vroegtijdig opsporen
Het maken van zo'n prachtig plaatje is geen sinecure. Het is alleen mogelijk bij het Biomedisch Technologisch Instituut van de UT. Een glasfiber van 0,6 millimeter geeft aan de ene kant van het kubusvormige stukje kippenborst laserpulsen af. Een piëzo-elektrische sensor meet aan de tegenoverliggende oppervlakte foto-akoestige signalen. Deze zijn gemeten op 1681 plekken met een tussenruimte van 150 micrometer.
Het foto-akoestische signaal ontstaat omdat rood bloed het geïnjecteerde licht absorbeert. Op de plaatsen waar dit gebeurt stijgt de temperatuur en door de warmte zet het bloed uit. Eromheen ontstaat een verhoogde druk. Die verstoring plant zich voort en de sensor registreert hoelang het duurt voor het signaal er is. Het principe van de foto-akoestische metingen bestaat uit de verschillen in akoestische looptijden van bron naar detector.
In deze metingen zitten nog veel verstoringen zodat niet direct duidelijk is wat signaal is en wat ruis. Daarom worden alle metingen zestien maal gemiddeld. De vele gemiddelde meetpunten worden vervolgens met elkaar in verband gebracht door een speciaal computeralgoritme. Dit rekenwerk resulteert uiteindelijk in de spectaculaire 3D-afbeeldingen.
Christoph Hoelen: 'Het idee om te luisteren naar de absorptie van licht door bloed, werd voor het eerst geopperd door oud-hoogleraar Bölger, en is opgepikt door Frits de Mul. Daarna ben ik vierenhalf jaar geleden met het promotie-onderzoek gestart. Voordeel van foto-akoestiek tegenover bijvoorbeeld laser Doppler metingen - waarmee de doorbloeding van de huidte bepalen is - is dat de meetplek veel nauwkeuriger is. Deze precisie ligt namelijk binnen de afmetingen van, ook kleine, bloedvaten. Je kunt de vaten dus afzonderlijk zien liggen.'
De medische wereld is van nature uitermate geïnteresseerd in meetmethodieken die plaatsvinden van buiten het lichaam. Mogelijke toepassingen van foto-akoestiek zijn bovendien goed denkbaar. Zo kan de ontdekking van een plaatselijke toename van bloedvaten duiden op het ontstaan van tumoren. Hoelen: 'Die toename is een algemeen verschijnsel bij elke tumorgroei. Met deze techniek kun je het ontstaan van een tumor in principe in een vroeg stadium detecteren. De diepte waarop metingen mogelijk zijn is momenteel nog beperkt maar in de toekomst is twee centimeter zeker haalbaar. Als toepassing denk ik bijvoorbeeld aan het opsporen van borstkanker. Je kunt daar namelijk gemakkelijk vanuit verschillende kanten lichtsignalen injecteren en akoestische metingen verrichten. Op die manier kun je een volledig beeld krijgen.'
Maar er zijn meer mogelijkheden voor foto-akoestiek. Wijnvlekken bijvoorbeeld zijn lastig te karakteriseren. Sommige zijn het gevolg van een abnormaal groot aantal kleine bloedvaten; andere daarentegen juist van een beperkt aantal abnormaal grote bloedvaten. Met foto-akoestiek zou je kunnen zien van welke soort de wijnvlek is. Deze kennis is handig voor het vaststellen van een goede behandeling. Die gebeurt meestal met laserpulsen. Daarbij moeten de pulsduur en de energie van de puls nauwkeurig worden ingesteld.
Voor het bewaken van weefseltransplantatie kan de nieuwe detectiemethode wellicht ook een bijdrage leveren. Een afname van de hoeveelheid bloed nabij een huidtransplantatie namelijk, kan duiden op complicaties. Verder is het mogelijk om met foto-akoestiek afwijkingen van de bloedvaten-structuur op te sporen.
Ondanks de belangstelling van medische zijde eist deze sector echter dat de techniek is uitontwikkeld voordat ze toegepast kan worden. En zover is het nog lang niet. Vervolgonderzoek - waarover goede contacten zijn met TNO en Philips - moet volgens Hoelen een werkbaar prototype opleveren.
Enkele verbeteringen voor het prototype liggen voor de hand en zijn gemakkelijk uitvoerbaar. Nieuwe laserapparatuur zou de repetitiefrequentie van de pulsen kunnen opvoeren. Deze bedraagt nu slechts 10 Hz. Het samenstellen van een beeld kost met de huidige apparatuur dan ook anderhalf uur. 'De signaal-middeling gaatnatuurlijk aanzienlijk sneller wanneer je 1000 metingen per seconde kunt verwerken in plaatst van tien,' zegt Hoelen.
Een logische integratie van lichtinjectie en detectie is een andere voor de hand liggende en goed uitvoerbare verbetering. Het is de bedoeling een chip te ontwikkelen die vele detectoren bevat om tegelijkertijd uit te lezen. Hiermee vergroot de meetsnelheid. Ook is in het sleutelen aan de algoritmen en aan de elektronica nog veel winst haalbaar.
Verder is het praktisch onhandig om telkens op één plaats licht te injecteren. Meervoudige lichtinjecties die geplaatst zijn in een cirkel of in tweedimensionale arrays, verdienen de voorkeur. Door tegelijkertijd meerdere pulsen te geven verbetert de gevoeligheid en de diepte van de metingen, alsook de efficiency van het meetproces. Grotere detectoren ten slotte kunnen eveneens de gevoeligheid en de diepte van de metingen omhooghalen. Nadeel van de grote detectoren is wel dat ze minder gemakkelijk in lijn op te stellen zijn.
Hoelen: 'Het is nu de kunst om al deze mogelijkheden af te wegen en te kiezen voor een goed concept voor het vervolgonderzoek.' De biomedisch fysicus blijft in ieder geval nog vier maanden in Twente werken aan een aantal publicaties. Verder gaat hij enkele voorstellen uitwerken om de laboratoriumversie van de meetapparatuur zoals die er nu is, te optimaliseren. Ook wil Hoelen enkele goede voorzetten geven voor het vervolgonderzoek, zoals het formuleren van nieuwe experimenten.
Wat hij nadien gaat doen is nog niet duidelijk. Hoelen: 'Aan de ene kant heb ik een sterke behoefte om van omgeving te veranderen, en bijvoorbeeld te gaan werken voor een onderzoeksinstituut als TNO. Maar wanneer ik de kans krijg om met de foto-akoestiek verder te gaan, ga ik vast weer twijfelen. Het is spannend onderzoek waarin al best veel is bereikt. We hebben de basiskennis en nu gaat het erom de techniek uit te ontwikkelen voor specifieke toepassingen. Dat is een uitgebreid en belangrijk traject waarbij nog veel valt te onderzoeken en te verbeteren.'
