Category Archives: electronics

Elektroceutica: elektronische medicijnimplantaten voor in je hoofd

Epilepsie, tinnitus en alcoholverslaving zijn misschien verschillend, de behandeling kan erg op elkaar lijken. En wel met elektrische medicijnen die je in je hoofd geïmplanteerd krijgt.

Hoogleraar bio-elektronica Wouter Serdijn houdt morgen zijn intree-rede over electroceutica aan de TU Delft. Het woord stamt af van het Engelse ‘electroceuticals’, de elektronische tegenhanger van de ‘pharmaceuticals’, medicijnen dus. Maar dan met een batterijtje erin die de patiënt als implantaat krijgt, meestal in de hersenen.

“Een bekende ziekte is Parkinson. Dan ontstaan tremoren. Die kun je onderdrukken met kleine, elektrische pulsjes. In de arm kun je het ook behandelen, maar dan behandel je de oorzaak niet, zegt Serdijn. “Vaak gaan tremoren gepaard met de aansturing van heel veel verschillende spieren. Dan zou je iemand moeten behangen met elektronica om de plaats waarop het zich openbaart de symptomen te onderdrukken.”

In de toekomst hoopt Serdijn de implantaten kleiner, draadloos en slimmer te maken: “Dat ze echt luisteren naar wat de patiënt nodig heeft”, legt Serdijn uit.

Klik hier voor de link naar het item op BNR Nieuwsradio: http://www.bnr.nl/?service=player&type=archief&fragment=20160330065325240

Slimme stroomstootjes als medicijn

Kleine, draadloze en intelligente implantaten die werken als elektronisch medicijn, dat is de droom van Wouter Serdijn. Serdijn hield deze week aan de TU Delft zijn intreerede als hoogleraar bio-electronica. Hij noemt zulke implantaten ‘electroceuticals’, als tegenhanger van de ‘farmaceuticals’, ofwel pilletjes. Het idee is eenvoudig: waar pilletjes de biochemische activiteit van lichaamscellen veranderen, veranderen electroceuticals de elektrische activiteit.

De moleculen uit een pilletje komen via de bloedbaan in het hele lichaam terecht. De effecten treden niet direct op, zijn niet lokaal en ook niet meteen omkeerbaar. Bovendien hebben pilletjes vaak ongewenste bijeffecten. Maar eeuwenlang was er geen andere mogelijkheid.

Micro-electronica heeft hier verandering in gebracht. Zo kunnen sinds een jaar of tien patiënten met ernstige Parkinson of depressie behandeld worden met een hersenimplantaat dat lokaal in de hersenen elektrische pulsjes genereert. ‘Deze implantaten hebben echter flink wat nadelen’, vertelt Serdijn een dag voor zijn oratie. ‘Ze zijn groot en hebben ook nog eens een grote batterij nodig, typisch iets van zes bij vier bij één centimeter. De batterij wordt nu nog in de borstkas aangebracht. Via draadjes loopt de stroom naar het implantaat in de hersenen. Die draadjes zitten eigenlijk in de weg. Een ander nadeel is dat het implantaat zelf dom is. Arts en de patiënt moeten samen de beste instelling zien te ontdekken. Maar dat is vaak moeilijk en subjectief.’

Chips met een luisterend oor

Serdijn ontwikkelt microchips voor implantaten die niet alleen klein en draadloos zijn, maar ook intelligent: ‘Onze chips zijn slechts twee bij twee millimeter groot, vooral doordat we de pulsgenerator veel kleiner hebben kunnen maken. Ze verbruiken veel minder stroom en daardoor volstaat een kleinere batterij. Bovendien is de batterij oplaadbaar. Ik stel me voor dat deze in de toekomst draadloos wordt opgeladen door een spoel in een intelligent kussen, terwijl de patiënt ligt te slapen.’

