Author Archives: Wouter Serdijn

Physicians are desperate to find new and effective treatment options for chronic pain and depression. Tiago Costa is developing a novel targeted neuro-modulation treatment for depression, using focused ultrasound. His goal is to treat only brain areas that need attention, leaving other parts of the brain undisturbed.

Ever since middle school, Tiago Costa wanted a career that would allow his horizons to expand constantly. He first chose electrical engineering, originally having robotics in mind, but ended up in the USA specialising in ultrasound microchip technology for biological interfaces. After that he joined the Bioelectronics Group at TU Delft.

Costa said he wanted to help build the next generation of electroceuticals (see frame) at TU Delft: “This is where I met neurosurgeon Dirk de Ridder, who told me that depression is badly in need of additional treatment options. Depression is attributable to a network of many brain regions, and I immediately realised it is a perfect match for treatment with focussed ultrasound.”

Stimulating the brain

One in every seven people will develop a major depressive disorder over the course of their life. For many, symptoms improve with psychotherapy or drugs (anti-depressants). For the 30% of people with so-called treatment-resistant depression, there is another option called brain stimulation therapy. Costa: “The best two non-invasive such treatments use electricity or magnets to trigger brain activity. However, they are lacking in resolution, so they stimulate a large part of the brain. It’s kind of accidental that they make something positive happen.”

The invasive alternative uses electrodes implanted deep inside the brain. Costa said that such electrodes have a much more localised effect, but they can only treat a single spot: “Focused ultrasound, once completely developed, should be a one-time and much less invasive procedure, as we only need to penetrate the skull, not the brain. This allows the stimulation of many small volumes of brain, which can be subsequently chosen at will. The treatment can also be adapted to a changing brain.”

Many brain regions influence depression, so it’s a perfect match for focussed ultrasound

Targeted sound

We are all familiar with lenses for focusing light. One example is spectacles that help to form a clear image on the retina. Another is a magnifying glass that allows you to start a campfire by focussing sunlight on a small spot. Focused ultrasound works in a similar way, focussing sound – which can penetrate tissue easily – into a small spot. That spot can be as small as half a millimetre in diameter, stimulating roughly ten to twenty thousand brain cells. It’s about a thousand times fewer cells than those stimulated by conventional state-of-the-art out-of-skull ultrasound.

Ultrasound is typically generated by a transducer that converts electrical energy into a sound wave, travelling in all directions. Costa’s microchips hold many such tiny transducers within a matrix: “By controlling electronically the exact time each transducer fires, I can choose where all these waves collide. Typically, some transducers will fire a bit sooner, because their sound waves must travel a bit further, while others fire somewhat later. We can change everything on the fly, creating arbitrary ‘lenses’ and focussing the sound at chosen locations within the brain.”

We stimulate a brain, but also measure its response and the patient’s response.

Stimulating and reading

Costa said that focussed ultrasound is only part of a solution. “We also need to measure brain signals reliably, and use these to identify patterns that indicate different states of the disease. Only then can we measure if we have steered a beam to the correct location, for a positive impact, or if we need to steer it somewhere else. Then we can fit the treatment to each individual patient.”

The researchers will use EEG to measure the electrical activity of the brain, identifying patterns in these data. Technologies for both reading and stimulation will be integrated into a single device, which will be implanted underneath the skull but on top of the outermost protective layer of the brain (the dura). A second device, outside of the skull, will serve as a wireless transmitter.

Collaboration is essential

Many challenges still lie ahead before this becomes a technological breakthrough, offering a personalized treatment for depression. The challenges are both technical (e.g. miniaturisation, power supply, data compression) and medical (e.g. what brain activity should we aim for, and what is the tissue compatibility?). That’s why the international UPSIDE consortium hosts many disciplines, from bioelectronics to neurosurgery and from brain-machine interfaces to psychiatry.

Costa’s main role in this endeavour is to build best-in-kind chips for the treatment of depression. On the one hand, his multidisciplinary focus means that he cannot be as involved in pure microelectronics research as he would like to be. But he also realises that a wider vision allows him to conceptualise bigger systems, and that creativity is fostered where various disciplines converge.

Focussed ultrasound is like a multitool, suitable for many brain diseases.

Electroceuticals

Neurons are the fundamental units of the brain and nervous system. They communicate through bioelectricity – controlling breathing and motion and steering many biological processes. Electroceuticals are wearable, implantable, and injectable biomedical devices that interact with the neurological pathways of the human body – through electricity or other means. They are a new class of therapeutic agents that have the potential to become highly targeted, reversible, and one-stop solutions to lifelong medicine for selected diseases. Electroceuticals have already been shown to be effective in the treatment of certain neurological and auto-immune diseases.

