Biomechanicus Jaap Harlaar: ‘Pijnlijke knieën doorlichten met kruisende röntgenbundels’

• In 2021 kwamen er negen Medical Delta (MD)-hoogleraren bij. Dat zijn professoren met bij tenminste twee van de vijf academische instellingen die binnen Medical Delta zijn vertegenwoordigd (TU Delft, Erasmus MC, Erasmus Universiteit, Universiteit Leiden en LUMC). De aanwas bracht het totaal van MD-hoogleraren naar 22. Kennelijk een succesformule. Hoe werkt zo’n dubbelaanstelling in de praktijk? Dat is de achterliggende vraag in deze miniserie onderzoeksportretten.

Artrose
Bij artrose verandert het kraakbeen in een gewricht, leert de website thuisarts.nl. Als gevolg daarvan treedt er pijn en stijfheid op in het gewricht – vooral bij het opstaan. Bijna anderhalf miljoen Nederlanders hebben last van artrose in een of meer gewrichten, waarbij knie-artrose het meest voorkomt. Het is helaas niet alleen een ouderdomskwaal. Erfelijke aanleg, overgewicht, overbelasting, standsafwijking (O-benen), of een val of ongeluk kunnen allemaal leiden tot versnelde slijtage van kraakbeen in de knie en daardoor tot pijn in het gewricht en de diagnose artrose.

Maar waardoor krijgt iemand artroseklachten? Waar komt de slijtage vandaan? Waar zitten dunne en versleten plekken in het kraakbeen? Waarom precies daar? En wat is eraan te doen? “Bij vroege artrose, bij jonge mensen, is het van belang om de precieze aard van de aandoening snel te herkennen,” zegt prof.dr.ir. Jaap Harlaar, hoogleraar biomechatronica aan de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE). “Door een betere karakterisering kan het behandelteam de behandeling optimaliseren en verdere schade aan het gewricht zoveel mogelijk voorkomen.”

Harlaar studeerde elektrotechniek en biomedische techniek aan de Universiteit Twente. In april 2017 werd hij benoemd als hoogleraar klinische biomechatronica aan de TU Delft, en werd directeur onderwijs voor de opleidingen klinische technologie (bachelor) en technical medicine (master) . November vorig jaar ontving hij als Medical Delta-hoogleraar ook aanstellingen aan de afdelingen orthopedie van het Erasmus MC en Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC).

Bij de behandeling van artrose zijn er verschillende mogelijkheden. Zo kan een kniebrace worden voorgeschreven om de knie te stabiliseren. Om een scheve belasting van de knie te corrigeren wordt soms geopereerd. Daarbij maakt de orthopeed een zaagsnede in het scheenbeen of bovenbeen (osteotomie) om vervolgens met een wig de botvlakken uit elkaar te bewegen tot de gewenste hoek.

^{Antieke anatomische etsen door Eustachius (herdruk 1799) op het kantoor van Jaap Harlaar. (Foto: Jos Wassink)}

Verborgen krachten
Maar wat zich binnen het kniegewricht afspeelt blijft goed verborgen. Harlaar vertelt dat de belasting op de knie wel twee tot drie keer het lichaamsgewicht kan bedragen, en dat die kracht kan oplopen tot vier à vijf keer het lichaamsgewicht door de stabiliserende spieren en banden rondom de knie. Hij weet dat uit de spier-skelet-computermodellen die gemeten belasting omrekenen naar interne krachten op spieren en gewrichten. “Maar die staan bol van de aannames over de anatomie en over de vertaling tussen interne en externe beweging”, aldus Harlaar. “Voor de behandeling van een individuele patiënt levert dat nog maar beperkte informatie op.”

Voor diagnose van patiënten zijn momenteel twee technieken beschikbaar: motion capture en doorlichting. De eerste methode, ook in gebruik in de filmindustrie, legt de beweging ruimtelijk vast, maar geeft geen gedetailleerde anatomische informatie. De tweede techniek geeft wel nauwkeurige 3D-anatomie, maar geen beweging. Het gevolg is dat kritieke vragen onbeantwoord blijven over waar precies het kraakbeen belast wordt en hoe (grootte, richting en duur van de krachten).

In de knie kunnen kijken
In samenwerking met radioloog Edwin Oei en artroseonderzoeker Sita Bierma-Zeinstra (Erasmus MC) en biomechanisch ingenieur Bart Kaptein (LUMC) werkt Harlaar daarom aan een heel nieuwe vorm van dynamische doorlichting die door metingen van buiten duidelijk moet maken wat er binnenin de knie gebeurt: biplanare fluoroscopie. Hoewel de methode nog in ontwikkeling is, heeft het onderzoeksproject al wel een pakkende naam gekregen: Mobi (Modelling Osteoarthritis through Biomechanics and Imaging).

Voorafgaand aan de dynamische meting wordt een 3D-afbeelding gemaakt van de kniegewrichten. Bij de dynamische meting loopt de patiënt op een loopband in het kruispunt van twee röntgenbundels die de ruimtelijke positie van de knie precies volgen, synchroon met de motion capture. Uit de combinatie van druk, positie en anatomie kunnen biomechanici de drukbelasting van het kraakbeen in de knie terugrekenen.

Harlaar: “Het zou voor het eerst zijn dat orthopeden met Mobi werkelijk in de knie kunnen kijken naar waar de drukbelasting optreedt en hoe zich die door het gewricht verplaatst. Dat moet tot heldere diagnoses leiden en tot betere, gepersonaliseerde behandelingen. In de toekomst mogelijk zelfs met een digitale tweeling van de patiënt om het effect van een voorgenomen behandeling of ingreep te simuleren.”

Harlaar verwacht ook dat Mobi tot een beter wetenschappelijk begrip kan leiden over het ontstaan van artrose en over de individuele verschillen die bekend zijn uit de praktijk, maar tot nu toe nog onvoldoende worden begrepen.

Zover is het nog niet, maar er is alvast wel een ruimte voor Mobi gereserveerd in het Erasmus MC. Harlaar verwacht de röntgeninstallatie daar in de loop van 2023. Ook denkt hij alvast over andere toepassingen van Mobi voor bijvoorbeeld schoudergewricht of rug. “Die techniek kan veel breder toegepast worden. Dat geeft een vernieuwing die goed past bij een academisch ziekenhuis.”

^{Beweging van druk in de knie tijdens het lopen. Courtsey dr. Colin Smith, ETH}