Wel of niet opereren bij kanker in het hoofd-halsgebied? Als artsen en patiënten van tevoren weten welke consequenties een operatie heeft voor bijvoorbeeld de spraak en het slikken, is de keuze minder moeilijk. De operatie eerst uitvoeren op een virtueel evenbeeld van de patiënt, geeft dan veel inzicht, aldus technisch-geneeskundige Merijn Eskes die op 13 december promoveert aan de Universiteit Twente. Hij heeft zijn promotieonderzoek uitgevoerd in het Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis.
Kanker in het hoofd-halsgebied, zoals mondholte-, keel-, of strottenhoofdkanker, hoort tot de top vijf van meest voorkomende typen kanker. Een tumor wordt vaak pas in een laat stadium ontdekt, met alle gevolgen voor de prognose. Operatief verwijderen is soms niet mogelijk, omdat andere vitale functies in gevaar komen. Soms is het wel mogelijk, maar niet wenselijk: een operatie vindt nu eenmaal plaats in het meest zichtbare deel van het lichaam. Voor het aangezicht, en voor functies zoals spreken, kauwen en slikken, heeft een operatie vérgaande consequenties. Dit zijn consequenties die de patiënt niet kan overzien. Ook maakt de ene chirurg een andere keus dan de andere. Als artsen zouden beschikken over een virtuele versie van de patiënt, samengesteld op basis van scans en metingen, dan kunnen ze vooraf zien hoe een operatie gaat uitpakken en dit ook doorspreken met de patiënt.
Aansturing lipbewegingen
Om zo’n ‘digitale dubbelganger’ van de patiënt te ontwikkelen, heeft Merijn Eskes vooral gekeken naar de spieraansturing in het gezicht. Een elektromyogram (EMG) geeft informatie over de spieren en hun neurale aansturing. Dit gebeurt met elektroden op het gezicht, vergelijkbaar met de elektroden bovenop het hoofd voor een EEG. Door de signalen van 16 gezichtsspieren te meten, is Eskes in staat de lipbewegingen te voorspellen. Dit werkt beter met biomechanische modellen dan met statistische, concludeert hij. Als EMG wordt gecombineerd met echo’s, MRI- en CT-scans, ontstaat een zo compleet mogelijke ‘virtuele dubbelganger’ die vooraf laat zien hoe een operatie zal uitpakken.
Links: Een proefpersoon met de 16 elektroden om spieractiviteiten te meten en lip markers om de lipbeweging op te nemen met een 3D camera. Rechts: het biomechanische model in ArtiSynth (www.artisynth.org) gebruikt door Eskes. De spieren zijn als volgt afgekort: zygomaticus major (ZYG), risorius (RIS), levator labii superioris aleque nasi (LLSAN), levator anguli oris (LAO), buccinator (BUC), orbicularis oris peripheralis (OOP) and marginalis (OOM), depressor labii inferior (DLI), depressor anguli oris (DAO), and mentalis (MEN).
De gemeten 3D lipvormen van verschillende gezichtsuitdrukkingen is weergegeven in groen. De blauwe en oranje 3D lipvormen zijn voorspeld met behulp van twee verschillende statistische modellen op basis van spieractivatiesignalen gemeten met oppervlakte-elektromyografie. A. de rustpositie, B. vrijwillige lachen, C. lippen tuiten, D. bovenlip optrekken, E. mond openen, F. mondhoeken naar beneden trekken, G. blazen, H. onderlip pruilen.
Aangeleerd
De ene patiënt is daarin de andere niet. Sommige patiënten ontwikkelen, zonder training, een strategie waarin ze andere spieren gaan gebruiken om dezelfde functie zo goed mogelijk weer terug te krijgen na de operatie. Anderen lukt dit zelfs mét veel training niet. Je zou met ‘achterwaarts modelleren’ kunnen terugrekenen welke spieren worden gebruikt voor een lipbeweging, maar dat levert heel veel mogelijke oplossingen op: al is het maar omdat het lichaam goed is in compenseren door andere combinaties van spieren te gebruiken. Het mooie van EMG is dat de metingen informatie geven over de strategieën die de individuele patiënt zichzelf in de loop van de tijd heeft aangeleerd. Dit reduceert het aantal oplossingen en maakt de digitale dubbelganger nog persoonlijker.
Virtual therapy
Eskes’ onderzoek maakt deel uit van het grotere ‘Virtual Therapy’-project van het Hoofd-Hals Centrum van het Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis in Amsterdam. Eerder is daarin bijvoorbeeld al gekeken naar 3D-modellering van de tong. Het in kaart brengen van de gezichtszenuwen en lipbewegingen is weer een belangrijke volgende stap op weg naar modellen die toepasbaar zijn in de gevoelige besluitvorming rondom operaties. Voordat er een model beschikbaar is waarmee zowel de arts als de patiënt uit de voeten kunnen, is nog wel tussen vijf en tien jaar onderzoek nodig, verwacht Eskes.
Personalized technologies
Het onderzoek is een mooi voorbeeld van technologie die wordt ingezet voor de meer gepersonaliseerde gezondheidszorg van de toekomst. 'Improving healthcare by personalized technologies' is een van de nieuwe onderzoeksthema's van de Universiteit Twente. De opleiding Technical Medicine leidt mensen zoals Merijn Eskes op, die technologie weten te integreren in de zorg.
Merijn Eskes (Winterswijk, 1987) studeerde Technische Geneeskunde aan de Universiteit Twente. Op 13 december verdedigt hij zijn proefschrift ‘Surface electromyography in personalised modelling of the head and neck’. Zijn promotoren zijn prof.dr. Kees Slump (UT) en prof.dr. Fons Balm (AvL). Dr.ir. Ferdi van der Heijden is zijn copromotor.