(Much) more than depression

Costa said that the chip might be suitable to treat more than just depression: “These chips are like a multitool, and could potentially treat a large variety of brain diseases.” He also develops chips to study how exactly ultrasound activates neurons at the cellular level. Together with colleagues within his department, Costa has plans to build a small bio-measurement lab, where they can test chips on living tissue such as cells and brain slices.

Costa’s big dream is to contribute to the creation of an entire institute, involving people from electrical engineering, applied sciences, and mechanical or even aerospace engineering, as well as biologists, neuroscientists, and others. Costa: “This institute should have separate labs, but only one canteen and a single location for coffee machines. It’s by spending lots of time together that things happen.” That’s just one way in which Costa keeps pushing the boundaries at the interfaces between disciplines, and expanding his own horizons.

Om te begrijpen hoe de hersenen werken, moeten we begrijpen hoe elk onderdeel, van neuron tot hersengebied, in wisselwerking staat met de rest van de hersenen en met de buitenwereld. Dankzij een subsidie van 21,9 miljoen euro vanuit het programma Zwaartekracht, van het ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap, kan een landelijk consortium hier nu nader onderzoek naar doen. Het doel van dit onderzoek is het ontwikkelen van principes, apparaten en methodes om met deze interacties rekening te houden en zo meer te begrijpen over hersenaandoeningen, maar ook stemmingen, emoties en dwangneigingen. 

Het onderzoeksproject heet ‘The Dutch Brain Interfaces Initiative en wordt geleid door onderzoekers van de Radboud Universiteit Nijmegen. De TU Delft zal bijdragen aan het ontwikkelen van computermodellen, en de microfabricage-technologie voor de ontwikkeling en validering van closed-loopbesturing voor neurale protheses. Die protheses kunnen ons verloren zintuigen en controle teruggeven, waardoor we letsels kunnen omzeilen en een ongekende reeks hersenaandoeningen kunnen behandelen, waardoor doven, blinden, verlamden en geestelijk gehandicapten weer een betere kwaliteit van leven zullen krijgen. 

Uiteindelijke toepassingen van het meerjarige onderzoek zijn bijvoorbeeld het gebruik van Deep Brain Stimulation op patiënten met motorische en psychiatrische stoornissen, het ontwikkelen van Brain-Computer interfaces die communiceren mogelijk maken voor mensen die niet kunnen praten en het inzetten van visuele implantaten voor slechtzienden en blinden. Frans van der Helm en Wouter Serdijn leiden de Delftse kant van het onderzoek. Frans van der Helm: ‘Het menselijk brein is de ultieme technische uitdaging voor ingenieurs. Het is mooi om met onze technische achtergrond en technische mogelijkheden bij te kunnen dragen aan een beter begrip van, en een betere interactie met het menselijk brein.’

Het Dutch Brain Interfaces Initiative is de combinatie van enerzijds een platform met computer-, software- en hardware-elementen, gericht op het vergemakkelijken van manipulaties met gesloten lus op lange termijn, en anderzijds hersenmonitoring in een naturalistische omgeving, met een neurowetenschappelijk onderzoeksprogramma met 3 hoofddoelstellingen: het begrip van de algemene principes van hersendynamica te vergroten, strategieën te ontwikkelen om die dynamica en de cognitieve functie die zij ondersteunt te beïnvloeden, herstellen of verbeteren én de neurale basis van gedrag onder naturalistische omstandigheden te begrijpen.

Het consortium is breed en divers, en maakt gebruik van de expertise op het gebied van Nederlandse neurowetenschappen, neurotechnologie en computerwetenschappen van de Radboud Universiteit, het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen, de TU Delft, het ErasmusMC Rotterdam, de Universiteit van Utrecht, de Universiteit van Amsterdam, de TU/Eindhoven en de Universiteit Twente. Het consortium is een spin-off van het Neurotech.NL initiatief, het netwerk van Nederlandse neurowetenschappers en neurotechnologen dat zich richt op het uitvoeren van cutting edge fundamenteel onderzoek en het vertalen daarvan in oplossingen die de samenleving ten goede kunnen komen.

