Interview met neurochirurg in opleiding Sadaf Soloukey en onderzoeker Pieter Kruizinga van het Erasmus MC.
In het Erasmus MC werken onderzoekers aan een nieuwe manier om de hersenen in beeld te brengen: functionele echografie (fUS). Waar conventionele echografie weinig wordt gebruikt binnen de neurochirurgie en beperkt blijft tot grote bloedvaten en structuren binnen de neurochirurgie, lukt het in het BrainEcho Lab in het ErasmusMC om met ongekende resolutie en snelheid zelfs de kleinste veranderingen in hersendoorbloeding zichtbaar te maken. We spraken met Sadaf Soloukey, post-doc en AIOS neurochirurgie, en Pieter Kruizinga, universitair docent en onderzoeker, over hun werk aan deze innovatieve techniek die hersenchirurgie en neurologische diagnostiek kunnen gaan veranderen.
Ontstaan BrainEcho Lab
In 2018 ontving het Erasmus MC een grote NWO-subsidie om echografie van het brein verder te ontwikkelen. Daarmee kon CUBE (center of ultrasound brain imaging @ Erasmus MC), wat nu het BrainEcho Lab heet, worden opgericht: een multidisciplinaire plek waar verschillende onderzoekers samenkomen om de hersenen met ultrasound in kaart te brengen. Het begon met fundamenteel onderzoek om te bepalen of je het hersenweefsel dat beschermd achter de schedel zit kan bereiken met ultrasound en of het mogelijk is om de kleinere doorbloeding van de hersenen in kaart te brengen.
‘We hebben ons gefocust op zowel dierenonderzoek als op onderzoek bij mensen,’ vertelt Soloukey. ‘Mijn rol was om de klinische vertaalslag te maken, met als doel om bloeddoorstroming in het brein zichtbaar te maken.’ Omdat het door de weefseleigenschappen van bot niet mogelijk is goed beeld door de schedel heen (transcranieel) te verkrijgen, zijn ze begonnen met onderzoek bij neurochirurgische patiënten waarbij de schedel al geopend is. Die situatie biedt een unieke kans om met ultrasound te meten aan het levende brein.
Ultrasound on steroids
Wat het team in het BrainEcho Lab ontwikkelde, overstijgt de mogelijkheden van conventionele echografie ruimschoots. ‘We maken niet twintig beelden per seconde zoals bij normale echo, maar tienduizend,’ legt Kruizinga uit. ‘Daarmee kunnen we de kleine bewegingen van rode bloedcellen onderscheiden van de trage globale beweging van het hersenweefsel zelf.’ Door die subtiele bewegingen van rode bloedcellen zichtbaar te maken, ontstaat een beeld van de microvasculatuur, een niveau van detail dat voorheen ondenkbaar was in de operatiekamer. Aan de hand van deze vele beelden per seconde moet realtime berekend worden waar deze microvasculatuur zit. De ruwe data van al deze beelden wordt gefilterd en bewerkt om vervolgens een makkelijker te interpreteren beeld voor de chirurg te maken. Ondanks dat de eindgebruiker een bewegend beeld bestaande uit ongeveer 5 beelden per seconden te zien krijgt, zijn de 10.000 beelden per seconde nodig voor de achterliggende berekeningen.
Het doel is niet alleen anatomische structuren in beeld te brengen, maar ook de functionaliteit van hersengebieden af te leiden op basis van doorbloeding. Als een patiënt een taak uitvoert, zoals vingers bewegen of praten, dan is de verwachting dat de hersengebieden die daarbij betrokken zijn een verhoogde doorbloeding laten zien. Die correlatie wordt gebruikt om functionele gebieden in kaart te brengen. De patiënten betrokken bij het onderzoek kregen bijvoorbeeld een takenpatroon aangeboden in een aan-uit-ritme, waarbij de gebieden die functioneel betrokken zijn bij deze taak datzelfde aan-uit-ritme laten zien in hun bloedcirculatie.
Patiëntenpopulatie in onderzoeksfase
De techniek wordt op dit moment toegepast bij patiënten die een hersenoperatie ondergaan waarbij de schedel wordt gelicht voor het verwijderen van een hersentumor. Tijdens zo’n operatie zit je zo dicht op het brein, dat biedt de perfecte mogelijkheid om de hersenen in beeld te brengen zonder dat je door de schedel heen hoeft te kijken. Naast dat deze situatie een kans biedt voor beeldvorming met ultrasound, is het ook een vakgebied waar nog veel ruimte is voor ontwikkeling. Een van de meest geavanceerde procedures nu binnen de neurochirurgie plaatsvindt, is de hersenoperatie bij wakkere patiënten waarbij je ook de hersenen kunt stimuleren om de functionaliteit in kaart te brengen, maar in dit vakgebied hebben de laatste decennia weinig nieuwe innovaties plaatsgevonden.
De metingen worden tijdens de operatie verricht, maar zijn nog in de onderzoeksfase. “We mogen er nog geen behandelbeslissingen aan koppelen,” benadrukt Soloukey. “Maar chirurgen zien nu voor het eerst tumoren in hun context, inclusief doorbloeding en vaatstructuur, live tijdens de operatie.” De beelden die het team maakt, tonen microvasculaire netwerken tot op 300 micrometer nauwkeurig. Dat biedt niet alleen inzicht in tumorlocaties, maar ook fundamentele kennis over verschillende tumortype. Chirurgen mogen weliswaar nog niet handelen aan de hand van de ultrasound beelden, maar ze leren al veel van de beelden. Het laat de tumor in levende lijve zien, inclusief de hemodynamiek, hoe snel het bloed er doorheen stroomt en mogelijk ook waar het onderscheid zit tussen gezond- en tumorweefsel.
