Academische ziekenhuizen zetten soms complexe 3D-visualisatietechnologie in ter voorbereiding van operaties. Ontwikkelaars van implantaten gebruiken de technologie om nog gerichter te kunnen innoveren. Die visualisaties geven altijd slechts een deel weer van de werkelijkheid, ze zoomen in op één aspect. Living Heart is het eerste 3D-model van een hart dat kennis uit alle domeinen verenigt en dat op iedere computer kan worden getoond. Een gesprek met de bedenker ervan.
27 jaar geleden werd de dochter van Steve Levine geboren met een zeldzame hartafwijking. Al sinds haar tweede jaar heeft ze pacemakers. Het is al drie keer voorgekomen dat een draadje in haar lichaam breekt. Leveranciers begrijpen nog altijd niet goed waar een pacemaker allemaal aan blootstaat nadat deze is geïmplanteerd. Ze testen de implantaten op een kleine groep oudere, vaak mannelijke patiënten en niet bij meisjes van twee. In 27 jaar tijd heeft de medische wetenschap nauwelijks vooruitgang geboekt op dit terrein. Dat inspireerde Levine om een 3D-simulatie van een hart te ontwikkelen waarop je beter onderzoek kunt doen en waarop je virtueel implantaten kunt testen. Hij is momenteel Executive Director van het Living Heart Project bij Dassault Systèmes. “Mijn gedachte was simpel”, vertelt Levine. “Als wij bij Dassault Systèmes simulaties kunnen maken van complexe machines zoals vliegtuigen en auto’s, zouden we dan ook een 3D-simulatiemodel kunnen maken van een menselijk hart? Een model dat alle variabelen in ogenschouw neemt en waarmee we beter kunnen analyseren hoe deze interacteren.”
Eén referentiemodel
De grote vraag was natuurlijk: hoe bouw je een virtueel hart? Want Dassault Systèmes mag dan specialist zijn in 3D-simulaties, van menselijk weefsel weten ze weinig af. Levine kreeg enkele collega’s zo gek om samen met hem een eenvoudig model te ontwikkelen van vier hartkamers waarin bloed wordt rondgepompt. Met dat allereerste prototype ging hij op bezoek bij medisch onderzoekers, cardiologen, ontwikkelaars van implantaten enzovoort. Met twaalf experts uit het werkveld ontwikkelde Dassault Systèmes een eerste prototype van een menselijk hart: ‘Living Heart’. Een toen nog heel eenvoudig model dat de visie van Levine aan de rest van de medische wereld toonde. De grote meerwaarde van het Living Heart is dat kennis uit verschillende domeinen, die voorheen gescheiden waren, nu voor het eerst bij elkaar komen. Omdat een hart zo complex is, is het ook logisch dat onderzoekers een gebied afbakenen. “Daar brengen wij verandering in”, zegt Levine. “Wij hebben nu één referentiemodel waarin alle stukjes kennis bij elkaar komen. Wij zijn de eersten die kunnen laten zien: kijk, zo ziet het hart er in zijn geheel uit.” Hij vindt het niet vreemd dat dit door een softwarebedrijf wordt gedaan en niet door een wetenschappelijk instituut. “Wetenschappers zijn gericht op het vergaren van nieuwe kennis en niet op het bij elkaar brengen van bestaande inzichten. Daarnaast zijn computers veel beter in die taak van het bij elkaar brengen en consolideren van informatie. En ze kunnen ook veel beter dan mensen die inzichten visualiseren.”
Medewerking van FDA
Met het 3D-referentiemodel van het menselijk hart kreeg Levine de handen van artsen en onderzoekers op elkaar. Een belangrijk argument waarom steeds meer partijen wilden meedoen in het project was het feit dat Dassault Systèmes alle kennis die ze opdoen publiceren. “We zijn dit project gestart omdat wij ervaring hebben in het vertalen van wetenschappelijke kennis naar een product dat door iedereen gebruikt kan worden. Die vertaalslag ontbreekt vaak in de medische wetenschap, waardoor innovatie stokt en dat is jammer.”
Living Heart heeft tot doel om wetenschappelijke inzichten toepasbaar te maken. “Je kunt een uitvoerig artikel lezen om een bepaalde hartfunctie te begrijpen, maar je kunt ook ons 3D-model onderzoeken. Dat laatste is veel effectiever. Dan zie je veel sneller op welke fronten een ziek hart afwijkt van een gezond hart. Ondanks cardiogrammen, MRI-scans en andere onderzoeken die cardiologen kunnen uitvoeren op een patiënt, kunnen ze zich toch vaak maar een beperkte voorstelling maken van de situatie. Neem een patiënt die een nieuwe hartklep moet krijgen. Er zijn wel dertig varianten beschikbaar. Het leeuwendeel valt af, maar er blijven ook altijd meerdere geschikte kleppen over. Welke kies je? Als je vooraf een 3D-model kunt maken van het hart van deze specifieke patiënt, dan kun je de verschillende kleppen virtueel testen en weet je met zekerheid welke het best werkt.”