A blogpost in Open Neurosurgery by Dr. Vasiliki (Vasso) Giagka, PhD, Assistant Professor of Bioelectronics, Technical University Delft, The Netherlands

 “Neurotechnology is defined as the assembly of methods and instruments that enable a direct connection of technical components with the nervous system”  [1]

Neurotechnologies usually comprise components that interface directly with tissue, such us electrodes for electrical stimulation or neural recording, LEDs for optogenetics, ultrasound transducers for ultrasound neuromodulation. These are driven by custom-designed, miniaturized electronics who give the system its intelligence. Communication between modules for power and data transfer is usually necessary and can be either wireless or via wired connections. Additional modules, that operate online or offline, run algorithms that allow for automated or user-defined therapy adjustment, and implement safety and security features. All these come together into a single device or, more often, a multi-device system. However, neurotechnologies are much more than this. They require careful consideration, already during the design phase, of how the device will be used by the patient, how often, what is considered user friendly and what not, what is acceptable by the patient and what isn’t. They require careful testing, often during timeframes that are too long to be realistic (decades) and in conditions that are either not fully representative (in a lab) or raise ethical questions (in vivo). Neurotechnologies can be invasive or non-invasive, but even fully implantable systems include external components to give the system some form of programmability. Implantable neurotechnologies, in particular, require very careful consideration of the implantation site and procedure, as well as a clear plan for explantation when the need arises.

The development of neurotechnologies requires, if not mastering, at least being acquainted with, a wide range of scientific disciplines. Usually, electrical engineering is at the core of the hardware development, i.e. for all electronics (analog or digital circuits, and microsystems technology). Specialization in computer science enables software or AI-related developments. Physics and material science are relevant for neural interfaces. Mechanical engineering backgrounds lend themselves to studying the mechanical behaviour of neurotechnologies. Biomedical engineering studies are usually broader, and, given enough expertise, allow a broader overview of the different types of applications. Neuroscience guides the basic understanding and therapy at the research phase, neurosurgery is essential for an effective implantation and explantation technique, while the clinical perspective will guide the translational path.

It is therefore of paramount importance that, neurotechnologists (here I am using this term to cover all STEM disciplines involved in the device development) talk to neuroscientists, neurosurgeons and clinicians to be able to appreciate challenges related to how their developed technology will be used in practice. They need to understand the anatomy, physiology, but also the application scenario, e.g. how a technology will be used, for how long, what is the implantation procedure that will be followed, what type of measurements/indications are being looked at during a surgery, what is the expected body reaction to the implantation process. In addition, for clinical translation, how the patient is experiencing living with the assistive technology, how user-friendly it is made, what is its desired versus expected lifetime, are all aspects that should not be overlooked.

This dialogue, however, often proves to be more challenging than expected. Engineers and clinicians often learn to speak different languages; engineering is a more deterministic world; take as an example the design of a neural interface for the peripheral nerves: when the length of an implant is designed to be 6 millimetres, it will be always 6 millimetres +/- some micrometres. If we make hundreds of these, all will have very similar characteristics. We can make transistors with features that are as small as tens of micrometers, with a deviation in the nanometer range. We can work (measure or generate) signals in the GHz or even THz range (that is nanoseconds or picoseconds), with extreme accuracy. Body time constants, on the other hand, are far below this, usually in the hundreds of microseconds or milliseconds range. The length of a “6-millimetre long” nerve (the same nerve) can, in fact, be anywhere between 3 to 9 millimetres, varying among individuals. The diameter of a nerve can vary widely among individuals as well. I have often found that this difference in perception creates miscommunication and misunderstandings, even though two committed scientists are trying to effectively convey their message to the other side, what the other side is in fact receiving is something else; this message will be interpreted or seen via their own lenses, filtered through their way of thinking.

For all these disciplines to work together constructively and effectively, we must create environments and possibilities for the different disciplines to get exposed to the other side. Not only by talking, but by doing. By participating in a lab experiment, or following a day’s/week’s long work. In some industries this is done by what is called shadowing: a new colleague gets a glimpse of different roles in the company by being the “shadow” of a more experienced worker in another domain. This helps exposing the unspoken reality, helps the shadow appreciate the challenges the other side is facing, appreciate their daily rhythm, what is important or priority for them. In this way the shadow becomes a more competent communicator, thereby unleashing the potential of this collaboration.

We can learn from this approach. We must educate newer generations of neurotechnologists in a multi-disciplinary environment, but with enough focus on the core discipline. Only after having acquired enough depth and focus on one’s more traditional discipline should we then broaden up, reach out to other disciplines and start this constructive discussion, always remaining loyal to our original discipline. In such a setting, relevant disciplines will be influenced by each other, leading to a constructive dialog, a fruitful environment where neurotechnology will flourish.

“For all these disciplines to work together constructively and effectively, we must create environments and possibilities for the different disciplines to get exposed to the other side. Not only by talking, but by doing.”

Dr. Vasiliki (Vasso) Giagka Tweet

Last but not least, all neurotechnologists should be educated regarding neuroethics. How sensitive data that are being retrieved from our bodies are being handled, who owns these, how they are being processed and stored, for how long, who can access these, are all very relevant and important questions that raise big ethical issues and need to be thoroughly discussed as neurotechnologies become more and more common and advanced.

