Prikje elektronen brengt inwendige mens in beeld

Met een zender wordt vervolgens een golf in de richting van de gemagnetiseerde kernen uitgezonden. De frequentie van de golf is afhankelijk van de sterkte van het magneetveld en van het gemagnetiseerde materiaal. Hierdoor gaan de kernen dwars op het veld staan. Deze situatie is echter niet stabiel: de kernen keren al tollend in hun oorspronkelijke toestand terug, als een duikelaartje dat ook nog eens rond draait.

Uiteindelijk richten de kernen zich weer naar het magneetveld, en ontstaat een golf die met een ontvanger wordt gemeten. Doordat de frequentie ervan afhankelijk is van de sterkte van het magnetisch veld, kan de plaats van de zendende kern vastgesteld worden. Verder is de tijd die het kost totdat de kern weer in zijn oorspronkelijke toestand terugkeert, de relaxatietijd, afhankelijk van de chemische eigenschappen van het lichamelijk weefsel. Zo kunnen verschillende weefsels worden afgebeeld.
Ratten

In het apparaat dat Claassen-Vujcic en Konijnenburg ontwikkelden, maken ze gebruik van het Overhauser effect dat al in de jaren vijftig is ontdekt. ,,Overhauser imaging werkt in principe hetzelfde als gewone MRI”, vertelt Claassen-Vujcic. ,,Je zorgt alleen op een andere manier voor de magnetisatie. Het magnetisch veld dat wordt gebruikt is veel zwakker, waardoor de atoomkernen zich nauwelijks richten. Met gewone MRI zou je dus niets zien. Maar vrije elektronen, die niet zijn gebonden aan een atoomkern, richten zich zeshonderd keer beter dan de kernen. Als je een golf met de juiste frequentie uitzendt in de richting van de elektronen, dragen zij hun magnetisatie over aan de kernen.Hierdoor wordt hun magnetisatie groot genoeg om op dezelfde manier als bij gewone MRI een beeld te kunnen maken.” Dat bewezen de twee door met hun uiteindelijke werkende ‘Overhauser Imager’ beelden op te nemen van ratten. Dat waren meteen de eerste beelden van deze kwaliteit die met dit principe op een universiteit gemaakt zijn.

De vrije elektronen die nodig zijn voor Overhauser Imaging, moeten met een contrastmiddel worden ingebracht. ,,Want”, zo legt Konijnenburg uit, ,,in het menselijk lichaam zijn ook vrije elektronen, maar niet genoeg. Door verschillende contrastmiddelen te gebruiken zou je verschillende delen van het lichaam af kunnen beelden. Als je bijvoorbeeld een middel vindt dat alleen in de bloedbaan blijft, kun je een afzonderlijke afbeelding maken van het bloedvatenstelsel.” De twee zijn het erover eens dat Overhauser imaging niet alleen een goedkope vervanger van MRI is, maar ook een aanvulling. Als de techniek eenmaal volledig ontwikkeld is, zullen er allerlei nieuwe toepassingen bedacht worden.

Het contrastmiddel is op dit moment het grootste probleem. Er is namelijk nog geen commercieel middel op de markt. ,,Maar een bedrijf in Zweden is wel bezig met een veelbelovend middel. Dat mochten wij gebruiken voor onze tests. Als het goed gaat, kan Overhauser imaging binnenkort ook in ziekenhuizen worden toegepast”, meent Claasen-Vujcic. ,,Verder is er ook nog een aantal technische problemen, maar die zullen zeker worden opgelost.”
Bijl

Wat Konijnenburg en Claasen-Vujcic het meest bijzonder vonden aan hun promotie, is dat ze een compleet beeldvormend systeem hebben ontwikkeld waarin een nieuwe techniek is toegepast. ,,Systeemontwikkeling gebeurt volgens ons veel te weinig op de TU”, zo stelt Claasen-Vujcic. ,,Wij hebben nagedacht hoe je een ontwerp gestructureerd aanpakt en hoe je met eisen van klanten om moet gaan. Bovendien moet je systeemarchitectuur ook in de toekomst makkelijk uitgebreid kunnen worden. Daarom hebben wij getracht het ontwerpproces op een industriële leest te schoeien. Op de universiteit zijn dit soort projecten zeldzaam, en wordt onder het mom van tijdsdruk veel aangerommeld. Zoals de houthakker die de hele nacht bezig was met het hakken van hout, omdat hij niet de tijd nam om even zijn bijl te slijpen. Maar soms moet je even de tijd nemen om ergens bij stil te staan.”