Nieuw is dat de chip lokaal luistert naar de therapeutische behoefte en daarop zijn gegenereerde pulsen afstemt. Serdijn geeft het voorbeeld van de behandeling van oorsuizen: ‘Bij sommige patiënten onderdrukken elektrische pulsen de klachten. Nu gebeurt die behandeling nog subjectief. De patiënt moet zelf aangeven wat hij hoort en of er verlichting is opgetreden. Een slim implantaat meet het signaal op de gehoorschors, genereert elektrische pulsjes en meet tegelijkertijd hoe goed het effect is. Idealiter werkt het implantaat alleen op de momenten dat het nodig is en in de hoeveelheid die nodig is. Het implantaat denkt als het ware mee. Electroceuticals houden automatisch rekening met het feit dat ieder mens anders is en dat de toestand van een persoon in de tijd verandert.’

Fijnregelen met schokjes

Behandeling met slimme stroomstootjes hebben de eerste positieve resultaten opgeleverd in de behandeling van epilepsie bij muizen. Serdijn werkt ook samen met de Belgische hoogleraar neurowetenschappen Dirk de Ridder in de behandeling van alcoholverslaving. De implantaten hoeven ook niet beperkt te blijven tot de hersenen, zegt Serdijn. ‘Elk weefsel dat gevoelig is voor elektriciteit, dus ook spieren en organen, kun je met electroceuticals beïnvloeden. Een paar jaar geleden is bijvoorbeeld aangetoond dat elektrische stimulatie ook een aandoening als reuma kan onderdrukken.’

Serdijn ziet electroceutica niet als vervangers van de klassieke farmaceutica, maar als aanvulling. ‘Electroceutica zijn vooral geschikt voor aandoeningen die hun oorsprong op een specifieke plek vinden. Met farmaceutica kun je als het ware de biochemische basiswaarde van het lichaam veranderen en daarna kun je heel lokaal met electroceutica de boel fijnregelen.’

Op dit moment zit het onderzoek naar electroceutica nog in de fase van dierproeven. ‘Voordat hier goedgekeurde behandelingen voor mensen uit komen, zijn we jaren verder’, besluit Serdijn.

Bennie Mols vertelde ook over dit onderwerp in het radioprogramma De Ochtend: Stroomstootjes in plaats van pillen

Beter worden met ‘electroceutica’

Electroceutica kunnen helpen om allerlei aandoeningen, zoals tinnitus (oorsuizen) en epilepsie, te bestrijden. Dat zegt prof. Wouter Serdijn in zijn intreerede als hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft op woensdag 30 maart. Electroceutica betreft het slim, lokaal en gericht toedienen van helende elektrische pulsen aan het lichaam. De technische uitdaging is het slimmer en kleiner maken van de apparatuur.

Minder bijwerkingen

Volgens prof. Wouter Serdijn kunnen ‘electroceutica’ uitgroeien tot een nieuw en belangrijk type medicijn, naast en als aanvulling op de al bestaande farmaceutica. Werken farmaceutica op een chemische wijze in op het lichaam, electroceutica doen dit op een elektrische manier.
Electroceutica dienen helende elektrische pulsen aan het lichaam toe op een slimme en gerichte wijze, vooral voor aandoeningen die hun oorsprong vinden op specifieke plaatsen, in bijvoorbeeld de hersenen.Het gericht geven van elektrische pulsen kan bij veel aandoeningen helpen, en is zeker niet alleen toepasbaar in de hersenen. Het grote voordeel van de elektrische methode boven farmaceutica is dat het effect lokaal is. Pillen werken immers in op het hele lichaam en veroorzaken derhalve snel bijwerkingen.

Slimmer en kleiner

Serdijn ziet electroceutica nadrukkelijk als aanvulling op ‘gewone’ medicijnen. ‘Het gaat om het vinden van de perfecte combinatie  tussen electroceuticals en conventionele medicatie. Op dit moment is het toedienen van elektrische pulsen aan het lichaam nog vrij grofstoffelijk, met bijvoorbeeld relatief grote batterijen en draden. Ook heeft de methode nog een vrij hoge graad van trial and error.’

Een chip in zijn meet-behuizing voor het uitlezen van de neurale signalen tijdens en direct na het elektrisch stimuleren, door Cees-Jeroen Bes, in samenwerking met LUMC-KNO. Ondersteund door STW, TMSi, AB-Sys and HealthTech.

