Je leest:

Kijken in het hart

Kijken in het hart

Coert Metz’ computermodel voorspelt de werking van het hart in de tijd

Auteurs: en | 16 november 2012

Kun je kransslagaderverkalking beter behandelen als je de bewegende driedimensionale beelden van hartscans (die vóór een operatie van de patiënt worden gemaakt) kunt relateren aan de tweedimensionale röntgenbeelden van het hart die een arts tijdens een operatie ter beschikking heeft? Als het lukt om die twee soorten beelden te combineren, dan verbetert de kwaliteit van operaties en neemt de belasting voor de patiënt af.

Coen metz 045 web
Coert Metz.
Ivar Pel, Utrecht

Verkalking van de kransslagaders is wereldwijd een van de belangrijkste doodsoorzaken. Bij een behandeling van aderverkalking in het hart brengt de arts een katheter bij de patiënt in waarmee de bloedvaten bekeken en eventueel opgerekt kunnen worden. Deze procedure (het zogeheten dotteren) is het moeilijkst bij patiënten met vergevorderde verkalkingen.

Wanneer de verkalking zo sterk is dat een kransslagader helemaal dicht zit, vloeit er namelijk onvoldoende contrastvloeistof voorbij de verkalking. Daardoor kan de arts tijdens de operatie op de röntgenbeelden niet goed zien waar de verstopping zit, en moet hij of zij de katheter door de verstopping boren om het vat op te kunnen rekken. Dat bemoeilijkt de behandeling en verhoogt het risico op complicaties.

Na zijn studie medisch-technische informatica in Utrecht, die hij afsloot met een master in biomedical image sciences, wilde Coert Metz (geboren in 1981 te Ede) graag iets met zijn kennis doen om mensen te kunnen helpen. “Ik had altijd interesse voor de medische wereld, en als hobby heb ik fotograferen. Ik vond het fascinerend dat je met een scanner van buitenaf in het lichaam van iemand kunt kijken.” Daarom besloot Metz in 2005 om te solliciteren op een baan als onderzoeksassistent in het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam. Na een half jaar vond hij het onderzoekswerk zo de moeite waard dat hij solliciteerde op een promotieplek binnen de Biomedical Imaging Group.

Coen metz 014 web
Ivar Pel, Utrecht

Efficiënte algoritmen

Bij zijn onderzoek maakte Metz gebruik van de tijdens een hartoperatie vooraf opgenomen bewegende driedimensionale (3D) CT-scans, die hij moest kunnen matchen met de actuele röntgenbeelden. Daartoe moet de computer beide soorten beelden over elkaar heen leggen. De rekenmethode moet zo snel zijn, dat de opgeslagen en actuele beelden onmiddellijk op elkaar passen. Dat vergt efficiënte algoritmen. Ook moeten de formules om kunnen gaan met bewegingen die in de röntgenbeelden zichtbaar zijn. Deze bewegingen ontstaan bijvoorbeeld door de hartslag, ademhaling of bewegingen van de patiënt – want tijdens een dotterbehandeling is de patiënt wakker.

Coen metz 022 web
Ivar Pel, Utrecht

Metz’ eerste uitdaging was een methode te vinden waarmee de kransslagaders automatisch opgespoord konden worden in de CT-scan. “Kransslagaders zijn klein – hun diameter is rond de 2,5 tot 4 millimeter – en ze lijken sterk op andere buisvormige structuren in het lichaam, zoals de bronchiën van de longen. Ik heb me eerst gericht op het vinden van het centrum van de aorta, om vandaar de loop van de aders op te sporen.”

Dit bleek pionierswerk. Een van de praktische problemen: er bestond geen standaardmethode voor het beoordelen van de kwaliteit van een bepaald algoritme. Metz zette daarom samen met een collega een evaluatieraamwerk op. Dit raamwerk werd in 2008 op de grootste conferentie voor medische beeldverwerking (MICCAI) in New York gepresenteerd. Collega’s bleken enthousiast, want nu was eindelijk een vaste dataset beschikbaar, waarmee onderzoekers objectief de kwaliteit van verschillende kransslagaderdetectiemethoden kunnen ijken en met elkaar vergelijken.

Metz: “Aan het opzetten van de website en de databases hebben we een half jaar keihard gewerkt. Maar het is de moeite waard geweest, want een heleboel onderzoekers gebruiken het nu. Je merkt vooral dat mensen die vlak voor een conferentiedeadline zitten, ons raamwerk gebruiken. Het is een enorme verbetering voor de evaluatie van de verschillende methoden.”

Coen metz 032 web
Ivar Pel, Utrecht

Vierdimensionaal model

De volgende stap was om uit de bewegende 3D-scans van het hart een vierdimensionaal model (3D-bewegingen in de tijd) te maken van de kransslagaders. Met dat model kan de beweging van het hart tijdens de operatie worden voorspeld, met als resultaat dat de beelden veel beter over de röntgenbeelden kunnen worden gelegd.

Een speciaal algoritme werd ontwikkeld om de beweging van de kransslagaders uit de vierdimensionale CT-scan te extraheren. De computer legt de 3D-afbeeldingen van verschillende tijdpunten in de hartslag automatisch op elkaar door één van de twee beelden zo te vervormen dat deze op het andere beeld past. Metz: “De hartslag is een repeterend systeem, dus als je een snapshot van een bewegend punt op het hart hebt, dan moet dit na verloop van tijd weer op zijn uitgangspositie terechtkomen. Deze kennis hebben we in het computeralgoritme gestopt.”

Coen metz 008 web
Ivar Pel, Utrecht

Nadat Metz een aantal jaren verder was in zijn onderzoek, bleek dat de klinische praktijk inmiddels iets was veranderd. Om de stralingsbelasting voor patiënten te verlagen, wordt tegenwoordig steeds minder vaak een bewegende driedimensionale CT-scan van het hart gemaakt. Metz: “De trend ging steeds meer naar het maken van één 3D-snapshot in een vooraf bepaalde fase van de hartslag, in plaats van het maken van meerdere snapshots tijdens de hele hartslag.”

De uitdaging was of je uit één enkele 3D-momentopname van het hart de hartbewegingen zou kunnen afleiden. Er werd daarom een computermodel van het hart gemaakt, dat op basis van de vorm en het volume van het hart kan voorspellen hoe het zich in de tijd zal bewegen. Deze methode is gebaseerd op statistische modellen van zowel de vorm als de beweging van het hart.

“Over een jaar of vijf kunnen de eerste hartpatiënten met dit systeem geholpen worden.”

Inmiddels is het proof-of-concept van deze methode geleverd. Om het in de klinische praktijk toe te passen, zijn nog verbeteringen nodig. Daar werkt Metz nu aan. Hij is postdoc bij dezelfde groep als waar hij promoveerde. Metz: “De eerste reacties uit de kliniek zijn positief. Er is echter nog wel werk nodig om de methode in de praktijk te kunnen gebruiken: de methode zou nog wat sneller gemaakt moeten worden en het systeem moet goed op bestaande diagnoseapparatuur en opstellingen in de operatiekamer aan te sluiten zijn. Over een jaar of vijf kunnen dan de eerste patiënten met het systeem geholpen worden. Dat vind ik erg leuk aan dit onderzoek.”

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 november 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.