Biography 

Vasiliki (Vasso) Giagka (PhD) is Assistant Professor of Bioelectronics at the Technical University Delft (TU Delft), The Netherlands and group leader at Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM, Berlin, Germany.
Dr. Giagka was born in Athens, Greece, in 1984. She received the M.Eng. degree in electronic and computer engineering from Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Greece, in 2009. She then moved to London to join the Analogue and Biomedical Electronics Group at University College London, UK from where she received her PhD degree in 2014. In 2015 she joined the Implanted Devices Group at University College London, UK, as a research associate.

She currently, since September 2015, holds an assistant professor position at the Bioelectronics Group at Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, and since September 2018 she is also leading the group Technologies for Bioelectronics, at Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM, Berlin, Germany. Between her two affiliations, she is carrying out research on the design and fabrication of active neural interfaces. In particular, she is investigating new approaches for neural stimulation and wireless power transfer, as well as, implant miniaturization, microsystem integration, packaging and encapsulation to meet the challenges of bioelectronic medicines.

FIND OUT MORE ABOUT DR. VASILIKI GIAGKA

References 

1. Müller O, Rotter S. Neurotechnology: Current Developments and Ethical Issues. Front Syst Neurosci. 2017;11

OpenNeurosurgery aims to promote open science in neurosurgical practice

OpenNeurosurgery.com is moderated by Sadaf Soloukey, PhD student within CUBE, the Center for Ultrasound Brain Imaging @ Erasmus MC

Wereldwijd onderzoek naar oorsuizen (tinnitus)

Veel mensen hebben last van een continu geluid in hun hoofd. Tinnitus heet dat. Omdat er eigenlijk nog te weinig bekend is over de oorzaken, is er een wereldwijd onderzoek gestart onder de noemer ‘Tinnitus House’. De hoop is dat er uiteindelijk een remedie wordt gevonden.

Tinnitus wordt ook wel oorsuizen genoemd. Al is die laatste omschrijving een understatement, want de geluiden die sommige mensen horen zijn vergelijkbaar met een vrachttrein die door je hoofd raast. Tinnitus hoor je in een stille ruimte, maar ook met oordoppen op. Dan lijkt het alsof er toch geluid is, maar die waarneming komt van binnenuit. Die geluiden heb je in alle vormen: van zacht tot hard, van hoog tot laag, van continu tot af en toe, in één oor of in beide oren.

Eén op de drie volwassenen ervaart in het dagelijks leven wel eens een duidelijke toon in een oor gedurende een aantal seconden. Ook de zogeheten ‘disco-tinnitus’ is je wellicht bekend: als je oren een tijdlang zijn blootgesteld aan veel lawaai, is er eenmaal in de stilte een ruis of fluittoon te horen in je oren. Uiteindelijk komt hierna gelukkig bij de meeste mensen het gehoorsysteem weer tot rust en dan verdwijnen de geluiden. Echter, veel blootstelling aan harde geluiden kan ertoe leiden dat de ruis of fluittoon permanent te horen blijft.

Overgevoeligheid voor geluid

Heb je last van een van onderstaande vormen van overgevoeligheid voor geluid? Dan kun je ook last hebben van tinnitus.

• Misofonie. Extreme hekel aan specifieke geluiden, zoals bijvoorbeeld blaffende honden of smakgeluiden.
• Hyperacusis. Mensen die hieraan lijden zijn overgevoelig voor vaak hoge harde geluiden die als onaangenaam en pijnlijk worden ervaren. Denk aan gillende kinderen, of een alarm dat afgaat.
• Phonofobie: Hardnekkige, abnormale en niet-realistische angst voor geluid. Deze mensen zijn bang dat normale geluiden hun gehoor beschadigen

Tinnitus is zelden te behandelen

Wat iemand met tinnitus dus hoort, zijn schijngeluiden. Die ontstaan doordat het gehoororgaan of de zenuwbanen – zonder dat er geluiden zijn – signalen doorgeven die in de hersenen de betekenis ‘geluid’ krijgen. Waardoor ontstaat zoiets?

• Beschadigingen in het laatste gedeelte van het gehoororgaan of veranderingen in de zenuwbanen of hersenen kunnen een oorzaak zijn.
• Ook spiertjes rond het oor die zich samentrekken of problemen in het middenoor kunnen voor tinnitusklachten zorgen.
• Andere mogelijke oorzaken zijn afwijkingen aan de bloedvaten in het hoofd en een hoge bloeddruk, die een kloppend of tikkend geluid in het ritme van de hartslag veroorzaken

Tinnitus Retraining Therapy (TRT)

Tinnitus Retraining Therapy (TRT) is één van de weinige wetenschappelijk onderbouwde therapieën voor tinnitus en overgevoeligheid voor geluid. Je leert het hinderlijke geluid van het oorsuizen naar de achtergrond te drukken door het als een normaal geluid te beschouwen waarmee gewoon te leven is. Het maakt gebruik van het feit dat je hersenen ook in staat zijn om bijvoorbeeld het zoemende geluid van een koelkast te negeren.

