In de Gelderlander van 5 februari 2024 staat een artikel over een onderzoek naar ongewild poepverlies bij sommige vrouwen. Anique Bellos, assistent-professor aan Universiteit Twente, zegt: “Er zijn patiënten die de deur niet meer uit durven. Met vriendinnen een dagje met de bus is geen optie als er geen toilet aan boord is. De oorzaak van de aandoening is bijna altijd een verzakking van de endeldarm” (zie figuur 1). Dat komt voornamelijk voor bij vrouwen bij wie de bekkenbodem na een of meerdere bevallingen verzwakt is, waardoor ze de poep niet goed kunnen ophouden. De bekkenbodem is de spierlaag onder in het bekken die de organen draagt.
De gebruikelijke behandeling is een operatie waarbij onder in het bekken een ‘matje’ wordt aangebracht. Bellos vertelt dat dat bij ongeveer een op de drie à vier patiënten niet helpt. “Om te begrijpen waarom dat is, doen we nader onderzoek. Vijftien vrouwen krijgen via de vagina echo-gel ingebracht en via de anus aardappelpuree. Ze nemen plaats in een kantelbare mri-scan en volgen instructies waarbij ze in fasen uiteindelijk de puree uitpoepen. Uit wat de scan laat zien, hopen we meer duidelijkheid te krijgen.”
Bellos gebruikt twee technieken die gebaseerd zijn op natuurkunde: echoscopie en mri.
We beginnen met echoscopie. Dat is bekend van de zwangerschapsecho: een afbeelding die meestal gemaakt wordt tussen tien en twaalf weken na het begin van de zwangerschap (figuren 2 en 3).
Echoscopie werkt met ultrasone geluidspulsen, bijvoorbeeld met een frequentie van 3,75 MHz. Dat zijn golven met een kleine golflengte. Net als licht wordt geluid gebroken en (gedeeltelijk) teruggekaatst bij de overgang van het ene naar het andere weefsel of vloeistof.
Voor een golf die van medium 1 naar medium 2 gaat geldt sin i/ sin r = c1/c2. Hierin is c de voortplantingssnelheid van de golven in het medium. Zie figuren 4 en 5.
a) Teken hoe een geluidsgolf gebroken wordt bij de overgang van zacht weefsel naar botten als i = 10o. Bereken daartoe eerst de hoek van breking.
c1 = czacht weefsel = 1540 m/s
c2 = cbot = 4080 m/s
i = 10o
$\sin r=\sin i\cdot\frac{c_2}{c_1}=\sin 10^{\circ}\cdot\frac{4080}{1540}=0,460\rightarrow r=27^{\circ}$
→ r = 27o
Er treedt dus breking op van de normaal af. Zie figuur 8.
b) Bereken de golflengte van geluidsgolven van 3,75 MHz in zacht weefsel.
Binas tabel 35 B2: $v=f\lambda\rightarrow\lambda=\frac{c_{\mathrm{zacht}~\mathrm{weefsel}}}{f}=\frac{1540}{3,75\cdot 10^6}=4,1\cdot 10^{-4}~\mathrm{m}=0,41~\mathrm{mm}$
c) Waarom is het nodig dat de golflengte klein is?
Een echo is alleen functioneel als details van het inwendige worden afgebeeld, bijvoorbeeld een deel van een orgaan. Als de golflengte groter is dan dat detail, ‘spoelen’ de golven om het object heen en kaatsen er niet op terug.
De geluidsgolven worden uitgezonden en ook weer ontvangen door een transducer. Bij elke overgang naar een ander medium vindt breking én reflectie plaats. Hoe dieper de volgende overgang ligt, hoe meer tijd er verloopt tussen het uitzenden van een geluidspuls en de ontvangst van het gereflecteerde signaal. Met behulp van elektronica wordt met deze informatie een beeld geproduceerd op de monitor.
