Category Archives: cochlear implants

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.

Do you really listen or hear?

Learning in the true sense of the word is possible only in that state of attention, in which there is no outer or inner compulsion. Right thinking can come about only when the mind is not enslaved by tradition and memory.”

–  Jiddu Krishnamurti

Considering all the senses we possess, the post could have been named “Do we see or look?” or perhaps  “Do we speak or talk?”. But among the three, I would like to focus more on the capability to hear and listen, which also holds relevance to the research conducted at the bioelectronics group. To provide a sense of appreciation, simply look at how elegantly the brain processes the sounds we hear, with clear distinctions in frequency and amplitude making innumerable nervous connections, to generate a unique experience. For instance, when you hear the far away church bell ringing in a crowded marketplace, it fills you with joy and hope. If you care about the quality of the sound and prefer using high end headphones, you would know the joy of heavy bass sound and clear vocals that you savor while listening to music!

With tremendous advancements in microelectronics, thousands of individuals with varying degrees of disabilities are now able to hear better with the support of hearing aids, where the size of the aid is diminishing rapidly, while maximizing comfort. As an example, the cochlear implants (CI) are being used for the restoration of the hearing ability and is on the road to absolute bliss in audition. As exciting and extreme the research continues to be, I would like to draw your attention to the significance of listening, going beyond hearing, and the differences lying therein.

Although we have managed to bring about considerable improvement in the hearing abilities of the people through scientific progress, have the fully abled beings actually made complete use of the capabilities in a way that would enhance their personalities and their understanding? Do we truly listen?

Difference between hearing and listening

When we hear someone speak, we produce our own formulations and thoughts, we are either accepting or rejecting his/her idea, as the speaker speaks. We stand to compare his words with what we think based on the background, knowledge base and the experience we possess. This very fact is the denial of listening. While hearing is the ability to perceive sound by detection of the changes in pressure in the surrounding medium, which is involuntary, listening is an act you choose to do voluntarily, a decision you take consciously.

In Jiddu Krishnamurti’s words, in listening there is no comparison, neither is there acceptance nor rejection. The quality of listening is your attention. When you listen, every part of your body is in rapt attention to what is being spoken, intensely, where there is no judgement. There is no confusion but absolute clarity. You are neither influenced by the person’s appearance, nor intimidated by his presence. When you do that, you listen to the subject of discussion wholly. You are then in a position to discriminate right from wrong. There is a strong inner urge to understand the speech fundamentally, and not superficially be steered by the speaker and/or being ignorant. You are then very observant of the changes that are taking place within you, subtle nevertheless. A detailed discussion is available here for the interested reader.

Krishnamurti speaks in depth about the state of the mind while listening. A calm mind can perceive and listen with great clarity. Also, such a mind can have positive influence on the environment, the essence of which is well captured in one of Krishnamurti’s commentaries about “The noisy child and the silent mind” and is available here. As another example, in the movie Karate Kid (2010), Kung Fu master Mr. Han (Jackie Chan) takes Dre Parker (Jaden Smith) to the Dragon well on top of the mountain. Mr.Han explains the state of mind of the lady (who controlled the snake) which was calm and still just like the water in the well where Dre looks at his own reflection. The scene is available here (Watch from 1:13:00 to 1:17:10).

To give an analogy in the circuits and signal processing domain, when we need to acquire a signal, while ensuring quality and reproducibility in the digital domain for a given application, both internal and external noise have to either be minimized or rejected. In the same way, only a quiet mind can perceive and experience what is beyond hearing and also understanding. And often, the quality of listening goes with the choice of words one uses in his/her speech. As you begin to listen better, your thoughts become refined and so do your words. You then begin to filter all that is noise and only recover your signal of interest.

On another note, it is important to use one’s own discretion in placing the attention. Considering the information society we live in, there is a vast wealth of information on every subject. What we choose to learn is an individual choice. A wealth of information creates a dearth of attention, derived from the concept of attention economy, first studied extensively by Herbert Simon.

While we aim to bring about improvement in the the lives of people with hearing disabilities, we also need to give a thought towards how effectively we use our perfectly functioning abilities. How we take things for granted! If we didn’t, the experience would be more enriching, so much more happier and so much more wholesome!

As Helen Keller said,
So much has been given to me I have not time to ponder over that which has been denied.
This should not only motivate oneself to look within, reflecting on the challenges and converting every disadvantage to an advantage, but also placing a check on whether we use our inherent faculties to the total extent. It is just like owning a Lamborghini Aventador but being limited to use it as a Dacia Sandero on legal roads or employing an ARM micro-controller to make an LED blink!

                                                   ***
About Jiddu Krishnamurti

jk  Born (11 May 1895 ) in Mandanpalle, Andhra Pradesh, India, Jiddu Krishnamurti, an Indian philosopher, is globally regarded as one of the greatest educators and thinkers. He had a deep sense of appreciation and respect for nature, as it appears in his notes. When he spoke, he did so with his own insight and vision, which had a certain directness and freshness.

About Hellen Keller

hk Born (27th June 1880) in Tuscumbia, Alabama, U.S., Hellen overcame the adversity of being deaf and blind to become one of the 20th century’s leading humanitarians as quoted here.

Suggested reading and references

  • Commentaries on Living, Jiddu Krishnamurti
  • Education and the significance of life, Jiddu Krishnamurti
  • Story of my life, Hellen Keller

 

calvin

 

 

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.”

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

Cochlear implant development going at a rapid pace (in Dutch)

Uit “De Audiciens”, februari 2015: “CI’s (cochleaire implantaten, Red.) volop in ontwikkeling.

