Category Archives: energy harvesting

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.’

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)

Multistage Complex-Impedance Matching Network Analysis and Optimization

RFEHBy Gustavo C. Martins and Wouter A. Serdijn

Some systems like RF energy harvesters have power transfer efficiency as one of the most important specifications. Therefore, the efficiency of the matching network, which affects the entire system’s efficiency, plays an important role. When the impedance transformation factor between the antenna and its load is high, the matching network efficiency is decreased. In this paper we present the efficiency analysis and optimization of multistage matching networks at a single frequency using lumped components. Considering complex source and load impedances at each stage of the network, we show that it is possible to obtain better results than prior art.

Published in: IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. Date of publication: 25 februari 2016.

DOI: 10.1109/TCSII.2016.2534738

Read the full article here:

https://www.researchgate.net/publication/296480040_Multistage_Complex-Impedance_Matching_Network_Analysis_and_Optimization

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.

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.

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