wilde, was de wetenschappelijke wereld zo vriendelijk om een specialisme te scheppen dat precies in zijn straatje paste; ‘biomedische technologie’.
“Bij ons in Oosterhout kwamen mensen van de Technische Universiteit Eindhoven langs op de middelbare school om daarover te vertellen”, zegt Lopata. “Ze konden me natuur- en scheikunde bieden, maar wel binnen medische toepassingen. Dat was wat ik wilde. Want ik zag mezelf toch ook niet in een operatiekamer werken. Of ik wetenschapper wilde worden, wist ik toen niet, ik wilde gewoon graag die opleiding doen — terwijl het niet duidelijk was wat je precies met die studie kon. Ze hadden alleen nog maar eerstejaars. Maar ze wisten dat er vraag was naar mensen die weten dat je een technisch hoogstandje niet zomaar in een mens kunt toepassen.”
“Kinderen worden vaker dan je denkt geboren met een hartafwijking.”
Het hoogstandje dat Lopata uiteindelijk aan de Radboud Universiteit Nijmegen de doctorstitel opleverde, hield in dat hij een betere manier ontdekte om met ultrageluid in het lichaam te kijken en daar na te gaan hoe het gesteld is met bewegende weefsels, zoals het hart, andere spieren en bloedvaten. Dankzij die techniek kun je bijvoorbeeld de gezondheid controleren van de hartspier van een jong kind.
Veranderende spier
“Kinderen worden vaker dan je denkt geboren met een hartafwijking. Dat is niet altijd te zien aan het kind. In sommige gevallen gaat het om aortastenose: de aorta is dan vernauwd, en het hart moet harder werken om het bloed erdoor te krijgen. In principe kan het lichaam daar goed voor compenseren, de hartspier gaat zichzelf versterken, hij wordt dikker. Dat hebben sprinters ook – als die aftrainen, dan verdwijnt dat weer.
“Het probleem is dat als het hart moet blijven verdikken, het proces misgaat; dat heet fibrotisering (‘verbindweefseling’). Er ontstaat weefsel dat geen spierweefsel is, maar bindweefsel. Dat heeft geen functie, en dus wordt het hart zwakker, in een proces dat totaal onomkeerbaar is. Je zou het kunnen vergelijken met een voortdurende serie heel kleine, lokale hartaanvalletjes. Wat je wilt, is het punt in de tijd bepalen dat het fout gaat. Je wilt net voor dat punt ingrijpen. Je kunt het namelijk met een operatie verhelpen, maar zeker met jonge kinderen is dat riskant.
Hartafwijking in beeld
“Voor die monitoring zijn CT-scans geen optie, want die gaan gepaard met een hoge belasting aan röntgenstraling. Een MRI-scan zou goed kunnen, maar dat vereist dat zo’n kind drie kwartier stil moet liggen.” Lachend: “Kijk, dat is nou zo’n biomedisch/technische randvoorwaarde die niet op te lossen is! En dan kom je dus bij ultrageluid.”
Ultrageluid is geluid met een hele hoge frequentie: zo hoog dat het niet te horen is door het menselijk oor. Sommige dieren horen het wel. De vleermuis produceert zelfs dit type geluid, om zich ermee te oriënteren en prooien te vangen.
“Ultrageluid is ideaal: je kunt in de tijd een mooie resolutie krijgen, van 20 tot 200 beelden per hartslag, de resolutie in de ruimte is ook goed, en het kan tegenwoordig in drie dimensies. In 2004, toen ik startte, kwamen net de eerste 3D-systemen op de markt. En dat heb je wel nodig, want het hart heeft natuurlijk een complexe structuur, en bovendien is ook de beweging en vervorming ervan in elke richting weer totaal anders.”
Stapje voor stapje
De apparatuur was er dus al, maar de beelden die artsen voorgeschoteld kregen, bevatten maar een deel van de informatie die met de geluidsgolven mee uit de patiënt komt, wist Lopata.
De software in de machine kijkt naar de sterkte en de aankomsttijd van de geluidsreflecties. Maar wie dat wil, kan meer details over de geluidsgolven te weten komen, en daarmee meer informatie over waar die geluidsgolven zijn geweest. Geluid is een achtereenvolgende verdunning en verdichting van het medium waar het doorheen gaat. Komt bij een reflectie eerder een verdunning of een verdichting bij de detector aan? En hoe is precies het verloop van verdunning naar verdichting? Door die karakteristieken te meten kun je de verplaatsing en vervorming van weefsels in detail meten.