Deze therapie wordt onder andere aangeboden bij audiciens als Beter Horen en Schoonenberg Hoorsupport.

Gehoorverlies bij tinnitus

Naast de irritante geluiden hoort bij tinnitus ook vaak gehoorverlies. En nog vervelender: tinnitus is helaas zelden te behandelen met geneesmiddelen of een medische ingreep. Klachten kunnen wel wat worden verminderd door de aandacht voor de geluiden in het hoofd te verplaatsen naar bijvoorbeeld andere geluiden.

Hoortoestel met tinnitusmaskering

Er zijn hoortoestellen op de markt die een ruis of andere prettige geluiden genereren, zoals bijvoorbeeld geruis van de zee. Heb je behalve tinnitus ook last van behoorlijk gehoorverlies boven een bepaalde waarde (de audicien kan dit meten), dan kan dit een uitkomst zijn. Een nadeel van de maskering, is dat je hierdoor niet went aan je eigen tinnitusgeluid.

Wereldwijd tinnitusonderzoek

Omdat er eigenlijk nog te weinig bekend is over tinnitus is er een wereldwijd onderzoek gestart onder de noemer ‘Tinnitus House’. Dit onderzoek wordt uitgevoerd door de Stichting BrainInnovations onder supervisie van de Technische Universiteit Delft in samenwerking met de Universiteit van Regensburg (Duitsland), Trinity College Dublin (Ierland) en de University of Otago (Nieuw-Zeeland) en mede gefinancierd door de Stichting TinnitusFree. Het doel is om het tinnitusonderzoek een nieuwe dimensie te geven door (big) data-analyse systematisch te testen met klinische trials.

Meewerken aan het onderzoek naar tinnitus?

Heb je last van tinnitus en wil je meewerken aan dit onderzoek? Op de site van Tinnitus House is meer informatie te vinden over tinnitus en over dit onderzoek. Ook kun je je daar abonneren op hun nieuwsbrief.

Meer informatie over tinnitus vind je ook in het boek Eerste hulp bij oorsuizen van Olav Wagenaar.

Bij openhartoperaties in het Erasmus MC wordt het hart rondom bemeten met geavanceerde elektrodes uit Delft. Hoe verloopt die samenwerking op zoek naar hartritmestoornissen?

Read in English

• In 2021 kwamen er negen Medical Delta-hoogleraren bij. Dat zijn professoren met een aanstelling aan een academisch ziekenhuis (LUMC of Erasmus MC) en aan de TU Delft. Dat bracht het totaal van MD-hoogleraren naar 22. Kennelijk een succesformule. Hoe werkt zo’n dubbelaanstelling in de praktijk? Dat is de achterliggende vraag in deze miniserie onderzoeksportretten.

Aan de elektrodes in de vitrinekast is de technische ontwikkeling van de laatste twintig jaar af te lezen. De oudste ziet eruit als een soort kleine douchekop waar vier kabels uitkomen die eindigen in aangeschroefde stekkers van het formaat computermuis. Die gebruikte Natasja de Groot bij haar promotieonderzoek in Leiden naar hartritmestoornissen. De nieuwste elektrode is een flinterdun stripje waaraan drie meter meerlaagse flatcable zit bevestigd om de 192 kanalen tegelijkertijd uit te lezen. Die kabel werd in Delft gemaakt in de groep bio-elektronica van prof.dr.ir. Wouter Serdijn (faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica).

Een dag niet gedanst is een dag niet geleefd, vindt cardioloog-elektrofysioloog prof.dr. Natasja de Groot (Erasmus MC). In een vorig leven volgde ze een opleiding tot klassiek balletdanseres aan de balletacademie in Amsterdam. Maar toen blessures na tien jaar haar droomcarrière dwarsboomden, besloot ze naar het atheneum te gaan. Bij de biologielessen werd ze zodanig gegrepen door de werking van het hart dat ze besloot geneeskunde te gaan studeren in plaats van astronomie. Als kind wilde ze overdag danseres worden en ’s avonds astronaut. Het werd: cardioloog.

Tijdens haar medicijnenstudie ontwikkelde De Groot met haar gevoel voor patronen en ritmes een interesse in hartritmestoornissen – een wijdverbreide maar slecht begrepen aandoening. Een hart kan te snel slaan – tot wel 300 slagen per minuut – te langzaam, of zelfs een slag overslaan. “Meestal begint het met boezemfibrilleren, een paar seconden tot een paar minuten. Dan melden de meeste mensen zich met klachten bij de dokter”, aldus De Groot.

