Category Archives: electronics

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

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

TU Delft en Inholland ontwikkelen chip voor beter gehoor

13 juli 2017

http://nieuws.inholland.nl/tu-delft-en-inholland-ontwikkelen-chip-voor-beter-gehoor/

Een chip die ervoor zorgt dat doven en slechthorenden beter horen met hun gehoorimplantaat, waardoor hun kwaliteit van leven toeneemt. Dat is het ambitieuze streven van project ReaSONS II Demo van de TU Delft en Inholland. Onlangs kreeg het project subsidie van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Docent-onderzoekers en studenten van verschillende onderwijsdomeinen zullen gezamenlijk aan dit project werken.

Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden een chip die de zenuwactiviteit in het oor nauwkeurig kan meten. In combinatie met een cochleair implantaat kan hij slechthorende en dove mensen veel beter laten horen. De chip is echter nog incompleet. Daarom heeft de TU Delft in samenwerking met Inholland financiering aangevraagd om de ontwikkeling ervan voort te zetten onder de naam ReaSONS II Demo. Het uiteindelijke doel is om bedrijven een prototype aan te bieden dat ze kunnen toepassen in hoorproducten. De NWO kende de Demonstrator-subsidie vorige maand toe.

De ReaSONS chip

Dit project heeft impact op de kwaliteit van leven van mensen die een gehoorimplantaat gebruiken. We werken op het snijvlak van techniek en gezondheidszorg.

Cees Jeroen Bes, onderzoeker bij de TU Delft, ontwikkelaar van de ReaSONS-chip

Samenwerking tussen domeinen
Inholland voert dit project uit met behulp van docent-onderzoekers en studenten van de onderwijsdomeinen Techniek, Ontwerpen en Informatica (TOI) en Gezondheid, Sport en Welzijn (GSW). Het onderzoek wordt uitgevoerd door het kernteam Biomedical van het Domein TOI in samenwerking met het Inholland Health and Technology Centre (IHTC). De opgedane kennis wordt ingezet binnen de curricula van de betrokken opleidingen als voorbeelden tijdens de instructiecolleges, als projectopdracht en afstudeeropdracht. Met dit project denkt Inholland op wereldniveau mee over innovatieve oplossingen op het gebied van gezondheid.

Technisch hoogstandje
Cees Jeroen Bes, docent-onderzoeker en projectleider van het kernteam Biomedical, kent als geen ander de gebruikte technologie. Hij bedacht en implementeerde het concept achter de chip en promoveert er binnenkort op aan de TU Delft. “Nu is het tijd om de chip door te ontwikkelen van een proof-of-concept naar prototype en er een showcase van te maken”, zegt Bes. “Het project is niet alleen een technisch hoogstandje, het heeft ook nog eens impact op de kwaliteit van leven van mensen die een gehoorimplantaat gebruiken. We werken daarbij op het snijvlak van techniek en gezondheidszorg.”

Het project ReaSONS II Demo kent een gebruikerscommissie waarin de bedrijven Healthtech, Advanced Bionics, Twente Medical Systems, Applied Biomedical Systems en mede-patenthouder Leids Universitair Medisch Centrum plaatsnemen. Demonstrator is een financieringsinstrument van het NWO-domein Toegepaste en Technisch Wetenschappen dat daarmee kansrijk technisch onderzoek stimuleert en faciliteert om tot een zogeheten minimaal werkbaar product te komen.

Neem bij vragen over de ReaSONS II Demo contact op met onderzoeker Cees Jeroen Bes via ceesjeroen.bes@inholland.nl.

De Gezonde Samenleving

Met dit project dragen docent-onderzoekers en studenten bij aan De Gezonde Samenleving, een profilerend thema van Hogeschool Inholland. Dit is een samenleving waarin burgers, bij fysieke, psychische en sociale problemen, een zo gezond en sociaal mogelijk leven leiden en kunnen participeren. Een samenleving waarin mensen in hun sociale omgeving centraal staan. Waarin professionals mensen – preventief en bij problemen – activeren en ondersteunen bij het ontwikkelen van zelfmanagement en empowerment. Deze professionals werken interprofessioneel en maken gebruik van de laatste (technologische) innovaties.

Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes

[1704.08910] Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes, paper by G. C. Martins, A. Urso, A. Mansano, Y. Liu, W. A. Serdijn

Abstract: In this paper, we present techniques and examples to reduce power consumption and increase energy efficiency of autonomous wireless sensor nodes for the Internet of Things. We focus on RF energy harvesting and data transfer, all of which have a large impact on the device cost, lifetime and functionality. We explore the co-design of antenna and electronics to increase RF-DC conversion and efficiency and to improve the performance of the LNA. A high-efficiency orthogonally switching charge pump rectifier is presented. Its measurement results are presented, along with a discussion on how to define its power conversion efficiency. To boost the rectifier output voltage, while presenting the best output load to it, a DC-DC converter with maximum power point tracking is presented. To transmit slowly-varying signals in a low-power manner, an asynchronous data converter is discussed and two modalities of data transmission are presented. The first one is a passive transmitter implementation and the second a novel low-power sub-GHz UWB transmitter.

Comments: 15 pages, 32 figures, 4 tables
Subjects: Emerging Technologies (cs.ET)
Cite as: arXiv:1704.08910 [cs.ET]
(or arXiv:1704.08910v1 [cs.ET] for this version)

U.S. Government Awards $20 Million for Electroceuticals Research

nerves

Image: Pradeep Rajendran and Rosemary Challis/Shivkumar Lab/UCLA

The U.S. National Institutes of Health (NIH) wants better ways to treat disease with electrical stimulation, and last week announced the recipients of more than US $20 million in funding for the field. The awards aim to improve maps of the peripheral nervous system—the body’s electrical wiring—and generate sophisticated systems that can hack into its codes.

The funding is part of a $248 million, seven-year program that the NIH Common Fund announced in 2014. Last week’s awards mark the start of the core of that program. Up to $39 million in additional awards will be announced next year. The agency will begin accepting applications for those awards by early 2017, says NIH’s Gene Civillico, who heads up the funding program, called SPARC, or Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions.

Researchers have for decades been electrically stimulating the brain, the spinal cord and peripheral nerves in an attempt to alleviate ailments such as Parkinson’s disease, epilepsy, pain, and paralysis. The technique can work as well or better than drugs, leading some to dub the field “electroceuticals.” Several companies sell such devices with approval from the U.S. Food and Drug Administration (FDA).

Those tools have seen some success. In clinical studies they have been shown to reduce seizures and symptoms of rheumatoid arthritis, and help people regain bladder control and muscle mobility.

The tools on the market are surprisingly simplistic. In most systems, a pulse generator blindly sends electrical impulses along a lead to electrodes that are placed on a nerve. With enough intensity, the stimulation causes neurons to fire. Those induced impulses, called action potentials, are just like the ones produced naturally by the body. The signals travel along neural networks in different temporal patterns, communicating with the body and influencing chemical and biological processes.

The problem with current devices is that they shoot electrical impulses broadly at nerves in patterns that don’t begin to mimic the body’s natural code. It’s miraculous that the body responds at all to these crude signal patterns. And often the devices activate entire nerves, rather a subset of particular fiber groups, wasting battery power and creating side effects.

That leaves a lot of room for improvement—an exciting prospect for engineers. Many more diseases could be treated with electrical stimulation if the devices were designed more elegantly, say leaders in the field. New designs for electrodes and other tools must better interface with the body and activate nerves that are currently out of reach. And such tools must selectively activate key fibers within the nerve that perform specific functions, these leaders say.

To do that, we need a better understanding of the anatomy of neural circuits—where they are and what they do. We also need to know the precise signal patterns neural circuits use to communicate with organs. In other words, if we want to hack the system, we need maps and codes.

