Category Archives: Electronics

Chips, vaccines and conspiracy theories

SCIENCE 11 juni 2021 – 09:15 door Tomas van Dijk @tomasvd

The researchers did not anticipate the fuss their publication would cause on social media. (Photo: Lindsay Mackenzie/WHO)

Conspiracy theories about chips injected with vaccines are incited by a photo of a microchip made by US scholars and Tiago Costa of TU Delft. “We didn’t see the fuss coming.”

No we are not involved in a conspiracy to chip the world‘s population while injecting vaccines. Really? No, we’re not. You would expect a query like this in a satirical magazine. Yet the Director of Strategic Communications and Media Relations at Columbia University had to answer question like this by Reuters. “This research has nothing to do with Covid-19 and vaccinations,” she told the news organisation. She was asked by Reuters to debunk the rumour that her university was in any way complicit in such a conspiracy.

What prompted all this? A photo of a microchip designed by Columbia University engineers that is doing the rounds among vaccine sceptics. Posts show a picture of the microchip inside the tip of a needle, with captions and comments suggesting a connection with the Covid-19 vaccine. Chipping people would be Bill Gates’ wet dream, many people believe. The comments include: “I heard if a person had the Moderna vaccine, a strong magnet would stick to the arm where the injection was given” and “I’m not taking no bullshit Covid-19 vaccine”.

Is it a hoax? No, not that either. The photo is from a 7 May publication in Science Advances entitled ‘Application of a sub–0.1 mm3 implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing’. One of the authors is Tiago Costa of the Microelectronics Department (Faculty EEMCS), who until recently worked at Columbia University and is now continuing his research on wireless, miniaturised implantable medical devices at TU Delft.

“We have created a microchip that can be inserted with a needle,” says Costa. “It is the world’s smallest single-chip system, with a volume of less than 0.1 mm3. It uses ultrasound to measure vital signs. Or at least that is the idea. Currently it only measures temperature. But we are working on more diagnostic and therapeutic medical procedures.” The device has been successfully tested on mice.

To date, conventional implanted electronics have been highly volume-inefficient – they generally require multiple chips, packaging, wires, and external transducers, and batteries are often needed for energy storage. A constant trend in electronics has been the tighter integration of electronic components, often moving more and more functions onto the integrated circuit itself.

As big as a grain of salt
The researchers pushed the limits on how small a functioning chip could be made. Measuring just 0.1 mm3, the chip can barely be seen with the naked eye. It is as big as a grain of salt.

The research started several years ago, long before conspiracy theories about chips and vaccines were around. “That the publication came out now, during the height of the vaccination campaigns, is an unfortunate coincidence,” says Costa. He says that neither he nor his colleagues saw the fuss coming. “We were so enthusiastic about our findings, we didn‘t give a moment’s thought to how the study would be seen. I guess you can call us naïve,” he says laughing.

But what more grounds are there to debunk the conspiracy theory, aside from the simple fact that it is not clear what motive the researchers would have to make everyone walk on the leash of Bill Gates? For starters, most of the needles used for Covid-19 vaccinations are the relatively thin so-called 25 Gauge needles and the chips don’t fit through these needles. To be injected they need syringes that are a notch bigger.

‘Bioelectronic medicine is booming’

Addressing concerns about the chip being used wirelessly in the future with 5G, Ken Shepard,  Professor of Electrical and Biomedical Engineering at Columbia and a researcher on the project, told Reuters that the device does not use electromagnetics. ‘It uses ultrasound, meaning that you have to be interacting with an ultrasound imaging device for the chip to be powered or communicate.’

Delta

Tomas van Dijk @tomasvd

Redacteur

For questions/comments, email me at: tomas.vandijk@tudelft.nl

Read more about: #MEDICINE #CORONAVIRUS #MEDICAL-ENGINEERING

The rising stars of the TU Delft, featuring …

Dante Muratore

After his PhD in what he calls “hardcore analogue microelectronics”, rising star Dante Muratore knew he wanted to continue his career working on systems that are closer to an actual application. A postdoc position at Stanford University, in which he worked on the electronics for an artificial retina to treat medical conditions leading to the loss of vision, brought him just that. Then, wanting to come back to Europe and to continue doing bioelectronics at the highest level possible, an opening at TU Delft crossed his path. ‘It was the easiest choice I ever made,’ he says.

Brain-machine interfaces

As assistant professor within the Bioelectronics group, the central theme of Muratore’s research is to build brain-machine interfaces. In the first few years of his tenure, he will continue development of the artificial retina and also work on applications related to the motor cortex – ultimately allowing treatment of, for example, paralysis and locked-in syndrome. ‘Our aim is to interface with individual cells of the nervous system, also taking into account each neuron’s cell type,’ he says. ‘For the retina, it is mostly about stimulating these neurons so they will send the correct signal to the brain. For the motor cortex, we record the information coming from the brain, which indicates the intention of movement. We then want to use that information to control an external device, such as a mouse cursor or a robotic arm. We are also considering implementing feedback to the motor cortex as this may provide the user with a sense of body position.’