Dat kan iedereen overkomen, en de kans erop neemt toe met de leeftijd. Maar helaas is de interventie van ‘ablatie’ (beschadigen van hartweefsel om ongewenste geleiding te stoppen) maar matig effectief. Daarnaast zijn er onbegrepen methoden (zoals prikkelen van het oor) die hartritmestoornissen welswaar aanwijsbaar verminderen, maar waarvan het mechanisme niet bekend is. Er is kortom nog veel onduidelijk over hoe precies de levenspuls over en door het hart trekt. Vandaar dat De Groot zich de taak heeft gesteld om “de elektrische eigenschappen van het hart te kwantificeren.” Want daar begint alles mee.

Nieuwsgierig blijven
Ze doet dat sinds eind vorig jaar als Medical Delta-hoogleraar met een aanstelling aan zowel het Erasmus MC als aan de TU Delft. Ze heeft een onderzoeksteam met artsen, ingenieurs, een bioloog, een dierenarts, een klinisch technoloog en zelfs een astronoom. “Een leuk groepje vakidioten”, noemt ze haar team vertederd. “Iedereen heeft zijn eigen passie, maar ze vinden het ook allemaal leuk om bij een ander te kijken. Ze houden van wetenschap en ze blijven nieuwsgierig.” Ze beschrijft een cyclus waarin betere meetinstrumenten leiden tot betere metingen, betere analyses en betere vraagstellingen waarvoor weer betere instrumenten nodig zijn. “Zo houden we elkaar een beetje bezig.”

^{De elektrode met 192 contactpuntjes en de meerlaags platte kabel bij een modelhart op ware grootte. (Foto: Guus Schoonewille)}

De meetcampagne begon in 2010. Ze kreeg toen hartchirurgen zover dat die bij iedere openhartoperatie op acht vastgestelde posities rondom het hart gedurende vijf seconden een speciale elektrode tegen het hart hielden voor de opname van de elektrische signalen. De laatste versie van de elektrode telt 192 contactpuntjes met onderlinge afstand van 2 millimeter. Dat zijn dus ruim 1.500 verschillende ECG’s per patiënt. Inmiddels zijn meer dan duizend patiënten zo bemeten en vormen ze samen een heel diverse groep. Sommigen hebben aangeboren hartfalen of hartritmestoornissen, anderen weer niet. Je kunt hooguit zeggen dat er bij iedereen wat aan het hart mankeerde. Uit de tienduizenden signalen heeft De Groot inmiddels wel de conclusie getrokken: “Elk hart is elektrisch uniek.”

“We rijden naar Delft”
Om betere grip te krijgen op al die data besloot ze dat ze de geleidingssnelheid wilde weten tussen meetpunten, want verschillen in de geleidingssnelheid bepalen hoe de stroompuls, die zoals wellicht bekend in de sinusknoop begint, zich over het hart verspreidt. Namelijk: via de weg van de minste weerstand. Ze nam contact op met collega-hoogleraar prof.dr.ir Ton van der Steen – natuurkundige en ultrasound-expert, en Medical Delta-hoogleraar van het eerste uur. Wist hij iemand die zulke berekeningen kon maken? Na een paar telefoontjes veerde hij op. “Kom op”, zei hij. “Trek je jas aan. We rijden naar Delft.”

Daar maakte ze kennis met prof.dr.ir. Alle-Jan van der Veen. Bij de afdeling micro-elektronica van de Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) had hij expertise opgebouwd over signaalbewerking voor communicatie en astronomie. Hoewel cardiologie heel wat anders is dan telecom, zijn de onderliggende wiskundige modellen vergelijkbaar: een signaal dat van A naar B loopt. Uit de ECG-signalen kon Van der Veen de geleidbaarheid ter plekke berekenen, een grootheid die onder meer de geleidingssnelheid bepaalt. De lokale geleidbaarheid van het hartweefsel wordt weergegeven in een kleurenkaart. Op sommige plekken treedt er een verstoring in de geleiding op die met zwarte blokjes wordt weergegeven. Dat kan duiden op littekenweefsel.

Al snel kwam prof.dr.ir. Wouter Serdijn (EWI) erbij voor verfijndere elektrodes. “Dat is geen rocket science”, zegt hij daar nu over. “Vaak kun je iemand uit een andere discipline al snel helpen met de bestaande stand van de techniek. Dat was toen een contactstripje en een meerlaags flexprint kabel voor de 192 signalen.”

Gezamenlijk onderzoek
In 2015 dienden de drie samen met een celbioloog prof.dr. Bianca Brundel uit Amsterdam UMC een onderzoeksaanvraag in bij CVON (Cardiovasculair Onderzoek Nederland, onderdeel van de Hartstichting) voor de opname en analyse van de bio-elektrische signalen van het hart. Dat is vooralsnog fundamenteel onderzoek naar de activatiepatronen van het hart. Wat is normaal en wat afwijkend?

