In Toruń (Polen) hopen wetenschappers artsen een instrument te verschaffen voor een snelle diagnose van menselijke ziekten. Daarom bouwen ze een apparaat om het beeld van de ogen te “bevriezen”.

“Het oog is een uniek orgaan. Het is de enige plaats in het hele menselijk lichaam waar er directe en niet-invasieve toegang is tot de bloedvaten via het netvlies. Daarom kan het oog een goede plek zijn voor vroege en niet-invasieve diagnose van hart- en vaatziekten, zoals atherosclerose en hypertensie – verklaart Dr. Anna Szkulmowska, zij is CEO en mede-oprichter van AM2M, een spin-off van de Nicolaus Copernicus Universiteit in Toruń. Niet alleen dat, er is ook wetenschappelijk bewijs dat we het begin van neurodegeneratieve ziekten kunnen zien door de bewegingen van het oog te observeren, voegt ze eraan toe.

Om deze diagnose echter dagelijkse realiteit te laten worden in ziekenhuizen, moeten artsen toegang hebben tot kwalitatief hoge beelden van dit orgaan. Net zoals een orthopeed een gebroken been beoordeelt aan de hand van een röntgenfoto, kan een cardioloog beoordelen of patiënt A binnenkort een hartaanval krijgt en een neuroloog of patiënt B lijdt aan de ziekte van Alzheimer. Dr. Anna Szkulmowska wil een hulpmiddel bieden om deze beelden te maken. Samen met haar medewerkers en natuurkundigen van de Nicolaus Copernicus University werkt ze aan FreezEye Tracker, een ultrasnel biomedisch beeldstabilisatiesysteem.

Bevroren netvlies

Oogtrackers zijn al bijna een eeuw in gebruik. Meestal is het een type camera of andere sensor die de positie van de pupil of het hoornvlies, d.w.z. de meest externe delen van het oog, observeert. Ze worden gebruikt door specialisten op vele gebieden, van marketingspecialisten, om te beoordelen of het publiek de nieuwe advertentie leuk vond, tot neurologen, om te communiceren met patiënten met ernstig verlamde patiënten.

FreezEye Tracker’s heeft een andere taak. Ten eerste observeert het het netvlies, het diepste deel van de oogbol is. Ten tweede wordt het apparaat verondersteld een oplossing te zijn voor het hoofdprobleem van al diegenen die te maken hebben met visuele beeldvorming. Dit betreft de slechte kwaliteit van de beelden veroorzaakt door natuurlijke oogbewegingen. Deze subtiele bewegingen, die het oog voortdurend maakt en waarvan we ons niet bewust zijn, zorgen ervoor dat beelden van optische apparaten worden verknoeid met fouten. Dat maakt het moeilijk om een diagnose te stellen.

“Tijdens ons laatste project vroegen we ons af wat er zou gebeuren als we het oog een tijdje zouden “bevriezen”, zodat de fysiologische bewegingen de registratie van de foto niet zouden belemmeren. Vandaar het idee voor FreezEye, omdat het apparaat het beeld ‘bevriest’,” zegt Dr. Szkulmowska.

De wetenschappers uit Toruń hebben het effect van “bevriezing” bereikt door twee beeldvormingsmethoden te combineren. Ten eerste bepaalt FreezEye het traject van de oogbeweging. Om dit te doen, legt het 1200 netvliesbeelden in één seconde vast. Ter vergelijking: soortgelijke apparaten die op de markt verkrijgbaar zijn voor oogonderzoek produceren 20-30 beelden per seconde. FreezEye Tracker produceert ook veel beelden, maar ze zijn ook erg klein. Het zijn slechts fragmenten.

“De grootste uitdaging was om te bepalen hoeveel kleiner en van mindere kwaliteit deze beelden zouden kunnen zijn, zodat ze nog steeds geschikt zouden zijn voor verdere berekeningen van de bewegingen” – voegt Dr. Szkulmowska eraan toe.

Vervolgens worden de bewegingsgegevens die uit de kleine beelden worden gegenereerd, in het algoritme verwerkt voor de ontwikkeling van een groot beeld. Het eindresultaat is een “bevroren” netvliesbeeld, d.w.z. een groot, kwalitatief hoogwaardig beeld dat geschikt is voor diagnostiek, waarbij rekening wordt gehouden met de oogbewegingen.

Ziekten ontdekken in de ogen

De beeldstabilisatie is zo hoog dat zelfs afzonderlijke bloedvaten zichtbaar zijn. Daarom hopen de wetenschappers dat dit gewoon weer een stap vooruit is in het vermogen om ziekten in een zeer vroeg stadium, wanneer ze zich nog maar net beginnen te ontwikkelen, op te sporen.

“Wanneer artsen in staat zijn om een specifiek vaatje in het netvlies te onderzoeken en na enige tijd terug te keren naar dezelfde plek, zal het mogelijk zijn om zeer kleine veranderingen waar te nemen, bijvoorbeeld veranderingen in elasticiteit, veranderingen in de wanddikte. Dit kan een aanwijzing zijn dat er iets mis is met de patiënt”, legt de wetenschapper uit.

Neurodegeneratieve ziekten zoals multiple sclerose of de ziekte van Alzheimer kunnen ook vanaf het allereerste begin worden gedetecteerd. Volgens sommige hypothesen is het oog een soort braindrain. Wanneer de myelineschede in de hersenen begint af te nemen, kan het oog anders gaan bewegen. De natuurkundigen uit Toruń hopen dat FreezEye Tracker zal helpen om deze kenmerken van oogbewegingen te observeren. “Dan zal het mogelijk zijn om te classificeren dat als het traject van de beweging zo en zo is, de patiënt gezond is. Als het traject verandert, betekent dit dat er een neurodegeneratieve ziekte begint bij de patiënt,” zegt Dr. Szkulmowska.

Volgend jaar in real time

FreezEye Tracker is nog in ontwikkeling, maar de wetenschappers hebben het belangrijkste al bereikt. “We hebben laten zien dat ons idee de juiste was: het apparaat werkt, we maken er al foto’s mee,” zegt de fysicus.

Op dit moment moet je even wachten op de netvliesbeelden, omdat het apparaat nog niet real time werkt. De wetenschappers uit Toruń moeten eerst meer onderzoek doen en het uiteindelijke beeld wordt ontwikkeld in de postproductie. Er is nog wat ander technologisch werk te doen, maar dat is volgend jaar naar verwachting klaar.

“We verwachten dat het apparaat eind 2020 in real time zal werken. Op basis van voorlopige analyses van gegevens van patiënten, al was het maar van gezonde mensen, zullen we weten of in ieder geval vermoeden welke eigenschappen van het bloedvat we willen observeren,” – zegt Dr. Szkulmowska.

En wat dan?

“Ik stel me voor dat we een aantal van deze apparaten moeten vervaardigen en in verschillende goede klinieken moeten plaatsen om zoveel mogelijk gegevens te verzamelen. Om te zien welke parameters van het beeld moeten worden gecombineerd met de medische aandoeningen, en om in de praktijk te bepalen welke toepassing het nuttigst is”, zegt Dr. Szkulmowska.

Maar dat is een taak voor artsen.

Inspiratie nodig? Hier vind je al onze verhalen uit de start-up serie.