Category Archives: cochlear implants

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.

Hoe verbeteren chips het menselijk lichaam?

Hoe verbeteren chips het menselijk lichaam?

Luister naar de podcast op: https://www.nporadio1.nl/wetenschap-techniek/10388-hoe-verbeteren-chips-het-menselijk-lichaam

donderdag 28 juni 2018 | NTR | Bouwe van Straten

Ruim 200 Nederlanders lopen al rond met een chip in hun lichaam, en het aantal groeit. Dat kan voor allerlei doeleinden zijn, van gemak tot verbetering van de kwaliteit van leven.

Hoe verbeteren chips het menselijk lichaam?

“Ik heb een thermometer, een rfid-chip waarmee ik mijn auto kan ontgrendelen en een chip waar data op staan, waaronder bitcoins,” vertelt Tom Oudenaarden, een piercer en bio-hacker die chips implanteert, ook bij zichzelf. De reden? Gemak. “Ik hoef geen sleutels meer bij me te dragen, en als banken straks gaan meewerken hoef ik ook geen pasje meer mee te nemen.” Oudenaarden zou zijn arsenaal aan geïmplanteerde chips graag ook nog uitbreiden met een gps-tracker.

Gemak, of een beter leven?

Wouter Serdijn, bio-elektronicus aan de TU Delft, houdt zich bezig met de medische toepassing van chips in het menselijk lichaam. Zelf draagt hij geen chips: “Ik richt me vooral op mensen die wat minder fortuinlijk zijn, die een stoornis hebben. Ik probeer technologie te ontwikkelen die hun kwaliteit van leven kan verbeteren.”

Dergelijke implantaten kun je bijvoorbeeld gebruiken om insuline af te geven. Maar daarvoor is het nodig dat zo’n chip ook nauwkeurig kan meten wat de behoefte van de patiënt is. “Als je kijkt naar elektronische implantaten, is dat eigenlijk de heilige graal: enerzijds meten wat de patiënt nodig heeft en dat dan vervolgens ook kunnen toedienen.”

Alles wat digitaal is, is te hacken

Een probleem is wel dat dergelijke apparatuur ook gehackt kan worden. “Alles wat digitaal is, kan gehackt worden”, erkent Oudenaarden. Maar echt zorgen maakt hij zich daar niet over: “Wie wil mijn tweedehands Alfa nu hebben? Er zijn veel leukere auto’s”.

Serdijn is er minder gerust op, met name als het om medische apparatuur gaat: “Veel medische apparaten zijn bijzonder makkelijk te hacken, en daar ben ik niet gerust op. Wij zijn ook in gesprek met medische bedrijven, omdat we vinden dat ze er iets aan moeten doen.” Hij erkent dat de beveiligingen tegen hacken steeds beter worden, maar ziet tegelijkertijd dat bedrijven nog lang niet het maximale doen om hun apparaten ‘onhackbaar’ te maken.

Dit artikel is verzorgd door de wetenschapsredactie van NPO Focus.

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.

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.’

Upgraden van het menselijk lichaam

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

Leidsch Dagblad

9 februari 2018 vrijdag

Leiden en regio

BIBU; Blz. 004
1142 woorden

Upgraden van het menselijk lichaam

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

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

Musks toverhoed

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

Hersenen uitlezen

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

Nieuw tijdperk

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

Wouter van Bergen

Slimme contactlenzen en andere medische gadgets in je lijf

Een ‘slimme’ contactlens kan het leven van een diabetespatiënt een stuk eenvoudiger maken.

Veel mensen met diabetes moeten meerdere malen per dag hun bloedsuiker meten. Dat moet nu nog met een pijnlijke vingerprik. Vervelend en vaak onnodig, daarom wordt hard gewerkt aan alternatieve methoden.

Onderzoekers van de technische universiteit van Ulsan in Zuid-Korea zeggen nu een lens te hebben ontwikkeld die bloedsuikerwaarden uitmeet. Over deze lens en andere bio-elektronische medicijnen praten we met Wouter Serdijn. Hij is hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft.

Podcast op NPO1, Nieuwsweekend, uitgezonden zaterdag 27 januari 2018.

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.

Bio-elektronica: de medicijnen van de toekomst

New Book: Analog IC Design Techniques for Nanopower Biomedical Signal Processing

41LufUQMnzLChutham Sawigun (Mahanakorn University of Technology, Thailand) and Wouter Serdijn (Delft University of Technology) published a new textbook on Analog IC Design Techniques for Nanopower Biomedical Signal Processing with River Publishers.

