Category Archives: education

Objectief en gericht behandelen van patiënten met elektroceutica

EO

17 mei 2018 om 14:32 uur

Objectief en gericht behandelen van patiënten met elektroceutica

Medici grijpen vaak naar farmaceutische middelen om een kwaal bij een patiënt te verhelpen. De elektronische tegenhanger werkt in sommige gevallen echter beter. Langzaam wint deze techniek terrein zoals bij behandelingen voor het syndroom van Tourette, epilepsie en oorsuizen. Elektroceutica, een medische toepassing van bio-elektronica. Klein, flexibel en intelligent.

Iedereen heeft wel eens een afbeelding van de hersenen bekeken. Wat daarbij opvalt is dat de structuur van de hersenen – voor de leek – vrijwel homogeen is. Je kunt geen duidelijk onderscheid maken tussen de  verschillende kwabben. Wel weten we dat die hersenkwabben elk verantwoordelijk zijn voor andere hersenfuncties. De frontale kwab helpt bij de verwerking van taal en spraak. De pariëtale kwab is betrokken bij cognitieve functies zoals rekenen en lezen en de kleinste kwab, de achterhoofdskwab, is betrokken bij zien.

Medicijnen kunnen het onderscheid tussen de kwabben ook niet altijd maken. Ze bieden daardoor een globaal effect. Alle kwabben worden tegelijkertijd en in dezelfde mate beïnvloed. Een groot nadeel als een aandoening zich op een specifieke plek en onverwacht moment manifesteert. Bio-elektronica biedt een uitkomst. Zeker nu wetenschappers steeds kleinere, flexibelere en intelligentere oplossingen bieden om elektroceutica tot een succes te maken.

Elektrochemische machine

In een volle zaal op de Hogeschool van Amsterdam bij de faculteit van Techniek vertelt professor Wouter Serdijn tijdens een lezing over medische toepassingen van de bio-elektronica. Studenten en docenten luisteren aandachtig naar de mogelijkheden die elektronica biedt voor behandelingen van het syndroom van Tourette, epilepsie en oorsuizen.

Simpel gezegd kun je de hersenen beschouwen als een elektrochemische machine. Dat betekent dat je een chemische interactie kunt aangaan, zoals met medicijnen. Maar je kunt ook contact maken met de hersenen door de elektrische interactie aan te gaan op de plek waar de aandoening zich manifesteert.

probe

Ziekte van Parkinson

“We moeten nog veel leren over de hersenen en over de interactie van elektriciteit met de hersenen of ander zenuwweefsel. Maar veel hersenaandoeningen zijn zeker succesvol te behandelen met elektriciteit”, zegt professor Serdijn. “Een bijkomend voordeel is dat de toepassing instantaan werkt. Dat houdt in dat je het effect ziet zodra je de elektriciteit aanbiedt. De behandeling lijkt echter niet te zijn plaatsgevonden zodra er geen elektrische interactie is”. Als voorbeeld toont hij een filmfragment over een man die lijdt aan Parkinson, een ziekte die de aansturing van de spieren aantast. Zijn handen trillen zo hevig dat hij niet in staat is om een telefoonnummer in te toetsen of om zichzelf te scheren.

“Er zijn meerdere elektroden-arrays in zijn hoofd aangebracht met metaaloppervlakken die een overschot of een tekort aan elektronen aanbieden die de ionen in het hersenweefsel aantrekken of afstoten. Daardoor bouwt een lading op waarmee je hersencellen kunt verleiden om gewenste activiteit te vertonen of om een ongewenste activiteit te onderdrukken”.

Elektrotechnisch gezien een relatief eenvoudige toepassing. De elektroden kun je zien als stekkers in de hersenen via draden verbonden met elektronica van een implementeerbare pulsgenerator in de borst. Op regelmatige momenten zendt de generator zeer voorspelbare pulsen naar de hersenen. Het filmfragment toont een zeer duidelijk gunstig effect in de fijne motoriek van de man. Tot de generator weer wordt uitgeschakeld.

hoofd

b

Was het maar zo simpel. De hersenen laten zich echter niet zomaar sturen. Ze krijgen de kunstmatige beïnvloeding door. Ze maken zich hier ongevoelig voor door de synaptische weegfactoren aan te passen en nieuwe neurale paden aan te leggen. Als reactie kan de arts eigenlijk alleen maar de intensiteit opschroeven of anders doseren.

Miniaturisering

“We weten dat het werkt met relatief eenvoudige micro-elektronica. Daarbij bepaalt vooral de batterij de afmeting van het implantaat. Deze heeft twee functies; de elektronica voeden en het hersenweefsel via de elektronica voorzien van de juiste pakketjes elektrische lading. We streven naar een energiezuinig ontwerp van een klein en flexibel implantaat dat in zijn geheel in het hoofd bij de hersenen past. Dus zonder oncomfortabele, aan de huid vastklevende draden en titanium behuizing in de borst”.

mini

Overbodige componenten

Als je kijkt naar de huidige implantaten dan vraagt de elektronica voor de gewenste functies verschillende spanningsniveaus. Daar zijn discrete componenten voor nodig waar je eigenlijk geen ruimte voor hebt. De groep van Serdijn werkt er daarom hard aan om alles in een implantaat te laten werken op één enkel spanningsdomein.

Ook heeft de groep in simulaties en experimenten aangetoond dat de vaak toegepaste koppelcondensatoren niet nodig zijn om de apparaten veilig te maken. Sterker nog, ze hebben een ongunstig effect waardoor lading in het weefsel opbouwt. Gelukkig zijn er andere efficiëntere methoden om ze te vervangen.

Intelligenter

“We willen het implantaat niet alleen kleiner maar ook intelligenter maken. Om rekening te houden met het lerend effect van de hersenen en om de patiënt in zijn therapeutische behoefte te voorzien.

Een groot bijkomend voordeel van het laatste is dat het implantaat een objectieve en exacte analyse kan uitvoeren. Want hoe weet je dat iets werkt? Dat moet je meestal aan de patiënt vragen. Maar je kunt je voorstellen dat zijn antwoorden door emoties niet altijd objectief zijn”.

