Echo’s uit een pleister
Echografie via een pleister of katheter: volgens Michiel Pertijs is het mogelijk om echo-apparaten te verkleinen tot millimeterformaat. Met dank aan slimme chiptechnologie.
Grote kans dat jouw eerste babyfoto er een is: een echo. Zo’n zwart-witplaatje waarop je, soms met een beetje fantasie, een kind herkent in de baarmoeder. Echografie is een kosteneffectieve en veilige methode om het lichaam in beeld te brengen. Het is niet alleen geschikt voor plaatjes van een ongeboren kind, maar voor allerlei organen, zo lang deze uit zacht weefsel bestaan.
Niet voor niets dromen artsen al jaren van sondes die zo klein zijn dat ze minimaal-invasieve chirurgie real-time in beeld kunnen brengen, zoals een dotterbehandeling of het vervangen van een hartklep. Of wat te denken van een draadloze incontinentie-pleister, die het blaasvolume in de gaten houdt en een alarm laat afgaan als het tijd is om te plassen? Dat staat binnen afzienbare tijd te gebeuren – zo’n vijf tot tien jaar, als je het aan Michiel Pertijs vraagt.
Miniaturiseren
De onderzoeksgroep van Michiel Pertijs werkt, samen met partners van de TU Delft en daarbuiten, aan het ‘miniaturiseren’ van echografie. Want voor een arts een echo-katheter kan inbrengen bij een patiënt moet de techniek eerst een stuk kleiner. Pertijs: ‘Voor het maken van een echo heb je een sonde nodig met duizenden transducers die ultrageluid uitzenden en ontvangen. Zo’n probe is nu nog met een dikke kabel verbonden aan een kast naast het bed. Die zit vol elektronica: voor elk elementje een stukje elektronica om het aan te sturen en om het signaal op te vangen. Maar duizenden kabeltjes door een katheter van drie millimeter doorsnede, dat is gewoon niet haalbaar.’
Door onze samenwerkingen kunnen wij extra stappen zetten naar een medische toepassing. Ik vind dat heel motiverend.
Chiptechnologie
De uitdaging van Pertijs en zijn onderzoeksgroep is om de functionaliteit van die grote kast vol elektronica te verkleinen, en de verbinding tussen de probe en het beeldscherm zo efficiënt mogelijk te maken. Daarbij speelt chiptechnologie een rol. ‘Daarmee kunnen we intelligente schakelingen maken op micrometerniveau’, legt Pertijs uit. ‘Klein genoeg om die duizenden transducers vanuit de probe aan te kunnen sturen.’ Dankzij slimme schakelingen kunnen zijn chips een deel van de signalen al verwerken voordat ze door de kabeltjes worden gestuurd. ‘Als je de signalen van groepjes elementen al op de chip kan combineren, dan hoef je eigenlijk alleen nog maar de som van die signalen te versturen, en niet meer de signalen van al die individuele elementjes. Dat alleen al brengt het aantal kabeltjes terug met een factor tien.’
Digitaliseren
Pertijs denkt dat hij de chips nog slimmer kan maken. Hij werkt aan chips die de echosignalen eerst digitaliseren: daarmee kan de informatiestroom nóg efficiënter. ‘Vergelijk het met de ontwikkeling van de telefonie: vroeger belden we met analoge telefoons. Dat telefoongesprek is nu digitaal. Door dezelfde kabel liep vroeger alleen dit telefoonsignaal, maar krijgen we nu ook breedband internet en zo’n honderd televisiekanalen ons huis binnen. Dat soort mogelijkheden zijn hier ook. Ultrageluid-probes zijn de ouderwetse analoge telefoons. Het digitaliseren van data staat bij medische apparatuur nog in de kinderschoenen.’
