Ingenieur Natascha Severens van de faculteit Werktuigbouwkunde ontwikkelde een computermodel dat de lichaamstemperatuur van patiënten tijdens een operatie kan voorspellen. Woensdag 5 november promoveert ze op haar onderzoek.

Een werktuigbouwkundige in de operatiekamer van het Academisch Medisch Centrum (AMC) van Amsterdam. Dat was even slikken voor Natascha Severens. “Wow, dit is wel heftig.” Met een lach omschrijft ze haar eerste aanblik van een kloppend hart, een snijtafel met daarop een patiënt, omringd door chirurgen, operatieassistenten, anesthesisten, anesthesiemedewerkers en klinisch perfusonisten die een hart-longmachine bedienen.

Lang kon Severens niet stilstaan bij deze eerste oogopslag. Ze was naar de hoofdstad gekomen om metingen te verrichten voor haar onderzoek. Met draadloze sensors op de huid, een laser-doppler flowmeter en standaardmetingen van de ziekenhuismonitoren -rectaal en bij de neus-, kon ze de lichaamstemperatuur van een patiënt tijdens een operatie nauwkeurig registreren. Om de afkoeling en opwarming van het lichaam exact vast te leggen, werd ook een naald gebruikt waarin drie sensors op verschillende dieptes de temperatuur van het weefsel peilden.

Severens deelde de operatiekamer vijftien keer met een groot chirurgisch team. “Het was heel leerzaam om de praktijk te beleven. Normaal ben je verdiept in theorie, maar nu zag ik met eigen ogen hoe ingrijpend een hartoperatie is. En tegelijkertijd hoe een operatieteam ermee omgaat. Het oogt allemaal heel ontspannen, haast dagelijkse routine waar onderling het laatste nieuws wordt besproken en in een pauze een krantje wordt gelezen.”

Tijdens hartoperaties voor het inbrengen van hartkleppen of bypasses, wordt de lichaamstemperatuur van een patiënt door een hart-longmachine omlaag gebracht naar ongeveer dertig graden Celsius. Bij een ingreep aan de aortaboog kan een mens zelfs afgekoeld worden tussen de zestien en achttien graden Celsius. De hart-longmachine neemt de functie van het hart en de longen dan volledig over.

Het lichaam reageert sterk op de afkoeling en gaat minder zuurstof verbruiken. Met als gevolg dat het risico op zuurstoftekort in hart en andere organen vermindert. De ingreep kan zo onder ideale omstandigheden plaatsvinden. Als de operatie het einde nadert, zorgt de hart-longmachine dat de patiënt wordt opgewarmd. Zo ver, zo goed. Het kritieke punt ligt echter op het moment dat een patiënt wordt afgekoppeld van de hart-longmachine. Dat gebeurt zodra de contractie van het hart sterk genoeg is en de kern van het lichaam weer 37 graden Celsius heeft bereikt. Omdat armen en benen langer nodig hebben om op te warmen, ontstaat in het lichaam een temperatuurverschil. Onder normale condities zou een mens dat verschil opvangen door de bloedvaten te vernauwen. Maar door de narcose gebeurt dat niet. De warmte vanuit de romp en het hoofd wordt voor een deel overgeheveld naar de koudere armen en benen. Het veroorzaakt een afkoeling van de kerntemperatuur van een tot anderhalve graad Celsius. Deze daling wordt in de medische wereld ‘afterdrop’ genoemd en kan leiden tot een negatieve kettingreactie. Een patiënt kan tijdens de postoperatieve fase namelijk gaan rillen en zijn spieren aanspannen. Dat leidt vervolgens tot een behoefte aan meer zuurstof waardoor het hart intensiever moet pompen. En dat is nou juist niet de bedoeling na een zware cardiologische operatie. Het kan leiden tot hartstilstand, een hartinfarct of een verstoorde bloedtoevoer naar vitale delen van het lichaam.

Weinig speelruimte
Waarom niet simpelweg de hart-longmachine langer laten draaien totdat alle lichaamsdelen op de juiste temperatuur zijn? Severens: “Volgens de chirurgen is dat niet goed voor het herstel van de patiënt. Het kan leiden tot ernstige complicaties. Er is heel weinig speelruimte in de kerntemperatuur.”

Om de afterdrop tot een minimum te beperken, wordt sinds een jaar of tien gebruik gemaakt van warme watermatrassen en warme luchtdekens. Maar afdoende werken ze geen van allen. Meer inzicht in de warmteregulering van het menselijke lichaam is daarom nodig, meent Severens.

Ze begon haar promotieonderzoek vier jaar geleden. Opzet was het ontwikkelen van een wiskundig model waarmee de lichaamstemperatuur van patiënten onder narcose te voorspellen is. De voordelen zijn duidelijk. Anesthesisten en perfusionisten kunnen nauwkeuriger werken volgens een strak tijdschema.

