Kinderziekenhuis maakt met open source AI hartmodel van kind in seconden

Ongeveer één op de honderd baby's wordt geboren met een hartafwijking. Geen twee gevallen zijn identiek: de ene baby heeft een gaatje tussen de hartkamers, de andere een lekkende hartklep. Chirurgen moeten daarom vaak werken met apparaten die niet specifiek voor die ene patiënt zijn ontworpen. Het Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) pakt dat probleem aan met een cardiale modelleerdienst die binnen enkele seconden een nauwkeurig 3D-model van een kinderhart maakt. Deze vorm van patiëntspecifieke modellering zorgt ervoor dat chirurgen vooraf zien hoe een hulpmiddel precies in de individuele anatomie past.

Van vier uur werk naar een kwestie van seconden

De dienst is gebouwd op MONAI, een open source-softwareraamwerk voor medische beeldvorming dat mede door chipfabrikant Nvidia is ontwikkeld. Het systeem zet scans die artsen toch al maken — CT, MRI en 3D-echografie — automatisch om in een gedetailleerd model van het hart. Vroeger kostte het maken van zo'n model een gespecialiseerde onderzoeksassistent al snel vier uur werk. Dankzij beeldsegmentatie met machine learning, getraind op honderden eerdere scans, gaat dat nu automatisch en in seconden. "Zodra we tien of twintig gekoppelde beeld-modelparen hebben, trainen we een model en passen we het toe", zegt cardioloog Matthew Jolley van CHOP.

Het effect is meetbaar. Bij complexe gaatjes tussen de hartkamers gebruikt CHOP de modellen inmiddels standaard vóór een operatie. Bij één patiëntje, van wie twee eerdere reparatiepogingen waren mislukt omdat chirurgen het defect niet konden lokaliseren, bracht het 3D-model alsnog uitsluitsel. De derde operatie slaagde in één keer. Het aantal ziekenhuizen dat op deze manier werkt groeit snel: meer dan twintig Amerikaanse kinderziekenhuizen hebben inmiddels een cardiaal modelleerprogramma. Boston Children's Hospital gebruikt de techniek bij meer dan de helft van zijn hartoperaties, zo'n vijfhonderd per jaar. CHOP verwacht dit jaar tweehonderd modellen te maken.

De volgende stap: fysica en simulatie

Een 3D-reconstructie van het hart is nuttig, maar artsen willen ook weten wat er gebeurt als een medisch hulpmiddel eenmaal is geplaatst. Daarvoor werkt CHOP samen met Nvidia aan Newton, een fysica-engine gebouwd op het Python-raamwerk Warp die berekeningen op de grafische chip (GPU) laat uitvoeren. Met deze vorm van biomechanische simulatie kunnen onderzoekers voorspellen hoe weefsel zich gedraagt zodra een sluitmechanisme of kunstklep in een specifiek hart wordt ingebracht. Een berekening die eerder een hele nacht kostte, is hiermee teruggebracht tot bijna real time. In de praktijk kan een arts straks binnen dezelfde dag vergelijken hoe verschillende hulpmiddelen in de anatomie van één kind passen. CHOP werkt ook aan een koppeling met Nvidia Omniverse, waarin digitale patiëntmodellen — vergelijkbaar met een digital twin — straks bekeken kunnen worden in virtual reality, ondersteund door taalmodellen die beeld en taal combineren.

Waarom open source hier de norm is

In de Verenigde Staten leven ongeveer 2,4 miljoen mensen met een aangeboren hartafwijking. Die groep is te klein en te divers om voor medische-devicebedrijven een aantrekkelijke commerciële markt te vormen. Volgens Jolley is open source daarom het enige haalbare model: onderzoekers van onder meer Stanford en Boston Children's Hospital dragen bij aan dezelfde toolkit, SlicerHeart, die CHOP zelf mede ontwikkelde. Een landelijk consortium van kinderziekenhuizen werkt nu aan een volgende generatie gedeelde infrastructuur voor dit soort modellen. Zonder de gezamenlijke ontwikkeling van gereedschappen als MONAI, Newton en OpenUSD zou een enkel ziekenhuislab dit niveau van technologie nooit zelf kunnen bouwen en onderhouden.