,,Er zijn vele theorieën over de aanpak van een systeemontwerp. Maar omdat ze voornamelijk uit de industrie komen, vind je zelden een beschrijving over hoe dat in de praktijk werkt. Wij hebben dit wel gedaan. In ons proefschrift hebben we ons ook helemaal blootgegeven. We hebben precies opgeschreven wat we hebben gedaan. Dat maakt het namelijk mogelijk om te discussiëren over wat wel en niet is gebeurd, en welke stappen in het proces voor verbetering vatbaar zijn.”

Tijdens de verdediging van hun proefschrift kregen de promovendi daarover nog pittige vragen. ,,Want”, vult Konijnenburg aan, ,,je kunt wel een heel strakke structuur hebben, maar soms moet je daar toch van afwijken. Als we ons drie jaar geleden alleen maar op de details hadden geconcentreerd, had er nu geen werkend apparaat gestaan. Daarom hebben we soms intuïtief gekozen voor een oplossing. Daar vielen de commissieleden dan over. Maar datgebeurt in elk onderzoek, alleen laten de meeste onderzoekers dat niet zien.”

Konijnenburg en Claasen-Vujcic zeggen allebei bij hun sollicitaties voordeel te hebben gehad van het feit dat ze op de TU al een compleet systeem hebben ontworpen. Het samenwerken hebben ze in elk geval als heel plezierig ervaren. Met een groep studenten werden wekelijks project-vergaderingen georganiseerd en vonden vaak discussies plaats met de hoogleraar. Hierdoor is een eindproduct ontstaan waarbij, zoals de twee in hun gezamenlijke proefschrift zeggen, ‘de synergie veel belangrijker is dan wie wat heeft gedaan’.

Bij de sectie spin imaging van de subfaculteit Technische Natuurkunde wordt al jaren onderzoek gedaan naar Magnetic Resonance Imaging (MRI), een methode waarbij een afbeelding van het binnenste van de mens wordt gemaakt door hem in een heel sterke magneet te leggen. Hiervoor zijn supergeleidende spoelen nodig, en die zijn peperduur. Konijnenburg: ,,Voor gewone MRI is een magnetisch veld van een halve Tesla nodig. Zo een veld is vijftigduizend keer zo sterk als het magnetisch veld van de aarde, waar een kompasnaald zich op richt. De magneet die daarvoor nodig is kost vijf ton. Wij gebruiken een veel zwakkere magneet, die zo’n twintig keer goedkoper is.”

Bij MRI wordt gebruik gemaakt van de eigenschap dat atoomkernen zich in een magnetisch veld gedragen als kleine magneetjes. Ze richten zich naar het veld, net als een kompasnaald. Hoe sterker het veld is, hoe meer kernen de goede kant op staan. Hierdoor ontstaat er een magnetisatie van het materiaal, die groter is als het veld groot is.

Met een zender wordt vervolgens een golf in de richting van de gemagnetiseerde kernen uitgezonden. De frequentie van de golf is afhankelijk van de sterkte van het magneetveld en van het gemagnetiseerde materiaal. Hierdoor gaan de kernen dwars op het veld staan. Deze situatie is echter niet stabiel: de kernen keren al tollend in hun oorspronkelijke toestand terug, als een duikelaartje dat ook nog eens rond draait.

Uiteindelijk richten de kernen zich weer naar het magneetveld, en ontstaat een golf die met een ontvanger wordt gemeten. Doordat de frequentie ervan afhankelijk is van de sterkte van het magnetisch veld, kan de plaats van de zendende kern vastgesteld worden. Verder is de tijd die het kost totdat de kern weer in zijn oorspronkelijke toestand terugkeert, de relaxatietijd, afhankelijk van de chemische eigenschappen van het lichamelijk weefsel. Zo kunnen verschillende weefsels worden afgebeeld.
Ratten

In het apparaat dat Claassen-Vujcic en Konijnenburg ontwikkelden, maken ze gebruik van het Overhauser effect dat al in de jaren vijftig is ontdekt. ,,Overhauser imaging werkt in principe hetzelfde als gewone MRI”, vertelt Claassen-Vujcic. ,,Je zorgt alleen op een andere manier voor de magnetisatie. Het magnetisch veld dat wordt gebruikt is veel zwakker, waardoor de atoomkernen zich nauwelijks richten. Met gewone MRI zou je dus niets zien. Maar vrije elektronen, die niet zijn gebonden aan een atoomkern, richten zich zeshonderd keer beter dan de kernen. Als je een golf met de juiste frequentie uitzendt in de richting van de elektronen, dragen zij hun magnetisatie over aan de kernen.Hierdoor wordt hun magnetisatie groot genoeg om op dezelfde manier als bij gewone MRI een beeld te kunnen maken.” Dat bewezen de twee door met hun uiteindelijke werkende ‘Overhauser Imager’ beelden op te nemen van ratten. Dat waren meteen de eerste beelden van deze kwaliteit die met dit principe op een universiteit gemaakt zijn.