We aim for our brain-machine interfaces to interact with individual cells of the nervous system, also taking into account each neuron’s cell type.

― Dante Muratore

A staggering amount of data

As they will be implanted, these brain-machine interfaces need to be small – the artificial retina device has the size of a pea. Yet, they need to manage massive amounts of data, comparable to streaming a hundred HD Netflix movies at once. Muratore closely collaborates with neuroscientists. ‘Basically, I need them to tell me how bad a job I can do at managing these data for the device to still operate as intended, so I can reduce overall power consumption.’ He also interacts with the people specialised in signal processing to determine, for example, if data compression should be integrated close to the (neural) sensor or if it is better to take it off-chip. ‘The biggest challenge, however, is not a scientific one,’ he says. ‘Each sub-problem requires a completely different academic specialty to design a solution – typically an incredibly complicated one. At the end of the day, you need to put these together to work as a single machine. This is a very challenging engineering problem.’

An implantable brain-machine interface has to be very small, yet able to handle massive amounts of data.

― Dante Muratore

Happy in the Medical Delta

Muratore is very happy with the Medical Delta and the ongoing convergence with Erasmus University and Medical Centre. ‘A brain-machine interface really is not a one-man job,’ he says. ‘You want these medical and technical disciplines to mingle, to have lunch together over which to share the problems we run into. We need to truly understand each other and speak the same language.’ Having arrived pretty much with the country in lockdown, he hasn’t yet been able to build strong multi-disciplinary collaborations. But next month, he is expecting to hear about the Marie Curie grant proposal he submitted. ‘My group leader, Wouter Serdijn, has also involved me in the writing of a couple of large NWO grants. Bringing young people on board is one of the things that is great about TU Delft.’

Elektronica: het medicijn van de toekomst

Hoe bioelektronica de kwaliteit van leven kan vergroten en wat ons nog tegenhoudt in de brede toepassing ervan.

Geschreven door Jill van Remundt,
masterstudent Wetenschapscommunicatie en Industrieel Ontwerpen aan de TU Delft.

Ik was ongeveer 4 maanden oud toen ik met mijn ouders naar Griekenland vloog. Het was de bedoeling om uit te rusten tijdens een ontspannen vakantie aan zee. Uiteindelijk werd het een hel voor mijn vader en is zijn leven daarna nooit meer hetzelfde geworden.

Tijdens die vakantie in Griekenland kreeg hij de eerste symptomen van wat later zou worden gediagnostiseerd als de Ziekte van Ménière. Hij was misselijk, erg duizelig en het enige dat hielp was in bed liggen en slapen. Mijn moeder bleef bij hem in het appartementje terwijl ze in haar eentje op mij, als kleine baby, moest passen.

Nu ruim 24 jaar later zijn de gevolgen van de ziekte nog altijd aanwezig. Mijn vader hoort een constante ruis in zijn oor die nooit meer weg zal gaan. Ook is hij aan zijn linkeroor bijna geheel doof. Hij heeft ermee leren leven, het is een onderdeel van hem geworden, maar heeft er nog dagelijks last van. Een van zijn grootste passies, muziek, heeft een andere betekenis gekregen in zijn leven.

De gevolgen van tinnitus

Mijn vader is niet de enige met deze ervaring. Er wordt geschat dat in Nederland tussen de 10.000 tot 15.000 mensen lijden aan de Ziekte van Ménière [1]. Tinnitus (oorsuizen) kan het gevolg zijn van de Ziekte van Ménière, maar heeft ook andere oorzaken. Mensen die aan tinnitus lijden horen vaak bijna onafgebroken geluid. Dit geluid kan bijvoorbeeld geruis, gepiep, gerinkel of gebonk zijn. 10 tot 15 procent van de bevolking heeft (wel eens) last van tinnitus [2]. In 2017 ging het dus om 1.7 tot bijna 2.6 miljoen Nederlanders. Voor 1 tot 2% van de bevolking vormt het horen van constant geluid aanzienlijke hinder en wordt het gezien als groot probleem [3].

Wouter Serdijn, professor bioelektronica en hoofd van de sectie Bioelektronica aan de TU Delft, vertelt me het verhaal van Gaby Olthuis. Op het eerste gezicht leek ze een gezonde en gelukkige vrouw. Ze leed echter aan tinnitus en hoorde een constante pieptoon in haar hoofd. Daarnaast was ze overgevoelig voor buitengeluid. ‘Ik zit klem in geluid,’ zei ze hier zelf over in een rapportage van Omroep West [4]. Voor Gaby was geluid en de tinnitus zo’n kwelling, dan ze met behulp van euthanasie in 2014 een eind aan haar leven heeft gemaakt.