Draadloos
Al dat verkleinen en terugbrengen van het aantal kabeltjes: zouden die chips ook draadloos kunnen communiceren? Pertijs: ‘Dat hangt af van de hoeveelheid data die je moet verzenden. Een incontinentiepleister hoeft alleen maar iedere tien minuten een schatting van het blaasvolume te versturen. Dat kan prima draadloos. Maar bij real-time beeld praat je al gauw over tientallen gigabits per seconde. Dat is van een heel andere orde van grootte.’ Bovendien schiet draadloos echobeeld soms zijn doel voorbij. ‘Een katheter heeft altijd een guide wire om hem door de bloedbaan te duwen en trekken. Door zo’n draad kunnen makkelijk wat kabeltjes lopen, dus heb je geen draadloos signaal nodig. Probes die de arts in de hand houdt, zullen in de toekomst zeker draadloos worden. Onze chips zullen aan die ontwikkeling een belangrijke bijdrage kunnen leveren.’
Ultrageluid-probes zijn als ouderwetse analoge telefoons. Het digitaliseren van data staat bij medische apparatuur nog in de kinderschoenen.
Energiezuinig
Maar er is een keerzijde aan die steeds slimmere, kleinere chips: het verwerken van alle datastromen op een mini-oppervlak kost veel energie. En die moet ergens heen in de vorm van warmte. Geen enkel probleem bij een groot echo-apparaat, maar niet wenselijk in of op een patiënt. ‘Hitte kan zorgen voor weefselschade’, zegt Pertijs. ‘Daarom werken we met partners aan energiezuinige, veilige chips.’
Kruisbestuiving
Die samenwerkingen, daaruit behaalt Michiel Pertijs de meeste winst. ‘Vaak werken we vanuit verschillende invalshoeken aan hetzelfde probleem. Daardoor komen we met oplossingen waar we individueel niet op zouden zijn gekomen.’ Bijvoorbeeld hoe je chiptechnologie kunt gebruiken om supersnelle echobeelden te maken. Daarmee kan nieuwe medische diagnostiek worden bedreven. ‘Er is een kruisbestuiving die je alleen vindt bij dit soort projecten. Door dat overzicht kunnen wij extra stappen zetten naar de medische toepassing. Ik vind dat heel motiverend.’
Over echografie
Echografie is bekend uit de dierenwereld: vleermuizen gebruiken het ook. Ze maken ultrageluid dat weerkaatst tegen een prooi. De weerkaatsing – echo – komt na een tijd terug bij de vleermuis. De tijd tussen uitzenden en ontvangen is een maat voor de afstand tussen vleermuis en prooi. Dit principe is te vertalen naar de echografie: een probe met een geluidszender en -ontvanger, een transducer, zendt ultrageluid uit. Wanneer het geluidssignaal stuit op een grensvlak tussen twee weefsels, kaatst het terug. De transducer vangt de echo op en stuurt die naar het echo-apparaat, die meerdere echo’s combineert tot een beeld, bijvoorbeeld van een rondzwemmende foetus.
Een individuele echo is vergelijkbaar met een dieptemeting vanaf een boot: als je een loodje aan een touw in het water gooit, weet je hoe diep het water is door de lengte van het touw te meten. Door eenzelfde soort meting te doen vanuit verschillende bootjes, krijg je een beeld van de bodem. Dat is vergelijkbaar met een tweedimensionaal echobeeld van een object in het lichaam: het bootje is de transducer en het touw de weg die het geluid aflegt.
Over Michiel Pertijs
Michiel Pertijs is associate professor bij het Electronic Instrumentation Lab binnen de afdeling Microelectronics aan de TU Delft. Hij studeerde Electrical Engineering aan de TU Delft en promoveerde er op slimme temperatuursensoren. Na zijn promotie werd hij productontwerper bij het chipbedrijf bedrijf National Semiconductor en senior onderzoeker bij het Holst Centre in Eindhoven. Eenmaal terug in het onderzoek kreeg hij de mogelijkheid om als universitair docent terug te keren bij de TU Delft. Daar combineert hij nu zijn expertise als chipontwerper met onderzoek naar ultrageluid.
Tekst: Koen Scheerders