Dit is onze tijd: werken aan nauwkeurige en inclusieve medische apparaten

Vincent Zoutenbier houdt zich bezig met de interactie tussen licht en menselijk weefsel. “Licht is een zeer gevoelig instrument om belangrijke gezondheidsindicatoren te meten. Zo werk ik aan projecten om het hemoglobinegehalte in het bloed te controleren door simpelweg licht in het oog te schijnen. En om de gezondheid van iemands hart te controleren, door te onderzoeken hoe licht van de huid weerkaatst.”

"Ons onderzoek heeft veel impact op preventie en vroege diagnose. Door nauwkeurige wearable devices te ontwikkelen die licht gebruiken om aandoeningen eerder te detecteren, kunnen medische professionals een behandeling eerder starten, vóórdat ernstigere symptomen optreden."

Weefsel

Beschrijven hoe licht door weefsel beweegt, is een uitdagend onderwerp. Om dit te begrijpen, heeft Vincent een op Python gebaseerd softwarepakket ontwikkeld. Hiermee simuleert TNO digitaal het pad van licht door weefsel.

Deze simulaties valideert hij met behulp van kunstmatige weefselmaterialen, ‘fantoomweefsels’. “Ik boots een deel van het menselijk lichaam na, zoals huidlagen, vetweefsel of een bloedvat in het oog. Vervolgens schijnen we hier licht op en meten we de absorptie en/of reflectie. Een voorbeeld hiervan is een modeloog dat TNO heeft ontwikkeld.”

“Met metingen van fysieke fantoomweefsels en computersimulaties kunnen we algoritmen creëren om meetbare verschillen tussen gezond en ongezond weefsel te vinden. Omdat alles virtueel is, kunnen we zelfs variaties in leeftijd, huidskleur, geslacht, enzovoort kwantificeren. Normale dingen die van persoon tot persoon verschillen. Met deze informatie kunnen we medische apparaten afstemmen voor nog nauwkeurigere biomarker detectie, voor de hele bevolking.”

De kracht van licht

Voor veel huidige meetmethoden zijn monsters nodig. Dat leidt tot biologisch afval, waarvan veel moet worden verbrand. Vincent legt uit: “Het gebruik van licht is veel comfortabeler voor de patiënt, omdat er geen naalden of wattenstaafjes nodig zijn en er geen eenmalige monstermaterialen nodig zijn.”

Nauwkeurigheid en inclusiviteit

Vingertopapparaten die zuurstofniveaus in het bloed meten, kunnen nog aanzienlijk minder nauwkeurig zijn bij patiënten met een donkere huidskleur. Vincent is vastbesloten om dit te veranderen. “Ik wil niet dat iemand zich hoeft af te vragen of een medisch meetapparaat voor hen is gemaakt of niet. Elk menselijk lichaam is anders, maar de wetenschap achter op licht gebaseerde metingen is altijd hetzelfde. Onze simulaties erkennen dit en maken het ontwikkelen van inclusieve en rechtvaardige apparaten mogelijk.”

Onontgonnen gebied

Veel van wat Vincent en zijn team doen, is onontgonnen wetenschappelijk terrein. Daardoor is het moeilijk is om bestaande literatuur te vinden ter ondersteuning van simulatiemodellen.

“Vragen zoals ‘hoeveel bloed bevat elke netvlieslaag?’ zijn gemakkelijk te stellen maar moeilijk te beantwoorden”, vertelt Vincent. “Met elke simulatie die ik doe, krijg ik meer gedetailleerde anatomische kennis... en komen er meer van dat soort lastige vragen bij. Om ze te beantwoorden, gebruiken we TNO’s grote onderzoeksnetwerk. We werken samen met medische en technologische experts binnen TNO, maar ook ziekenhuizen over de hele wereld om modellen te creëren die de grenzen van de menselijke fysiologische kennis verleggen.”

“Om een idee te geven van de omvang van onze projecten: bij de ontwikkeling van een nieuw modeloog werken we samen met een Zweeds bedrijf voor oogheelkundige apparaten. En voor het meten van hart- en vaatgezondheid werken we samen met collega’s van TNO Leiden en Holst Centre. In sommige projecten werk ik zelfs met de Nederlandse Luchtmacht.”

Toolbox

Vincent speelde een belangrijke rol bij het opbouwen van de lichtsimulatiecapaciteit bij TNO. Hij ontwikkelde het weefselsimulatiepakket Tissue Optics Monte Carlo Analysis (TOMCA). Dit flexibele pakket maakt metingen reproduceerbaar, traceerbaar en efficiënt en bevat een database met literatuurverwijzingen voor alle beslissingen en informatie over elk apparaat en weefselmodel.