Hoe fotonica de medische wereld 
drastisch verandert

Fotonica

De medische wereld staat voor een revolutie, dankzij … licht. Medische apparaten zullen straks dusdanig klein en goedkoop zijn, dat ze deel worden van je huis-tuin-en-keukenuitrusting. De motor achter die revolutie is fotonica. “Het is de snelst groeiende ‘enabling’ technologie die we kennen”, zegt Roel Baets, hoofd van de Fotonica-onderzoeksgroep.

Stel, je hebt diabetes. Samen met zo’n 500.000 andere Vlamingen lijd je levenslang aan een ongeneeslijke ziekte. Een ziekte die, met een goede monitoring, geen extreme impact op je levenskwaliteit hoeft te hebben. Maar die opvolging vraagt wel wat inspanning. Je moet namelijk constant je bloed­suiker­spiegel in de gaten houden. Nu gebeurt dat via een kleine prik in de vinger. Soms tot vier keer per dag.

Het zette professor Roel Baets en zijn team aan het denken. Samen werkten ze jarenlang rond de vraag: “Hoe kan je de bloedsuikerspiegel monitoren zonder voortdurend in je vinger te prikken?”. Het antwoord zit in licht. “We hebben een klein toestel ontwikkeld om onder de huid te implanteren en gedurende een jaar of twee elke vijf minuten het glucoseniveau in het bloed te meten aan de hand van lichtabsorptie. Glucose neemt namelijk meer of minder licht op bij bepaalde golflengtes. Door licht door het bloed of doorheen weefsel te stralen, kan je glucose herkennen.” De technologische ontdekking is een wereldprimeur en een medische toepassing van fotonica. Spin-offbedrijf Indigo Diabetes zet het werk nu verder.

Wat is fotonica?

Fotonica verwijst naar de term foton, wat zoveel wil zeggen als lichtdeeltje. Fotonica is een verzamelnaam voor de studie van licht en van alle mogelijke technieken en toepassingen die gebruikmaken van licht. En dat gaat heel breed.

De glasvezel van het internet waar je dagelijks op surft. De zonnepanelen op je dak. Het klemmetje dat ze over je vinger schuiven om je zuurstof-saturatie te meten in het ziekenhuis. De nieuwste LED-spots in onze huizen. Autonome rijsystemen bij auto’s. Laseroperaties aan ogen. Het zijn allemaal dagelijkse toepassingen van fotonica of zullen het in de toekomst worden.

De technologie is nog vrij jong. De meeste grote innovaties die gebaseerd zijn op fotonica dateren van de laatste 25 jaar. Maar in die kwarteeuw is het wel razendsnel gegaan. De grote bakken om televisie te kijken zijn nog niet zo lang uit onze woonkamers verdwenen. Nu kijken we ‘on demand’ van eender waar ter wereld een serie op onze smartphone.

"Wij waren bij de eersten in Europa die het idee hadden om silicium te gebruiken bij fotonica."

UGent op kop

Fotonica is big science én big business, ook aan de UGent. “Vroeger moest je als toponderzoeker naar de Verenigde Staten trekken als het over fotonica ging. Nu vinden onze alumni een boeiende job in Gent. Dat is prachtig om te zien”, legt Roel uit. “De campus Tech Lane Ghent Science Park in Zwijnaarde is ondertussen een heus ecosysteem geworden.” Onderzoekers van allerlei disciplines die bij fotonicaonderzoek betrokken zijn en ondernemers vinden er elkaar. “Innovatieve, internationale bedrijven openen zelfs kantoren naast onze campus en trekken onderzoekers aan om voor hen te werken.”

De UGent is dan ook een van de internationale koplopers in de fotonicawereld. Een en ander heeft te maken met silicium, een halfgeleider die vooral in elektronica gebruikt wordt. Denk maar aan de de chips in je laptop of smartphone, die gemaakt zijn met de stof. De chips werden de laatste zestig jaar veel en veel kleiner, werken steeds sneller en zijn spotgoedkoop omdat ze op zo’n grote schaal gemaakt worden.

Niet onlogisch dat het UGent-team er heil in zag: “Wij waren bij de eersten in Europa die het idee hadden om silicium te gebruiken bij fotonica. In het begin leek dat een exotisch idee, en nogal ‘academisch’, maar nu is de op silicium gebaseerde fotonica enorm groot.” Zoals chips gebruikt worden bij elektronica om elektrische signalen door te sturen, gebruikt siliciumfotonica chips om licht of optische signalen door te sturen. Dat is niet alleen sneller, met licht kan je ook een pak meer data versturen, én met een lager energieverbruik.

Bottom line: het gebruik van silicium in fotonica laat toe om de toestellen die je errond opbouwt heel klein, efficiënt en goedkoop te maken.

Niet enkel voor de happy few

De onderzoeksgroep van Roel zoekt bewust naar toepassingen die betaalbaar zijn voor het grote publiek, vooral binnen de medische wereld. “We zouden ons kunnen focussen op de dure toestellen die in zieken­huizen staan. Denk maar aan de MRI-scanners of de CT-scanners. Die zijn natuurlijk bijzonder waardevol, maar wij willen net toestelletjes maken voor iedereen en niet enkel voor de ‘happy few’.”

“Omdat die chips op zo’n grote schaal gemaakt kunnen worden, kan je de prijs van de toestellen enorm drukken. Iets dat in het verleden misschien duizend, tienduizend of zelfs honderdduizend euro kostte, kan je nu maken voor enkele euro’s. Daarmee wordt het iets dat je gewoon thuis kan  gebruiken.”

