Category Archives: Neurostimulation and Neuromodulation

The rising stars of the TU Delft, featuring …

Dante Muratore

After his PhD in what he calls “hardcore analogue microelectronics”, rising star Dante Muratore knew he wanted to continue his career working on systems that are closer to an actual application. A postdoc position at Stanford University, in which he worked on the electronics for an artificial retina to treat medical conditions leading to the loss of vision, brought him just that. Then, wanting to come back to Europe and to continue doing bioelectronics at the highest level possible, an opening at TU Delft crossed his path. ‘It was the easiest choice I ever made,’ he says.

Brain-machine interfaces

As assistant professor within the Bioelectronics group, the central theme of Muratore’s research is to build brain-machine interfaces. In the first few years of his tenure, he will continue development of the artificial retina and also work on applications related to the motor cortex – ultimately allowing treatment of, for example, paralysis and locked-in syndrome. ‘Our aim is to interface with individual cells of the nervous system, also taking into account each neuron’s cell type,’ he says. ‘For the retina, it is mostly about stimulating these neurons so they will send the correct signal to the brain. For the motor cortex, we record the information coming from the brain, which indicates the intention of movement. We then want to use that information to control an external device, such as a mouse cursor or a robotic arm. We are also considering implementing feedback to the motor cortex as this may provide the user with a sense of body position.’

We aim for our brain-machine interfaces to interact with individual cells of the nervous system, also taking into account each neuron’s cell type.

― Dante Muratore

A staggering amount of data

As they will be implanted, these brain-machine interfaces need to be small – the artificial retina device has the size of a pea. Yet, they need to manage massive amounts of data, comparable to streaming a hundred HD Netflix movies at once. Muratore closely collaborates with neuroscientists. ‘Basically, I need them to tell me how bad a job I can do at managing these data for the device to still operate as intended, so I can reduce overall power consumption.’ He also interacts with the people specialised in signal processing to determine, for example, if data compression should be integrated close to the (neural) sensor or if it is better to take it off-chip. ‘The biggest challenge, however, is not a scientific one,’ he says. ‘Each sub-problem requires a completely different academic specialty to design a solution – typically an incredibly complicated one. At the end of the day, you need to put these together to work as a single machine. This is a very challenging engineering problem.’

An implantable brain-machine interface has to be very small, yet able to handle massive amounts of data.

― Dante Muratore

Happy in the Medical Delta

Muratore is very happy with the Medical Delta and the ongoing convergence with Erasmus University and Medical Centre. ‘A brain-machine interface really is not a one-man job,’ he says. ‘You want these medical and technical disciplines to mingle, to have lunch together over which to share the problems we run into. We need to truly understand each other and speak the same language.’ Having arrived pretty much with the country in lockdown, he hasn’t yet been able to build strong multi-disciplinary collaborations. But next month, he is expecting to hear about the Marie Curie grant proposal he submitted. ‘My group leader, Wouter Serdijn, has also involved me in the writing of a couple of large NWO grants. Bringing young people on board is one of the things that is great about TU Delft.’

Microimplants: electricity instead of pills

Interview with Prof. Vasiliki Giagka, Group Leader “Technologies of Bioelectronics”, Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM and Assistant Professor of Bioelectronics, Delft University of Technology

In MEDICA Magazine, 23.11.2020

Image: Prof. Vasiliki Giagka; Copyright: privat

Prof. Vasiliki Giagka

Image: Microimplantat; Copyright: Fraunhofer IZM
Video

Valse medische claims achter de Healy

YouTube Preview Image

Uitgezonden op 16 november 2020, om 20:35, bij het programma Radar van de AvroTros op NPO-1. Onderstaande tekst is van de website van Radar: https://radar.avrotros.nl/uitzendingen/gemist/item/valse-medische-claims-achter-de-healy/ 

Het beschermt je tegen stress, depressie, ziekten en zelfs tegen kanker. Tenminste, dat beweren de promotors van het ogenschijnlijk medische product Healy. We leggen de wereld bloot achter de Healy, vol ongefundeerde medische adviezen en vernuftige verdienmodellen.

Het product is afkomstig uit Duitsland, maar maakt sinds een jaar een flinke opmars in Nederland. In een winkel is de Healy niet te koop en het is al helemaal niet verkrijgbaar bij een reguliere arts. ‘Daar is het veel te ingewikkeld voor’, legt een gebruiker en promotor uit.