Veiligheid

Hacken van medische apparatuur is momenteel nog vrij gemakkelijk. Fabrikanten hebben er simpelweg te weinig aandacht aan besteed. Maar we moeten oppassen met het beperken van toegang voor bijvoorbeeld alleen jezelf, je cardioloog of je neuroloog. “Wat als je ergens bewusteloos op de grond ligt? Dan zou het fijn zijn dat een ambulancemedewerker er ook bij kan. Gelukkig zijn daar slimme oplossingen voor bedacht bij de afdeling Neurowetenschappen van het Erasmus Medisch Centrum waar we nauw mee samenwerken. Zoals de hulpverlener die hetzelfde hartritme  kan aantonen als het implantaat meet. Dan is er een match”.

Bio-elektrische medicijn

Zijn we er dan, als het lukt om toepassingen op deze wijze kleiner, flexibeler en slimmer te maken? “Nee”, zegt Serdijn. “Er doen zich nieuwe ontwikkelingen voor waar we zelf ook onderzoek naar doen. Het kan nog kleiner, het bio-elektrische medicijn”.

Kleine medische apparaatjes die zeer lokaal ‘praten’ met zenuwweefsel tussen organen en de hersenen. Het implantaat verbetert de aansturing van de organen door de hersenen als dat niet helemaal goed gaat, zoals bij reumatische artritis, astma en diabetes type 2. Het implantaat monitort en overschrijft de code van de hersenen als deze niet juist is.

Voor deze implantaten gelden nog strengere eisen dan de toepassingen hiervoor beschreven. Het moet levenslang meegaan, de behuizing mag geen schade toebrengen aan (de gezonde) zenuwbaan en het moet natuurlijk veilig zijn. Discrete componenten kun je bij deze afmeting nagenoeg niet toepassen. Dus ook geen batterij. Maar wat dan wel?

Een neurostimulator is nog te voeden door een inductieve koppeling. Bijvoorbeeld door een soort oplaad-spoel op je borst te plaatsen. Dat is geen optie voor zo’n klein implantaat diep in het lichaam. Er komt maar weinig energie ter plekke aan. “Op de TU Delft hebben we een chip ontworpen die gebruik maakt van het Seebeck effect om temperatuurverschillen om te zetten in bruikbare elektriciteit. Dit werkt echter niet diep in het lichaam en bij de hersenen waar de temperatuur nagenoeg constant is. Kinetische energie omzetten door elementjes die gaan resoneren bij een beweging? Dit levert in de orde van 10 microwatt op wat toereikend zou zijn voor een implantaat. Maar toch verre van praktisch om een patiënt regelmatig te vragen om op één vaste  frequentie te bewegen of erger, om de chip in je hoofd te voeden door te headbangen…”

Omzetten van glucose of gebruik maken van het metabolisme in ons lichaam dan? “Allebei in theorie een optie maar het meest kansrijk lijkt het inbrengen van een energieomzetter in het lichaam waarbij de energie ultrasoon wordt aangeboden aan het implantaat. Dat kunnen we vrij goed richten en het lijkt erop dat het lichaam deze golven minder absorbeert dan elektromagnetische golven. Dus een hoger rendement”.

De toekomst

Volgens Serdijn zullen we deze eeuw heel veel te weten komen over onze hersenen en de interactie die we ermee kunnen aangaan. “We zijn er nog niet. Maar waar farmaceutica ons tot op heden ver heeft geholpen, bieden elektroceutica en het bio-elektrische medicijn behandelingen voor de 21e eeuw”.

Dit artikel is gebaseerd op de presentatie ‘Beter worden met elektroceutica – Bioelectric Medicine to the rescue’ gegeven door prof. dr. ir. Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de Technische Unversiteit Delft.

How Master student Alberto contributes to impact

Master student Alberto Gancedo from Spain got the opportunity, via Delft University Fund, to start his Master’s programme Microelectronics at TU Delft in September 2017. Besides studying, he is also working on his own project ‘Amplitude-integrated EEG measurement system (aEEG)’. Alberto’s goal: to develop a small, portable and cheap monitoring device to detect babies unusual brain activity directly after birth.

When unusual brain activity can be detected at an early stage, than early action can take place to limit or even prevent the damage. Alberto started this project during an internship for his Bachelor study. He now wants to take the project to a higher level and get everything out of it: ‘My motivation? I just love working on a project where the social impact is so clearly present .’

Alberto felt himself at home in the Netherlands almost right away. ‘The best part of the Netherlands is the fact that it is quite easy to adapt to the country, nearly everyone speaks English which makes everything a lot easier. I also really enjoy the multicultural environment and the quality of education at TU Delft.’

During the last couple of months, Alberto mainly focussed on  combining his intensive Master’s programme with working on his aEEG project. By now, Alberto has found a good balance in dividing his hours between studying and working on his project. He has already made progress with his project:

‘As of today, there is a working analog board that is the responsible of the measurements, and a digital board prepared for testing and debugging. Once it can be ensured that the digital board is working as intended, I can start to develop the code for this board in order to prepare it for the live measurements.’

Alberto expects to be able to carry out the first test measurements in the summer of this year. By then, he really hopes to have proof that his system works. Through his supervisor prof.dr. Wouter A. Serdijn, he already has a network of doctors and hospitals in the Netherlands. Once the evidence is there, Alberto will focus on the implementation of his system in a hospital.

Alberto’s aEEG project is made possible by donations from EEMCS alumni, initiated by Delft University Fund. Because EEMCS alumni gave Alberto this opportunity, he can now work towards his goal:  ‘to make the aEEG system available for hospitals in developing countries who cannot afford the current large and expensive measurement systems’.

Copied from: https://www.tudelft.nl/en/2018/universiteitsfonds/how-master-student-alberto-contributes-to-impact/

Link

Voor een ingenieur is het prima te begrijpen wat er in de hersenen gebeurt

Auteur: Pieter Edelman

Bits & Chips, d. 14 oktober 2016

Omdat het lichaam gedeeltelijk elektrisch werkt, kunnen veel aandoeningen elektronisch worden behandeld. Dat is de gedachte achter de opkomende beweging van de ‘elektroceutica’, de elektronische tegenhanger van de farmaceutica. TU Delft-hoogleraar Wouter Serdijn vertelt over de ontwikkelingen en uitdagingen van het veld.

Farmaceutica is tot nu toe bijna het exclusieve domein geweest van de scheikunde, maar wellicht dat de elektronica de komende jaren net zo’n belangrijke rol gaat spelen. Het lichaam werkt immers gedeeltelijk elektrisch: denk aan de hersenen en het zenuwstelsel en het hart en andere spieren. Er zijn sterke aanwijzingen dat patiënten bij veel aandoeningen baat kunnen hebben bij een elektronische ingreep.

