Van hobbyprinter tot hightech patiëntmodellen: hoe Maastro de radiotherapie preciezer en effectiever maakt
In de kelder van Maastro staat een lab vol 3D-printers die dag en nacht draaien. Wat ze produceren ziet er op het eerste gezicht onopvallend uit: plastic vormen in allerlei maten. Maar onder een CT-scanner worden ze levensecht. Het Physics Research team bouwt hier fantomen, anatomisch correcte replica’s van patiënten, die behandelingen sneller helpen verfijnen en preciezer maken, met minder bijwerkingen voor de patiënt.
Frank Verhaegen en Gabriel Paiva-Fonseca met een 3D-geprint fantoom in een CT-scanner - Fotografie Huub Keulers
Van €200 printer naar vijftien machines
Het begon bescheiden. Gabriel Paiva Fonseca, Hoofddocent bij Maastricht University en specialist 3D-printing bij Maastro, kocht thuis een printer als hobby, puur voor privégebruik. "Ik vond een printer voor tweehonderd euro," vertelt hij. "Ik wilde kapotte onderdelen van mijn drone thuis repareren." Maar nog voor het apparaat was bezorgd, klopte een collega aan met een vraag: of hij er een meetopstelling mee kon printen voor een onderzoeksopstelling bij Maastro. Dat was het begin van 3D-printing bij de kliniek.
Tien jaar later staan er vijftien printers in het REALIZE Lab, voluit: Research and Engineering for Advanced Learning, Innovation, and Zero-tolerance Execution. Sommige medewerkers hebben thuis ook printers staan die ’s avonds doordraaien voor research projecten. Frank Verhaegen, hoogleraar en divisieleider Physics Research, herinnert zich hoe hij destijds twijfelde over de aanschaf van één printer. “Een tiental jaar geleden had ik alle technische medewerkers gevraagd of we er één moesten kopen. Niemand was erg zeker. Nu draaien ze overal, 24 uur per dag, 7 dagen per week.”
Waarom fantomen onmisbaar zijn
Bij een bestralingsbehandeling draait een deeltjesversneller rond de patiënt en richt een stralingsbundel vanuit verschillende hoeken op de tumor. Het doel: de tumor zo gericht mogelijk raken, het gezonde weefsel zoveel mogelijk sparen. Want straling in gezond weefsel kan leiden tot bijwerkingen en het minimaliseren daarvan is even belangrijk als het raken van de tumor zelf. Maar de patiënt ligt niet stil. Hij ademt, organen bewegen, de tumor verschuift. “We schieten eigenlijk op bewegende doelwitten,” legt Verhaegen uit.
Om te controleren of de straling op de juiste plek terechtkomt, kun je geen meetapparatuur in een levende patiënt plaatsen. Daarom gebruiken radiotherapeuten fantomen: testmodellen die de patiënt nabootsen. Tot niet zo lang geleden werden behandelingen getest in bakken water. De standaard commerciële fantomen, soms meer dan honderdduizend euro per stuk, zijn vaak niet meer dan plastic torso’s met botten erin. Op een CT-beeld zie je de botten, maar verder niets. Van beweging is al helemaal geen sprake.
Als Maastro zou hebben gewacht tot de medische industrie 3D-printing had ontdekt, dan zouden de fantomen vele malen duurder zijn geworden. Het was dus een goed idee om het zelf te doen, zegt Verhaegen.
Longen die de ademhaling nabootsen, tumoren die bewegen
De fantomen uit het REALIZE Lab zijn fundamenteel anders. Ze bestaan uit materialen die zich onder een CT-scanner gedragen als echt menselijk weefsel. Longweefsel dat samengeperst kan worden als echte longen. Tumoren die meebewegen met de ademhaling. Het doel: borstkassen die op en neer gaan met ademhalingspatronen van echte patiënten.
Dat realisme begon met een simpele ontdekking. Paiva Fonseca experimenteerde met flexibele filamenten, de kunststofdraden waarmee 3D-printers werken, oorspronkelijk om onbreekbare droneonderdelen te maken. “Toen iemand in een vergadering zei: kun je daar ook een long van maken? dacht ik, waarom niet?” Dat eerste experiment leidde tot een reeks doorbraken. Het team test op het longfantoom inmiddels een nieuwe brachytherapiebehandeling voor patiënten met longkanker; een inwendige bestralingstechniek waarbij een radioactieve bron voor een korte tijd in de patiënt wordt ingebracht en de tumor van erg nabij wordt bestraald.
Voor de botten ontwikkelde het team samen met ColorFabb B.V., een Nederlands bedrijf gevestigd in Belfeld, een uniek filament met calciumcarbonaat. “Andere onderzoekers voegen metaal toe, maar botten bestaan niet uit metaal,” legt Paiva Fonseca uit. “Ons bottenfilament gedraagt zich onder beeldvorming zoals echt botweefsel. Dat is uniek.”
3D-geprint dynamisch longfantoom - fotografie Huub keulers
De digitale drieling
Het REALIZE Lab werkt met wat Paiva Fonseca de ‘digitale drieling’ noemt. Eerst zijn er de medische beelden van de patiënt: CT-scans, MRI’s. Daaruit wordt een digitaal model gebouwd, een soort virtuele tweeling. Met dat model worden mechanische simulaties gedraaid: hoe beweegt de tumor, hoe vervormt het weefsel? Pas daarna wordt het fysieke fantoom geprint.
“In het begin was het veel trial and error,” geeft hij toe. “Ik had de printer naast mijn bed staan. Geen goed idee vanwege de dampen, maar ik wilde precies begrijpen hoe het werkte.” Inmiddels worden de processen gestandaardiseerd: kalibratieprotocollen, simulatiemodellen, zodat de kennis overdraagbaar wordt en niet afhankelijk blijft van individuele ervaring.