Uiteindelijk moet het onderzoek leiden tot een beter meetinstrument voor diagnose om vast te stellen hoe ernstig de hartritmestoornissen zijn, en liefst ook naar een effectievere behandeling dan nu beschikbaar is.

Net als de elektronica de medische vraagstelling aanscherpt, gebeurt het omgekeerde ook. De drie meter flatcable is in praktijk best onhandig en de kabel pikt ook allerlei stoorsignalen op. Serdijn werkt er daarom samen met promovenda Sampi Rout aan een belangrijke verbetering van de aansluiting van de elektrode. Geen 192 draadjes meer naar de elektrode, maar slechts twaalf omdat een chip 16 signalen terugbrengt tot één. En 12 x 16 = 192. Twaalf draadjes passen binnen de omvang van een katheter, vertelt Rout, net de elektronica voor de signaalverwerking. Die miniaturisering biedt het perspectief van multikanaals signaalopnamen van het hart aan de binnenzijde via de lies, wat de methode inzetbaar zou maken voor verbetering van de diagnose.

^{Promovenda Sampi Rout werkt bij EWI aan de multiplexing van 16 signalen naar 1 om het aantal draden naar de elektrode te verminderen. (Foto: Jos Wassink)}

Voor mensen met hart-, zenuw- en breinaandoeningen kunnen bio-elektronische medicijnen een belangrijk verschil maken. Prof. dr. ir. Wouter Serdijn werkt aan deze piepkleine apparaatjes. Hij is hoogleraar aan de TU Delft en dankzij Medical Delta nu ook aan het Erasmus MC. “Technische disciplines gaan vaak uit van objectieve maten, terwijl geen enkel mens dezelfde is. Het is daarom belangrijk om ook de subjectieve kant in het ontwerp mee te nemen.”

(For English, click here).

In de video hieronder vertelt Wouter Serdijn over zijn Medical Delta hoogleraarschap:

[youtube]https://youtu.be/6SnjVyWWOxo[/youtube]

“Ik werkte altijd al veel samen, maar met mijn benoeming in Rotterdam is dat meer geformaliseerd”, vertelt Serdijn. “Ik heb nu ook het ‘recht’ om daar rond te lopen en zit in de informatiestroom. Deze structuur past goed bij hoe ik gewend ben om te werken. Niet uitgaan van bestaande hokjes, maar samenwerken op een overkoepelend niveau. Medical Delta is een bundeling van geweldige mensen, zowel technisch, medisch als klinisch-wetenschappelijk. De ingenieur, medisch wetenschapper en behandelaar vormen een driehoek. Samen kunnen ze maken wat het beste is voor een patiënt.”

Hoe is je interesse in het medische werkveld ontstaan?

“Voor mijn afstudeerproject werkte ik aan gehoorapparaten samen met een techbedrijf. Ik maakte mee dat iets technisch perfect aan de specificaties voldeed, maar totaal niet om aan te horen was en botste zo tegen de grenzen van het technisch domein. Technische disciplines gaan vaak uit van objectieve maten, terwijl geen enkel mens dezelfde is en een individueel mens is morgen ook weer anders. Het is daarom belangrijk om ook de subjectieve kant in het ontwerp mee te nemen.”

Hoe draag je met jouw kennis van bio-elektronica bij aan medische wetenschap?

“Ik weet niet precies hoe het lichaam in elkaar zit, maar ik kan wel helpen dit te meten, te onderzoeken en te sturen. Ik kan zenuwbanen lezen en schrijven. Een voorbeeld waar we aan werken is mensen met een verlamming helpen bij het terugkrijgen van hun houding bij zitten of staan en een rudimentaire vorm van lopen. Dat kan nu vooral met een rolstoel of andere hulpmiddelen. Maar ik wil weten hoe we de eigen spieren, die nog wel intact zijn maar niet meer worden aangestuurd, weer kunnen aanzetten. Hoe kunnen we de verbinding tussen hersenen en spieren herstellen? We gaan hiervoor binnenkort starten met klinische tests.

Ook wil ik bijdragen aan implanteerbare technologie die iemand zoveel mogelijk onzichtbaar kan meedragen. Bijvoorbeeld het zogeheten cochleair implantaat. Dit apparaatje stelt een doof iemand in staat om te kunnen horen en daardoor ook om spraak te ontwikkelen. Maar deze implantaten hebben nu nog een uitwendig deel. Dit moet je bijvoorbeeld afdoen als je gaat zwemmen of douchen en dan hoor je dus ook niets meer. Ik wil dat verbeteren. Ook kun je met dit implantaat wel gesprekken horen, maar niet naar muziek luisteren. Dat kan zelfs een heel onaangename ervaring zijn. Dat vind ik zo zonde; het is echt een gemis als je niet van muziek kunt genieten. Ook dat wil ik aanpakken.”