De vrije elektronen die nodig zijn voor Overhauser Imaging, moeten met een contrastmiddel worden ingebracht. ,,Want”, zo legt Konijnenburg uit, ,,in het menselijk lichaam zijn ook vrije elektronen, maar niet genoeg. Door verschillende contrastmiddelen te gebruiken zou je verschillende delen van het lichaam af kunnen beelden. Als je bijvoorbeeld een middel vindt dat alleen in de bloedbaan blijft, kun je een afzonderlijke afbeelding maken van het bloedvatenstelsel.” De twee zijn het erover eens dat Overhauser imaging niet alleen een goedkope vervanger van MRI is, maar ook een aanvulling. Als de techniek eenmaal volledig ontwikkeld is, zullen er allerlei nieuwe toepassingen bedacht worden.

Het contrastmiddel is op dit moment het grootste probleem. Er is namelijk nog geen commercieel middel op de markt. ,,Maar een bedrijf in Zweden is wel bezig met een veelbelovend middel. Dat mochten wij gebruiken voor onze tests. Als het goed gaat, kan Overhauser imaging binnenkort ook in ziekenhuizen worden toegepast”, meent Claasen-Vujcic. ,,Verder is er ook nog een aantal technische problemen, maar die zullen zeker worden opgelost.”
Bijl

Wat Konijnenburg en Claasen-Vujcic het meest bijzonder vonden aan hun promotie, is dat ze een compleet beeldvormend systeem hebben ontwikkeld waarin een nieuwe techniek is toegepast. ,,Systeemontwikkeling gebeurt volgens ons veel te weinig op de TU”, zo stelt Claasen-Vujcic. ,,Wij hebben nagedacht hoe je een ontwerp gestructureerd aanpakt en hoe je met eisen van klanten om moet gaan. Bovendien moet je systeemarchitectuur ook in de toekomst makkelijk uitgebreid kunnen worden. Daarom hebben wij getracht het ontwerpproces op een industriële leest te schoeien. Op de universiteit zijn dit soort projecten zeldzaam, en wordt onder het mom van tijdsdruk veel aangerommeld. Zoals de houthakker die de hele nacht bezig was met het hakken van hout, omdat hij niet de tijd nam om even zijn bijl te slijpen. Maar soms moet je even de tijd nemen om ergens bij stil te staan.”

,,Er zijn vele theorieën over de aanpak van een systeemontwerp. Maar omdat ze voornamelijk uit de industrie komen, vind je zelden een beschrijving over hoe dat in de praktijk werkt. Wij hebben dit wel gedaan. In ons proefschrift hebben we ons ook helemaal blootgegeven. We hebben precies opgeschreven wat we hebben gedaan. Dat maakt het namelijk mogelijk om te discussiëren over wat wel en niet is gebeurd, en welke stappen in het proces voor verbetering vatbaar zijn.”

Tijdens de verdediging van hun proefschrift kregen de promovendi daarover nog pittige vragen. ,,Want”, vult Konijnenburg aan, ,,je kunt wel een heel strakke structuur hebben, maar soms moet je daar toch van afwijken. Als we ons drie jaar geleden alleen maar op de details hadden geconcentreerd, had er nu geen werkend apparaat gestaan. Daarom hebben we soms intuïtief gekozen voor een oplossing. Daar vielen de commissieleden dan over. Maar datgebeurt in elk onderzoek, alleen laten de meeste onderzoekers dat niet zien.”

Konijnenburg en Claasen-Vujcic zeggen allebei bij hun sollicitaties voordeel te hebben gehad van het feit dat ze op de TU al een compleet systeem hebben ontworpen. Het samenwerken hebben ze in elk geval als heel plezierig ervaren. Met een groep studenten werden wekelijks project-vergaderingen georganiseerd en vonden vaak discussies plaats met de hoogleraar. Hierdoor is een eindproduct ontstaan waarbij, zoals de twee in hun gezamenlijke proefschrift zeggen, ‘de synergie veel belangrijker is dan wie wat heeft gedaan’.