Het onderzoek werkte stapje voor stapje toe naar de toepassing bij mogelijk zieke kinderen — hoewel Lopata de fase met muizen maar oversloeg: “Dat deden onderzoekers al, met speciaal daarvoor gebouwde opstellingen, maar ik wilde meteen met de klinisch beschikbare machines aan de slag.”
“Eerst hebben we netjes aangetoond dat onze signaalverwerkingsalgoritmes grote verplaatsingen konden meten, en dat je beter met 3D-beelden kon werken dan met 2D. Daarna hebben we bij gezonde kinderen het hart bestudeerd, van allerlei leeftijden. En in een studie met honden die aortastenose kregen, konden we laten zien dat rekpatronen anders waren, heel lokaal in bepaalde stukjes spier. Na hun overlijden bleek dat daar inderdaad fibrotisch weefsel aanwezig was.”
Andere toepassingen
Lopata hoefde zich niet af te vragen of het onderwerp van zijn onderzoek wel in een behoefte voorzag. “Ik ben begonnen met het ontwikkelen van de technieken, je probeert dat uit op een hart, maar ondertussen werd het heel druk aan mijn bureau!”
“Daar zijn heel leuke dingen uitgekomen. Bij klinische neurofysiologie (onderzoek naar het zenuwstelsel) doen ze bijvoorbeeld krachtmetingen aan spieren; die neurofysiologen wilden weten of wij dan tegelijkertijd ook de vervorming in de spier konden meten. Dat was nog nooit gedaan! En het kon dus; bij zes ongelukkige collega’s hebben we dat uitgeprobeerd, we gaven ze elektrische schokjes op de biceps. Er is nu een aanvraag ingediend voor toepassing bij mensen met spierdystrofie. Dat is een zware, progressieve aantasting van de spiermassa. Wat we willen proberen, is of je al vroeg gebiedjes in de spier kunt aanwijzen waar dat begint.”
Een andere vraag kwam op het gebied van orthodontie (hieronder vallen ook beugels): “Mensen met een hazenlip krijgen een reconstructie, dan zie je er bijna niets meer van. Maar vaak hebben ze wel een spraakgebrek. Komt dat dan door de reconstructie, is de kringspier rond de mond beschadigd? Wij konden 2D-vervormingsmetingen doen terwijl ze een soort kusbeweging maakten, gezonde jongeren en jongeren met een reconstructie. En we konden perfect gebieden met slecht functionerend spierweefsel aanwijzen. Op basis daarvan kan een arts dan een nieuwe operatie aanbieden.”
Toch weer ultrageluid
De geluidstechniek heeft Lopata na zijn promotie niet achter zich kunnen laten: “Ik ben nu weer terug in Eindhoven, als postdoc. In eerste instantie zou ik onderzoek doen naar het maken van CT-scans van patiënten met een verwijding in een buikslagader: een aneurysma. Maar ja, toen ik daar eenmaal kwam, zag ik een ultrasoundscanner staan, en gaf ik er mijn eigen draai aan. Ik ging kijken of je met die techniek de groei van een aneurysma kunt voorspellen. Binnen een half jaar hadden we resultaat. Onlangs heb ik op basis daarvan een Veni-aanvraag bij NWO voor vernieuwend onderzoek toegewezen gekregen.”
Het promotieonderzoek van Richard Lopata is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van Technologiestichting STW.
Meer over techniek in de medische wereld op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/medische-techniek/medische-technologie/biomedische-techniek/biomedische-technologie/index.atom?m=of", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}
Lees de andere artikelen gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2011:
- Linda van den Bedem – ‘Een gevoelige operatierobot’
- Marlies Kampschreur – ‘Minder luchtvervuiling bij het zuiveren van water’
- Robin Ohm – ‘Hoe het waaiertje het licht ziet’
- Dorinde Kleinegris – ‘Kun je algen melken?’
- Eduardo Margallo Balbás – ‘Weefsel lezen met laserlicht’
- Simon Mathijssen – ‘Een zichzelf assemblerende transistor’
- Georgi Radulov – ‘Snel en flexibel van digitaal naar analoog’
- Alina Tarău – ‘Regeltechniek helpt koffers op weg’
- Yvonne Te Welcher – ‘De klein schimmeldoder’