Bioelektronica als medicijn

Serdijn vertelt me het verhaal van Gaby omdat dit soort voorbeelden voor hem de motivatie vormen voor zijn werk. Binnen de bioelektronica groep op de TU Delft houden professoren, onderzoekers en studenten zich bezig met de (biomedische) toepassing van elektronische implantaten en elektronische medicijnen. Het oudste voorbeeld van een elektronisch implantaat is de pacemaker.

Chemische medicatie (denk aan bijvoorbeeld tabletten of capsules) kan worden gezien als een ‘lichaamsvreemde’ stof die via de bloedbaan wordt verspreid en een interactie aangaat met de biologische systemen in het lichaam. Elektronische medicatie daarentegen, probeert een ziekte of aandoening te onderdrukken door het elektronisch stimuleren van spieren of het zenuwstelsel. Een voordeel van deze methode is dat de behandeling veel gerichter kan worden ingezet op het aangetaste gebied in het lichaam. Waarbij chemische medicatie zich in de bloedbaan door het hele lichaam kan verplaatsen, en een interactie kan aangaan met allerlei organen, focust elektronische medicatie zich op een specifieke spier of zenuw(groep).

Bioelektronica kan een hulpmiddel zijn voor de behandeling van diverse aandoeningen en ziektes. Het is bijvoorbeeld mogelijk om het ongecontroleerd trillen van Parkinsonpatiënten te onderdrukken waardoor deze mensen weer zelf dingen kunnen oppakken. In bepaalde mate is het mogelijk om het geruis veroorzaakt door tinnitus te onderdrukken of weren. Maar ook is bioelektronica tot dingen in staat die verder reiken dan de mogelijkheden van chemische medicatie. Zo is het op dit moment al mogelijk om blinden hun zicht terug te geven en om doven weer geluiden te laten horen [5]. Het is de ambitie van Serdijn om de kwaliteit van leven voor mensen met een aandoening of ziekte te verbeteren. Mensen die hinder ervaren of soms zelfs ondragelijk lijden, zoals in het geval van Gaby, die geen enkele kwaliteit van leven meer ervaarde.

Bioelektronica nog beperkt toegepast

Technologisch gezien is er al een hoop mogelijk, vertelt Serdijn mij, maar een hoop toepassingen zijn nog niet uitgebreid genoeg getest om te kunnen worden geïmplementeerd in behandelingen. Ook spelen de richtlijnen en test-eisen in de medische wereld een rol bij de huidige beperktheid van behandelingsopties. Maar dat is niet alles zegt hij, ‘de behandelaars zelf weten vaak ook nog niet goed wat er al mogelijk is.’

En dan is er nog een vierde reden waardoor bioelektronica en elektrische medicijnen nog niet op brede schaal worden toegepast. ‘Veel mensen zijn bang dat ze gehackt of bestuurd kunnen worden,’ vertelt Serdijn. Recent had hij een journalist aan de telefoon die vroeg; ‘kan Google nou in ons hoofd?’ ‘Die vragen, die leven er,’ zegt hij. Ook nu tijdens de Covid-19 pandemie: mensen zijn bang dat ze in de gaten zullen worden gehouden door een chip in het vaccin. ‘Technologisch kan dat niet eens,’ vertelt Serdijn [*]. ‘Maar je kunt die mensen dat niet uitleggen. Zij zeggen dan, ‘jij bent wetenschapper, dat is ook maar een mening.’’

Het medicijn van de toekomst

De brede toepassing van de bioelektronica en elektronische medicijnen wordt dus niet vertraagd door de snelheid van de innovatieve ontwikkelingen. Het wordt vertraagd omdat nog te weinig bekend is over de langetermijngevolgen, door het lange medische traject van testen, omdat behandelaars vaak niet op de hoogte zijn van de mogelijkheden en omdat mensen sceptisch of zelfs angstig zijn als het gaat om elektronica in hun lichaam. Al die redenen zijn in meerdere of mindere mate begrijpelijk, maar dagelijks zouden de biomedische toepassingen van bioelektronica heel veel mensen een verhoogde kwaliteit van leven kunnen brengen. Was er eerder al meer mogelijk geweest, dan was Gaby Olthuis er nu misschien nog.

Verhalen als die van Gaby zullen Wouter Serdijn blijven drijven om door te gaan met zijn werk en onderzoek. Hij doet zijn best om de neurowetenschappers betere technologie te kunnen geven om de hersenen te onderzoeken en de behandelaars wil hij mogelijkheden toereiken om beter te kunnen behandelen. Zo wordt er op het gebied van bioelektronica in de toekomst hopelijk meer mogelijk en is er misschien nog een kans dat mijn vader in de toekomst opnieuw kan genieten van muziek zoals hij dat vroeger deed.