Frequentie therapie

Zo zou het apparaatje werken met frequentietherapie. Deze alternatieve geneeswijze is echter nooit effectief bewezen. Met een hoop lastige medische termen legt Healy op de websites en in folders uit dat de elektronische frequenties die het apparaat stuurt, je cellen verbetert.

De gezondheid van een cel zou te meten zijn aan de hand van de elektrische spanning van het celmembraan. Vervolgens zou het apparaatje deze elektrische spanning meten en met verschillende stroomsterkten herstellen. Het apparaatje zou exact weten welke frequenties jij nodig hebt.

De Healy weet niks en meet niks

‘Totale onzin’, laat professor in de bio-elektronica Wouter Serdijn ons weten. ‘Healy weet niks en meet niks. Hij stuurt hoogstens willekeurige elektronische frequenties, en ook hiervan is niet bewezen dat ze invloed hebben op je cellen.’

Dit bevestigt ook arts en epidemioloog Alfons den Broeder. Den Broeder is tevens lid van de Vereniging tegen Kwakzalverij. Hij wil de consument waarschuwen tegen bedrijven die inspelen op vage gezondheidsklachten. ‘Het is pure geldklopperij.’ Als tip geeft hij mee: ‘Klinkt het te mooi om waar te zijn, dan is het dat doorgaans ook.’

Multi level marketing werkt claims in de hand

Toch wordt er goed geld betaald voor de ‘aspirine tegen alles’. Het instapmodel kost al gauw 500 euro en afhankelijk van de programma’s die erop zitten stijgt deze prijs. De duurste variant is verkrijgbaar voor 2500 euro. De Healy wordt via een multi level marketing systeem verkocht, ook wel bekend van Tupperware of Herbalife. De gebruikers worden gestimuleerd zelf ook te gaan verkopen.

Expert op het gebied van neuromarketing, Victor Lamme, legt uit dat dit systeem de medische beweringen in de hand werkt. ‘Het gaat er niet eens om wat voor claims Healy zelf maakt. Een persoonlijke ervaring is veel efficiënter. Daar komt emotie bij kijken en dat is overtuigender dan een paar cijfers in een rapport. Daarom is deze manier van verkoop zo effectief.’

CE-markering voor medisch hulpmiddel

Healy staat geregistreerd als medisch hulpmiddel in de CE-klasse 2a. Naar eigen zeggen voor chronische pijn, fibromyalgie en skeletpijn. In de vrijwaring legt het bedrijf uit dat veel andere toepassingen niet erkend worden door de reguliere geneeskunde. Een CE-markering zegt enkel iets over de technische veiligheid van een product, niks over doeltreffendheid of over de medische werking van dat product.

Reactie Healy

Healy houdt vol dat de wetenschappelijke onderbouwing er wel degelijk is. Daarnaast zeggen ze valse claims door hun promotors tegen te gaan. Lees hier de hele reactie van Healy.

Wat vindt de politiek?

Lilianne Ploumen (PvdA) schuift aan in de studio. De PvdA vindt het onbegrijpelijk dat dit soort producten in dezelfde klassen geregistreerd kunnen staan als een MRI-scan. Ze zegt dan ook kamervragen te gaan stellen aan de minister.

Je stoornis te lijf met elektronische medicijnen

Tekst: Marjolein van der Veldt
Foto: Sam Rentmeester
Okt 2020

Steeds meer mensen lopen rond met een chip in hun lichaam. Hiermee kunnen ze betalen of inchecken bij het openbaar vervoer. “Klinkt futuristisch, maar zo bijzonder is die technologie niet”, vertelt prof.dr.ir Wouter Serdijn. Hij werkt aan bio-elektronische medicijnen. 

Serdijn kan het weten. Hij werkt als professor bij de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica aan de ontwikkeling van bio-elektronische medicijnen. Dit zijn kleine apparaatjes die met de zenuwen, spieren of het hart communiceren en precies weten wanneer het lichaam wat nodig heeft. Een bekend voorbeeld is de pacemaker, maar bio-elektronische medicatie wordt ook gebruikt bij aandoeningen als de ziekte van Parkinson, dystonie of epilepsie.