De aanpak wordt natuurlijk al toegepast. Cochleaire implantaten kunnen uitkomst bieden voor mensen met gehoorproblemen door direct signalen naar de gehoorzenuw te sturen. Hartritmestoornissen kunnen met een elektronische pacemaker worden gecorrigeerd. En bij Parkinson of chronische depressie kunnen elektrodes diep in het brein ontregelde elektrische activiteit aldaar tegengaan. Minister Schippers van Volksgezondheid heeft net aangekondigd om elektrostimulatie van het ruggenmerg bij chronische darmklachten te vergoeden.

Toch is dat in zekere zin nog pionierswerk. Volgende generaties van de aanpak kunnen de behandelingen waarschijnlijk nog aanzienlijk verbeteren. En niet alleen op neurologisch gebied; ook chronische aandoeningen zoals diabetes en astma zouden er baat bij kunnen hebben. Met als grote voordeel dat de behandeling, in tegenstelling tot bij medicijnen, kan worden toegespitst op het doelgebied, waardoor bijwerkingen mogelijk veel kleiner zijn.

Een duidelijk teken dat er iets te gebeuren staat, is dat de Britse farmareus GSK (Glaxosmithkline) eerder dit jaar de handen ineen heeft geslagen met Verily, zeg maar de medische tak van Google, om het nieuwe bedrijf Galvani Bioelectronics op te richten, dat exclusief onderzoek doet naar ‘elektroceutica’. Ze trekken samen 540 miljoen Britse pond uit voor het onderzoek de komende zeven jaar.

Een kolfje naar de hand van Wouter Serdijn, die de vakgroep Bio-elektronica aan de TU Delft leidt en zich de laatste jaren precies hierop profileert. ‘De term ‘elektroceutica’ bestond eigenlijk al langer, maar GSK is er een paar jaar geleden een betekenis aan gaan geven die exact de lading dekte van wat ik op dat moment deed. Dus toen ben ik daarmee verdergegaan.’

Niet dat hij medisch onderlegd is; zijn onderzoek richtte zich in eerste instantie op energiezuinige analoge ic’s en draadloze communicatie, pure elektrotechniek dus. De toepassingen ervan kwamen tijdens zijn carrière echter steeds meer te liggen bij implanteerbare devices, en dat effect heeft zichzelf versterkt: ‘Ik profileerde me altijd als low-power circuit-man, maar op een gegeven moment deed iedereen dat. Dus toen ging ik nadenken over wat mij nu onderscheidt van anderen, en dat waren de medische toepassingen, dus toen ben ik gaan spreken over biomedische elektronica. Op dat moment wisten de mensen uit de medische industrie me ineens te vinden. Heel gek, maar toen kwamen er ineens mensen die zeiden dat ze wat hebben aan ons onderzoek. Terwijl dat daarvoor ook zo zou zijn, maar dat werd nog niet gezien.’

De Bio-elektronica-groep komt nu regelmatig over de vloer bij academische ziekenhuizen – vooral die in Leiden en Rotterdam – maar ook bij de grote spelers op het gebied van implanteerbare devices. ‘We doen geen productontwikkeling voor hen, maar ze houden ons wel heel goed in de gaten als we weer een stap zetten in energiezuinig stimuleren en dergelijke. En dan willen ze ook wel van ons weten hoe het zit. Er zitten zeg maar stukjes Delft in patiëntenharten.’ Het mag dan ook geen verrassing heten dat Serdijn contacten heeft lopen bij GSK en al aan het kijken is of er gezamenlijke projecten mogelijk zijn met Galvani.

Dat laatste medische bolwerk

Spijt van die profilering heeft hij zeker niet; er blijken best raakvlakken te zijn tussen de elektronica en de biologie. ‘We geven hier al jaren het vak bioelectricity, dat gaat over de elektrische activiteit van cellen. Je kunt gewoon die interactie aangaan met neurostimulatoren en cochleaire implantaten en dergelijke. En voor een ingenieur is het eigenlijk prima te begrijpen wat er in de hersenen gebeurt – natuurlijk niet de psychologische processen maar wel de basale neurale processen. Het is ook fascinerend dat technologie kan inhaken op zeg maar dat laatste medische bolwerk, waar zo veel belangrijks van ons in zit maar waar we nog zo weinig van weten. Dat merk ik ook bij studenten.’

Juist het gebied van hersenstimulatie wordt echter nog weleens bestempeld als ‘middeleeuws’, een karakterisering die Serdijn onderschrijft: ‘Eigenlijk zijn het nog steeds een soort knipperlichten die in je hoofd gaan: ze geven met een strikte regelmaat een puls af. Maar je wilt daar slechts enkele cellen mee bereiken en die zijn heel erg klein, van een heel andere ordegrootte dan de afmetingen van de elektrodes. Als je dat misschien iets meer doseert, bijvoorbeeld door een burst te geven in plaats van een tonische puls, dan stimuleer je misschien net alleen de cellen die je wilt bereiken. Maar het is opvallend dat het bepalen van de juiste vorm van stimulatie vandaag de dag vooral gebaseerd is op trial-and-error.’

‘Het is ook wel grappig om te zien trouwens dat die neurostimulatoren momenteel al veel meer kunnen dan waarvoor ze zijn vrijgegeven. Fabrikanten brengen al ondergronds die geavanceerde stimulatiepatronen in, hoewel die nog niet gebruikt mogen worden omdat niet onomstotelijk is vastgesteld dat er geen ongewenste effecten optreden. Maar wanhopige patiënten willen best ver gaan als ze daarmee geholpen worden. Het is niet zo moeilijk om die functionaliteit in te bakken.’

Joh, ingenieur

Het minder goede nieuws voor Serdijns groep is dan ook dat er niet altijd evenveel technisch-wetenschappelijke eer te behalen valt aan de toepassingen. ‘Met de ‘vrijdagmiddagprojecten’ van ons kunnen we best al een grote impact hebben voor neurowetenschappers. We hebben bijvoorbeeld op een gegeven moment met een Beaglebone en eenvoudige analoge elektronica een systeem in elkaar gezet waarmee we closed-loop een muis vrij konden krijgen van epileptische aanvallen. Voor ons was dat gewoon een pcb’tje met een paar discrete componenten en een microcontroller; in feite stelde het niks voor. Maar het heeft wél een grote impact op het neurowetenschappelijke domein. En we hebben wel meer van dat soort dingen hier gehad.’