Er zijn daarom twee technische hoofddoelen, zegt Serdijn. ‘De uitdaging is het kleiner (dus ook makkelijker implanteerbaar) én slimmer maken van de apparatuur. Dat slimmere zit hem vooral in het meten van de toestand van en het aanpassen van de therapie aan een individuele patiënt. Dit patiënt-specifieke element is heel belangrijk. Want niet alleen is iedere patiënt anders, de toestand van iedere individuele patiënt varieert ook nog eens in de tijd. Door dit te meten en terug te koppelen kunnen we veel gerichter de juiste therapie instellen.’

Concreet is het doel om een flexibel hersenimplantaat te ontwikkelen op een polymeer-substraat. Dat implantaat dient dan als algemeen platform voor diverse typen implantaten.

Tinnitus

Volgens Serdijn is het (potentiële) toepassingsgebied van electroceutica zeer breed. ‘Het kan bijvoorbeeld worden ingezet voor de behandeling van onder meer tinnitus (oorsuizen), epilepsie, het syndroom van Tourette en bepaalde verslavingen. Op deze gebieden worden nu ook al successen geboekt.’
‘Neem tinnitus als voorbeeld. Wereldwijd hebben meer dan 500 miljoen mensen hier last van. Sommige patiënten kunnen worden geholpen via elektrische pulsen. Nu gebeurt die behandeling nog subjectief’, zegt Serdijn. ‘De patiënt moet zelf aangeven wat hij hoort en of er enige verlichting als gevolg van de stimulatie is opgetreden. Intelligente electroceuticals kunnen de doelmatigheid van de toegepaste therapie continu monitoren en deze aanpassen aan de behoeften van de patiënt, zelfs wanneer deze alweer op de terugweg is van het ziekenhuis.’

Symposium

Uiteraard vinden de technische ontwikkelingen plaats in nauwe samenwerking met artsen. Dit komt ook tot uiting in het symposium dat op de dag van de intreerede van Serdijn wordt gehouden. Medical Delta partners ErasmusMC en LUMC zijn goed vertegenwoordigd in het programma. Tijdens het symposium wordt bio-elektronica besproken vanuit een technologisch, een medisch, een klinisch, een industrieel en een maatschappelijk perspectief. Vijf vooraanstaande sprekers van het ErasmusMC, het LUMC, de Dunedin School of Medicine en een biomedisch bedrijf behandelen deze thema’s.
Meer informatie
Het symposium en de intreerede van prof. Serdijn.
Contact
Wouter Serdijn, prof. bio-elektronica TU Delft, W.A.Serdijn@tudelft.nl, +31 (0)15 278 1715.
Claire Hallewas, persvoorlichter TU Delft, c.r.hallewas@tudelft.nl, +31 (0)6 4095 3085.

Intuitive CMOS transistor modeling

On Oct. 6, 2015, I gave a guest lecture in the lecture series “Structured Electronic Design” (EE4C09) on Intuitive CMOS Transistor Modeling. In there I explain the 5 regions of operation of an MOS transistor (both in weak inversion and in strong inversion, both in triode and saturation, and off), based on the EKV model. For those of you that might still be struggling with understanding how the CMOS transistor works and how it can be employed in first time right, first time best analog and mixed signal circuit design, this lecture is for you.
See the complete lecture, which also treats double loop negative feedback amplifiers, herehttps://collegerama.tudelft.nl/Mediasite/Play/d2fc417f2e644a64b4463e34322f86a31d?catalog=528e5b24-a2fc-4def-870e-65bd84b28a8c

Neural stimulation: design of efficient and safe neural stimulators

Article by Marijn van Dongen on efficient and safe neurostimulation

Article by Marijn van Dongen, honorary aluminus of the Bioelectronics Group, in Maxwell 18.3, the quarterly magazine of the Electrotechnische Vereeniging, on the work he did for his PhD studies on power efficient and safe neurostimulation.

Read the entire article here: http://elca.et.tudelft.nl/~wout/tmp/neurostimulation_maxwell_18.3_vandongen.pdf

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

On May 6, 2015, Collegerama of TU Delft made video recordings of the lecture I gave on Electroceuticals.

Electroceuticals are the electronic counterparts of pharmaceuticals and are miniature electronic devices that interact with the body in an electrical fashion.

