Maatwerk fantomen van Maastro: hoe meer ze op een echt mens lijken, hoe beter je innovaties kunt testen.

12 juni 2024

De eerste 3D-printer die het team Fysica Research van professor Frank Verhaegen van Maastro een jaar of acht geleden aanschafte, was vooral uit nieuwsgierigheid: kunnen wij in de radiotherapie daar iets mee? Nou: ja dus. Veel! Heel veel! Inmiddels is het team én de apparatuur onder aanvoering van assistant professor Gabriel Fonseca stevig gegroeid. Niet alleen in kwantiteit - negen teamleden (promovendi, master- en bachelorstudenten) houden negen printers “plus nog een paar in de kelder” 24/7 aan het werk - maar zeker ook in kwaliteit.

De combinatie van zelf ontwerpen, ontwikkelen en finetunen, zelf relevant printmateriaal maken (denk aan ‘bot-materiaal’) en uiteindelijk ook zelf printen, werpt z’n vruchten af. Waar doorzettingsvermogen, teamwork, creativiteit en heel hard werken toe kan leiden.

Wat is/doet Fysica Research?

Voor de niet al te zeer ingewijden: het team Fysica Research van Maastro werkt aan innovaties in de radiotherapie. Voorwaarde nummer één is uiteraard dat elke bestraling met fotonen- of protonentherapie veilig is. Innovatie schrijven ze hier met allemaal hoofdletters. Voordat een nieuwe of aangepaste behandeling of apparatuur bij patiënten wordt ingezet, hebben de onderzoekers van Fysica Research deze al uitgebreid getest. Dat gebeurde tot nog niet zo lang geleden in bakken water, maar de laatste jaren steeds meer op fantomen: testobjecten die een echte patiënt zo goed mogelijk nabootsen.

Realistische fantomen zijn beter

Hoe realistischer en waarheidsgetrouwer een fantoom, hoe beter je kunt testen. Maar hoewel fantomen commercieel te verkrijgen zijn, zijn ze - behalve duur - lang niet altijd optimaal geschikt voor gebruik in de radiotherapie. Misschien wel het belangrijkste minpunt: ze zijn niet realistisch genoeg, het gebruikte materiaal lijkt in meestal in niets op een echt mens.

3d geprint fantoom met levensechte eigenschappen

'Levensecht' botmateriaal

Gabriel Fonseca ging de uitdaging aan om, onder andere met een 3D-printer, betere en levensechtere fantomen maken. Trots laat hij zien waartoe het heeft geleid. Een leek ziet het er niet aan af, maar Gabriel legt uit dat de fantomen er niet zozeer voor het oog, maar vooral onder de CT-scanner uit moeten zien als net echt. Een voorbeeld is een fantoom van een torso, inwendig gevuld met zelf ontwikkeld ‘botmateriaal’. Gabriel: “Het ziet er uit als bot, gedraagt zich onder de CT-scanner als bot, maar het is namaakbot. Geschikt materiaal was nog niet voorhanden, dus we hebben goed gekeken naar de biologische kenmerken van echt bot. Zo hebben we onder andere calcium toe laten voegen. Het is goed gelukt!”

Frank Verhaegen: “De fantomen van Maastro zijn ‘next level’. Dat maakt ze uniek, onderscheidend, zeer goed bruikbaar en ook nog eens gewild door collega’s”

Longfantomen incl. tumor

Gabriel laat ook een 4D-geprint(!) fantoom van een long zien, geprint van flexibel sponsachtig, eveneens zelf samengesteld materiaal: compleet met nagemaakte tumor én voorzien van een compressor. Gabriel: “Onder de scanner lijkt dit erg op een ademend mens. We testen op deze fantomen een nieuwe behandeling voor inwendige radiotherapie - brachytherapie - voor patiënten met longkanker en fibrose. Mooi bijkomend detail: de longartsen van het Maastricht UMC+ gaan onze flexibele en realistische longfantomen gebruiken voor het leren werken met bronchoscopen.”

Wat ook indruk maakt: een fantoom van een zwangere vrouw met foetus in de buik in de verschillende stadia van de zwangerschap. Frank: “Ook zwangere vrouwen krijgen kanker. De vraag is dan altijd: wel of niet behandelen? Je kunt je voorstellen dat de hoeveelheid straling die een foetus krijgt, van belang is voor de beslissing om wel of niet met radiotherapie te bestralen. Met ons fantoom proberen we die hoeveelheid te achterhalen, zowel met fotonenbestraling als met protonenbestraling.”