Het is dan ook niet altijd makkelijk om de juiste samenwerkingen op te zetten met de medici, merkt Serdijn. ‘Zwart-wit gezegd zijn er medisch wetenschappers of artsen die herkennen dat jij ook een specialisme vertegenwoordigt, en anderen die dat niet doen, die zeggen van: joh ingenieur, trek even die oplossing van de plank die ik nodig heb. Dan loopt de samenwerking heel snel dood. Maar als het wel lukt om van elkaar te begrijpen wat nou echt de uitdaging is en elkaars taal te spreken, dan heb je een dijk van een samenwerking. Dat is echt heel erg leuk.’

‘Je ziet nu ook wel dat er een behoefte aan het ontstaan is om die kloof tussen de medische en technische wereld te dichten. Ook vanuit de medische hoek. Dat heeft ook met het financieringsklimaat te maken. Ik heb het eerlijk gezegd weleens geprobeerd hoor, een project voor neurostimulatoren bij STW inzenden zonder daar een arts bij te betrekken. Maar ook al haal ik de relevante specificaties uit de literatuur, dan nog krijg ik de vraag of de arts het ermee eens is dat dit ook een verbetering is.’

En eerlijk is eerlijk, daarmee hebben ze wel een punt, moet Serdijn toegeven. ‘Bij die muis bijvoorbeeld hebben we gestimuleerd in de kleine hersenen, maar de meting was op de cortex, een andere plek. Zou ik niet hebben bedacht, want dat is niet mijn vakgebied. De elektronische oplossing is er nauwelijks door veranderd, maar er was dus nog wel een extra stap te maken. En soms zijn er andere dingen belangrijker dan alleen maar de technologische innovatie. Uiteindelijk moet het zijn weg vinden naar een kliniek en dan kunnen dat soort aspecten een rol spelen.’

Poor man’s silicon

Voor het elektroceutica-concept is er voor elektronici gelukkig nog meer dan genoeg te doen. Een van de belangrijke thema’s is terugkoppeling, zodat de neurostimulator zich kan aanpassen aan de reactie van het lichaam op de pulsen. Maar dit is nog problematisch, want hoe meet je de minuscule respons van een zenuwcel tegen de achtergrond van de veel grotere stimulatiepuls? ‘Die elektronica hebben we dus nog niet, maar er zijn verschillende manieren om dat aan te pakken’, vertelt Serdijn. ‘Je kunt het in het spatiële domein oplossen, dus gewoon verderop aan de zenuwbaan meten wat het effect is. Dat wordt bijvoorbeeld toegepast voor ruggenmergstimulatie. Je kunt het ook in het tijddomein proberen op te lossen. Je meet dan eerst het signaal na stimulatie en vlak daarna doe je dat nog een keer als die zenuw eigenlijk nog een beetje doof is, dus dan krijg je alles behalve de neurale respons. Wij proberen het te doen met een ad-omzetter die zich snel aanpast, die dus heel snel die stimulus volgt en daarbovenop dus die fijne resolutie probeert te pakken.’

Daarnaast richten de methodes zich nu nog vooral op het centrale zenuwstelsel, dat wil zeggen: de hersenen en het ruggenmerg. Maar voor veel van de nieuwe toepassingen, zoals die van Galvani, wordt het perifere zenuwstelsel beoogd, ofwel de vertakkende zenuwbundels die door het lichaam lopen. Daarmee moet het mogelijk zijn om de signalen naar specifieke organen te adresseren. Bovendien maken deze zenuwbundels – waarschijnlijk – allerlei onvoorziene interacties mogelijk. ‘Het AMC in Amsterdam heeft bijvoorbeeld aangetoond dat je door stimulatie van zo’n zenuwbundel reumatische artritis, die ontstekingsreacties die zich in de gewrichten voordoen, kunt onderdrukken. Dus door elektrische stimulatie kun je iets chemisch teweegbrengen verder op die zenuwbaan.’

De aanpak vraagt wel om geheel andere vormfactoren. ‘Tot nu toe zijn stimulatoren altijd gewoon blikjes, en die zijn stijf en groot en vooral gevuld met batterij. Dat moet dus anders, want je kunt ze niet eventjes rondom een zenuw aanbrengen die naar de maag toe loopt of zo. Elektronisch gezien is het exact dezelfde uitdaging, maar je moet elektronica maken die meebeweegt, want bijvoorbeeld zo’n maag staat te kneden en gaat op en neer.’

‘Wat momenteel best veel in de aandacht staat en waar wij ook mee werken, is PDMS, siliconenrubber. Ik verwacht dat je op den duur een soort hybride oplossing krijgt met flexibele actieve elektrodes in een soort poor man’s silicon die zich over grotere afstand kunnen verdelen en wat preprocessing doen. En je hebt natuurlijk een flexibele antenne voor energieoverdracht en de communicatie. Maar het hart van het implantaat zal gewoon een braaf high-performance cmos-ic zijn.’

Een andere stap is het inbouwen van leds in de neurostimulatoren. Dit heeft te maken met een techniek die de laatste jaren sterk in opkomst is: optogenetica, een techniek waarbij zenuwcellen via genetische modificatie lichtgevoelig worden gemaakt, zodat ze onder invloed van licht een puls vuren of juist onderdrukken. ‘Het grote voordeel is dat je die injectie heel lokaal kunt doen en dus alleen die cellen lichtgevoelig maakt die je wilt stimuleren. Dus het kan spatieel nog veel selectiever zijn dan elektrische stimulatie.’

‘Maar goed, het is dus wel genetische modificatie en dat is niet geaccepteerd om bij mensen te doen. Maar op het moment dat het een veel betere behandelingsoptie wordt, zou dat wel eens kunnen veranderen. De langetermijneffecten zijn nog niet bekend, maar ik denk dat mensen die nu al ondraaglijke pijn lijden niet lang hoeven na te denken of ze dat zouden willen.’

Getting a helping hand and giving back

Alberto Gancedo

Alberto Gancedo didn’t choose TU Delft so much as he was doing his internship at TU Delft start-up Healthtech. But the university did choose to support him, to allow him to execute his plan, studying microelectronics at Delft University of Technology and working on a super-interesting project at the same time.