In this talk I discuss: neurostimulation and the need to make neurostimulators smaller, more power efficient and more intelligent; optogenetic neuromodulation and the need to make this new neuromodulation modality operate in a closed-loop fashion; neurosensing devices to make neurostimulators intelligent and thereby adjust themselves to the therapeutical needs of the patient; autonomous wireless sensor nodes that can measure temperature or the electrocardiogram without the need for a battery; an outlook into the future of electroceuticals with the promise to treat a larger variety of neurological and brain disorders better.

Click here to start watching the video and slides:

https://collegerama.tudelft.nl/Mediasite/Play/cc7888beb88349c1a60c1414476b577a1d?catalog=528e5b24-a2fc-4def-870e-65bd84b28a8c

The injectable neurostimulator: an emerging therapeutic device

The injectable neurostimulator: an emerging therapeutic device

Xiaolong Li1Wouter A. Serdijn2Wei Zheng1Yubo Tian1Bing Zhang1
1 School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, China
2 Section of Bioelectronics, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands

Available online 25 April 2015

Highlights

  • Injectable neurostimulators (InNSs) for clinical use are necessary to avoid the side effects of the dominant bulky implantable neurostimulator.
  • The concept, implementation challenges, and development trends of the InNS are illustrated in detail.
  • The new generation of InNSs can be powered from a microbattery, a radio-frequency energy harvester, or an inductive coupling link.
  • Obstacles include the implementation of injectable batteries, injectable antennas, and radio-frequency energy harvesters; the realization of InNSs also awaits breakthroughs in soft and bendable materials, reliability, and the mode of injection.

Injectable neurostimulators are currently applied in clinical trials to minimize the side effects such as discomfort, risk of infection, and post-surgery trauma, which can be pronounced with conventional, bulky implantable neurostimulators. Owing to its smaller size, wireless-updatable software, and wireless power supply, the injectable neurostimulator is presumably less invasive, ‘smarter’, and has a longer lifetime. We discuss the concept and development of the injectable neurostimulator, persistent implementation challenges, and obstacles to be overcome in its evolution. We survey the use of new materials, technologies, and design methods for injectable electrodes, batteries, antennas, and packaging to enhance reliability and other features. These advances in the field are accompanied by progress in electrophysiology, neuroscience, neurology, clinical trials, and treatments.

Keywords

  • biocompatible materials;
  • electrical nerve stimulation;
  • injectable neurostimulator;
  • injectable electronic devices;
  • therapeutic device

Nieuwe stimulatie-methode effectiever tegen hersen- en zenuwaandoeningen

Persbericht van de TU Delft, uitgegeven vandaag (23 april 2015):
Nieuwe stimulatie-methode effectiever tegen hersen- en zenuwaandoeningen 

HF_stimulatorHersenstimulatie wordt tegenwoordig succesvol toegepast ter bestrijding van ziektes als Parkinson, chronische depressie, pijn en tinnitus. Door neurostimulatoren energiezuiniger en kleiner te maken, kunnen ze doelgerichter en voor een groter scala aan hersen- en zenuwaandoeningen worden ingezet. Marijn van Dongen maakte een prototype van een chip waarmee deze vorm van neurostimulatie kan worden toegepast. Hij promoveert op vrijdag 24 april op dit onderwerp aan de TU Delft. 

Parkinson

Hersenstimulatie wordt tegenwoordig succesvol toegepast ter bestrijding van ziektes zoals Parkinson, chronische depressie, pijn en tinnitus en er zijn aanwijzingen dat hersenstimulatie ook succesvol kan zijn in de behandelingen van nog veel meer hersenaandoeningen, zoals epilepsie, verslavingen, migraine en dementie. Veel bestaande neuro-stimulatoren hebben echter een beperkte energie-efficiëntie, waardoor een grote batterij nodig is. Een grote batterij maakt de hele neurostimulator groot waardoor deze niet op de plaats geïmplanteerd kan worden waar de stimulatie ook daadwerkelijk nodig is. Vaak verbinden onderhuidse draden de neurostimulator in de borst met de elektroden in de hersenen.

