Goedkoop, stralingsloos en straks ook nog zonder ruis: uit een echo is veel meer te halen

‘Voor beeldvorming is echo het werkpaard van het ziekenhuis”, zegt hoogleraar Richard Lopata van de TU Eindhoven. Hij somt op: „Metingen zijn zo snel dat beweging zichtbaar is. Het is goedkoop. Het is makkelijk in gebruik omdat het apparaat mobiel is. Echo kan ook vaak gebruikt worden, want er komt geen straling aan te pas. Dat ligt bij röntgen, MRI en CT allemaal heel anders.”

Echobeelden zijn wel een stuk minder goed dan röntgen, MRI en CT. Het beeld in grijstinten oogt gruizig, weefselranden zijn vaak niet scherp te zien. Dat staat precisie in de weg. En het ruis-probleem neemt de laatste jaren toe, omdat steeds meer mensen overgewicht hebben en geluidsgolven vervormen in vetweefsel.

Maar er is veel meer uit de techniek te halen dan op dit moment gebeurt, menen onderzoekers van de TU Eindhoven. Twee onderzoeksgroepen werken vanaf twee kanten aan het verbeteren van echografie: beter meten enerzijds en een vernieuwende aanpak van signaalverwerking anderzijds.

Lopata leidt het Photoacoustics & Ultrasound Laboratory. In dit lab ontwikkelde promovendus Vera van Hal de afgelopen jaren de techniek om met twee echokoppen metingen te doen. Uiteindelijk hoopt Lopata een hele band, kous of zelfs deken vol kleine echokoppen te maken.

Een echo-apparaat stuurt via de echokop – een probe, in jargon – ultrasone geluidsgolven het lichaam in die zich daar met 1.500 meter per seconde voortplanten. Doordat verschillende weefsels de golven anders weerkaatsen levert interpretatie van de terugkerende geluidsgolven een plaatje in grijstinten op. In de zwangerschapszorg en de cardiologie wordt echo heel veel ingezet. Het lab van Lopata werkt daarom samen met cardiologen. Ook onderzoek van spieren, lever, maag en darmen wordt steeds vaker met echo gedaan.

Dat met geluidsgolven weefsels in beeld te brengen zijn, is een ontdekking uit de jaren 50. Toen poogden artsen maagzweren te behandelen met trillingen. „Maar dat lukte niet, want het geluid kwam allemaal terug”, zegt Lopata. In de jaren 70 werd het mogelijk om realtime echobeelden te maken en in de jaren 80 werd de techniek gangbaarder. „In de jaren 90 kwam MRI op. Ik studeerde toen hier in Eindhoven, en het ging alleen nog maar over MRI. Iedereen dacht dat echo binnen afzienbare tijd niet meer gebruikt zou worden.”

Nieuwe opleving

Na 2000 kreeg echo-onderzoek een nieuwe opleving. „De rekenkracht van computers groeide en dankzij de game-industrie verbeterden grafische kaarten”, zegt Lopata. „We konden echobeelden ineens heel snel opnemen en genereren.”

De twee echokoppen waarmee Van Hal experimenteerde werken samen. In een testopstelling in het lab zijn ze gemonteerd op een halve cirkel van aluminium boven een onderzoekstafel waarop proefpersonen kunnen liggen. Om de beurt zenden de echokoppen geluidsgolven uit, ze luisteren allebei naar wat er terugkomt.

Met koffiebekertjes beeldt Van Hal uit dat twee echokoppen meer horen dan één omdat niet alle geluidsgolven in tegenovergestelde richting terugkaatsen, een deel kaatst heel andere richtingen op. De tweede echokop kan die golven deels opvangen. „Normaal gesproken verplaats je de probe om het weefsel vanuit een andere hoek te zien, nu vang je meer in één beeld”, zegt Van Hal.

Ook het zenden van de geluidsgolven doen de experimentele echokoppen anders. Een gewone echo neemt beeld op van links naar rechts, de geluidsgolven worden in lijntjes uitgezonden. Deze zendt met de hele echokop tegelijk een geluidsgolf uit. „Dat zou met traditionele echo heel slecht beeld opleveren”, zegt Van Hal. „Door veel beelden per seconde te maken en onder verschillende hoeken te werken kunnen we er juist betere beelden mee maken.”

Een echobeeld van de buikholte krijgt veel meer scherpte en contrast als er in plaats van één echokop twee echokoppen tegelijkertijd worden gebruikt.