Aan de hand van de beelden die tot nu toe zijn gemaakt, komen ook weer nieuwe, meer fundamentele vragen op bij de onderzoekers. Zo worden tijdens operaties nu bijvoorbeeld grote vaatkluwen in 3D gezien met allerlei verbindingen. Het is nu nog onbekend hoe precies herkend kan worden welke van deze vaten bij de tumor horen en welke gezond zijn. Mogelijk kan dit in de toekomst ook gebruikt worden om de tumorgrenzen in kaart te brengen. Daarnaast kunnen tumoren nu beter geclassificeerd worden, wat weer informatie geeft over hoe tumoren groeien en welke behandelingen het meest passend zijn.
Beeldvorming na de operaties
Een belangrijke vervolgstap is om patiënten ook na de operatie langdurig te kunnen volgen. Dit blijkt nu mogelijk bij mensen met een kunststof schedeldak, een materiaal waar ultrasound goed doorheen gaat. Inmiddels is een patiënt twee jaar lang gevolgd, waarbij telkens hetzelfde hersengebied in beeld werd gebracht. Speciaal voor deze patiënt is een echohelm op maat ontwikkeld zoals te zien is op Afbeelding 1. Hierdoor brengt de ultrasound probes bij elke meting hetzelfde deel van het brein in beeld. Het unieke aan deze opstelling is dat het ook mogelijk is ultrasound beelden te maken terwijl de patiënt beweegt, zoals tijdens het lopen.
Op dit moment ligt er een plan voor een nieuwe studie om twintig patiënten met een hooggradige tumorresectie na de operatie te gaan monitoren. Deze patiënten zullen een plastic schedel geïmplanteerd krijgen na de operatie, wat vervolgens als venster naar de resectieholte en functionaliteit van het omliggende hersenweefsel kan fungeren. Als bewezen kan worden dat het waard is om zo’n plastic schedel te implanteren, kan tumorgroei in de toekomst wellicht makkelijker, of misschien zelfs beter, worden opgevolgd dan met MRI. Het zal waarschijnlijk niet de MRI gaan vervangen, maar het kan als aanvullende techniek ingezet worden, die ook beschikbaar is aan bed of op de poli.
Toekomstperspectief
Voordat de ‘ultrasound on steroïds’ in de kliniek geïmplementeerd kan worden, moeten er validatieonderzoeken uitgevoerd worden. Deze zijn deels ook al begonnen. Zo wordt een functionele MRI scan (fMRI) voorafgaand aan een operatie vergeleken met de fUS-beelden die tijdens de operatie worden gemaakt. De resultaten tot nu lijken erg positief, maar deze onderzoeken gaan de komende tijd nog door.
Op welke termijn de techniek geïmplementeerd kan worden is moeilijk te zeggen. Uiteindelijk zal de techniek samen met een bedrijf verder ontwikkeld moeten worden. Ook in de onderzoeksfase is het al interessant als andere centra de technieken ook gaan toepassen, zodat de data met elkaar vergeleken kan worden. De onderzoekers in het ErasmusMC zijn dan ook transparant over de ontwikkelde techniek, hebben er geen patent op aangevraagd, en willen er graag over publiceren zodat andere onderzoeksgroepen ook hiermee verder kunnen.
Ultrasound on steroids in andere vakgebieden
Hoewel het huidige onderzoek zich richt op neurochirurgie, zijn de toepassingen van ultrasnelle echografie breder. Denk aan neonaten die nog een open fontanel hebben, vasculaire aandoeningen zoals aneurysma’s, of zelfs andere organen zoals het hart, de lever, de placenta en de nieren. ‘Wij richten ons op het brein,’ zegt Kruizinga, ‘maar de techniek heeft de potentie om op veel meer plekken in het lichaam waardevolle informatie te leveren.’
Teamwork
Het BrainEcho Lab is ook een toonbeeld van creatieve samenwerking. ‘We bouwen veel zelf,’ lacht Kruizinga. ‘Voor snelle beeldverwerking gebruiken we speciale graphic cards die eigenlijk bedoeld zijn om mee te gamen, en om de probes stabiel te houden gebruiken we orthopedische armen. Je moet durven improviseren.’ Daarnaast is samenwerking met alle verschillende afdelingen en medewerkers essentieel geweest voor het succes tot nu toe. Er zijn zoveel mensen nodig om een experimentele techniek in een klinische flow op te laten nemen. Denk daarbij aan de OK zelf, de neurochirurgen die bereid moeten zijn tijdens de operatie de metingen mee uit te voeren, de medische instrumentatie en technici, de technische ondersteuning van de OK die de veiligheidsmetingen doen. Al deze mensen zijn essentieel geweest om de techniek klinisch te mogen integreren.
Dit soort onderzoek kan niet zonder zulke samenwerking, maar zeker ook niet zonder mensen die de houding hebben van dit gaan we gewoon doen. ‘We zijn wereldwijd de groep die voorlopen op dit stukje techniek. Waar wij ze ruimschoots op inhalen is niet alleen de focus die we hebben, maar ook een lab waar hoogwaardig technisch onderzoek heel dicht bij de dagelijkse praktijk van de neurochirurgie gedaan wordt. Daarnaast hebben we een sterk team om ons heen met veel hardwerkende mensen die ook willen dat dit lukt. Dat is best uniek en dat is onze kracht.’