Het is een traditie, de refereeravond van KNO/Centrum voor Audiologie en Hoorimplantaten (CAHIL) in het LUMC op de tweede donderdag van het jaar.

Ook op 8 januari 2015 zit de collegezaal weer vol. Het is dan ook een bijeenkomst waar een aantal disciplines uit de hoorbranche samenkomen. KNO-artsen, audiologen, akoepedisten, audiciens, fabrikanten en anderen luisteren naar voordrachten die inzicht geven in nieuwe ontwikkelingen op audiologisch gebied.

De avond wordt geopend door prof. dr. ir. J.H.M. Frijns, hoofd CAHIL. (…) In het kader van de Medical Delta (een samenwerkingsverband tussen het Erasmus MC in Rotterdam, de TU Delft en het LUMC in Leiden voor de ontwikkeling van medische technologie) is er een presentatie van Johan de Vos die als arts-onderzoeker KNO onderzoek verricht naar nieuwe technologie voor cochleaire implantaten. Onder begeleiding van Wouter Serdijn en Paddy French hebben drie promovendi van de TU een meetversterker (Cees Jeroen Bes), een elektrode ontwerp (Nishant Lawant) en een stimulatorchip (Wannaya Ngamkham) ontwikkeld. Deze technologie wordt onder leiding van Johan Frijns en Jeroen Briaire in het LUMC geimplanteerd en getest door Johan de Vos. Tevens ontwikkelt het LUMC nieuwe meetmethodes voor het terugmeten van de respons van de gehoorzenuw (Dick Biesheuvel).”

Lees meer hier.

A 0.042 mm^2 programmable biphasic stimulator for cochlear implants suitable for a large number of channels

ArXiv-paper on miniature neurostimulator circuit

Today we published the following (scientific) paper online:

A 0.042 mm^2 programmable biphasic stimulator for cochlear implants suitable for a large number of channels
W. Ngamkham; M.N. van Dongen; W.A. Serdijn; C.J. Bes; J.J. Briaire; J.H.M. Frijns; 
ArXiv.org
January 29 2015. 

Abstract

This paper presents a compact programmable biphasic stimulator for cochlear implants. By employing double-loop negative feedback, the output impedance of the current generator is increased, while maximizing the voltage compliance of the output transistor. To make the stimulator circuit compact, the stimulation current is set by scaling a reference current using a two stage binary-weighted transistor DAC (comprising a 3 bit high-voltage transistor DAC and a 4 bit low-voltage transistor DAC). With this structure the power consumption and the area of the circuit can be minimized. The proposed circuit has been implemented in AMS 0.18µm high-voltage CMOS IC technology, using an active chip area of about 0.042mm^2. Measurement results show that proper charge balance of the anodic and cathodic stimulation phases is achieved and a dc blocking capacitor can be omitted. The resulting reduction in the required area makes the proposed system suitable for a large number of channels.

Keywords:

current generator, current source, current mirror, output impedance, stimulator
circuit, current stimulator, programmable stimulator, biphasic stimulation, neural stimulation, cochlear implants, electrode-tissue interface, electrode-tissue impedance, switch array, charge error, charge balancing, neurostimulator.

A new name, but Biomedical Electronic remains

Biomedical Electronics Lab

Dear Reader,

The Biomedical Electronics Group underwent a small name change. From now onwards, the group is called “The Biomedical Electronics Laboratory”.

Its mission is “to provide the technology for the successful monitoring, diagnosis and treatment of cortical, neural, cardiac and muscular disorders by means of electroceuticals.”

To this end it conducts research on, provides education in and helps creating new businesses in neuroprosthetics, biosignal conditioning / detection, transcutaneous wireless communication, power management, energy harvesting and bioinspired circuits and systems.

First implantation of a vestibular implant

Today it was reported in ‘De Volkskrant’ that doctors of Maastricht University Medical Center have succeeded in, for the first time ever, implanting an artificial balance organ, a vestibular implant, in two patients. A vestibular implant is more or less a cochlear implant that relays information on orientation and accelleration onto the hair cells in the vestibula, the small organ attached to the cochlea that assists in preserving balance. According to Prof. Robert Stokroos of UMCM, the first measurements after the surgery showed positive results. Very important, as far as I understand, will be whether the vestibular implant will allow for perfect integration of the balance information delivered by the implant and the balance perceived by the eyes.

Despite all this, I believe we have exciting times ahead for the application of novel neurostimulating devices.

Wouter

Mission Possible

In order to present the Biomedical Electronics Group of Delft University of Technology to a couple of companies, it made sense to reveal our mission statement. So here it goes…

The mission of the Biomedical Electronics Group of Delft University of Technology is "to provide the technology for the successful monitoring, diagnosis and treatment of cortical, neural, cardiac and muscular disorders by means of electricity." In order to reach this goal we investigate and design circuits and systems for electrical stimulation, ExG readout, signal specific analog signal processing, power management/conversion, energy harvesting and wireless communication, to be applied in future wearable and implantable medical devices, such as hearing instruments, cardiac pacemakers, cochlear implants and neurostimulators.

So how about that? Reactions are welcome via this blog.

Wouter

I’m back!

After one year of absence since I graduated for my master thesis, I can happily tell you that I’ m back :). On September 1 I started my PhD research on neural readout circuitry in cochlear implants.

The project is a collaboration between Delft University of Technology and Leiden University Medical Center and is funded by STW (Dutch Technology Foundation). It is called ReaSONS (Realtime Sensing of Neural Signals). Within this project we aim to develop new technology to record the evoked Compound Action Potential (eCAP) generated by the hair cells in the cochlea.

As soon as I have my first results I will let you know. Stay tuned!

Cees-Jeroen