Foto’s TU Eindhoven

In haar proefschrift heeft Van Hal – die cum laude is gepromoveerd – laten zien wat hiermee mogelijk is voor de buikaorta, het bloedvat dat vanaf het hart richting de buik loopt. Scheuring van de buikaorta door een aneurysma, een verwijding van een slagaderlijk bloedvat, is een belangrijke doodsoorzaak in Nederland.

Na ontdekking van een aneurysma – vaak per toeval – wordt een patiënt regelmatig gecontroleerd. Of een operatie nodig is, wordt op dit moment bepaald op basis van de diameter van het aneurysma. Maar of het bloedvat scheurt of niet hangt niet per se af van de diameter. Vooral de mechanische eigenschappen van de vaatwand zijn van belang. Hoe elastisch is die nog?

Bij een andere testopstelling in het lab liggen diverse transparante plastic slagaders, gezonde en verwijde varianten. Ze horen bij een glazen bak met een pomp die water door de plastic aorta’s duwt alsof het bloed is. Voor ze met patiënten aan de slag ging heeft Van Hal talloze keren deze plastic aorta’s gescand. De rekbaarheid van het plastic komt overeen met de rekbaarheid van een echte vaatwand.

„Soms scheurt een aneurysma al voor de uiterste diameter bereikt is, omdat de rek er al uit was”, zegt Lopata. „Aan de andere kant vindt er vermoedelijk ook veel overbehandeling plaats omdat ook een vergrote aorta nog best rekbaar genoeg kan zijn. Rekbaarheid en spanning op de vaatwand kunnen berekend worden op basis van CT-beeld. Maar veranderingen over tijd worden niet gevolgd, omdat een patiënt niet elke drie maanden de CT in kan. Daarom wordt naar die uiterste diameter gekeken.”

Het zou dus een uitkomst zijn als rekbaarheid betrouwbaar gemeten kan worden met echo.

Op haar computer toont Van Hal de resultaten van haar onderzoek. Ze laat metingen met gangbare apparatuur zien naast metingen met de nieuwe echo. Ook voor een leek is te zien dat de tweekoppige aanpak scherper beeld oplevert. Bij de eerste is een derde van de vaatwand scherp te zien, bij de tweede is bijna driekwart van de cirkel tamelijk scherp. In een ander voorbeeld zijn bewegende hartkleppen beter te onderscheiden. Maar zo scherp als CT-beeld is het niet.

Kleuren in het plaatje

Rekbaarheid van de aorta kan met verschillende kleuren worden aangegeven in het echoplaatje. Dat dit met conventionele echografie weinig bruikbare informatie oplevert blijkt uit een ring met scherpe kleurwisselingen die Van Hal laat zien. „Het lijkt alsof er gigantische verschillen in rekbaarheid zijn. Dat komt doordat de informatie onvolledig is.” In de meting met twee echokoppen zijn de kleurovergangen geleidelijker. „Dat benadert veel meer de werkelijkheid.”

Een collega van Van Hal heeft gewerkt aan een voorspellend biomechanisch model, dat iets zegt over de kans op scheuring op basis van de gemeten rekbaarheid. „De volgende stap is het combineren van deze twee onderzoeken”, zegt Lopata. „Dan is per patiënt te bepalen wanneer een operatie van een buikaneurysma nodig is.

Elders op de campus van de TU Eindhoven wordt via een heel andere benadering gepoogd tot scherper echobeeld te komen. De onderzoeksgroep, geleid door associate professor Ruud van Sloun huist in de faculteit elektrotechniek. Ze bouwen niet aan nieuwe apparatuur, maar willen met nieuwe verwerkingstechnieken meer informatie halen uit de signalen die bestaande apparatuur genereert.

„Mijn werk begint op het moment dat reflecterende geluidsgolven worden opgenomen”, zegt Van Sloun. „Wij zetten die metingen om in een plaatje. Simpel gezegd rekenen we terug waar elke geluidsgolf, elk signaal, vandaan komt. Voor één signaal is dat te doen, maar in het geval van echo komen er duizenden signalen tegelijk terug en dat maakt het lastig. Alsof je een handvol steentjes in een vijver gooit, en uit de golven aan het oppervlak wil aflezen waar elk steentje terecht is gekomen.”

Onjuiste inschatting

Korreligheid en onscherpte zijn een effect van het onjuist inschatten waar een reflecterend signaal vandaan komt. „Het zijn artefacten, een foutje in het beeld doordat het algoritme niet de juiste inschatting kan maken”, zegt Van Sloun. „Vetweefsel verergert de ruis omdat de geluidsgolf zich hierin anders voortbeweegt dan in de rest van het weefsel waardoor hij verbuigt. Dat effect nemen we in onze algoritmes nu mee, bij bestaande echo’s gebeurt dat nog niet.”