Gancedo, originally from Spain, was searching for an internship outside of his home country to complete his bachelor’s degree. Someone he knew from the University of Cantabria, where he was attending, had contact with a start-up company in Delft, called Healthtech B.V. They were looking for an intern to help with the development of an aEEG measurement system. The position fit Gancedo’s skillset and he arrived in Delft in September 2016.

Internship

After the completion of his six month internship, he returned to Spain to defend his bachelor’s thesis. Healthtech, however, was interested in having him return to complete the project’s development. As with many start-ups, however, the company was unable to offer Gancedo a paid position. Instead, they said he could return as an intern, provided he was accepted into a master’s programme at TU Delft.

Fortunately, with Gancedo’s academic background, he was accepted into the electrical engineering master’s programme, in the microelectronics track. While this left him with a place to study and a place to work on his research, it didn’t leave him with enough funds to support himself financially. That was where the University Fund Foundation stepped in.

The University Fund Foundation was established in 1925 to promote the interests of the university. Among other projects, they provide students with grants to conduct research at TU Delft. In particular, they search for projects which are exceptional and to support students who are conducting unique research at the university. The Fund had sent out an email to all of the faculties regarding their grant program, which found its way to Gancedo’s section head (Wouter A. Serdijn). He thought Gancedo’s project fit the bill. After completing an application as well as a series of interviews, Gancedo  was informed he’d won the support which made studying at TU Delft possible for him.

The money goes to support his research on an aEEG measuring system. This product aims to allow doctors to test the electrical signals in the brains of newborns. Currently, only babies who have obvious symptoms of brain damage are monitored. The equipment used for these tests is unwieldy and expensive, which makes it unavailable in the hospitals of many developing countries. Gancedo’s device, if it works, would be portable and significantly less expensive which would allow for wider testing and earlier interventions.

Gancedo recognises that his device would mean a lot to doctors and hospitals with insufficient resources. “The funding has been a great opportunity,” he says.

Personal quote:
“Motivation is everything. In my case, being able to work on a project with such a potential impact while improving my skills is what really keeps everything going when I am stuck. My advice is to always try to find a way to keep yourself excited even when doing the smallest of tasks, it really makes a difference.”

Link to the original article on the TU Delft website

Upgraden van het menselijk lichaam

Copyright 2018 HDC Media B.V. / Leidsch Dagblad
All Rights Reserved

Leidsch Dagblad

9 februari 2018 vrijdag

Leiden en regio

BIBU; Blz. 004
1142 woorden

Upgraden van het menselijk lichaam

Geïmplanteerde chips zouden intelligentie, geheugen en zintuigen kunnen upgraden of eigenschappen toevoegen waarvan de mens nu alleen nog kan dromen. Zodra de volledige inhoud van het brein is om te zetten in programmacode en op andere hardware kan worden overgezet, is er ook geen reden meer waarom die geest niet kan worden gekopieerd of eeuwig kan blijven leven.

„Het uitgangspunt van transhumanisten kan ik zeker begrijpen”, zegt O’Connell. „Overlijden is iets afschuwelijks en ergens is het vreemd dat we accepteren dat we ons hele bestaan in de schaduw van ziekte en dood leven. Dan vind ik het fascinerend dat er mensen zijn die de mouwen opstropen en besluiten er iets aan te doen.” Maar dat levert ook vragen over het leven zelf op. „Ik denk dat het heel natuurlijk is om niet dood te willen en als je mij op mijn tachtigste vraagt of ik er nog vijf jaar bij wil, dan zeg ik waarschijnlijk ook nog ’ja’. Maar dat betekent niet dat ik voor altijd wil blijven leven.” Onwaarschijnlijk en ingrijpend als ze lijken, worden de ideeën wel degelijk serieus genomen door invloedrijke figuren in Silicon Valley, vertelt O’Connell. De bekende uitvinder en futurist Ray Kurzweil, director of engineering bij Google – naar verluidt Alcor-lid -, stelt in zijn boek ’Singularity is near’ dat het ’zeer waarschijnlijk is dat onsterfelijkheid in essentie mogelijk zal zijn’, terwijl PayPal-oprichter Peter Thiel een bekend financier is van diverse techbedrijfjes die ernaar streven het lichaam technologisch te verbeteren of onsterfelijkheid te bereiken.

Musks toverhoed

Tesla-oprichter Elon Musk heeft met Neuralink zelfs een apart bedrijf opgericht voor de ontwikkeling van brein-naar-machine-technologie. Neuralink werkt aan chips die in het brein bepaalde hersenaandoeningen moeten verhelpen, maar knutselt ook aan iets dat wordt omschreven als een ’toverhoed’. Dat apparaat moet uiteindelijk informatie uit de hersenen direct ’telepathisch’ doorgeven aan andere dragers van zo’n hoed, computers of het internet. Met zo’n verbinding zouden gedachten veel sneller kunnen worden doorgegeven dan via het moeizame en langzame proces van taal en stemgeluid, is Musks gedachte. ’Upgraden’ van het lichaam door technologie te implanteren is ook de gedachte waar de ’biohacking’-subcultuur om draait. Het wereldje wordt gevormd door individuen die op doe-het-zelfachtige wijze hun lichaam willen verbeteren door er chips of andere hardware aan toe te voegen, beschrijft O’Connell via ontmoetingen met hobbyisten. Sommigen plaatsen kleine chips onder de huid in hun hand van hetzelfde soort als waarmee de ov-chipkaart is uitgerust en gebruiken die als sleutel om het elektronische slot van hun huis of kamer mee te openen. Het menselijk lichaam kan beter, vindt ook Liviu Babitz, oprichter van de Britse start-up Cyborgnest. „We creëren nieuwe zintuigen voor mensen”, omschrijft hij de missie van Cyborgnest. Volgens de Delftse hoogleraar bio-elektronica Wouter Serdijn moet er echter nog veel gebeuren voordat mensen daadwerkelijk kunnen genieten van dergelijke ’verbeteringen’. „Het is technisch al mogelijk om implantaten direct op oor- en oogzenuwen aan te sluiten waarmee je ultrasoon geluid zou kunnen horen of waarmee je kleuren buiten het normale spectrum registreert.” De kwaliteit van het geluid haalt het volgens Serdijn echter lang niet bij die van het menselijk oor. „Subtiel verschil in toonhoogte komt niet door. De hersenen van kleine kinderen kunnen zich dermate ontwikkelen dat ze normaal kunnen spreken en luisteren met zo’n implantaat, maar als ik nu doof word en er eentje krijg, blijf ik ernstig gehandicapt.” Voor implantaten die rechtstreeks op de oogzenuw zijn aangesloten, geldt min of meer hetzelfde. „De resolutie is zo laag dat ze vooral contouren en kleurvlakken waarnemen. Je kunt die implantaten wel aanpassen zodat ze onzichtbare kleuren als infrarood en ultraviolet zichtbaar maken, maar een verbetering van je zicht is het zeker niet.”