3d geprinte fantomen met levensechte eigenschappen

Organen nabootsen

Wat de fantomen en andere oplossingen van Maastro zo succesvol maakt, is niet alleen het printen. Gabriel en zijn team steken enorm veel tijd en energie in het voorproces: waarvan is een orgaan gemaakt, wat is de biologie daarachter, hoe kun je dat zo accuraat mogelijk nabootsen. Het is altijd creatief denken. Gabriel: “Soms is het zoeken naar het juiste printmateriaal: waarvan maak je in hemelsnaam een sponsachtig uitziende namaaklong? Soms is het de printer aanpassen, soms ontwerpen we een heel nieuwe printer. In tegenstelling tot heel veel andere producten, zijn dit soort printinstructies niet op het internet te vinden.” Frank vult aan: “Elke nieuw project is dus opnieuw pionieren en tot het gaatje gaan.”

Ook interessant voor andere onderzoeksinstituten in de radiotherapie of voor ziekenhuizen?!

Frank Verhaegen: Iedereen uit ons vakgebied wil maatwerk fantomen, maar het voorwerk - het uitzoeken, de mensen trainen, de puntjes op de i zetten - is een kostbare, arbeidsintensieve en langdurige aangelegenheid. Dat voortraject hebben wij al gedaan, voor ons is het alleen nog een kwestie van printen. We onderzoeken de optie van een spin-off. Leuk aspect: in de hedendaagse opleiding van engineers is 3D-printing een standaard vak. De nieuwe lichting groeit hiermee op. Dus dit is nog maar het begin!”

Wetenschap en technologie

Natuurlijk zijn Frank en Gabriel en hun collega’s eerst en vooral wetenschappers. Het REALIZE LAB (Research and Engineering for Advanced Learning, Innovation, and Zero-tolerance Execution) van Fysica Research ondersteunt innovatie in de Maastro-kliniek en de fantomen worden in eerste instantie gemaakt om nieuwe toepassingen of behandelingen bij Maastro te testen. Wat zij echter graag willen, is dat wat zij hebben uitgevonden en bedacht ook beschikbaar wordt voor collega’s in de radiotherapie of in ziekenhuizen. En dus wordt er nagedacht over het starten van een onderneming. “Als dat gaat gebeuren, dan moet dan wel een onderneming zijn in onze wereld, de biomedische wereld. We zijn geen dertien in een dozijn printbedrijfje. Onze kracht is dat we technologie kennen, alles van de toepassing weten, we hebben alle benodigde apparatuur op één plek en inmiddels hebben we ook de ervaring. Daarom kunnen wij betere oplossingen bedenken. We zijn gespecialiseerd in maatwerk: dynamische meebewegende fantomen en fantomen met geïntegreerde stralingsdetectoren.”

3D-printen

Gabriel kocht zijn eerste 3D-printer om er vliegtuigjes en drones mee te maken. Dat staat nog steeds op zijn bucket list. Nooit had hij gedacht dat 3D-printen zo belangrijk zou worden voor zijn werk: “Er is zoveel dat je hiermee kunt doen. We hebben in korte tijd zoveel geleerd. We zijn nu zo gespecialiseerd geworden, dat zelfs bedrijven die fantomen maken, bij ons komen voor onze expertise.”

Teun van Wagenberg en Gabriel Fonseca van Realize

Nog meer innovaties bij Maastro dankzij 3D/4D-printen en fantomen:

  • Verbeterde dosimetrie voor bewegende delen: met dosimeters in onze fantomen testen we of de gewenste, vooraf heel precies uitgerekende, stralingsdosis uiteindelijk op de juiste plek terechtkomt.
  • Maastro kreeg in 2022 nieuwe bestralingsapparatuur met ingebouwde CT-scanners: die zijn met onze fantomen gekalibreerd.
  • Maastricht Rectal Applicator voor rectumkanker: bedacht en ontwikkeld bij Maastro, samenwerking met bedrijf Varian dat het prototype met 3D printing maakte.

Dit is slechts een selectie. Meer weten? Frank Verhaegen (frank.verhaegen@maastro.nl) en Gabriel Fonseca (gabriel.paivafonseca@maastro.nl) vertellen er graag meer over.