Hij geeft het voorbeeld van een CO2-meter. “Zo’n meter werkt op basis van licht, want ook CO2 absorbeert licht van specifieke golflengtes. Om de CO2-concentratie in de lucht te meten, stuurt het toestel licht uit”, legt Roel uit. “Door te meten in welke mate dat lichtsignaal wordt verzwakt, kan je berekenen hoeveel CO2 er aanwezig is. Vroeger kostte zo’n toestel honderden euro’s. Nu heb je het voor net geen vijftig euro.”

"Bijna alles wat je nu ziet, heeft al een link met fotonica. In de toekomst zal dat alleen nog maar toenemen."

Hartziekten opsporen

Als het van Roel afhangt meet je binnenkort niet enkel de CO2 bij je thuis, maar onderzoek je ook zelf hoe het met je hart gesteld is. “Artsen wisten me te vertellen dat je naast bloeddruk nog een andere maatstaf nodig hebt om de hart- en vaatconditie van mensen te meten. De pulsgolfsnelheid geeft bijvoorbeeld heel nuttige bijkomende informatie. Dat is de snelheid waarmee een bloeddrukgolf zich door de slagaderen verplaatst na elke hartslag.”

Aan de hand van die snelheid kan je meten hoe stijf de aortawand is, wat dan weer vertelt hoe gezond de vaatconditie van iemand is. “Bij een jong en gezond iemand is die snelheid ongeveer vijf meter per seconde. Dat wil zeggen dat de slagaderwand heel elastisch en dus niet verhard is. Maar naarmate mensen ouder worden of een bepaald ziektebeeld hebben, treedt er een zekere verstijving van die slagaderwand op en wordt het een harde buis. De golf gaat dan aan een veel hogere snelheid, tot tien à vijftien meter per seconde. Als de snelheid hoger is dan gemiddeld voor iemands leeftijd en conditie, kan dat wijzen op een aandoening.”

Momenteel bestaat er nog geen eenvoudig apparaatje om die pulsgolfsnelheid te meten. “Dat proberen we nu te maken”, vertelt Roel. “We hebben al een prototype gecreëerd op basis van siliciumfotonica samen met de experten van de biomedische ingenieurswetenschappen van de UGent. Na een voorbereidende klinische studie bleek dat er nog werk aan was, dus we zijn nog niet klaar om een toestel naar de markt te brengen. Maar we zijn wel op de goede weg.”

Het uiteindelijke doel? “Een klein en handig apparaatje, dat we zo goedkoop mogelijk willen maken. Zo zouden niet alleen de universitaire ziekenhuizen van deze wereld er eentje kunnen aanschaffen, maar ook huisdokters en misschien op termijn zelfs de modale burger. Enkel op die manier kan je hartaandoeningen sneller opsporen.”

Eindeloos veel opties

Het fotonicaonderzoek heeft veel potentieel voor concrete toepassingen. Zo heeft het onderzoek rond de diabetesmonitoring geleid tot de oprichting van een spin-off: Indigo Diabetes. Het Gentse bedrijf haalde vorig jaar 38 miljoen euro op en hoopt tegen 2023 een werkbare sensor op de markt te hebben.

Naast Indigo Diabetes zijn er de voorbije 15 jaar aan de UGent nog acht spin-offbedrijven opgericht die werken met fotonica. En dat gaat over veel meer dan medische toepassingen. “We hebben bijvoorbeeld een spin-off die de betrouwbaarheid van infrastructuur controleert. Zij monitoren windmolens of de stabiliteit van een brug. Voor je visueel grote barsten ziet, kunnen wij met fotonica al vroegtijdig detecteren of er iets fout kan lopen.” Ook hier is het een gelijkaardig verhaal: de technologie bestaat al langer, maar de onderzoekers van de spin-off maken kleinere en goedkopere apparaatjes dan de bestaande toestellen.

De opties zijn eindeloos. “De toekomst voorspellen is moeilijk, maar fotonica is een van de snelst groeiende ‘enabling technologies’ die we kennen. Fotonische chips zijn veel diverser dan hun elektronische tegenhangers”, legt Roel uit. “In de elektronica gaat het altijd over transistoren. Dat wil zeggen dat je signalen schakelt of versterkt. Maar dat is het dan ook. Je kan daar veel mee doen, maar niet zo veel als in de optische wereld. Daar heb je een hele waaier aan kleuren, functies, materialen en dus ook toepassingen. Bijna alles wat je nu ziet, heeft al een link met fotonica. In de toekomst zal dat alleen nog maar toenemen.”

 Roel Baets is gewoon hoogleraar aan de faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur. Zijn favoriete plekje: de Belvedère van de Boekentoren. Tijdens mijn doctoraat hebben we daar eens een krachtige groene laser – een ding van 2 meter lang – naartoe gesleurd en daarmee ‘s avonds op de wolken figuren geschreven. Het was winter en toen begon het te sneeuwen. Magisch en spectaculair was dat.

Lees ook

Wat doen studentenvertegenwoordigers voor jou?

Saïd Mabrouk

Groenten die hoger mikken: de toekomst van de stadstuinbouw begint in Roeselare

Agrotopia

Bestaand medicijn kan oplossing zijn voor ‘onbehandelbare’ tumoren

Desmoide tumor

Eén richting, meerdere wegen: burgerlijk ingenieur

Brigitte