Nieuwe sensor-chips: goedkoop, slim en efficient

Met een chip hartcellen analyseren en een slimme pleister die alarm slaat als jouw hartslag te hoog is. Het zijn twee voorbeelden van onderzoek waar Frans Widdershoven aan werkt. Deze kersverse hoogleraar ontwikkelt nieuwe, slimme sensoren.

In een kas groeien mooie komkommers. Een teler kweekt ze onder de beste omstandigheden en gaat precies na hoeveel water ze moeten hebben en of de temperatuur goed is. Zodat jij straks lekkere, sappige en groene komkommers op je bord hebt liggen. Toch heeft zo’n teler voortdurend kopzorgen. Wat nu als een ziekte de groente om zeep helpt?

Om dat te voorkomen werken wetenschappers onder meer aan een elektronische neus. Een plant geeft een geur af, dus ook een komkommer. En zo’n elektronische neus merkt daar meteen aan of er iets mis is. Ook in een stal met kippen of koeien kan je dit toepassen. Zodra er een ziekte uitbreekt heeft deze neus het door en slaat alarm.

Met slimme sensoren maak je het leven van veel mensen beter.

Het zijn een paar voorbeelden van wat mogelijk is met slimme technologie, mede dankzij onderzoek van de TU Delft. Het is daarvoor van belang dat er goedkope chips worden gemaakt, die weinig energie vreten en slim zijn. Daaraan werkt Frans Widdershoven. Hij werkt binnen de muren van de TU Delft als hoogleraar Low Power Embedded Smart Sensors bij de afdeling Bio-elektronica van de faculteit EWI (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). Daarnaast is hij als Fellow verbonden aan chipfabrikant NXP.

Coronasensor

Een chip met ingebouwde sensor, die zo gevoelig is dat hij een enkel deeltje van het coronavirus opmerkt. Daaraan werken meerdere onderzoekers van verschillende faculteiten van de TU Delft, waaronder Frans Widdershoven, Peter Steeneken en Murali Ghatkesar. Ook Serge Lemay van de Universiteit Twente is erbij betrokken. ‘We willen de elektrodes zo maken, dat ze de coronadeeltjes aan zich binden. En als het ware eraan blijven plakken en je zo kan tellen hoeveel er zijn,’ zegt Steeneken. Hij is hoogleraar Dynamics of Micro and Nanosystems bij de faculteit 3mE. Ook hierbij wordt weer gebruik gemaakt van CMOS. ‘De slimmigheid zit daar al ingebouwd. We hopen op deze manier een sneltest te maken,’ zegt Steeneken. ‘Je kan ze zelfs in mondkapjes inbouwen, waardoor je weet of je Covid-19 hebt of ergens bent geweest waar het in de lucht zat.’ Het doel is om een test voor een paar euro te maken. Maar dat is nu nog toekomstmuziek, want het onderzoek staat nog in de kinderschoenen.

Slimme pleisters

Wie met de hoogleraar praat, hoort hem al snel vertellen over allerlei interessante mogelijkheden. Neem slimme pleisters. Die plak je op je huid en dan gaan ze van alles meten. Zoals de temperatuur, hartslag, ademhaling en zuurstofverzadiging. Dat is cruciale informatie voor artsen om na te gaan hoe het met hun patiënt gaat. ‘Bewegingen in je lichaam kan je meten met elektrische sensoren,’ zegt Widdershoven.

Zo’n pleister doet nog meer. Deze interpreteert ook zelf de verzamelde gegevens. Zo checkt het of alles goed met je gaat. ‘Er moet dus intelligentie ingebouwd worden en daarom is het verstandig om een chip te gebruiken. Die analyseert de data, slaat alarm als er iets mis dreigt te gaan en stuurt deze gegevens draadloos door. Uiteraard wordt ook beveiliging ingebouwd, want je wil dat deze persoonlijke info wordt beschermd. Bovendien moet het allemaal weinig energie kosten. Op de korte termijn kunnen we zo’n pleister maken.’

Iedereen gebruikt het, maar bijna niemand is zich er bewust van.

Dit voorbeeld geeft een inkijkje in wat er in de nabije toekomst al kan. Met slimme sensoren maak je op deze manier het leven van veel mensen beter. Intelligentie is daarbij een van de sleutelwoorden. En die is mogelijk door gebruik te maken van de zogeheten CMOS-technologie. Het is een woord dat misschien niet veel mensen kennen, maar we komen deze technologie voortdurend tegen zonder het te beseffen. ‘Iedereen gebruikt het, maar bijna niemand is zich er bewust van,’ zegt Widdershoven. CMOS-technologie zit namelijk in vrijwel alle elektronische apparaten die we voortdurend gebruiken, zoals smartphones, laptops, televisies en camera’s.