Als eerste richtte Severens haar blik op het ‘passieve’ model van warmtetransport in het lichaam dat TU/e-afstudeerder Francis-Paul Janssen in een eerder stadium ontwikkelde. Het is een beschrijving van geometrie en warmtetransportprocessen in het menselijke weefsel. Daarbij is een arm of been schematisch opgedeeld in een cilinder. Bot, spier, vet, binnenhuid en oppervlaktehuid vormen ieder een soort jaarring, zoals bij een boom. En van ieder segment staat vast hoe het zich verhoudt bij warmteregulering. Vervolgens ontwikkelde Severens een ‘actief’ model. Ze bekeek welke thermoregulatiereacties -rillen, zweten en het opengaan en vernauwen van bloedvaten- optreden tijdens een operatie.

Om beide modellen te kunnen combineren, was een ‘set-point’ nodig. Een startpunt voor de thermoregulatiereacties. Daarvoor waren metingen nodig. Via promotor prof.dr.mr.dr. Bas de Mol, hoofd hartchirurgie AMC, belandde ze in de Amsterdamse operatiekamers. De data die ze daar verzamelde, waren vooral van belang om te achterhalen bij welke lichaamstemperatuur vasoconstrictie (bloedvatvernauwing) start. Na vijftien operaties waren de gegevens tot in detail uitgewerkt. Maar de invloed van anesthesie bleek een lelijke streep door de rekening te halen. Want onder invloed van narcose wordt de drempel voor vasoconstrictie verlegd. Niet alleen het moment waarop, maar ook de mate waarin bloedvaatjes zich vernauwen, waren onbekende parameters. Het moment waarop vasoconstrictie optreedt, bleek af te hangen van de concentratie en de aard van de verdoving.

Verenigde Staten
“Na anderhalf jaar experimenteren zat ik een beetje vast. Er liepen veel lijntjes, maar ze vielen niet samen. Ik wist niet hoe ik het onderzoek moest voortzetten. Toen werd ik door mijn copromotor dr. Wouter van Marken Lichtenbelt op het spoor gezet van de Amerikaanse anesthesist en onderzoeker Daniël Sessler. Ik heb hem samen met Wouter in Louisville in de Verenigde Staten opgezocht. Hij heeft jarenlange ervaring met klinisch onderzoek naar de effecten van anesthesie op thermoregulatie, warmtedekens en verwarmde matrassen. Ik heb twee dagen met hem om tafel gezeten. Hij overtuigde me met zijn praktijkkennis dat voor patiënten tijdens anesthesie de schuivende waarde voor vasoconstrictie het belangrijkste was en dat de mate van bloedvernauwing in eerste instantie van ondergeschikt belang was. Er is óf een normale doorbloeding in het lichaam, óf er is vasoconstrictie. Aan of uit. Dan zou het model vanzelf volgen.”

Met deze opvatting keerde ze terug naar de TU/e, begon het passieve en actieve model te koppelen, valideerde alle tussenstapjes en baseerde daarop een softwareprogramma. Binnen twee maanden was het model klaar. Severens voerde vervolgens de ‘gemiddelde’ patiënt van de vijftien AMC-metingen in. “Het model wist alleen de lichaamstemperatuur van de patiënt bij aanvang van de operatie. Voor de rest zou de software de voortgang berekenen. De simulaties en voorspellingen van mijn model klopten. Tot het einde. Er zat slechts een kleine afwijking in van 0,2 graden Celsius voor wat betreft de kerntemperatuur en één graad Celsius bij de huidtemperatuur. Dat is een aanvaardbaar verschil.”

Dankzij extra metingen aan de TU/e en de Universiteit Maastricht wist ze een jaar later de horde van vasoconstrictie alsnog te nemen. Severens slaagde erin om de hevigheid van bloedvatvernauwing in de juiste verhouding met de kerntemperatuur van een mens te brengen en zo een vaste waarde aan het model toe te voegen. De storende variabele rol van narcose was geëlimineerd. Bijkomend voordeel: het model bleek voortaan geschikt om voorspellingen te doen over het warmtetransport van gezonde mensen en alle patiënten die onder volledige anesthesie een operatie ondergaan. Severens liet dit zien door metingen, uitgevoerd in het Academisch Ziekenhuis Maastricht, te vergelijken met modelsimulaties.

“Het model heeft mogelijkheden, maar dan is wel vervolgonderzoek nodig. In de toekomst zou het in de operatiekamer dienst kunnen doen om te voorspellen en te waarschuwen als de procedure in gevaar komt. Het kan medische complicaties voorkomen en leidt tot efficiënte operaties. Nu kan het voorkomen dat de ingreep is afgerond maar het nog een half uur duurt voordat een patiënt door de hart-longmachine op temperatuur is gebracht. Dat is kostbare tijd voor een groot, duur team van specialisten.”/.

Natascha Severens promoveert woensdag 5 november met haar proefschrift ‘Modelling hypothermia in patients undergoing surgery’. Ze neemt aan het einde van 2008 na tien jaar studie en onderzoek afscheid van de TU/e. Vanaf 1 januari gaat ze werken voor Philips Applied Technologies.