Jakten på din "digitale tvilling"- Fremtidens medisinske løsninger

Dette er historien om hvordan matematikk skaper persontilpasset diagnose og behandling. Innenfor kreftbehandling kan man sikre forbedret estimering av blodstrømmen i en svulst og dens omgivelser. Innen hjerneslagbehandling er dette historien om hvordan man kan bedre forutse utbredelsen av et hjerneslag.

Forskningsmiljøene i Bergen ligger i front internasjonalt i utvikling av nye metoder for bedre medisinsk diagnostisering og i utvikling av teknologi for å sikre bedre diagnoser tidlig og i å utvikle teknologi for bedre og mer treffsikker behandling.

Vi møter prosjektleder Antonella Zanna, Erlend Hodneland og Geir Nævdal på realfagbygget i Bergen. Deres prosjekt "Forbedret fortolkning av kontrastforsterkede bilder ved strømingsmodellering " er nå snart avsluttet. Kunnskap er samlet, artikler levert og forskerne er klar til å teste ut det de mener vil revolusjonere behandling.

De har mange bilder og filmer å vise frem og gleder seg over at de snart kanskje kan få ta et nytt prosjekt til klinisk utprøving ved radiologisk avdeling på Haukeland universitetssjukehus. Men først skal søknad skrives og innvilges.

Teknikk fra petroleumssektor inn i hjerneforskning

- Ved å se på problemet som et flyt-problem der væske flyter i blodårer i vevet ønsker vi å fremskaffe bedre parametre som indikerer sykdomstilstanden i et organ. Disse parameterne vil være mer riktige enn tidligere og kan i større grad være til nytte når legen skal stille en diagnose eller planlegge behandling, forklarer Hodneland.

I tillegg har denne forskningen som mål å produsere kunnskap og teknologi som bidrar til IKT-løsninger og øke produktivitet og effektivitet innenfor helsesektoren.

Geir Nævdal, og gruppen han er knyttet til i NORCE, har arbeidet i tyve år med ensemble Kalman filter baserte teknikker for å estimere viktige flytegenskaper (som porøsitet og permeabilitet) for oljereservoar. Disse teknikkene er lette å overføre til nye anvendelsesområder.

Selv om blodstrøm i en hjerne og flyt av olje, vann og gass i et oljereservoar virker som veldig ulike ting, benyttes tilsvarende ligninger for de to historiene. Altså det benyttes en lik modell for flyt av væsker i porøse medier i de to tilfellene.

En annen ting som er felles, er at det ikke er mulig å observere egenskapene for mediet der væskene flyter direkte, så en er avhengig av målinger fra utsiden.

For oljereservoaret vil dette typisk være målinger av strømningsrater og trykk i brønner i reservoaret, og eventuelt repetert (4D) seismikk. Geir Nævdal forklarer:

- Observasjonene vi vil bruke for blodstrøm gjennom hjernen vil være i form av MR eller CT-bilder tatt etter injeksjon av en kontrast væske i blodet. Signalet vil variere i styrke når det strømmer gjennom hjernen, og vi kan bruke ensemble Kalman filter teknikkene for å endre på parametre som inngår i de matematiske modellene slik at vi får de til å stemme med det som observeres på MR bildene. Når dette er gjort kan vi beregne de størrelsene legene etterspør, f. eks. perfusjon i et organ eller en svulst.

Å gjøre parameterestimering på MR-bilder blir litt som å stå ved siden av en elv der noen kaster fargestoff uti. Ved å måle mengden fargestoff som renner forbi kan man si noe om hvor fort vannet i elven strømmer, avslutter Geir Nævdal.

Minimal invasive medisin er fremtiden

Dette er også historien om hvordan matematikk kan brukes. Dette prosjektet startet med at Erlend Hodneland og Erik Hanson, UiB, observerte at de tradisjonelle matematiske metodene som brukes i klinikken for utregning av parametre som for eksempel blodstrøm fra CT og MR-bilder av hodet, er unøyaktige. Det man gjør nå er å lage en matematisk metode som skal bli mer riktig. Problemene med bruk av feil matematikk vil også øke etterhvert som at MR-bildene blir stadig med høyoppløste. Til matematikken har de også fått hjelp av UiB-professor Jan Martin Nordbotten mens Professor Antonella Zanna, UiB, er prosjektleder.

Zanna har bakgrunn fra numerisk analyse og beregningsmatematikk og hennes interesse i medisinsk anvendelse startet for 15 år siden med bruk av numeriske metoder til bildebehandling i medisin, og deretter modellering av fysiologiske prosesser og parameterestimering. Hun tror at i fremtiden vil man i stadig større grad ta i bruk digitale representasjoner av mennesket for å kunne stille mer presise diagnoser og igangsette optimal behandling på et tidlig stadium.

- Dette omtales ofte som ”din digitale tvilling”. Vårt prosjekt er nettopp en slik tilnærming der vi lager en modell for hvordan blodet, næringsstoffer, og feks legemidler fordeler seg i hjernen slik at man kan oppnå bedre behandling både i forhold til økt overlevelse, men også for å oppnå reduserte bivirkninger av medisinsk behandling. Vi har stor tro på at våre fremgangsmåter vil bli brukt i klinikken i fremtiden, fordi de er riktig matematisk og kan gi mer presise svar enn dagens unøyaktige metoder.

- Og vi tror at dette, kalt «minimal invasive medisin», er fremtiden.

I filmen forklarer Erlend Hodneland hvordan man har brukt kunnskap fra petroleumssektoren for å gi bedre diagnose både for behandling av svulster i hjernen og hjerneslag.

Forskere fra NORCE har i 2019 også sendt inn en søknad om et Senter for forskningsbasert innovasjon (SFI) hvor digitale løsninger innen medisinsk teknologi er et av forskningsområdene,

Les mer om SFI initiativet DigiFuture.