Dansk gennembrud: 3D-hjertescanner kan spotte enkelte celler
Aarhus Universitetshospital står i spidsen for ny forskning, der kan scanne et hjerte helt ned til den enkelte celle i organet, og bestemme hvilken slags celle, der er tale om. Det giver 3D-modeller, som en kirurg under oplæring kan tage i hånden og studere, ved hjælp af 3D-print. Forskningen sker i samarbejde med Manchester og Auckland-universiteter og har for nyligt kastet en videnskabelig artikel af sig. Forskningen har også været offentliggjort i tidsskriftet Nature.
»Vores Micro-CT systemet er tæt på principperne i kliniske CT-systemer. Det er samme teknologi som ved et CAT-scan, men vi kan producerer billeder i meget højere opløsning, målt i pixel pr. enhed,« fortæller læge og ph.d Robert Stephenson fra universitetshospitalet.
»Denne scanner kan opløse billeder næsten ned til en enkelt celle. Vi har tidligere kunne fremstille billeder med en opløsning på 5 mikron (5 tusindedele mm).«
Det er en meget høj opløsning i den verden. Systemet bruges allerede indenfor mange discipliner – ingeniørvidenskab, materialevidenskab mv.
»Vi bruger det til at fremstille billeder i meget høj opløsning, som gør det muligt at undersøge hjertets mikroanatomi. Vi havde f.eks. en model af en hjertesygdom i en kanin, og så kunne vi scanne hjertet.«
Bedre viden om hjertet reducerer risiko ved operationer
Men dette studie er første gang, hvor forskere har skabt billeder af en menneskehjerte i denne opløsning, og også første gang det lykkes at skabe en 3D-repræsentation af hjertets elektriske system.
Der er ikke et tale om et levende hjerte, men et doneret fra en afdød person, i overensstemmelse med de etiske regler, betoner Robert Stephenson.
Den vigtigste del af dette studie handlede om at kigge på hjertets elektriske system. Det er en specialiseret gruppe celler i hjertet, hvis rolle er at producere de elektriske signaler, som får hjertet til at slå og trække sig sammen.
Mere sikre operationer
Det er meget specialiseret væv, så det er vigtigt, at det ikke beskadiges. Viden om, hvordan cellerne er arrangeret i tre dimensioner, er meget vigtigt for at undgå skade på disse celler.
»Den artikel vi har publiceret handler om det normale, sunde menneskehjerte. Det, vi er interesseret i at vide nu, er, hvordan hjertets elektriske system ændres i sygdomstilstande og i hjerter, som er misdannede. Et barn kan fødes med hul i hjertet. Derfor er det meget vigtigt at vide, hvordan hjertets elektriske system er ændret på grund af dette, og i 3D, for at undgå skade under en operation.«
Det kan betyde mere sikre operationer. Et eksempel fra forskerholdets artikel er elementer i hjertets elektriske system, der ligger meget tæt på hjerteklappen, og som tillader blod at forlade hjertet. Den kan gå i stykker og erstattes af en kunstig hjerteklap ved et indgreb. Proceduren beskadiger ofte det specielle væv i hjertets elektriske system. Viden om præcist hvor det er, og hvor tæt på klappen, er eksempler på hvad denne nye teknologi kan give.
Den klassiske vekselvirkning mellem væv og røntgenstråler gør, at man som regel ikke kan se så mange forskellige slags væv. Det fleste organer i kroppen er lavet af forskellig slags væv.
Højere kontrast giver 3D-model af hjertets elektriske celler
»Vi har udviklet en teknik, hvor kontrasten er forbedret. Hvis vi tilføjer kontraststof til hjertet, kan vi identificere mange forskellige slags væv i en enkelt hjerte. Vi kan se fedt, den normalt fungerende muskel, det elektriske system og bindevæv.«
Den matematiske model udvikles sammen med andre forskere. Hvis man tænker på et fotografi, består det af en masse pixels. Mikro-CT-billederne er i 3D, så de består af ‘voxels’ – 3D-pixels. Når forskerne scanner hjertet, skabes et 3D-billede, som består af mange voxels. Ved hjælp af den matematiske model kan forskerne tilføje celle-egenskaber til hver af disse voxels. Dernæst kan de få disse voxels til at opføre sig som cellerne i et normalt hjerte og få dem til at virke sammen. Det skaber et visuel beskrivelse af, hvordan den elektriske aktivering spredes gennem hjertet.
Noget andet at stå med en fysisk model
»I øjeblikket arbejder vi på at udforske, hvordan hjertets elektriske system er ændret i hjerter med medfødte misdannelser. Vi arbejder ikke bare med at fremstille virtuelle billeder, men arbejder også sammen med et 3D-printerfirma, på at producere en fysisk model af hjertet, hvor muskel-delen er gennemsigtigt. Så du har en fysisk model, du kan se på og undersøge. Min erfaring siger mig, at det er noget helt andet at stå med en fysisk model, end at se billeder på en skærm. Ofte får man også en meget bedre forståelse af skalaforholdet. For eksempel er hjerter med medfødte misdannelser meget små, så det er meget vigtigt at have en repræsentation i det sande størrelsesforhold.«
3D-modellerne laves af fleksible materialer, så i en vis forstand opfører de sig som en muskel gør. Så disse 3D-printede hjerter kan på længere sigt bruges til træningsformål i medicin-undervisning, så lægerne kan øve sig i operationerne.