Een grotere vernieuwing van Van Slouns onderzoeksgroep is het gebruik van generatieve modellen voor de signaalverwerking. Met generatieve computermodellen zijn nieuwe gegevens te genereren, aan te vullen of te interpreteren. Een bekend voorbeeld is ChatGPT, dat op basis van een grote database met tekst zelf met nieuwe teksten kan komen. ChatGPT is gericht op taal, maar generatieve modellen kunnen ook op andere taken gericht worden. In dit geval op het maken van plaatjes van weefsels.

„Het model maakt gebruik van kennis over het weefsel uit trainingsdata en eerdere metingen bij een patiënt”, zegt Van Sloun. „Zonder dat je alles op dat moment meet, kun je toch een goed plaatje krijgen. Onze hersenen werken ook zo, ze vullen veel voor ons in waardoor we veel begrijpen uit beperkte observaties. Huidige echo’s doen dat niet en maken ieder plaatje weer alsof ze nog nooit een echobeeld hebben gezien.”

Lastig punt: bij medische beeldvorming wil je niet het gangbare zien, maar juist afwijkingen duidelijk in beeld brengen. „Dat is een van de uitdagingen, waarbij uitgebreide trainingsdata van groot belang zijn”, zegt Van Sloun. „Het rekenmodel moet de gemeten informatie en de trainingsdata goed op waarde kunnen schatten. Daarnaast kun je een algoritme ook juist naar afwijkingen laten zoeken, dingen die niet bij het gangbare plaatje passen.”

Bewegend echobeeld met één echokop versus twee echokoppen. Met twee echokoppen is het beeld scherper.

Op zijn scherm laat hij voorbeelden zien van echo’s van het hart die inderdaad minder gruizig ogen, vergelijkbaar met de afbeeldingen die Van Hal eerder toonde. „Wat we beogen lukt al heel aardig. Generatieve modellen en AI zijn booming, in allerlei vakgebieden. Daar hebben wij veel profijt van.”

Uiteindelijk hoopt Van Sloun nog een stap verder te gaan. Zijn droom is dat het algoritme zelf bedenkt waar het meer informatie over nodig heeft en volautomatisch meer metingen of snellere metingen over specifiek dat punt laat uitvoeren.

Het werkt natuurlijk ook voor de lever, de blaas, de placenta, het maagdarmstelsel, alles

„Over de hartwand loopt bijvoorbeeld een elektrische golf, die zorgt voor een bepaald soort samentrekking”, zegt Van Sloun. „Die golf gaat supersnel, en door op een specifiek moment snellere metingen te doen is zoiets beter in beeld te brengen. Veel beelden per seconde opnemen, in hoge beeldkwaliteit meten en over een groot oppervlak meten kan bij echo nooit tegelijk. Nu wordt een compromis gebruikt dat het redelijk doet op alle vlakken, met onze aanpak doorbreek je dit compromis.”

Hij heeft de aanpak ‘cognitieve echografie’ genoemd. Voorbeelden heeft hij nog niet want het onderzoek is pas net gestart – hij kreeg er een zogeheten Vidi-beurs voor van wetenschapsfinancier NWO. „We moeten het algoritme vooruit laten denken, laten plannen”, zegt Van Sloun. „Wij als mensen doen dat voortdurend, grotendeels gebaseerd op voorstellingen die we over de werkelijkheid hebben. Daar gebruikt ons brein verrassend weinig energie voor. Maar het is verrekte moeilijk om zoiets in algoritmes te vangen.”

Van Slouns verbeteringen zijn voorlopig gericht op bestaande echo-apparatuur. Via die route hoopt hij dat vernieuwingen sneller de kliniek bereiken. Software is voor fabrikanten nu eenmaal eenvoudiger te vernieuwen dan complete hardware. Uiteindelijk is bundeling van zijn werk met dat van Lopata goed voorstelbaar denkt hij. „De stap om onze systematiek op nieuwe apparatuur toe te passen is niet zo groot.”

Beide onderzoeksgroepen doen veel met hart- en vaatziekten, maar de inzichten zijn op het hele lichaam toepasbaar. „Het werkt natuurlijk ook voor de lever, de blaas, de placenta, het maag-darmstelsel, alles”, zegt Lopata. „Ik hoop dat we uiteindelijk met echografie hetzelfde kunnen als met een MRI- of CT-scanner. Of misschien zelfs meer omdat we die bewegende informatie hebben. Het zou heel waardevol zijn voor de zorg als we die dure scans dan minder hoeven inzetten.”

Delen





Mail de redactie