“Voor patiënten die niet of niet meer met medicijnen te behandelen zijn, is elektronische medicatie soms een laatste redmiddel”, vertelt Serdijn. Hij noemt de behandeling van tremoren met diepe breinstimulatie. Hierbij wordt een elektrode-array, een dunne geleidingsdraad, in de hersenen geplaatst. Deze wordt via een onderhuids verlengkabeltje aangesloten op een elektronische impulsgenerator (IPG). De vlak onder het sleutelbeen geïmplanteerde IPG geeft pulsen af die naar de hersenen worden ge-stuurd om tremoren onder controle te krijgen. De arts stelt de snelheid, duur en sterkte van de pulsen af. Soms heeft de patiënt zelf ook controle over een paar instellingen.

“Dat klinkt heftig, want het betekent dat je wroet op een plek waar de motoriek wordt geregeld, maar waar ook iemand persoonlijkheid en gedachten zich bevinden. Een riskante operatie, maar het maakt vaak een groot verschil”, vertelt Serdijn. “Het is heel bijzonder als je ziet dat iemand die de hele tijd zit te trillen, opeens stil wordt en dingen kan vastpakken op het moment dat je stimulator aanzet.”

Het is bijzonder als je ziet dat iemand die de hele tijd zit te trillen, opeens stil wordt

Eenzelfde technologie wordt gebruikt bij patiënten met evenwichtsstoornissen als de ziekte van Ménière of om dove mensen via cochleaire implantaten weer te laten horen. De toekomst is veelbelovend. “Momenteel werk ik samen met het Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen aan een stimulatietechniek waardoor blinden in hoge resolutie kunnen zien en ik verwacht grote stappen in de behandeling van migraine en depressie met bio-elektronische medicijnen.”

Serdijns ultieme droom is om mensen volledige controle te geven over onbedwingbare neigingen, uitingen die tegen de persoonlijkheid ingaan. “Hersengerelateerde aandoeningen kunnen veel leed veroorzaken. Vaak wordt gezegd: ‘Het zit tussen je oren’. En dat klopt, maar het is geen kwestie van vrije keuze. Denk aan verslavingen. Vroeger dacht ik dat het een gebrek aan wilskracht was, maar het is het brein dat tegen iemand zegt: ‘Zie jij dat flesje daar? Dat wil ik hebben. Dat heb ik nodig.’ De patiënt is slachtoffer van een onbedwingbare neiging om middelen tot zich te nemen die niet goed voor hem zijn.”

Meer info? bioelectronics.tudelft.nl

“The Rising Stars of TU Delft” featuring Tiago da Costa

Delft Health Initiative introduces “The rising stars of the TU Delft”. Here we present stories of talented researchers, assistant and associate professors in the field of healthcare. The goal is to get to know the rising stars, read about their research and ambitions, and look for collaborations. Read below the story of rising star Tiago da Costa.

Tiago Costa

by Xandra van Megen

Finally arrived in Delft
During the rainy days in October, a rising star came to Delft. His name: Tiago Costa. After doing his bachelor’s, master’s and PhD in Lisbon (Portugal) and a postdoc in New York (USA), he is now an assistant professor at the microelectronics department at the TU Delft.

Not physically penetrating the brain
Tiago Costa is developing technologies, specifically using integrated circuits on microchips, to try to interfere with the nervous system, brain, spinal cord, and peripheral nerves. This is useful because nowadays diseases, such as Parkinson or rheumatoid arthritis can be treated with electrical signals. However, this still requires surgery to implant large electrodes in the brain or placing electrodes around nerves, which is very risky.

The goal of Tiago Costa is to create microchips for minimal invasive or non-invasive treatments.  In order to achieve this, he is exploring ultrasound. Ultrasound can propagate through tissue and can be focused on a specific depth and location. This way chips of a few millimeters or centimeters can be used as wearables. This way no surgery is needed to physically penetrate through body parts, such as the brain.

This way no surgery is needed to physically penetrate through body parts, such as the brain.

A wake-up call
Tiago Costa is doing this research after getting a wake-up call. “For 6 months in between my master’s and PhD, I went to work for a big car company, as an electrical engineer. It was a big shock when I realized that I only used a little knowledge from my background because the work was much more superficial. Another thing was that I saw that the industry was only led by profits, regardless of the applications. I was not seeing myself working there for the next 20 years. I really wanted to do something that can help mankind in some way, not just work in a company developing products people even don’t know why they need it. That is why I went back to university and continued with microelectronics in the medical field to really add value.”