Hersenen uitlezen

Onderzoekers die bezig zijn met uploaden van het brein gaan volgens Serdijn voorbij aan wat er mogelijk is. „De werking van de hersenen kun je nabootsen in een machine. Dat wil niet zeggen dat je de informatie die in de levende hersenen is opgeslagen, kunt uitlezen. Die ligt in de toestand van de (ongeveer honderd miljard, red.) neuronen in ons brein en de verbindingen die ze met elkaar zijn aangegaan. We kunnen goed waarnemen dat binnen een groep van honderden neuronen geroezemoes is. Maar uitlezen wat die neuronen allemaal individueel zeggen en tegen wie, is een heel ander verhaal. Het is de vraag of dat kan zonder het brein te beschadigen.” Dat het uiteindelijk toch gaat lukken, is de overtuiging van de in Silicon Valley werkzame Nederlandse wetenschapper Randal Koene. Hij werkt bij Kernel, een start-up in Los Angeles die zich bezighoudt met de ontwikkeling van breinimplantaten die mensen met geheugenproblemen moeten helpen. Koene is sinds zijn jeugd geïnteresseerd in het uploaden van de inhoud van het brein. Hij is de drijvende kracht achter de non-profitorganisatie carboncopies.org, een platform voor kennisuitwisseling over brein-uploading. De duur van een gemiddeld mensenleven is naar de smaak van Koene te kort. „Ik weet niet of eeuwig leven nu iets voor mij is, maar ik zou graag langer bestaan dan het typische mensenleven. Er zijn zoveel geweldige dingen te doen.” Het uploaden van het brein naar computers is voor hem nauw verbonden aan andere manieren waarop het lichaam met technologie valt te verbeteren. „Zo kun je nieuwe zintuigen of capaciteiten toevoegen. En als het lukt het brein over te zetten naar een machine, dan kun je ook heel veel verschillende lichamen uitproberen.” De gevolgen van een wereld waarin mensen hun hersenen upgraden of overzetten in een computer zijn niet te overzien, erkent hij. „Net als aan het begin van het internet. Toen was ook op geen enkele wijze te voorspellen waarvoor we het nu gebruiken.” Het zal uitdagingen opleveren en nieuwe kansen, maar welke dat zijn valt echt niet te voorspellen. Het is misschien ook nodig om mee te kunnen als kunstmatige intelligentie ons overvleugelt en de mens een soort huisdier van dat soort systemen wordt.”

Nieuw tijdperk

Koene denkt dat het nog vijf tot zeven jaar duurt voordat we de hersenen kunnen verbeteren door er chips in te implanteren. „Er komen opmerkelijke dingen aan, onder meer van het bedrijf waar ik werk. Nee, ik kan niet zeggen wat die zijn, dat is geheim.” Schrijver O’Connell denkt zelf niet dat het ooit gaat lukken de inhoud van het brein in een computer te proppen. „Ik ben echter geen wetenschapper. Mijn mening is dus tweedehands. Misschien maken we nu het begin van een heel nieuw tijdperk mee.”

Wouter van Bergen

EWI alumni, bedankt!

EWI alumni, bedankt! Alberto Gancedo is net begonnen met zijn master elektrotechniek. Hij heeft een buitengewoon leuke 'studentenbaan'. Met financiële hulp van EWI-alumni en het universiteitsfonds kan hij verder met de ontwikkeling van een draagbaar prototype dat ongewone hersenactiviteit van baby's detecteert, direct na de geboorte. Hij ontwierp dit apparaat tijdens zijn bachelor. Gancedo: "Het is een apparaat dat de hersenactiviteit van de baby op een eenvoudige manier kan meten en makkelijk storingen kan detecteren. Aangezien een baby kwetsbaar is en niet stil kan liggen, is een standaard kapje met elektroden en draden geen optie. Mijn vinding heeft slechts enkele elektroden, waardoor schade vrijwel uitgesloten wordt. Het apparaat moet klein, draagbaar en goedkoop zijn. Alhoewel ik er nog veel werk aan heb, hoop ik voor het einde van dit lesjaar live metingen te kunnen doen in een ziekenhuis." http://tudelft.nl/ewi/actueel/humansof- eemcs/alberto-gancedo

Electrical Implants — small devices with huge potential


Since the introduction of the pacemaker in 1958, much has changed in the world of electrical stimulation. Whereas the first electrical implants targeted muscles, the implants of today are flexible and focus mainly on the nerves in our body. The concept, however, remains unchanged: electrical implants give control back to the body. Vasiliki Giagka, Assistant Professor of Bioelectronics at TU Delft, talks about the past, present and future of her field of research.

Electrical implants of today look nothing like the first pacemaker of sixty years ago. They are much smaller now and have a much longer battery life, while being much more versatile. Small active implants now help us to relieve the symptoms of Parkinson’s disease, alleviate pain in different parts of the body and treat incontinence. According to Vasiliki Giagka, personalised electronics will soon be part of the treatment plan of patients with rheumatoid arthritis, asthma and diabetes, and patients with spinal cord injury will be able to walk again in the foreseeable future. A pipe dream? Giagka: ‘There is huge potential. I am sure there are a lot of people who will benefit from this research.’

 

The plasticity of the spinal cord

‘Neurons in our body connect to form networks. The spinal cord therefore functions as a conduit for communication between muscles and the brain. For a person who suffers from spinal cord injury, some of these connections are interrupted. About thirty years ago, scientists discovered that networks can re-organise, and new connections can be formed. This phenomenon is called plasticity. We can encourage this process through physical training. In 2012, researchers succeeded in getting a paraplegic patient to support his own weight and even to take a step through a combination of electrical stimulation, medicines and training. Since then, more results have been published on a regular basis. I do not know whether we are going to be able to treat all paraplegic patients – that depends on lots of factors – but I believe there is huge potential. I am sure there are a lot of people who will benefit from this research.’

