Zo werkt innovatie: ‘Het is een kwestie van combineren’

By Corine Spaans

Zijn onbegrensde interesse in wetenschap, data en technologie leidde hem naar innovaties. En misschien heeft hij nu wel de ‘heilige graal’ van de vaatchirurgie in handen. Hij wil zien wat er onder je huid gebeurt, met je organen en slagaderen. Hij wil dat in beeld brengen voor betere diagnoses van bijvoorbeeld een vernauwing in de halsslagaders of het been. Richard Lopata is universitair hoofddocent bij de TU Eindhoven (TU/e) onderzoeksgroep Photoacoustics & Ultrasound Laboratory Eindhoven (vakgroep Biomedische Technologie) waar hij leiding geeft aan het PULS/e lab.

Technisch en medisch

Als tiener stond hij in de finale van de Scheikundeolympiade. “Ik was eigenlijk voorbestemd om iets met chemische technologie te gaan doen.” Hij blonk niet alleen uit in de scheikunde. Als kind knutselde hij en speelde hij veel met Lego. Hij moest altijd iets maken. Tijdens zijn middelbare school ging hij ook “een beetje programmeren”. Hij kon niet kiezen tussen de technische disciplines. “Ik vond scheikunde, natuurkunde, elektrotechniek en wiskunde alle vier net zo leuk.” Hij bezocht de vier technische universiteiten van Nederland, maar miste het medische stuk. “Niet zelf opereren, maar wel artsen helpen betere diagnoses te stellen.”

De ideale combinatie bleek BioMedische Technologie aan de TU/e. Een net gestarte opleiding. Hij was onderdeel van de tweede lichting. Daar kwam hij in aanraking met beeldvormende technieken (röntgen (CT), magnetische velden (MRI) en echografie), signaalanalyse en beeldanalyse. Onderwerpen waar hij zich nog steeds mee bezig houdt. In het eerste gedeelte van zijn opleiding leek het erop dat scheikunde de boventoon zou blijven voeren, maar langzaam dwaalde hij daar, naar eigen zeggen, van af. “Naar dingen die ik echt nieuw voor me waren.”

Contrastmiddel

Lopata combineert. Niet alleen technologieën, maar ook het modelleren van fysiologische processen en het afbeelden ervan. “Ik heb me nooit gefocust op een ding. Mijn afstudeeropdracht bijvoorbeeld. Onderzoek naar hoe je met een MRI-scan tumoren af kunt beelden. Het ging mij niet om een zo goed mogelijk plaatje te krijgen, maar om te bepalen of een tumor goed doorbloed was.”

Hij gebruikte een contrastmiddel dat de patiënt ingespoten kreeg. Dat middel lekte vervolgens langzaam de tumor in. “Met wiskundige modellen van de uitwisseling van die deeltjes kon je het lekkageproces modelleren. Zo zag je hoe terminaal of hoe lek de vaten van zo’n tumor waren. Je ziet vaak bij kwaadaardige cellen dat er een dode kern is.” 

Voor zijn promotieonderzoek vond Lopata een plaats bij het Radboudumc in Nijmegen, waar “zijn echografie-carrière” begon. “Ik ben daar omgedraaid van MRI naar echografie.” Hij deed daar onderzoek naar hoe goed de hartspier kan samentrekken en maakte 2D en 3D plaatjes van de vervormingen van het hart. Hij ging vervolgens naar Maastricht. Daar deed hij onderzoek naar aneurysma’s, verwijdingen van een deel van het vaatstelsel.

Risico op scheuren

“Je kunt jaren een aneurysma hebben zonder dat je het merkt. Je merkt het pas als het te laat is; als zo’n aneurysma scheurt. Dan krijg je een gigantische bloeding, in 75 tot 95 procent van de gevallen is dit fataal.” 

“Zo’n aneurysma wordt vaak wel ontdekt, omdat iemand bijvoorbeeld is gevallen of iets aan zijn hart heeft. Dan volgt er een screening. Bij een diameter van 5,5 centimeter bij mannen en 5 centimeter bij vrouwen krijg je een stent.” 