I was not seeing myself working there for the next 20 years. I really wanted to do something that can help mankind in some way.

Bridge the gap
He is motivated to continue this research because he is convinced he can make the step to the actual reality. “People have been talking about brain-machine interfaces for the last 20 years, but you don’t see any. The promise that science made to the world has somehow failed the expectations. I still see a big gap between the potential outcomes and the actual reality. I think I am able to make this step. However, I don’t know how much time it will take. Hopefully, it will turn out to be something meaningful.”

People have been talking about brain-machine interfaces for the last 20 years, but you don’t see any.

Bikes, flatland, tulips. Lunch?!
As Tiago Costa just started at the beginning of October he is starting to find collaborations with other colleagues and professors. The research he is conducting is very multidisciplinary. He is focusing on a device, but there is much more to it. He needs collaboration with medical specialists and neuroscientists, but he is also seeking collaborations in micro-fabrication facilities, such as the Else Kooi laboratory and signal processing experts.

He already mentioned that the group environment in his department is very nice, friendly, open and multicultural. However, he is still surprised by the Dutch people in his group. “I knew about the bikes, I knew about the flatland and I knew about the tulips, but I was very surprised about the lunch; Seeing people eating two slices of bread with cheese and drinking a glass of milk! I did not adapt to that yet.”

Therapies without drugs — Tech News

Therapies without drugs

24.2.2020

Fraunhofer researchers are investigating the potential of microimplants to stimulate nerve cells and treat chronic conditions like asthma, diabetes, or Parkinson’s disease. Find out what makes this form of treatment so appealing and which challenges the researchers still have to master.

The 324 electrodes and complex electronics integrated into the flexible implant stimulate and monitor neural activity on the brain’s surface.

A study by the Robert Koch Institute has found that one in four women will suffer from weak bladders at some point in their lives. Treatments of this condition have long focused on pelvic floor exercises, specialized pacemakers, drugs, or even surgical interventions. Microimplants promise to make these often lengthy and uncomfortable treatments a thing of the past. The idea: Electric impulses can help certain parts of the human body to do what they are meant to do – when and where it is needed.

Vasiliki Giagka, Group Leader at the Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM, explains the concept: “Electronic implants can release interrupted or block unwanted signals; they can send signals to other places in the body. Patients who have lost the natural ability to control their bladder function can benefit from a tiny bioelectric implant that monitors their bladder and sends a signal when they need to use the toilet. It could also use high-frequency stimulation of the damaged nerve to prevent the bladder from emptying unintentionally.”

To make this possible, the team headed by Giagka has been working with other researchers at the Technical University of Delft to produce miniature, flexible, and durable electronic implants. The systems include a dedicated sensor to monitor the patient’s bladder, with the data sent wirelessly to their destination – a massive challenge, since the human body with its organs and body fluids is not the ideal location for transmitting data. Nor is data transmission the only wireless feature in the system. The implants themselves are recharged by ultrasonic waves: Ultrasound stimulates tiny elastic resonators in the implants, and the movement of these elastic bodies can be transformed into the necessary power.

Microimplants of this type can also engage directly with nerve cells via electrodes that use targeted electric impulses to stimulate certain physiological responses. The flexible electrodes are connected to microchips scaled down to 10 micrometres in thickness that can create new feedback loops between the nerves and the implants and help introduce customized and localized treatments for each patient. Giagka and her fellow bioelectronics specialists rely on fully materials like biocompatible polymers, precious metals, and silicon for their electronics to avoid the body’s rejection of the foreign object.

Researchers have begun to favour the term electroceutics for microimplants of this type, as the miniature electronics are meant to replace traditional pharmaceutics: chips and bids taking the place of pills and meds. The idea opens up new therapeutic pathways and promises to minimize harmful side-effects. Several common chronic conditions beside incontinence are being targeted for the new treatments. The only precondition: the underlying biological mechanisms must be receptive to electrical stimulation. Asthma, diabetes, Parkinson’s disease, migraines, rheumatism, high blood pressure and many other conditions – the list of possible use cases keeps growing, and there is much potential for further promising research.