Superkracht

‘Dankzij de ontwikkeling van de CMOS-technologie de afgelopen vijftig jaar stoppen we nu een miljard transistoren op een vierkante centimeter silicium. Die verwerken allerlei rekenopdrachten en zorgen er zo voor dat jouw smartphone en slimme speaker werkt. Ze zijn bovendien enorm energie-efficiënt,’ aldus Widdershoven.

CMOS is een superkracht achter alles wat tegenwoordig slim is en elektronica bevat, legt de hoogleraar uit. En die technologie kan je voor nog meer toepassingen inzetten. Bijvoorbeeld voor sensoren. Nu zijn sensoren vrijwel altijd losse componenten die je ergens aankoppelt. Ze meten bijvoorbeeld beweging of CO2 en geven hun signalen door aan een CMOS-chip. Daar worden die signalen vervolgens geanalyseerd en verwerkt. ‘Als ik bij mijn vakgebied vooruitkijk naar de toekomst, dan zou je bijna alle sensoren direct willen inbedden in die CMOS-chip. Ik denk dat dit mogelijk is. Op die manier maak je sensoren zelf slim, verklein je het totale oppervlak en bespaar je energie en kosten.’

Het is van belang dat er goedkope chips worden gemaakt, die weinig energie vreten en slim zijn.

Een algemene aanpak is daarbij belangrijk, volgens Widdershoven. ‘Want je wilt niet voor elk type sensor speciale aanpassingen in de CMOS-technologie maken. Dat is veel te complex en duur en kan niet hergebruikt worden. Daarom ontwikkel ik een nieuwe, universele methode.’ Daarbij breid je de CMOS-chip uit met een speciaal sensorveld. Dat bestaat uit vele piepkleine elektroden die net onder het chip-oppervlak zitten. ‘Hiervoor hoef je de CMOS-technologie zelf niet aan te passen. De micro-elektroden kunnen dwars door het oppervlakte van de chip meten welke materialen of objecten er zich net boven bevinden.’ Op die manier voeg je dus een nieuwe sensoroptie toe aan de al bestaande CMOS-technologie.

Microscopisch touchscreen

35Met een inkjetprinter is het mogelijk om meerdere materialen naast elkaar bovenop dat sensorveld te printen. Dit kan van alles zijn, afhankelijk van wat je nodig hebt. ‘Stel je maakt een alcoholtest. Dan print je materiaal dat daar gevoelig voor is. Maar dit materiaal reageert ook op andere stoffen in jouw adem, zoals waterdamp. Deze zogeheten kruisgevoeligheid wil ik eruit filteren. Dit is mogelijk door een tweede materiaal ernaast te printen dat gevoeliger is voor waterdamp dan voor alcohol. De chip berekent dan zelf wat je precies meet.’

Het type sensoren dat gebruikt wordt heet met een lastig woord capacitief. Maar de manier waarop het gebruikt wordt staat helemaal niet zover van ons af als dat vreemde woord doet vermoeden. De werking van zo’n sensor lijkt namelijk op de aanraaktoetsen van een koffieautomaat dat je in veel kantoren vindt. ‘Die aanraaktoetsen zijn ook zogeheten capacitieve sensoren. Als je een vinger op de toets legt, dan merken kleine sensoren dit direct op waardoor het apparaat weet welke koffie je wilt. Het aanmaakscherm van jouw telefoon of tablet werkt op een vergelijkbare manier. Zo’n zelfde soort aanpak willen we ook gebruiken, maar dan in microscopische uitvoering. Een beetje vergelijkbaar met een piepklein touchscreen van een vierkante millimeter of zelfs kleiner.’

Zo’n chip bevat heel veel zeer kleine elektrodes. Wanneer je daar met een inkjetprinter iets op aanbrengt dan is zo’n druppel groter dan één zo’n elektrode. Stel je brengt verschillende druppels op een chip aan, bijvoorbeeld om luchtvochtigheid en de CO2-concentratie te meten. Hoe weet je dan of een druppel op de juiste plek is gekomen? ‘Dat laat je de chip zelf uitzoeken. Die scant de oppervlakte en gaat zo na wat er precies op is gekomen. Het ingebouwde rekenprogramma herkent welk materiaal het is. Je maakt dan slim gebruik van de intelligentie op de chip.’

