Wiskundigen en medisch-fysici van de Medische Universiteit van Wenen proberen twee methoden voor medische beeldvorming te combineren. Het doel is om een nieuwe analysetechniek voor kanker te ontwikkelen.

De gecombineerde methode zou twee nieuwe toepassingen mogelijk maken: enerzijds zou huidkanker eerder kunnen worden opgespoord en anderzijds zouden weefselmonsters tijdens een tumoroperatie in real time kunnen worden geanalyseerd. Op deze manier zouden chirurgen kunnen bepalen of er nog sprake is van gemuteerd weefsel, of dat zij het gezonde weefsel al hebben bereikt.

Wiskundig proces

Het gaat hier om twee lasertomografieën: de photoacoustic tomography (PAT) en de optical coherence tomography (OCT). Bij deze methodes wordt het weefsel bestraald met lasers, die allebei verschillende signalen geven. In veel gevallen kunnen op basis van deze signalen echter geen conclusies worden getrokken over de toestand van het weefsel, verklaart wiskundige Otmar Scherzer van het Radon Institute for Computational and Applied Mathematics van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (ÖAW).

Om lichtsignalen om te zetten in beelden die medische diagnoses mogelijk maken, is wiskunde nodig. Scherzer en zijn collega’s uit de medische fysica werken al enkele jaren aan het combineren van de twee analysetechnieken. Het is de taak van de wiskundige om de verschillende lichtsignalen van beide methoden te combineren tot één beeld.

Goede wisselwerking

De omstandigheden voor het combineren van beide methoden zijn gunstig. Beide werken namelijk met een korte en intensieve laserpuls – en vullen elkaar zeer goed aan:

  • De OCT toont hoe het licht wordt verstrooid en gereflecteerd in het weefsel;
  • De PAT meet hoeveel van de lichtstraal wordt geabsorbeerd door het weefsel. Bij bloedvaten absorbeert het bloed het laserlicht. Hoe meer bloed er is, hoe donkerder het PAT-beeld wordt.

Met deze informatie is het mogelijk om huidkanker te diagnosticeren. Deze vorm van kanker is namelijk te herkennen aan een verhoogde aanmaak van bloedvaten in de huid. Maar iedere tumor heeft meer bloedtoevoer nodig – en dit kan worden aangetoond door de gecombineerde analysetechniek.

Elastografie

De onderzoekers streven ernaar om gebruik te maken van elastografie. Hierbij verloopt de vroegtijdige opsporing van huidkanker in twee fasen:

  • Er wordt een plaat op de huid gedrukt die een laserpuls uitzendt naar de bovenste weefsellagen;
  • Als tweede stap wordt de laser zonder druk onder de huid gebracht.

De test toont aan of er sprake is van stug weefsel en hoe stug het is. Dit betekent niet dat het weefsel goed- of kwaadaardig is, maar geeft een indicatie of verder onderzoek nodig is, legt Scherzer uit. Bovendien vergemakkelijkt de gecombineerde analysetechniek tumoroperaties, omdat het gemuteerde materiaal in real time van het gezonde materiaal kan worden onderscheiden. Hierdoor kunnen chirurgen nauwkeuriger werken.

Een moeilijke taak

Scherzer geeft toe dat hij het project iets heeft onderschat. Toch heeft hij er alle vertrouwen in dat het met succes zal worden afgerond. De berekeningsmodellen en meetmethoden worden steeds nauwkeuriger en de coördinatie van de twee analysetechnieken wordt steeds beter. Scherzer beschrijft het proces als volgt: “Je kunt het vergelijken met een oude televisie. Vroeger kwam het wel eens voor dat de kleuren iets verschoven waren en niet precies naast elkaar lagen. We hebben een soortgelijk probleem met het zo nauwkeurig over elkaar leggen van de twee beelden, dat er één duidelijk beeld berekend kan worden.” Bij het zoeken naar een oplossing besteden de wiskundigen aandacht aan een optimale aanpassing van de onderliggende algoritmes, en de medisch-fysici aan een steeds nauwkeurigere meting.

De monsters die de onderzoekers gebruikten om de methode te testen moesten ook eerst worden bedacht en geproduceerd. “We hebben materiaal nodig waarvan we de afzonderlijke componenten precies kennen en dat vergelijkbaar is met menselijk weefsel,” legt Scherzer uit. Voor nu koken de onderzoekers het materiaal zelf. Het is een soort aspic die maar kort houdbaar is. De materie veroudert binnen een dag en is daarna onbruikbaar.

OCT en PAT

Optical coherence tomography (OCT) biedt multidimensionale beelden van verstrooiingsmaterialen, zoals organisch weefsel, met micrometerresolutie. Dit wordt mogelijk gemaakt door lichtpulsen. OCT wordt gebruikt in de oogheelkunde, als diagnostische methode voor glaucoom of diabetische netvliesaandoeningen. Bij photoacoustic tomography (PAT) worden objecten bestraald met laserimpulsen, die dan geluidsgolven genereren door verhitting. Deze golven worden gemeten en de gegevens worden omgezet in beelden. PAT biedt driedimensionale beelden van bloedvaten en andere weefselcomponenten.

Ook interessant:

#WorldCancerDay – Innovaties die kankerbehandeling zullen veranderen (2): Sneller inzicht met moleculaire beeldvorming