Een probleem is de overgang van lucht naar weefsel. Er is dan (sterke) breking van de normaal af (zie figuur 6). Gevolg daarvan is dat als de hoek van inval groter is dan een zekere grenshoek, er geen gebroken straal meer is. Er is dan totale reflectie.
d) Waarom is het erg als totale reflectie optreedt?
Totale reflectie betekent dat de geluidsgolven diepere lagen niet meer bereiken. Dan krijg je gene beeld van wat zich daar bevindt.
De grenshoek is in dit geval heel klein. Alleen golven die bijna loodrecht op het grensvlak invallen, gaan door. Met een laagje gel tussen de transducer en de huid is dat probleem op te lossen.
e) Bereken de grenshoek bij de overgang van lucht naar huid. Tip: wat is de hoek van breking in dat geval?
De grenshoek is die hoek van inval waarbij de hoek van breking 90o is.
c1 = clucht = 330 m/s
c2 = chuid = 1564 m/s
r = 90o
$\sin i=\sin r\cdot\frac{c_1}{c_2}=\sin 90^{\circ}\cdot\frac{330}{1564}=0,211\rightarrow i=12,1^{\circ}$
f) Leg uit dat een laagje gel dit probleem oplost.
Het probleem wordt veroorzaakt doordat de geluidsnelheid in lucht veel lager is dan in de huid. Daardoor treedt al bij kleine hoek van inval totale reflectie op. Door het aanbrengen van de gel is er tussen de transducer en de huid geen luchtlaagje meer. De geluidstrillingen gaan direct van de transducer naar de gel en dan de huid in (en vandaar verder naar volgende overgangen).
Gel kan ook inwendig gebruikt worden. Net als water kleurt gel op de echo zwart, terwijl het weefsel grijs is. Bellos brengt via de vagina gel aan tegen de wand van de baarmoeder. Zij kan daardoor het gebied van baarmoeder en endeldarm in beeld brengen.
De tweede techniek betreft magnetic resonance imaging, beter bekend onder de afkorting mri. Het gaat te ver om hier op de natuurkundige achtergrond van mri in te gaan (als je er meer van weten, kun je bijvoorbeeld dit artikel lezen). Wat van belang is, is dat op een mri-scan de concentratie van waterstofkernen zichtbaar gemaakt kan worden. Weefsels die meer waterstof bevatten (bijvoorbeeld als ze veel watermoleculen bevatten) zijn zo te onderscheiden van weefsels met minder waterstof. Dat maakt de structuur zichtbaar (zie figuur 7).
Bellos brengt, alvorens een mri-scan te maken, bij de te onderzoeken vrouw via de anus aardappelpuree in. Voor de mri gebruikt zij een speciaal mri-apparaat, dat aan de universiteit van Twente beschikbaar is, namelijk een dat kan kantelen. Zij kan daardoor een scan maken terwijl de patiënt, anders dan gebruikelijk, niet ligt maar in schuine positie bijna overeind staat.
g) Bedenk wat het nut kan zijn om aardappelpuree in te brengen.
De endeldarm wordt gevuld met aardappelpuree. Er bevindt zich dan één soort materiaal in. Op de mri-scan zie je een gelijkmatige vlak, waardoor het duidelijk is wat de vorm van de endeldarm is (inclusief het verzakte deel). Aardappelpuree is geschikt omdat het veel water bevat (dus goed zichtbaar op mri) en toch een stevige samenstelling heeft (dus op zijn plaats blijft).
h) Wat is in dit geval het voordeel van een schuine positie?
'Verzakking’ heeft natuurlijk met de zwaartekracht te maken. Als de patiënt ligt tijdens de scan, wordt niet duidelijk hoe de endeldarm reageert op de zwaartekracht. Je kunt een verzakking van de endeldarm dus beter onderzoeken met de patiënt in schuine of zelfs verticale positie.
De echo-opname en de mri-scan samen geven de positie van de endeldarm, baarmoeder, blaas en het ‘matje’.
In het onderzoek worden op meerdere momenten van de dag opnames gemaakt, zowel in liggende als staande positie. Zo hoopt Bellos inzicht te krijgen in de oorzaken van problemen.