 

Signals

Electronic implants can be used to control three modalities in the body: to induce signals that are interrupted, to record signals coming from elsewhere in the body to feed them back to another system and to block unwanted signals. ‘Consider how our bladder works,’ explains Giagka. ‘It fills up, so we have to empty it. There needs to be a signal that instructs our body to do this. This is a signal we can induce with electronics at a time we want to. But then we want to know precisely when we want to induce this signal. So we need to record information that reveals how full our bladder is. We can then use this information to extract a signal that tells us that our bladder is full and needs to be emptied. Some people suffer from urinary incontinence: their bladder empties without them having instructed it to do so. We can use electronics to block that signal and restore the mechanism. This way we close the loop.’

Weak points

Closing such a loop with electrical stimulation can heal patients with a variety of conditions, such as spinal cord injury. Giagka: ‘Here in Delft, we are doing research into electronics that stimulate the spinal cord to restore locomotion in paraplegic patients. They can then learn to walk again in a more coordinated way.’ Giagka was already working on this line of research when she completed her PhD in England. ‘I fabricated a flexible electrical implant to stimulate the spinal cord. I wanted to avoid using wires to and from the electronics, because they cause inflammation around the spinal cord. We are currently working on minimising the size and power consumption.’

Local treatment

Giagka’s current activities focus on the next generation of active implantable devices: Bioelectronic Medicines. ‘They are even smaller than the current options and target the peripheral nervous system: smaller nerves that transmit signals of sensation and motor function through the whole body. A doctor must be able to inject the tiny implant around a nerve through a needle and program the device to give the patient personalised local treatment. That has a big advantage: only the immediate vicinity is treated, which avoids the possible side effects that come with medicine.’

Challenges

Giagka believes that before we are at a stage when a doctor can inject and program such an implant, we still face a number of challenges. ‘The devices must be biocompatible with the body and the anatomy, so that they do not cause any damage. They also need to last for decades and be able to run and communicate wirelessly.’ It is not yet known what these active implants will look like. ‘We want to concentrate all the technology in a small housing with a three-dimensional cuff-like form, which can be placed around the nerve. It would be really great if we could make an implant the size of one cubic centimetre.’ Since pharmaceutical company GlaxoSmithKline organised a competition to develop a wireless active implant a few years ago, many companies are now investing in the market. ‘Active implants have since become a hot topic,’ says Giagka. ‘I cannot say whether it is feasible, but GlaxoSmithKline hopes to be able to market these implants by 2023.’

About Vasiliki

Dr Vasiliki (Vasso) Giagka (Athens, 1984) studied Electronic and Computer Engineering at the Aristotle University in Thessaloniki, the second largest city in Greece. After graduating in 2009, she moved to London to do her PhD at University College at the Analogue and Biomedical Electronics and the Implantable Devices Groups . She participated as a post-doctoral researcher in the GlaxoSmithKline Bioelectronics Innovation Challenge. Since 2015, Giagka has been working at TU Delft as an Assistant Professor at the Bioelectronics Group, where she carries out research into new materials and approaches to the problems that come with bioelectronic medicines. She also teaches Master’s students.

 

Text: Koen Scheerders | Photo: Mark Prins | Illustration: Katarina Radovic (Stocksy) | November 2017

Komt de Terminator tot leven?

De mens in 2050

Elon Musk lanceerde onlangs zijn bedrijf Neuralink. En wat Musk wil is een goede indicatie van de technologie van de toekomst. Hij wil direct contact maken met onze hersenen en daarmee mensen met elkaar verbinden. Informatie-uitwisseling zonder spraak of typen. Die technologie, waarbij elektronica in onze hersenen wordt geïmplementeerd, is nu in de maak. 

Is de mens een cyborg in, zeg, 2050? En is dat erg? Wouter Serdijn, Professor in Bio-Elektronica aan de TU Delft, vraagt het zich hardop af.

Wouter Serdijn

Wat er gaat gebeuren is eigenlijk evolutionair best logisch. Er gaat een verdere integratie van mens en technologie plaatsvinden. De mens is een grote elektrochemische machine. De langzame informatie-uitwisseling in ons lichaam vindt plaats door middel van hormonen; de snelle informatie-uitwisseling door middel van elektriciteit en neurotransmitters. Je kunt de interactie tussen die laatste twee beïnvloeden met elektronica.
Zo is het nu al standaard dat mensen die doof geboren worden een cochleair  implantaat krijgen. In 2050 krijgen mensen die blind zijn standaard een retinaal implantaat op hun netvlies. Dat zal er veel beter uit zien dan vandaag. Het is nu nog een soort van camera, je ziet duidelijk dat iemand gehandicapt is, maar tegen die tijd zit het volledig in de oogbol.
We zullen in 2050 nog beter begrijpen hoe onze hersenen werken. En daardoor dus beter de interactie aan kunnen gaan met onze hersenen om betere behandelingen te kunnen bieden. Eigenlijk worden medische defecten nu op een zeer brute manier onderdrukt. Ik hoop daarom op een volwaardiger alternatief voor chemische geneesmiddelen, die hebben echt een batterij aan bijwerkingen. We werken daarom bijvoorbeeld aan injecteerbare elektronische medicijnen. Die kant moet het opgaan.

Ik richt me vooral op het verbeteren van de kwaliteit van leven bij mensen die medisch wat minder fortuinlijk zijn. Het zal zeker ook aantrekkelijk worden om onszelf via technologie te verbeteren. Of vergroten. Ook wanneer er geen medische noodzaak voor is, zoals Elon Musk en anderen dat willen Waarschijnlijk worden we dan geïntegreerd met het Internet. Wat is dan nog de waarde van de individuele mens? Bestaat er dan nog privacy in het collectief? Dat moeten we goed in de gaten gaan houden.

We moeten waakzaam zijn voor filmscenario’s, maar vooral geen technofoben worden.  Ja, je kunt alle sensorische, motorische en empatische processen elektrisch beïnvloeden. Dat kan nu ook al, chemisch, en daar lijken mensen minder problemen mee te hebben. In de jaren 50 nog was men bang voor een televisie die kon terugkijken. Nu omarmen we onze interactieve tv. We gaan fast forward naar de toekomst. In 2050 hoop ik dat we allemaal op een veel prettigere manier leven en oud worden met geïntegreerde elektronica. Dan wil je echt niet meer terug naar 2017.