Levende hartcellen

Deze nieuwe aanpak om slimme chips te maken heeft de potentie om de sensor-wereld op zijn kop te zetten, volgens Widdershoven. ‘Dat is ons einddoel. Maar dit is ingrijpend, mede omdat de waardeketen van sensorsystemen op deze manier zal veranderen. Als je geen aparte sensoren meer nodig hebt dan zet je de gevestigde sensorfabrikanten buiten spel. Dat is nogal een verandering. Zelfs het bedrijf NXP waar ik werk moet nog een beetje wennen aan dat idee.’

Daarnaast werkt Widdershoven momenteel bij de TU Delft samen met Wouter Serdijn en promovendus Rui Guan aan een chip voor onderzoek naar levende hartcellen en -weefsel. ‘Stel iemand krijgt een hartoperatie en daarvoor haal je weefsel weg. Dat is waardevol materiaal, omdat het afkomstig is van iemand met een kwaal. En dit wil je natuurlijk juist verhelpen of verslechtering voorkomen. Je kunt het nog levende weefsel op een speciale chip leggen. Een hartcel bedekt dan meerdere elektrodes aan de bovenkant van de chip. Daar breng je een spanningspuls op aan en dan meet je of de hartcellen in het weefsel signalen goed aan elkaar doorgeven en samentrekken. Dit levert waardevolle informatie op over hoe hartweefsel op microscopische niveau werkt.’ De TU Delft werkt hiervoor samen met Natasja de Groot en Yannick Taverne van het Erasmus MC.

Dat Widdershoven op zoek is naar slimme oplossingen met behulp van nieuwe technologie is geen toeval. Al van jongs af aan is hij bezig met techniek. Als jochie haalde hij al radio’s uit elkaar en bouwde daar weer andere dingen mee. ‘Ik maakte mijn eerste gitaarversterker zelf met radiobuizen. Die fascinatie is er altijd geweest. Ik wil altijd wel eerst de theorie begrijpen, dan een voorspelling maken en vervolgens pas iets bouwen om na te gaan of het werkt.’

Hij keek ook graag naar de eerste Star Trek-serie en haalde daar inspiratie uit. ‘Als je met het moederschip wilde communiceren moest je even op een kastje tikken en dan kon je met elkaar praten. Dat lijkt op de mobiele telefoon die we nu hebben. Toen was het fantasie, iets dat niet echt leek te kunnen. En zo waren er meer voorbeelden. Het inspireerde me om niet alleen toepassingen die dichtbij liggen te onderzoeken, maar ook ver de toekomst in te kijken.’

Tekst: Robert Visscher | Fotografie: Marcel Krijger

Meer informatie

Dave Boomkens
Communicatieadviseur faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica,
+31 6 40 28 75 77
d.j.boomkens@tudelft.nl

Je stoornis te lijf met elektronische medicijnen

Tekst: Marjolein van der Veldt
Foto: Sam Rentmeester
Okt 2020

Steeds meer mensen lopen rond met een chip in hun lichaam. Hiermee kunnen ze betalen of inchecken bij het openbaar vervoer. “Klinkt futuristisch, maar zo bijzonder is die technologie niet”, vertelt prof.dr.ir Wouter Serdijn. Hij werkt aan bio-elektronische medicijnen. 

Serdijn kan het weten. Hij werkt als professor bij de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica aan de ontwikkeling van bio-elektronische medicijnen. Dit zijn kleine apparaatjes die met de zenuwen, spieren of het hart communiceren en precies weten wanneer het lichaam wat nodig heeft. Een bekend voorbeeld is de pacemaker, maar bio-elektronische medicatie wordt ook gebruikt bij aandoeningen als de ziekte van Parkinson, dystonie of epilepsie.

“Voor patiënten die niet of niet meer met medicijnen te behandelen zijn, is elektronische medicatie soms een laatste redmiddel”, vertelt Serdijn. Hij noemt de behandeling van tremoren met diepe breinstimulatie. Hierbij wordt een elektrode-array, een dunne geleidingsdraad, in de hersenen geplaatst. Deze wordt via een onderhuids verlengkabeltje aangesloten op een elektronische impulsgenerator (IPG). De vlak onder het sleutelbeen geïmplanteerde IPG geeft pulsen af die naar de hersenen worden ge-stuurd om tremoren onder controle te krijgen. De arts stelt de snelheid, duur en sterkte van de pulsen af. Soms heeft de patiënt zelf ook controle over een paar instellingen.

“Dat klinkt heftig, want het betekent dat je wroet op een plek waar de motoriek wordt geregeld, maar waar ook iemand persoonlijkheid en gedachten zich bevinden. Een riskante operatie, maar het maakt vaak een groot verschil”, vertelt Serdijn. “Het is heel bijzonder als je ziet dat iemand die de hele tijd zit te trillen, opeens stil wordt en dingen kan vastpakken op het moment dat je stimulator aanzet.”