Those are the kinds of breakthroughs NIH Common Fund intends to stimulate with the awards. “We’re seeing a fair bit of clinical success, but with fairly primitive understanding of what the stimulation is actually doing,” says Civillico.

The awards focus on treating conditions such as heart disease, asthma and gastrointestinal disorders. The program’s leaders want researchers to focus on peripheral nerves—those that connect the brain and spinal cord with the rest of the body—because of their potential direct effects on organ systems and their accessibility. (The brain is far more complex, and harder to map.)

Google wil nu ook data uit je lichaam

Google wil nu ook data uit je lichaam

Bio-elektronica Techbedrijven verzamelen met farmareuzen zeer gevoelige informatie over medische aandoeningen. Ligt die straks bij je baas of je verzekeraar?

MRI-scan van een jongen van 9. Aan het verzamelen en verwerken van medische data kleven privacyrisico’s. Foto ANP

Wouter van Noort, NRC Handelsblad, 7 augustus 2016

Gadgets die werken als medicijnen. Het is de toekomst als een groeiende groep farmacie- en technologiebedrijven zijn zin krijgt. Googles moederbedrijf Alphabet kondigde vorige week een samenwerking aan met farmareus GlaxoSmithKline (GSK) op het gebied van zogeheten bio-elektronica, minuscule implanteerbare apparaatjes die via elektrische signalen ziektes kunnen genezen en voorkomen. Ook Apple en Samsung werken al een tijdje aan bio-elektronica en biosensoren: meetapparaatjes voor lichamelijke functies die je zowel buiten als binnen in je lijf kunt dragen.

Apple en Samsung hebben, net als Google, bovendien steeds nauwere banden met de farmaceutische industrie. Googles zusterbedrijf Verily, dat zich helemaal richt op farmaceutische toepassingen, sloot op andere gebieden al eerder samenwerkingen met Johnson & Johnson en Novartis. Apple werkt ook samen met GSK, en Samsung investeert veel om zelf meer een farmaceutisch bedrijf te worden.

Dat juist bedrijven uit de consumententechnologie ineens zo geïnteresseerd zijn in de farmacie, en vooral in de bio-elektronica, roept interessante vragen op. Met name over privacy: behalve informatie óver mensen, kunnen technologiebedrijven dankzij bio-elektronica straks namelijk ook data verzamelen ín mensen.

„Ik ben er niet gerust op”, zegt Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft en London University College. „Een bedrijf als Google weet al heel veel van je, en juist als je gegevens uit bio-elektronica combineert met grote hoeveelheden andere data, ontstaan mogelijk interessante inzichten over de gezondheid van individuen.”

Die inzichten kunnen nuttig zijn voor de genezing van bepaalde aandoeningen, maar er zitten ook privacyrisico’s aan. Ook de Haagse technologiedenktank Rathenau Instituut spreekt al jaren zijn zorgen uit over privacygevolgen van geïmplanteerde elektronica.

Wat kunnen techbedrijven nou precies te weten komen ín een lichaam? „Het gaat met de huidige bio-elektronica vooral om de communicatie tussen cellen of bijvoorbeeld informatie over de zuurtegraad in je darmen”, zegt Serdijn. Volgens hem is de informatie die uit bio-elektronica en -sensoren komt op zichzelf commercieel nog niet direct heel bruikbaar. Maar gecombineerd met andere informatie, over bijvoorbeeld lichaamsbeweging, zijn daar mogelijk wel interessante patronen in te ontdekken. „Dan zou je er mogelijk zaken als epileptische aanvallen mee kunnen voorspellen, en misschien wel andere ernstige aandoeningen”, zegt Serdijn. En dat is informatie die je niet altijd wilt delen met je werkgever of verzekeraar.