Dit maakt dat ook de FDA achter het project staat. “Zij moesten erkennen dat deze nieuwe technologie andere eisen gaat stellen aan hun reguleringsproces. In dit geval is er een community die kan valideren dat ons 3D-model van het menselijk hart gebruikt kan worden in plaats van een clinical trial. Immers, een clinical trial voor een nieuwe hartklep is behoorlijk risicovol en tijdrovend. Maar gebruik je daarvoor Living Heart dan heb je heel snel inzicht voor welke patiënten die nieuwe klep meerwaarde heeft en voor welke niet. De FDA gaat daarom haar reguleringsproces nu aanpassen.”
Database vullen
Dassault Systèmes, een bedrijf met Franse wortels, is in de VS met Living Heart begonnen. “Daar hebben ze een veel groter probleem met het in de hand houden van de kosten van de gezondheidszorg en verder is de wetenschappelijke wereld er minder versnipperd dan in Europa. We konden daar gewoon meer vaart maken.” En dat blijkt. Veel ziekenhuizen sluiten zich aan, waardoor de database met menselijke harten groeit. Levine: “Wij hebben ongeveer acht uur nodig om op basis van verschillende diagnostische onderzoeken een 3D-reproductie te maken van een specifiek hart. Wij bewaren alle modellen van de harten in een database. Die data kunnen we minen om straks betere diagnoses te stellen. We kunnen bijvoorbeeld op zoek gaan naar harten met dezelfde afwijking en kijken welke interventies bij die groep patiënten succesvol zijn geweest.”
Ondertussen werkt Dassault Systèmes hard aan manieren om die acht uur terug te brengen, onder meer door de inzet van machine learning. “Je wilt best acht uur uittrekken voor een simulatie als je een tweejarig meisje gaat opereren, maar er is gewoon geen budget om bij iedere patiënt zoveel vooronderzoek te doen. Dus hoe sneller en goedkoper wij een visualisatie kunnen maken, hoe meer patiënten baat hebben bij deze technologie.”
Menselijk lichaam visualiseren
Het uiteindelijke doel van Levine is om ooit een 3D-visualisatie van het volledige menselijke lichaam te maken. “We hebben een acceptabele versie van ons hart in vijf maanden tijd ontwikkeld en sindsdien wordt het model door alle betrokkenen verder verbeterd. We zijn nu bezig met de hersenen. Andere organen zullen sneller gaan, de eerste zijn altijd het moeilijkst. Het lastigste onderdeel van een volledig menselijk lichaam is de interactie tussen alle systemen in ons lijf. Daar begrijpt de medische wetenschap nog onvoldoende van. Een ‘Living Human Body’ zou daarbij kunnen helpen.”
Zo ver is het nog niet. Levine focust zich nu op het bouwen van een community van service providers die concrete diensten kunnen verkopen op basis van het Living Heart, dat draait op het 3DEXPERIENCE-innovatieplatform van Dassault Systèmes in de cloud. “Het mooie van dit platform is dat je er heel eenvoudig alle mogelijke bronnen aan kunt verbinden, van radiologie- en pathologiesystemen tot EPD’s en labsystemen. Hoe meer data beschikbaar zijn, hoe betrouwbaarder het model wordt. Dat model kun je vervolgens op iedere computer tonen, zelfs op een smartphone. Met een brilletje van 2 euro zie je het visualisatiemodel ook echt in 3D. En dat maakt het heel toegankelijk. Tot op heden moesten artsen en onderzoekers altijd gebruikmaken van een kostbare speciale ruimte waar 3D-visualisaties als hologram werden geprojecteerd.”
Levine haalt zijn smartphone tevoorschijn en geeft me een 3D-brilletje. “Kijk, hier zie je twee harten: een gezond hart en het hart van een patiënt. We stellen een gratis app beschikbaar waarmee cardiologen deze twee beelden naar de patiënt kunnen sturen, zodat zij het thuis op hun gemak nog eens kunnen bekijken. Het blijkt namelijk dat patiënten veel beter begrijpen wat ze mankeren als ze het op deze manier kunnen zien. Ze gaan daardoor meer gerust een operatie in en houden zich na afloop ook beter aan hun revalidatieschema.”
Noodzaak tot meer kennis
Het eerste contract met een serviceprovider in België is al enige tijd terug getekend. FEops richt zich specifiek op pre-operatieve planningen van hartklepvervangingen. Levine: “De cardioloog stuurt alle beschikbare beelden naar FEops en zij maken daarvan een 3D-model. Op basis daarvan adviseren ze welke klep het best past en hoe de chirurg de operatie het best kan uitvoeren.”
Levine benadrukt dat deze technologie de ervaring van de arts niet overbodig maakt. “Nee, het is juist een hele goede aanvulling. Je gaat van een 2D-cardiogram naar een 3D-cardiogram. Maar net zoals de 2D-beelden zorgden voor een nog grotere noodzaak voor kennis bij de medisch specialisten geldt dat ook voor 3D-beelden. Computers kunnen prachtige visualisaties maken, maar uiteindelijk zullen mensen moeten beslissen welke behandeling het best past en zullen ook mensen de procedure moeten uitvoeren. Wij helpen alleen om de uitkomsten voor de patiënt nog beter te maken.”