Het is bijzonder als je ziet dat iemand die de hele tijd zit te trillen, opeens stil wordt

Eenzelfde technologie wordt gebruikt bij patiënten met evenwichtsstoornissen als de ziekte van Ménière of om dove mensen via cochleaire implantaten weer te laten horen. De toekomst is veelbelovend. “Momenteel werk ik samen met het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen aan een stimulatietechniek waardoor blinden in hoge resolutie kunnen zien en ik verwacht grote stappen in de behandeling van migraine en depressie met bio-elektronische medicijnen.”

Serdijns ultieme droom is om mensen volledige controle te geven over onbedwingbare neigingen, uitingen die tegen de persoonlijkheid ingaan. “Hersengerelateerde aandoeningen kunnen veel leed veroorzaken. Vaak wordt gezegd: ‘Het zit tussen je oren’. En dat klopt, maar het is geen kwestie van vrije keuze. Denk aan verslavingen. Vroeger dacht ik dat het een gebrek aan wilskracht was, maar het is het brein dat tegen iemand zegt: ‘Zie jij dat flesje daar? Dat wil ik hebben. Dat heb ik nodig.’ De patiënt is slachtoffer van een onbedwingbare neiging om middelen tot zich te nemen die niet goed voor hem zijn.”

Meer info? bioelectronics.tudelft.nl

“The Rising Stars of TU Delft” featuring Tiago da Costa

Delft Health Initiative introduces “The rising stars of the TU Delft”. Here we present stories of talented researchers, assistant and associate professors in the field of healthcare. The goal is to get to know the rising stars, read about their research and ambitions, and look for collaborations. Read below the story of rising star Tiago da Costa.

Tiago Costa

by Xandra van Megen

Finally arrived in Delft
During the rainy days in October, a rising star came to Delft. His name: Tiago Costa. After doing his bachelor’s, master’s and PhD in Lisbon (Portugal) and a postdoc in New York (USA), he is now an assistant professor at the microelectronics department at the TU Delft.

Not physically penetrating the brain
Tiago Costa is developing technologies, specifically using integrated circuits on microchips, to try to interfere with the nervous system, brain, spinal cord, and peripheral nerves. This is useful because nowadays diseases, such as Parkinson or rheumatoid arthritis can be treated with electrical signals. However, this still requires surgery to implant large electrodes in the brain or placing electrodes around nerves, which is very risky.

The goal of Tiago Costa is to create microchips for minimal invasive or non-invasive treatments.  In order to achieve this, he is exploring ultrasound. Ultrasound can propagate through tissue and can be focused on a specific depth and location. This way chips of a few millimeters or centimeters can be used as wearables. This way no surgery is needed to physically penetrate through body parts, such as the brain.

This way no surgery is needed to physically penetrate through body parts, such as the brain.

A wake-up call
Tiago Costa is doing this research after getting a wake-up call. “For 6 months in between my master’s and PhD, I went to work for a big car company, as an electrical engineer. It was a big shock when I realized that I only used a little knowledge from my background because the work was much more superficial. Another thing was that I saw that the industry was only led by profits, regardless of the applications. I was not seeing myself working there for the next 20 years. I really wanted to do something that can help mankind in some way, not just work in a company developing products people even don’t know why they need it. That is why I went back to university and continued with microelectronics in the medical field to really add value.”

I was not seeing myself working there for the next 20 years. I really wanted to do something that can help mankind in some way.

Bridge the gap
He is motivated to continue this research because he is convinced he can make the step to the actual reality. “People have been talking about brain-machine interfaces for the last 20 years, but you don’t see any. The promise that science made to the world has somehow failed the expectations. I still see a big gap between the potential outcomes and the actual reality. I think I am able to make this step. However, I don’t know how much time it will take. Hopefully, it will turn out to be something meaningful.”

People have been talking about brain-machine interfaces for the last 20 years, but you don’t see any.

Bikes, flatland, tulips. Lunch?!
As Tiago Costa just started at the beginning of October he is starting to find collaborations with other colleagues and professors. The research he is conducting is very multidisciplinary. He is focusing on a device, but there is much more to it. He needs collaboration with medical specialists and neuroscientists, but he is also seeking collaborations in micro-fabrication facilities, such as the Else Kooi laboratory and signal processing experts.

He already mentioned that the group environment in his department is very nice, friendly, open and multicultural. However, he is still surprised by the Dutch people in his group. “I knew about the bikes, I knew about the flatland and I knew about the tulips, but I was very surprised about the lunch; Seeing people eating two slices of bread with cheese and drinking a glass of milk! I did not adapt to that yet.”

Twelve new Medical Delta projects

Medical Delta, the collaboration between TU Delft, Leiden University, LUMC and Erasmus MC Rotterdam, started 12 new projects to develop solutions for sustainable healthcare.