HF

Daarom is aan de TU Delft een nieuwe manier van neurostimulatie onderzocht: hoog-frequente (HF) neurostimulatie. De doelmatigheid van deze HF-stimulatie in aangetoond via simulaties en met in-vitro-metingen (in samenwerking met de afdeling Neurowetenschappen van het Erasmus Medisch Centrum). HF-stimulatie heeft hetzelfde effect op weefsel als klassieke stimulatie, alleen kan HF-stimulatie energiezuiniger zijn. De batterij kan daarmee kleiner worden en er zijn minder ruimte-verslindende componenten nodig.

Pulsjes

‘In mijn promotieonderzoek hebben we gefocust op nieuwe stimulatie-patronen die efficiënt opgewekt kunnen worden’, zegt Marijn van Dongen. ‘In plaats van met een constante stroom, stimuleren we de hersenen met een serie hoogfrequente stroom-pulsjes. Dit soort pulsjes kunnen op een energie-efficiënte manier worden opgewekt dankzij het principe van een geschakelde voeding. We hebben een energiezuinige neurostimulator-chip ontworpen die tot wel 200% energiezuiniger kan zijn dan zijn klassieke tegenhangers. Hierdoor kunnen toekomstige neurostimulatoren kleiner worden gemaakt en daarmee voor een groter scala aan hersen- en zenuwaandoeningen worden ingezet. Bovendien kunnen deze pulsjes verschillende doelen tegelijkertijd activeren en daarmee de doelmatigheid van de neurostimulatie verhogen.’

Prototype

Er is een prototype chip ontwikkeld waarmee deze vorm van neurostimulatie kan worden toegepast. In samenwerking met neurowetenschappers van het Erasmus Universitair Medisch Centrum, de University of Texas at Dallas (VS) en de University of Otago (Nieuw-Zeeland) is de methode succesvol geverifieerd.

Colloquium

Voorafgaand aan de promotie van Marijn van Dongen is er een colloquium over neurostimulatie door prof. Dirk De Ridder: the future of brain, spine and nerve stimulation. Prof.dr. Dirk De Ridder bekleedt de Neurological Foundation Chair in Neurosurgery aan de Dunedin School of Medicine, University of Otago, Nieuw-Zeeland (vrijdag 24 april, 10.00-11.15 uur; Snijderszaal: EWI-LB01.010, TU Delft).

Meer informatie
Voor meer informatie neemt u contact op met Marijn van Dongen, afdeling Micro-Elektronica van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica, M.N.vanDongen@tudelft.nl, 06 – 435 70479 of met Claire Hallewas, wetenschapsvoorlichter TU Delft, C.R.Hallewas@tudelft.nl, 015 – 27 84259. Het volledige proefschrift vindt u op de TU Delft repository.”

Electroceuticals: the Shocking Future of Brain Zapping

Electroceuticals are the electronic counterparts of pharmaceuticals

“It’s all in your head—those icky feelings, all that fog—and chemicals just aren’t that great at cutting through. That’s why scientists are experimenting with changing the brain game by tweaking its circuitry, rather than the chemical processes.

It might be a bit unnerving to us seasoned pill-poppers, but some believe that electrical currents could be the new wave in everything cerebral, from treating depression and addiction to enhancements that would enable those seeking that mental edge to learn new skills faster or remember more.”

Read more at: http://motherboard.vice.com/read/electroceuticals-the-shocking-future-of-brain-zapping.

Future hardware improvements in implantable hearing devices

Damaged situation of the middle and inner ear; hair cells are damaged or non-existent, nerve cells are not fully developed or do not reach the cochlea [3].

Damaged situation of the middle and inner ear; hair cells are damaged or non-existent, nerve cells are not fully developed or do not reach the cochlea [3].

In this essay, by Ide Swager, MSc student in bioelectronics, an overview of current and future developments in implantable hearing devices is presented. It has been written as part of the course Introduction to Microelectronics for the M.Sc. track Microelectronics of the faculty Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science of Delft University of Technology. A brief version of the auditory anatomy is included to clarify the causes of deafness. After elaborating on the current devices available and the basic working principle, future trends are explored. These include Neural Response Telemetry (NRT), combined Acoustic and Electric Stimulation (EAS) and binaural devices.

Read the full essay here: http://elca.et.tudelft.nl/~wout/tmp/iswager_essay.pdf