  • The River Publishers Series in Biomedical Engineering 
  • ISBN: 9788793379299
  • eBook ISBN: 9788793379282
  • Price : € 80.00
  • Available:  May 2016
Description:

As the requirements for low power consumption and very small physical dimensions in portable, wearable and implantable medical devices are calling for integrated circuit design techniques using MOSFETs operating in the subthreshold regime, this book first revisits some well-known circuit techniques that use CMOS devices biased in subthreshold in order to establish nanopower integrated circuit designs.

Based on the these findings, this book shows the development of a class-AB current-mode sample-and-hold circuit with an order of magnitude improvement in its figure of merit compared to other state-of-the-art designs. Also, the concepts and design procedures of 1) single-branch filters 2) follower-integrator-based lowpass filters and 3) modular transconductance reduction techniques for very low frequency filters are presented. Finally, to serve the requirement of a very large signal swing in an energy-based action potential detector, a nanopower class-AB current-mode analog multiplier is designed to handle input current amplitudes of more than 10 times the bias current of the multiplier circuit. The invented filter circuits have been fabricated in a standard 0.18 µ CMOS process in order to verify our circuit concepts and design procedures. Their experimental results are reported.

 

Keywords:

Analog integrated circuit, Biomedical electronics, Bionic ear, Bio-potential, CMOS, Current-mode, Cochlear implant, ECG, Filter, Gm-C, Multiplier, Neural recording, Sample-and-hold, Signal processing, Subthreshold, Switched-current, Transconductance reduction, Transconductor, Weak inversion

Living better with electroceuticals

Beter worden met ‘electroceutica’by Harry Baggen, in Elektor Magazine, 30 maart 2016, 15:03

Electroceuticals can help combat a wide variety of medical conditions, such as tinnitus (ringing ears) and epilepsy. Electroceuticals comprise the smart, localized and targeted application of therapeutic electrical stimuli to the body. The technological challenge is to make electroceutical devices smarter and smaller.

According to Wouter Serdijn, Professor of Bio-Electronics at TU Delft in the Netherlands, electroceuticals could develop into a new and significant form of medicine, complementing existing pharmaceuticals. The targeted application of electrical stimuli can alleviate many medical conditions and is not limited to brain therapy. The main advantage of electroceuticals over pharmaceuticals is that the effect is localized. Drug act on the entire body, which can easily lead to adverse effects.

Existing electroceutical devices are still fairly bulky, with relatively large batteries and wires. There is also a high degree of trial and error in treatment methods. The aim is to develop a flexible brain implant on a polymer substrate that can serve as a general platform for various electroceutical devices.

Besser heilen mit „Electroceutica“

Electroceutica können helfen, verschiedene Erkrankungen wie Tinitus (Ohrpfeifen) oder Epilepsie zu lindern. Electroceutica bedeuten die intelligente, lokale und gezielte Verabreichung heilender elektrischer Impulse in den Körper. Die technische Herausforderung ist, die dafür erforderlichen Geräte kleiner und intelligenter zu machen.

Nach Wouter Serdijn, Professor für Bio-Elektronik an der niederländischen Technischen Universität Delft, können Electroceutica zu einem neuen bedeutenden medizinischen Mittel statt oder als Zusatz zur bestehenden Pharmazeutik werden. Die gezielte Anwendung elektrischer Impulse kann bei vielen Erkrankungen helfen, nicht nur bei solchen des Gehirns. Der große Vorteil der elektrischen Methode gegenüber der pharmazeutischen ist, dass sie lokal begrenzt sind: Pillen wirken auf den ganzen Körper ein und haben deswegen oft gravierende Nebenwirkungen.

Zurzeit ist die Verabreichung elektrischer Impulse an den Körper noch recht grobschlächtig mit relativ großen Batterien und Kabeln. Zudem funktioniert diese Methode noch in einem hohen Maß nach dem „Trial-and-error“-Prinzip. Das Ziel ist es, ein flexibles Hirnimplantat auf einem Polymersubstrat zu entwickeln, das zur allgemeinen Grundlage diverser Implantattypen werden kann.

Beter worden met ‘electroceutica’

Electroceutica kunnen helpen om allerlei aandoeningen zoals tinnitus (oorsuizen) en epilepsie te bestrijden. 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 benodigde apparatuur.

Volgens prof. Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft, kunnen ‘electroceutica’ uitgroeien tot een nieuw en belangrijk type medicijn, naast en als aanvulling op de al bestaande farmaceutica. Het gericht geven van elektrische pulsen kan bij veel aandoeningen helpen, en is niet alleen toepasbaar in de hersenen. Het grote voordeel van de elektrische methode boven farmaceutica is dat het effect lokaal is. Pillen werken in op het hele lichaam en veroorzaken derhalve snel bijwerkingen.

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. Het streven is om een flexibel hersenimplantaat te ontwikkelen op een polymeer-substraat dat dan kan dienen als algemeen platform voor diverse typen implantaten.