Licht heeft interessante mogelijkheden in de medische diagnose en therapie: als je pulsen van laserlicht door weefsel stuurt, kun je uit de analyse van de verstrooiingspatronen (hoe vervolgt het licht zijn weg?) biologische eigenschappen van het weefsel afleiden. Een lichtstraal door botweefsel kan bijvoorbeeld laten zien hoe sterk het bot of kraakbeen is. Dat kan essentieel zijn bij het aanbrengen van een prothese of implantaat. De instrumentatie en software die nodig is voor het genereren, detecteren en verwerken van optische signalen in medische toepassingen staat nog in de kinderschoenen: dit vakgebied heet biofotonica.
Eduardo Margallo Balbás ontdekte het onderwerp tijdens zijn studie voor elektrotechnisch ingenieur in Madrid en Stuttgart. “In mijn laatste studiejaar heb ik me intensief met lcd -displays beziggehouden. Je kunt oneindig veel technische verbeteringen aan die beeldschermen uitvinden. Maar ik wilde graag iets met mijn kennis doen waar mensen ook echt iets aan hebben.” Hij begon zich voor medische technologie te interesseren, en ontdekte dat er aan de TU Delft op dat gebied veel onderzoek wordt gedaan.
“Mijn doel was om een complex systeem gebruiksvriendelijker te maken.”
Zo kwam hij in 2004 op zijn promotieplek terecht. “Ik vond het belangrijk dat het onderzoek niet alleen aan de universiteit zou plaatsvinden, maar ook nauw betrokken zou zijn bij verschillende academische ziekenhuizen. Dat was voor mij meer doorslaggevend dan de biofotonica zelf. Maar het bleek dat dit een speerpunttechnologie van de universiteit is, dus zo rolde ik in dit onderzoek.”
Technische uitdagingen
Het onderzoek begon met een analyse van wat je allemaal van biologisch weefsel kunt meten met licht. Ook was het belangrijk te kijken hoe de instrumenten later in de operatiezaal gebruikt zouden kunnen worden. “Het mooie van optische instrumenten is dat je het licht door dunne glasvezelkabels kunt sturen, die je in bestaande instrumenten kunt integreren. In mijn eerste jaar heb ik vooral naar die integratie gekeken, en al direct veel technische uitdagingen gezien.”
In het tweede jaar dook Margallo Balbás de theorie in. De optische coherentietomografie (OCT) beschrijft hoe uit de verstrooiingspatronen van een optisch signaal driedimensionale beelden gemaakt kunnen worden.
Het gebruik van relatief lange golflengtes van het licht (infrarood) maakt het mogelijk door te dringen in weefsel. Afhankelijk van de eigenschappen van de lichtbron (meestal een ultrakorte laserpulsen), zijn optische resoluties van minder dan een micrometer mogelijk.
In de praktijk
“Ons eerste systeem was veel te complex voor de praktijk. Dus mijn doel was om het allemaal veel gebruikersvriendelijker te maken. We gingen heel concreet kijken hoe artsen een implantaat in botweefsel aanbrengen. Het is essentieel dat je weet hoe sterk het bot is. Kunnen we die kwaliteit van het bot met licht meten?” zegt Margallo Balbás.
Tijdrovend
De experimenten namen veel tijd in beslag. Het was daarbij een logistieke toer om tussen Delft en Milaan alles goed te coördineren. Een enkel succesvol experiment duurde een half jaar. Daarna was er nog eens een maand of vier nodig voor het analyseren van de meetgegevens.
In samenwerking met een laboratorium in Milaan, werden in de laatste twee jaar van het onderzoek experimenten uitgevoerd. Daarbij werd een stukje bot van de ene kant beschenen met een pulserende laser; aan de andere kant werd het lichtspectrum opgevangen.
Het resultaat was veelbelovend. “Als licht door botweefsel gaat, worden sommige fotonen (‘energiepakketjes’) meer afgeremd dan andere. Daardoor krijg je karakteristieke patronen in de lichtspectra. Ook kun je zien welke interferenties van het licht optreden. Daaruit kun je de biomechanische eigenschappen van het bot afleiden.” Het bleek dat licht van 700 en 1000 nanometer het diepst in weefsel kan doordringen. De laserstraal maakt daarbij heel korte pulsjes van 100 picoseconden.
Simulatiemodel
Parallel aan de experimenten zette Margallo Balbás een simulatiemodel op; een theoretische beschrijving van het proces. “Het doel was om de complexe microstructuur van botweefsel in formules te beschrijven, en te kijken of de berekende resultaten overeenkomen met onze metingen.” Daarvoor was het nodig om heel precies de structuur van botweefsel te meten, en dan te simuleren hoe licht zich in zo’n structuur verdeelt. “We wisten niet welke parameters daarbij doorslaggevend zijn. Je hebt allerlei verschillende types bot en weefsel. Daardoor kom je met grote onzekerheden in je model te zitten.”
De oplossing bleek in het gebruik van stochastische modellen te zitten. Dat zijn modellen die ideeën uit de kansrekening gebruiken. De voor dit doel beste modellen zijn voor het eerst opgesteld door de natuurkundigen Enrico Fermi en John von Neumann in de jaren dertig en veertig van de vorige eeuw. Daarmee kan men op basis van kansrekening een numerieke oplossing vinden voor problemen met niet exact oplosbare vergelijkingen.
Met de Monte Carlo-methode lukte het om de vormen van bot en weefsel af te beelden met een hoge complexiteit. De benodigde programmeercode ontwikkelde Margallo Balbás zelf.
Inmiddels heeft Margallo Balbás een eigen bedrijfje in Madrid, waarmee hij de instrumenten verder wil ontwikkelen voor klinische toepassingen. Tijdens zijn onderzoek had hij al het fabricageproces en de thermische en optische eigenschappen van de instrumenten nauwkeurig beschreven. Nu kan hij in de praktijk kijken hoe chirurgen er het beste mee omgaan. “Net als in de elektrotechniek kun je bij deze technologie ook eindeloos veel technisch verbeteren. Maar bij deze technologie weet ik waarvoor ik het doe. Het is bevredigend om te zien dat je met deze technologie uiteindelijk patiënten veel beter kunt behandelen.”
Het promotieonderzoek van Eduardo Margallo Balbás is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van de 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?’
- Richard Lopata – ‘Geluid onderzoekt spier’
- 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’