Tekst: Marieke Roggeveen
Foto: Marieke Roggeveen

Vacancy: Assistant/Associate Professor of Bioelectronics

Department/faculty: Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science
Level: PhD degree
Working hours: 38 hours per week
Contract: Tenure track with possibilities for advancement
Salary: €3400 to €6299 per month gross

 

Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science

The Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science (EEMCS) is known worldwide for its high academic quality and the social relevance of its research programmes. The faculty’s excellent facilities accentuate its international position in teaching and research. Within this interdisciplinary and international setting the faculty employs more than 1100 employees, including about 400 graduate students and about 2100 students. Together they work on a broad range of technical innovations in the fields of sustainable energy, telecommunications, microelectronics, embedded systems, computer and software engineering, interactive multimedia and applied mathematics. EEMCS: Your Connection to the Future.

The Department of Microelectronics has a strong interdisciplinary research and education programme in the areas of 1. health and well-being 2. next generation wireless and sensing technology and 3. safety and security.
With 11 IEEE Fellows among the staff, an excellent microfabrication infrastructure, electrical and physical characterisation facilities, and a strong international academic and industrial network, the department provides high-level expertise in each of these areas throughout the entire system chain.

The Bioelectronics section is a relatively new section that has been created to address coherently the challenges we face in developing wearable, injectable and implantable medical devices. This group conducts research, education and valorisation in the fields of ultra low-power analog and mixed-signal circuits and systems for active wearable, implantable and injectable biomedical microsystems.

Job description

The Bioelectronics group is offering a tenure-track position at the Assistant or Associate Professor level in the field of biomedical circuits and systems. You will further develop existing research topics, such as analog and mixed-mode circuits and systems for wearable and implantable medical devices and create new topics, which may include electroceuticals. You will be involved in teaching at the BSc and MSc levels in the TU Delft’s Electrical Engineering and Biomedical Engineering programmes. Collaborative initiatives are strongly encouraged. You are expected to write research proposals for national and international funding organisations. This is a tenure-track position for a period of five years with the possibility of a permanent faculty position at the end of the contract, subject to mutual agreement.

A Tenure Track, a process leading up to a permanent appointment with the prospect of becoming an Associate or Full Professor, offers young, talented academics a clear and attractive career path. During the Tenure Track, you will have the opportunity to develop into an internationally acknowledged and recognised academic. We offer a structured career and personal development programme designed to offer individual academics as much support as possible. For more information about the Tenure Track and the personal development programme, please visit www.tudelft.nl/tenuretrack.

Requirements

You must have a PhD degree in the field of biomedical circuits and systems (BioCAS) and some years of experience as a post-doc or university professor. You have an excellent academic track record, reflected by peer-reviewed journal publications, conference contributions, and international research experience. An affinity for working on the interface with other disciplines (biomedical engineering, neuroscience, electrophysiology, etc.) and with clinicians and medical researchers is preferred. You should have a demonstrated ability to initiate and direct research projects and to obtain external funding. Experience in teaching and mentoring of students is required. A teaching qualification is recommended. Demonstrated ability in written and spoken English is required.

Conditions of employment

A tenure-track position is offered for six years. Based on performance indicators agreed upon at the start of the appointment, a decision will be made by the fifth year whether to offer you a permanent faculty position.
The TU Delft offers a customisable compensation package, a discount for health insurance and sport memberships, and a monthly work costs contribution. Flexible work schedules can be arranged. An International Children’s Centre offers childcare and an international primary school. Dual Career Services offers support to accompanying partners. Salary and benefits are in accordance with the Collective Labour Agreement for Dutch Universities.
The TU Delft sets specific standards for the English competency of the teaching staff. The TU Delft offers training to improve English competency.
Inspiring, excellent education is our central aim. If you have less than five years of experience and do not yet have your teaching certificate, we allow you up to three years to obtain this.

Information and application

For more information about this position, please contact Prof. Wouter Serdijn, e-mail: W.A.Serdijn@tudelft.nl. To apply, please provide a detailed CV, publication list, and a written statement on your research and teaching interests and vision along with a letter of application and the names and contact details of at least three references. Please e-mail your application by 1 December 2016 to L. M. Ophey, Hr-eemcs@tudelft.nl.
When applying for this position, please refer to vacancy number EWI2016-38.

Enquiries from agencies are not appreciated.

Vonken in de meterkast

De schokkende strijd tegen depressie, Parkinson en andere hersenziekten

VoorkantOns brein is een meterkast, een netwerk van kabels dat het lichaam van stroom voorziet. Soms ontstaat er kortsluiting – kabels slijten, stoppen slaan door – met hersenziekten als gevolg. Op dat moment kan elektriciteit uitkomst bieden. Depressie, Parkinson en chronische pijn; met een stroomstoot kunnen steeds meer mensen van hun klachten worden afgeholpen.

In Vonken in de meterkast laat Bart Lutters ons kennismaken met de fascinerende wereld van de neurostimulatie; van de allereerste vonk tot de nieuwste wetenschappelijke ontwikkelingen. Wie is er ooit op het idee gekomen om een patiënt onder stroom te zetten? Welke ziektes kunnen er met stroom behandeld worden? En wat doet zo’n stroomstoot eigenlijk met onze hersenen? Vonken in de meterkast gaat over elektrische vissen en op-afstand bestuurbare stieren, robotarmen en gereanimeerde ledematen, maar vooral over hoe stroom ons al duizenden jaren beter maakt.

bart_luttersBart Lutters is zijn artsenopleiding aan het afronden (Selective Utrecht Medical Master) en wordt gefascineerd door alles wat met de hersenen te maken heeft. Hij heeft diverse prijzen gewonnen voor zijn onderzoek naar epilepsie en schrijft regelmatig over de geschiedenis van de geneeskunde in onder andere Brain, het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift op het gebied van de neurowetenschappen.

Vonken in de meterkast is vanaf 14 oktober verkrijgbaar in de betere boekhandel, ook online te bestellen via Bol.com.

Wouter Serdijn (hoogleraar bioelektronica aan de TU Delft) heeft middels interviews aan de inhoud van dit boek bijgedragen.