Dat is nu de enige maatstaf om het risico op scheuren te bepalen, legt Lopata uit. “Je kan gewoonweg weinig meer zeggen over zo’n verwijding.” Met een CT-scan is er wel meer te zien. Maar om alle patiënten meerdere keren per jaar zo’n scan te kunnen geven is veel te kostbaar, aldus Lopata. Ook komt er straling vrij bij een CT-scan en wordt er een contrastmiddel gebruikt dat weer slecht is voor de nieren, gaat de onderzoeker verder. “Vandaar dat we in Maastricht, en later in Eindhoven (Catharina Ziekenhuis), onderzochten wat echografie zou kunnen betekenen om te zorgen dat artsen betere klinische beslissingen kunnen nemen.”

Specialisten uit de beeldvormende techniek en artsen reageerden dat echografie niet goed genoeg zou zijn om een aneurysma mee af te beelden. Lopata erkent dat met een echo je maar een klein deel kan afbeelden en met een CT-scan de hele mens. Ook is het contrast op de afbeeldingen veel minder dan bij CT, zegt de onderzoeker. 

Patiëntspecifiek

“Met echografie kun je twee verschillende weefsels minder goed onderscheiden. Aan de andere kant is de resolutie van ultrasound (echografie) wel een stuk hoger en kunnen we in de tijd wel heel snel afbeeldingen maken. Ook kunnen we in alle richtingen naar bijvoorbeeld een hart of aneurysma kijken.” 

Lopata zag mogelijkheden om met echografie de stijfheid en elasticiteit van zo’n aneurysma in de aorta in beeld te brengen. “Daarmee krijg je veel patiëntspecifiekere informatie. De bloeddruk en elasticiteit zorgen voor een bepaalde mate van spanning en rek in de wand. Die kunnen beide een maat zijn voor de kans op scheuren.” Lopata combineerde de kennis over vervormingen en rekmetingen van het hart naar de rekbaarheid van de aorta. “Het was een heel uitdagend onderzoek, maar het lukte.”

Biomechanica (afdeling Biomedische Technologie), waar hij onder meer zijn onderzoek naar kwetsbare slagaders voortzette met het Catharina Ziekenhuis. Hij richtte er in 2014 het Photoacoustics and Ultrasound Laboratory Eindhoven, PULS/e op. In 2017 werd hij benoemd tot universitair hoofddocent. PULS/e werd in 2021 een zelfstandige onderzoeksgroep. Voor zijn onderzoek verkreeg Lopata meerdere Europese en nationale subsidies, waarmee hij onder meer zijn onderzoek naar aneurysma’s en vernauwingen in vaten voortzette.

Heilige Graal

Een operatie aan bijvoorbeeld een vernauwing in de halsslagader is heel ingrijpend. Lopata: “In Nederland krijgen patiënten met een vernauwing, een atherosclerostische plaque, van 70 procent of meer, standaard een operatie. Vanwege het risico op een herseninfarct. Dan haalt een chirurg de binnenste laag van de vaatwand weg. “Ze leggen dan de bloedtoevoer van jouw brein aan één kant stil. Het is een gevaarlijke ingreep met kans op complicaties en soms een lange revalidatie.” Niet alle operaties zijn nodig. Zo blijkt achteraf dat slechts 1 op de 6 plaques mogelijk een kwetsbare, en dus gevaarlijke, plaque was, zegt Lopata. “En statistisch gezien moet je één op de 21 patiënten opereren om één herseninfarct te voorkomen.”

Lopata werkt met nieuwe beeldvormende technieken. Samen met mede-onderzoeker Min Wu combineert hij geluid – echografie – en licht – fotoakoestiek. “Fotoakoestiek wordt nu vaak toegepast voor fundamenteel onderzoek. De combinatie geluid en licht biedt mogelijkheden om op een ongevaarlijke manier verschillend weefsel in het lichaam afzonderlijk van elkaar in beeld te brengen. Je kunt er de meest fantastische plaatjes mee maken. Wat wij en een aantal andere groepen in de wereld proberen te doen, is dit echt voor klinische beeldvorming geschikt te maken.” 

De eerste geïntegreerde fotoakoestiek ‘probe’, een echokop die met licht en geluid meet, is samen met het Catharina Ziekenhuis ontwikkeld. Lopata draaide samen met mede-onderzoeker en vaatchirurg Marc van Sambeek een kleine pilot in het Catharina Ziekenhuis bij patiënten die geopereerd zouden worden aan hun halsslagader. Het onderzoek loopt nog. Maar als het werkt dan hebben de onderzoekers wellicht de ‘Heilige Graal’ van de vaatchirurgie in handen.