The programmes combine the knowledge and expertise of three universities and two university medical centres to address important societal healthcare challenges such as dementia, helping the elderly stay mobile as long as possible, and the regeneration of tissues with stem cells. They will receive almost EUR 400,000 each. Delta spoke to six of the Delft scientists involved.

Neurodelta
Professor Wouter Serdijn of the Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science is involved in two of the projects. The first is called NeuroDelta: Ambulant Neuromonitoring for Prevention and Treatment of Brain Disease. Brain disorders that involve multiple brain regions are notoriously difficult to treat and impose a huge burden on society. Examples are migraine and autism. The NeuroDelta Consortium will try to tackle these disorders.

Wouter Serdijn: “We will develop a first-of-a-kind arrhythmia-on-a-chip model.” (Photo: Sam Rentmeester)

“One of the main problems is that many patients suffering from these brain disorders are diagnosed relatively late. In the current project, we will develop and evaluate a system for mouse models suffering from these types of disorders, paving the way for clinical applications. More specifically, we will develop a device that will allow us to monitor and modulate activity simultaneously in multiple brain regions of freely-moving animals. This will lead to a better understanding of network phenomena in the brain and the development of better treatment modalities for two disorders that lead to deficits in individual and social behavior: migraine and autism.”

The second project Serdijn works on is the Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab.

Heart arrhythmia is a group of conditions in which the heartbeat is irregular, too fast, or too slow. The mission of the Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab is to decrease the cardiac arrhythmia burden by providing patient-tailored therapy. “To this end, we plan to design and test novel bio-electronic diagnostic tools. We will develop a first-of-a-kind arrhythmia-on-a-chip model to study arrhythmia mechanisms, identify novel therapeutic targets and test innovative therapies.”

Bioelectronics aan de slag voor duurzame gezondheidszorg

Kennisinstellingen in de Medical Delta (een consortium bestaande uit TU Delft, Erasmus MC, LUMC, Universiteit Leiden en Erasmus Universiteit Rotterdam) starten met een breed en uniek wetenschappelijk programma op het gebied van technologisch onderzoek naar innovatieve oplossingen voor duurzame gezondheidszorg. Daarmee gaat een investering gepaard van vijf miljoen euro in de komende vijf jaar.

De Medical Delta heeft twaalf onderzoeksprogramma’s gelanceerd die werken aan technologische oplossingen voor duurzame zorg. In drie programma’s is EWI vertegenwoordigd, te weten Neurodelta (Wouter Serdijn), Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab (Wouter Serdijn en Alle-Jan van der Veen) en Ultrafast Ultrasound for the Heart and Brain (Michiel Pertijs); allen onderdeel van de afdeling Microelectronics.

Om de onderzoekprogramma’s een extra impuls te geven worden binnen ieder onderzoeksprogramma een strategisch belangrijk project gefinancierd.

In het Medical Delta 2.0 Neurodelta programma zullen Vasiliki Giagka en Wouter Serdijn (beiden Sectie Bioelectronics) werken aan miniatuur-implantaten voor het gelijktijdig meten en beïnvloeden van hersenactiviteit door middel van licht en ultrageluid.

Lees meer over werk van Vasiliki Giagka: https://www.tudelft.nl/ewi/actueel/nodes/stories/elektrische-implantaten/

Binnen het Medical Delta 2.0 Cardiac Arrhythmia Lab zullen Virgilio Valente (Sectie Bioelectronics) en Richard Hendriks en Borbala Hunyadi (beiden Sectie CAS) werken aan nieuwe bioelektronische signaal-acquisitie- en bewerkings-technieken voor het identificeren van de electropathologie van hartritmestoornissen, zoals boezemfibrilleren, in een organ-on-chip opstelling.

Lees meer over werk van Virgillio Valente: https://bme.weblog.tudelft.nl/2018/12/11/biocmos/

Studium Generale PODCAST: De Bionische Mens

Wil jij lekker onbekommerd van de zomer genieten maar nog wel wat kennis opdoen? Ga dan luisteren naar onze nieuwe podcast-serie “Van Droom Naar Daad”. Hierin gaan we in gesprek met de Delftse wetenschappers over de toekomst. Hoe zien zij de wereld voor zich en welke rol nemen zij daarin op. Ga mee op ontdekkingstocht in een wekelijkse aflevering zodat jij je deze zomer niet hoeft te vervelen.

In de allereerste aflevering voelen we hoogleraar bio-elektronica Wouter Serdijn aan de tand. Ziet hij de opkomst van de bionische mens voor zich? Een versmelting van mens en machine? En hoe dit te beschouwen, positief of negatief? En wat is dat nou precies bio-elektronica, wat kunnen we daar nu al mee? Je kunt de podcast beluisteren via Soundcloud, Stitcher en ITunes.

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.