Hoe zie je Medical Delta in de toekomst?

“Over tien jaar is Medical Delta een wetenschappelijke hoogvlakte. Met connecties en aanzien in Nederland, Europa en misschien wel de rest van de wereld. Het is het zenuwcentrum van een heleboel activiteiten. Ook de onderwijscomponent speelt daarbij een belangrijke rol, bijvoorbeeld met de opleiding klinische technologie. Daar komen al heel goede dingen en mensen uit voort en ik heb daar hoge verwachtingen van. Want wetenschap is één ding, maar het opleiden van nieuw talent in de gecombineerde disciplines, daar zit de vermenigvuldigingsfactor. Per jaar komen er nu bijna honderd afgestudeerden bij. Die gaan straks een grotere impact hebben dan de Medical Delta hoogleraren van nu. Zij zijn de toekomst.”

Wat is jouw tip voor succesvolle samenwerking?

“Blijf verbonden met waar je vandaan komt. Daar ligt je waarde en je kracht. Je moet een brug slaan, maar blijf trouw aan waar je goed in bent. Ook moet er bij samenwerking een oprechte wederzijdse interesse zijn en je moet er beiden wat aan hebben. Als je naar iemand toegaat en zegt ‘ik heb die techniek van je nodig’ of ‘deze techniek moet een patiënt in’, dat werkt niet. Het kost tijd om te begrijpen wat er aan de andere kant gebeurt en wat de problemen zijn. Je moet ook een gezamenlijke taal vinden. Bij mij is bijvoorbeeld alles recht. De componenten, mijn schema’s. In de biologie is alles krom, bijvoorbeeld cellen, weefsels en organen. Je moet een manier vinden om daarmee om te gaan. In de gedeelde fascinatie voor het probleem vinden we elkaar.”

Door welke andere onderzoeker ben je verrast?

“Door meerdere onderzoekers, maar Chris de Zeeuw van het Erasmus MC verrast mij steeds weer. Het is een belangrijke reden dat ik voor zijn afdeling heb gekozen voor mijn tweede aanstelling als hoogleraar. Hij is een inspirerend leider. Heel goed in zijn wetenschappelijke kennis en hij weet hoe je een groep kan creëren en kansen biedt. Hij ziet het belang van andere disciplines voor zijn eigen discipline en was misschien wel generatie nul van Medical Delta.”

Dit artikel maakt deel uit van een serie waarin we de negen nieuwe Medical Delta hoogleraren uitlichten. Klik hier voor de andere portretten die tot nu toe zijn gepubliceerd. Het onderzoek van Wouter Serdijn draagt onder andere bij aan de wetenschappelijke programma’s Medical NeuroDelta: Ambulant Neuromonitoring for Prevention and Treatment of Brain Disease en Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab.

Are you in the final year of your BSc EE studies and interested in electronic medical devices? Then you may wish to consider continuing your studies in the MSc EE profile Biomedical Devices at Technische Universiteit Delft. Biomedical devices are devices for medical diagnosis, monitoring, and treatment. They can be fixed, portable, wearable, implantable, and injectable. They are active and thus embed #electronics, computing, and software. Examples are: Magnetic Resonance Imaging (#MRI), Computed Tomography (CT), Positron Emission Tomography (#PET), #Ultrasound (US) imaging; Monitors for pulse oximetry, blood pressure, glucose, electrocardiography (#ECG), electro-encephalography (#EEG), electro-myography (EMG), electro-corticography (#ECoG), temperature, galvanic skin response, bio-impedance; Smart watches, smart patches, smart textiles, smart catheters, smart implants; Cardiac assist devices, cardiac pacemakers, implantable cardiac defibrillators (ICD); Devices for transcranial magnetic stimulation (TMS), transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS), focussed ultrasound stimulation (FUS); Neurostimulators, brain-machine interfaces, organs-on-chip devices, #bioelectronicmedicine, #electroceuticals. The Biomedical Devices profile has three focus areas = sub-profiles: 1. Biosensors, BioMEMS and Microsystem Integration (BioSemi), part of the EE track Microelectronics; 2. Biomedical Circuits and Systems (BioCAS), part of the EE track Microelectronics; 3. Biomedical Signal Processing (BioSP), part of the EE track Signals and SystemsFor registration, see: https://www.tudelft.nl/onderwijs/opleidingen/masters/ee/msc-electrical-engineering/biomedical-devices-bd-profile We look forward to welcoming you to Delft!