GSK wil geen details geven over hoe het informatie uit bio-elektronica precies gaat delen met Googles zusterbedrijf Verily. Wel zegt woordvoerder Carien Mulder: „Wij staan honderd procent voor het waarborgen van vertrouwelijke patiënteninformatie, en dat is ook een prioriteit in de nieuwe samenwerking met Verily.” Ze geeft echter geen antwoord op wat er precies is afgesproken over de data die er worden verzameld in het lichaam.

Een woordvoerder van Alphabet kon niet op tijd reageren op vragen van NRC. Wel zei Brian Otis, de technologiedirecteur van Alphabet-dochter Verily, vorige week tegen het Amerikaanse Forbes Magazine dat het zijn bedrijf bij deze samenwerking vooral te doen is om de data. „De uitdaging met bio-elektronica zit ’m uiteindelijk in data. Het uitlezen en interpreteren van de signalen. Natuurlijk heeft Google expertise in het omgaan met grote hoeveelheden data, beslissingen nemen op basis van data en feedback geven aan de gebruiker.”

Google beschikt over enorm veel gegevens over menselijk gedrag. Via de Android-smartphones van het bedrijf verzamelt het ook veel informatie over bijvoorbeeld lichaamsbeweging. Het blijkt bij dit soort big data-toepassingen vaak erg lastig om verbanden tussen gegevens te ontdekken die ook echt bruikbaar zijn. Maar juist een bedrijf als Google is daar heel goed in.

Informatie uit bio-elektronica zou ook bepaald niet de eerste medische data zijn die Google de laatste tijd verzamelt. Via de zoekmachine ziet het bedrijf al jaren welke medische vragen bezoekers stellen. Via zusterbedrijf 23andMe, dat genetische tests ontwikkelt, heeft Google de laatste jaren daarnaast van vele duizenden mensen DNA-informatie verzameld. Onlangs sloot het een samenwerking met de Britse National Health Service voor het analyseren van grote hoeveelheden patiëntengegevens van Britse burgers.

Dat zijn zeer uiteenlopende projecten, met ook zeer uiteenlopende privacyvoorwaarden. Het is niet automatisch zo dat Google met die informatie allerlei gedetailleerde profielen opbouwt die het zomaar kan herleiden tot individuen. Laat staan dat het die zomaar kan doorverkopen, als het bedrijf dat al zou willen. Er gelden voor medische gegevens strengere privacywetten dan voor andere soorten informatie.

Maar de Amerikaanse technologiereus verdient wel veruit het meeste van zijn geld met op maat gemaakte advertenties. En als je advertenties op basis van je zoekgeschiedenis krijgt voorgeschoteld, waarom dan niet op basis van data uit een biosensor die uitwijst dat je binnenkort misschien behoefte krijgt aan een bepaald medicijn?

„Zover is het voorlopig waarschijnlijk nog niet,” zegt hoogleraar Serdijn. „Maar het is wel zaak om dit heel goed in de gaten te houden.”

HOE BIG PHARMA EN BIG TECH SAMENWERKEN

Apple sloot in juli een samenwerking met Glaxo Smith Kline (GSK) om behandelingen te ontwikkelen voor reuma. GSK gaat daarvoor Apples onderzoekssoftware ResearchKit gebruiken. Dat platform brengt allerlei gegevens samen die Apple over zijn gebruikers verzamelt, bijvoorbeeld over lichaamsbeweging. Die is te meten via de bewegingssensoren in iPhones. Dergelijke sensoren kunnen volgens de twee bedrijven ook worden gebruikt om nauwkeuriger in kaart te brengen hoe reuma het leven van patiënten beïnvloedt.

Googles zusterbedrijf Verily werkt samen met Novartis om een slimme contactlens te ontwikkelen die bloedsuiker meet in het oogvocht van diabetespatiënten. Zo’n lens zou in de plaats kunnen komen van andere manieren om bloedsuikers te meten, bijvoorbeeld van de bloedprikken die nu gebruikelijk zijn.

Telefoonmaker Samsung investeert ook fors in biotech en farmacie, onder meer via Samsung Bioepis en Samsung Biologics.