Zwanger en kanker: het dilemma onderzocht
Een van de meest bijzondere toepassingen is het zwangere vrouwenfantoom. Wat doe je als een vrouw tijdens haar zwangerschap kanker krijgt? De tumor moet bestraald worden, maar hoeveel straling bereikt de foetus?
Het team bouwde een fantoom met twee verschillende stadia van zwangerschap en vergeleek twee bestralingstechnieken: fotonentherapie (de standaardbehandeling) en protonentherapie (de nieuwere techniek). Bij beide technieken ontstaat er verstrooide straling die de foetus kan bereiken. Bij protonentherapie bleek de hoeveelheid strooistraling lager dan bij fotonen, wat vooral een voordeel kan zijn wanneer behandeling in het derde trimester van de zwangerschap noodzakelijk is. Uit de studie bleek dat protonen de laagste biologische belasting geven voor de foetus, zelfs ruim onder de veiligheidsgrens. Verhaegen benadrukt dat één studie niet genoeg is voor een definitieve aanbeveling: “De fantomen laten ons deze vraag überhaupt betrouwbaar onderzoeken - dat is al nieuw.” Er is nu een landelijke werkgroep die een protocol opstelt voor de behandeling van zwangere vrouwen.
Fantoom van een zwangere vrouw - Fotografie Huub Keulers
Scherper beeld, minder straling
De fantomen worden niet alleen ingezet om bestralingen te testen, maar ook om nieuwe beeldvormingstechnieken te verbeteren. Een goed voorbeeld is recent onderzoek naar photon-counting CT (PCCT), een nieuwe generatie CT-scanners.
Met patiënt realistische fantomen in verschillende lichaamsmaten onderzocht het team hoe goed PCCT weefselkenmerken kan meten die nodig zijn voor het plannen van fotonen- en protonentherapie. Het resultaat: PCCT bleef ook bij lage dosis stabiel en nauwkeurig, en bleek robuuster bij verschillende lichaamsmaten dan de huidige enkelvoudige CT (single-energy CT). De huidige systemen zijn geschikt voor de behandeling, maar PCCT heeft het potentieel om de nauwkeurigheid significant te verbeteren, met name bij lage stralingsdosis en voor patiënten van uiteenlopende lichaamsbouw. Paiva Fonseca: “Als je een standaard testcilinder gebruikt, zie je dat verschil niet. Pas met verschillende realistische fantoomgroottes kun je achterhalen hoe de technologie zich gedraagt bij verschillende lichaamstypen.”
Verder dan radiotherapie
De impact reikt verder dan Maastro alleen. Internationale onderzoeksgroepen uit België, Kroatië, Duitsland en Brazilië werken met de fantomen. In 2022 bijvoorbeeld, kalibreerde het team nieuwe bestralingsapparatuur met een ingebouwd nieuw type CT-scanner met behulp van de fantomen, een direct voorbeeld van hoe het onderzoekswerk doorwerkt in de dagelijkse kliniek. Ook onze naaste buren, de longartsen en interventieradiologen van het Maastricht UMC+ willen op termijn het dynamische longfantoom inzetten als trainingsmodel om bronchoscopie (benadering via de luchtwegen) en transthoracale (benadering via de huid met een naald) behandelingen voor longkanker te oefenen.
Commerciële bedrijven kloppen aan voor expertise. “Zelfs bedrijven die zelf fantomen maken, komen bij ons,” zegt Paiva Fonseca. “We zijn geen dertien in een dozijn printbedrijfje. Onze kracht is dat we de technologie kennen, alles weten van de toepassing, en alle benodigde apparatuur op één plek hebben.”
De weg vooruit
Het volgende project: een dynamisch blaasfantoom. Bij prostaatbestraling kan een zich vullende blaas de prostaat verplaatsen, waardoor de stralingsbundels hun doel zouden kunnen missen. Daarom moeten alle patiënten met een redelijk volle blaas bestraald worden, zodat de prostaat zo min mogelijk beweegt. Dat is een onprettig gevoel voor de patiënt en soms gebeuren en ongelukjes. Een blaasfantoom dat het vullen van de blaas tijdens de behandeling kan nabootsen, zou helpen de juiste bestralingsprotocollen te ontwikkelen, zodat de patiënt niet langer met volle blaas bestraald hoeft te worden.
De grote uitdaging voor de langere termijn is opschaling. “Wij zijn onderzoekers, geen fabriek,” zegt Verhaegen. “Voor een stap naar een gecertificeerd medisch product heb je een commerciële partner nodig. Dat traject duurt al snel zeven tot twaalf jaar, zoals we hebben gezien bij de MAASTRO rectumapplicator die we samen met Varian, a Siemens Healthineers bedrijf, hebben ontwikkeld.” De weg van prototype naar gecertificeerd medisch product is complex en kostbaar, en vereist een commerciële partner, iets waar het team nog naar op zoek is.
Maar het fundament ligt er. In een kelder in Maastricht draaien vijftien printers. En wat ze maken, dat verandert hoe de wereld bestraling test, meet en verbetert.
Physics Research
De afdeling Physics Research van Maastro doet vernieuwend natuurkundig (fysica) onderzoek op het gebied van radiotherapie. We richten ons vooral op technieken die de bestraling nog nauwkeuriger maken, zodat gezond weefsel beter beschermd blijft en de patiënt zich beter blijft voelen. De precisie en effectiviteit van radiotherapie verhogen is ons doel. Ons werk gaat over nieuwe ideeën en testen in het lab, bijvoorbeeld met 3D-modellen, betere beeldvorming, nauwkeurige dosismeting en begeleiding bij inwendige bestraling (brachytherapie). Daarbij gebruiken we vaak kunstmatige intelligentie. Meer weten?