Onderzoekers van de Keck School of Medicine of USC en het California Institute of Technology (Caltech) hebben een innovatieve beeldvormingstechniek ontwikkeld die belangrijke beperkingen van bestaande medische beeldvorming kan overbruggen. In een proof-of-conceptstudie laten zij zien dat met een nieuwe, niet-invasieve methode snel driedimensionale beelden van het menselijk lichaam kunnen worden gemaakt, van hoofd tot voet.
De techniek combineert echografie met zogeheten photoacoustic imaging, waarbij geluidsgolven worden opgewekt door licht. Door deze methoden te combineren, kan het systeem gelijktijdig beelden maken van zowel lichaamsweefsel als bloedvaten. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering en tonen het brede potentieel van deze nieuwe beeldvormingsaanpak.
Grenzen van bestaande beeldvorming
Medische beeldvorming is onmisbaar in de moderne zorg en speelt een cruciale rol bij diagnostiek en behandeling van onder meer trauma, infecties, kanker en chronische aandoeningen. Toch kennen de huidige ‘gouden standaard’-technieken, zoals echografie, röntgen, CT en MRI, duidelijke beperkingen. Deze variëren van hoge kosten en lange scantijden tot beperkingen in het beeldbereik, de diepte en de mate van detail.
“Het belang van medische beeldvorming voor de klinische praktijk kan nauwelijks worden overschat,” zegt Charles Liu, hoogleraar aan de Keck School of Medicine en co-senior auteur van de studie. “Ons team heeft de belangrijkste beperkingen van bestaande technieken geïdentificeerd en een nieuwe benadering ontwikkeld om deze aan te pakken.”
Twee technieken in één platform
Voor het eerst bij mensen combineerde het onderzoeksteam twee beeldvormingstechnieken: rotational ultrasound tomography (RUST) en photoacoustic tomography (PAT). Samen vormen zij het nieuwe platform RUS-PAT.
RUST werkt vergelijkbaar met conventionele echografie, maar gebruikt geen enkele detector om een tweedimensionaal beeld te maken. In plaats daarvan maakt het systeem gebruik van een boog van detectoren, waarmee een driedimensionaal volumetrisch beeld van het weefsel wordt opgebouwd. PAT richt zich op bloedvaten: laserlicht wordt geabsorbeerd door hemoglobine in het bloed, wat leidt tot trillingen die ultrasone signalen uitzenden. Deze signalen worden door dezelfde detectoren gemeten en vertaald naar 3D-beelden van het vaatstelsel.
Volgens co-senior auteur Lihong Wang is de combinatie van deze technieken essentieel. “We hebben een nieuwe manier ontwikkeld waarop echografie en photoacoustic imaging samenwerken. Daardoor kunnen we veel uitgebreidere beelden maken op klinisch relevante dieptes, zonder ioniserende straling of sterke magneten.”
Snelle beelden van meerdere lichaamsdelen
Om de brede toepasbaarheid aan te tonen, gebruikten de onderzoekers RUS-PAT voor beeldvorming van verschillende lichaamsdelen, waaronder de hersenen, borst, hand en voet. Bij hersenonderzoek ging het om patiënten met traumatisch hersenletsel die een operatie ondergingen waarbij tijdelijk een deel van de schedel was verwijderd. In deze setting wist het systeem binnen ongeveer tien seconden zowel weefselstructuren als bloedvaten vast te leggen over een gebied van circa tien centimeter.
RUS-PAT bouwt voort op eerder werk van het USC-Caltech-team, waarin werd aangetoond dat PAT ook kan worden ingezet voor het in beeld brengen van hersenactiviteit.
Voordelen ten opzichte van MRI en CT
Het nieuwe platform biedt volgens de onderzoekers meerdere voordelen. Het systeem is goedkoper te bouwen dan een MRI-scanner, vermijdt de straling die nodig is voor röntgen- en CT-onderzoek en levert rijkere beelden dan conventionele echografie. “Als je kijkt naar kosten, beeldbereik, ruimtelijke resolutie en scantijd, dan adresseert dit platform veel van de belangrijkste knelpunten in de huidige medische beeldvorming,” aldus Liu.
De mogelijkheden van RUS-PAT reiken verder dan één specialisme. Beeldvorming van de hersenen is cruciaal bij aandoeningen zoals beroerte, traumatisch hersenletsel en neurologische ziekten. Borstbeeldvorming speelt een sleutelrol bij de diagnose en behandeling van een van de meest voorkomende vormen van kanker wereldwijd. “Photoacoustic opent een nieuw terrein voor onderzoek bij mensen,” zegt Jonathan Russin, co-eerste auteur van de studie. “Wij denken dat deze technologie van groot belang kan zijn voor de ontwikkeling van nieuwe diagnostiek en patiëntspecifieke therapieën.”
Ook snelle, laagdrempelige beeldvorming van de voet kan waardevol zijn voor mensen met diabetes en vaatziekten. Volgens Tze-Woei Tan kan de techniek helpen om risicovolle situaties eerder te herkennen en gerichte interventies te ondersteunen.
Doorontwikkeling nodig
Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, is verdere ontwikkeling nodig voordat RUS-PAT klinisch kan worden ingezet. Een belangrijke uitdaging bij hersenbeeldvorming is dat de menselijke schedel signalen vervormt. Het Caltech-team onderzoekt daarom nieuwe oplossingen, zoals aanpassingen in ultrasone frequenties. Ook wordt gewerkt aan verdere verbetering en standaardisatie van de beeldkwaliteit.
“Dit is een vroege maar belangrijke stap,” besluit Liu. “We hebben laten zien dat RUS-PAT medisch relevante beelden kan opleveren van meerdere lichaamsdelen. Nu verfijnen we het systeem verder, met het oog op toekomstig klinisch gebruik.”
MRI innovaties
Vorig jaar ontwikkelden onderzoekers van het Children’s Hospital Los Angeles een nieuwe methode om fouten in MRI-beelden van de cerebrale bloedstroom te corrigeren. Met behulp van geavanceerde wiskundige modellen kunnen ontbrekende of onnauwkeurige meetgegevens worden gereconstrueerd, zonder dat een extra scan nodig is. Dit is belangrijk omdat bewegingsartefacten en complexe vaatstructuren het vaak onmogelijk maken om alle hersenvaten correct in beeld te brengen.
Die modellen werden getest op honderden fase-contrast-MRI’s en blijken betrouwbaar, ook bij patiënten met afwijkende doorbloeding. Een groot voordeel is dat de methode toepasbaar is op bestaande 3T-MRI-systemen. In de toekomst willen de onderzoekers real-time foutcorrectie tijdens de scan mogelijk maken, om neurologische aandoeningen eerder en nauwkeuriger te diagnosticeren.