Reflecties

Het onderzoekslaboratorium van Lopata bevindt zich op de campus van de TU/e. Een groot verschil met een universitair ziekenhuis is dat daar geen patiënten en artsen rondlopen. Dat verschil wordt gecompenseerd door de samenwerking met het Medisch Centrum en het Catharinaziekenhuis. “Met het Catharinaziekenhuis zijn we een van de grootste aneurysma studies binnen Nederland gestart. Dat was al enorm, met 350 patiënten, en gaat alleen nog maar groeien. Het zijn er inmiddels meer dan 540. Er zijn in het begin twee promovendi op dat onderwerp gepromoveerd. Nu lopen er zowel aan de ultrasoundkant als aan de modellenkant maar liefst acht promovendi rond. Ook heeft een bedrijf als Philips interesse getoond.”

“Een van de innovaties van het afgelopen jaar, is de multi-perspectieve echografie. Normaal heb je één echo-probe die heb je zelf vasthoudt. Vanuit daar zenden we het geluid het lichaam in. Dat komt terug en van die reflecties maken we plaatjes. Wij plaatsen twee van die probes, en hopelijk in de toekomst meer, of een hele mat, op de buik. De ene stuurt het geluid, de andere ontvangt dat geluid. Als je het hart of een aorta uit twee richtingen benadert, dan worden het contrast en de resolutie vele malen hoger.”

Met een conventioneel echo-apparaat kan Lopata inmiddels een aorta met 10 3D-plaatjes per seconde in beeld brengen. “Vergeleken met CT is dat natuurlijk nog niet heel snel, maar het is wel zonder straling. Inmiddels hebben we het uitgebreid naar 100 plaatjes per seconde. Hiermee kunnen we de elasticiteit beter meten. Door meerdere probes te gebruiken, vergroten we ook het gebied dat we in beeld kunnen brengen.” Clinici van het Catharinaziekenhuis gebruiken nu de methode met meerdere probes bij hart- en aneurysmapatiënten als onderdeel van een nieuw onderzoek, ondersteund door TU/e en Philips. 

Wearables

“Aan de ene kant maken we de echo’s ingewikkelder met geavanceerde technieken. Die technieken zijn, aan de andere kant, de basis om er een wearable van te maken. Hoe mooi zou het zijn als de patiënt straks gewoon een vestje aandoet waar overal echo-probes inzitten. Die alles volgen: tijdens het lopen, de boodschappen en het sporten.”

Lopata werkt met deze nieuwe techniek ook weer aan het hart. Hij heeft de ambitie de techniek “draagbaar” te maken. “Omdat je bij hartpatiënten toch heel veel data mist. Je ziet iemand in de kliniek. Dat zijn momentopnames. De ene hartpatiënt loopt gewoon de trap op en de ander niet. Waar ligt dat aan? Of misschien later ook bij zwangere vrouwen. Als er sprake is van complicaties. Dan kun je continu kijken naar de contractie van de baarmoeder, naar de hartslag en de ontwikkeling van de baby.”

Ook werkt Lopata samen met spin-offbedrijf Usono. Dat fixeert echografiescanners op het lichaam voor continue en dynamische monitoring.

Lees hier eerdere artikelen over Usono bij IO

Naar het sportveld

Ultrasound is ongevaarlijk en goedkoop, zegt Lopata. “Het is mijn toekomstvisie dat we de CT en MRI-scanners steeds meer kunnen vervangen door geluid en licht. En dat we deze geavanceerde technologie van het ziekenhuis naar de huisarts, de thuissituatie of zelfs naar het sportveld kunnen brengen. Daar proberen we funding voor te krijgen.”

Lopata stippelde in 2014 verschillende onderzoekslijnen voor 15 jaar uit. Hij is nu halverwege. “Ik ben enorm trots dat we onze visie kunnen realiseren. Dat we de dingen die we beloven, leveren. Ik wijk niet teveel af. Natuurlijk maak ik gebruik nieuwe ontwikkelingen, zoals deep learning. Dat sijpelt nu ook mijn groep binnen. Maar de natuurkunde-wetten blijven ook gewoon gelden. We kijken vanuit dat perspectief: waar kan Artificiële Intelligentie (AI) helpen? We hoeven het niet te gebruiken, tenzij het iets toevoegt.”

Dit artikel is onderdeel van de reeks ‘Innovatiebazen’. De andere verhalen vind je hier.