Before electroceutics finally make the leap into widespread use, several hurdles still need to be taken. Vasso Giagka explains: “We cannot yet say with certainty when the first clinical trials will start. We are currently developing new test concepts to check the reliability of the implants for the entire process, and we are still working to miniaturize and optimize the stimulators.” The durability of the microstimulators remains a particular challenge, as the implants need to function reliably over decades in the human body. At the same time, the team is trying to reduce the size of the overall system to less than a cubic centimetre.

Giagka and her team are particularly interested in expanding the working life of the implants. They subject the devices to electromagnetic pulses, humidity, and changing temperatures in tough reliability tests to test their actual life expectancy in use. The chips’ design has been carefully modelled to reduce the impact of electromagnetic force, substantially expanding their ability to measure and record data. The team hopes to achieve a working life of the implants that span not years, but decades.

Vasiliki Giagka, who has established a dedicated working group on bioelectronics technologies at Fraunhofer IZM as part of the “Fraunhofer Attract” program alongside her work as an assistant professor at the TU Delft, has reached out to partners across Europe, the United States, and Asia to promote the prospects of electrostimulation therapy via microimplants. Another aspect that will determine whether microimplants are accepted by patients – the security of their data – is being pursued in a cooperation with the Fraunhofer’s Berlin Center for Digital Transformation.

Hoe slimme sensoren epilepsy kunnen voorkomen

In Delft en Rotterdam werken Wouter Serdijn en Christos Strydis samen aan een netwerk van sensoren en stimulatoren voor het lichaam. Door signalen op te pikken en razendsnel een wake-upcall naar de hersenen te sturen, hopen ze epileptische aanvallen te kunnen voorspellen en voorkomen. ‘Als we de lus kunnen sluiten, hebben we de techniek binnen drie jaar klaar.’

Epilepsie is een verzamelnaam voor aandoeningen in de hersenen, die ontstaan door een verandering in elektrische activiteit van de hersencellen. Deze neuronen worden ineens overactief en vuren hun elektrische signalen ongecontroleerd in de rondte. Soms leidt dat tot ‘kortsluiting’: aanvallen waarbij een patiënt het bewustzijn verliest of onwillekeurige spiersamentrekkingen krijgt. Dat kan leiden tot gevaarlijke situaties voor de ruim 200 duizend Nederlanders met epilepsie. Maar wat gebeurt er precies tijdens een epileptische aanval? Wat doen die overactieve hersencellen precies? En hoe kunnen we dat proces beïnvloeden? Wouter Serdijn, hoogleraar Bioelektronica aan de TU Delft, probeert antwoord op die vragen te krijgen door technologie te onderzoeken en te ontwerpen voor het monitoren, diagnosticeren en behandelen van epilepsie.

Bij een aanval staan alle neuronen tegelijkertijd te springen. Vooral bij grote aanvallen raken ze letterlijk uitgeput.

 

Onderonsje

‘Ken je de band Rage Against The Machine?’, vraagt Wouter. ‘Ik vergelijk epilepsie altijd met hun liedje Killing in the name of. Epilepsiedeskundigen verklaren me voor gek als ik deze vergelijking maak, maar dit is wel wat ik op de signalen zie. Bij het refrein staat iedereen alleen maar tegelijkertijd te springen.’ Bij een aanval gebeurt hetzelfde met de hersenactiviteit. Dat versterkt het signaal, wat de informatie-uitwisseling tot nul reduceert. De epileptische aanval is een feit.

Dat soort aanvallen zorgen voor een flinke daling van de kwaliteit van leven bij patiënten, zegt Wouter. ‘Al die 200 duizend Nederlanders mogen niet autorijden of zware machinerie besturen.’ Bovendien moeten ze constant oppassen tijdens hun dagelijkse bezigheden: ook stress of lichtflitsen kunnen een aanval uitlokken. Medicijnen werken bovendien niet altijd om aanvallen te voorkomen. ‘Vooral bij grote aanvallen gaan de hersencellen gewoon kapot. Ze raken letterlijk uitgeput en sterven af.’ Wouter zoekt daarom vanuit een technologische invalshoek naar oplossingen om het lichaam te helpen bij het voorkomen van die “eigenzinnige onderonsjes” tussen hersencellen.

Wake-upcall

Als hoogleraar Bioelektronica werkt Wouter aan technologie die de interactie aangaat met de elektriciteit in het lichaam, en probeert hij die te meten en te beïnvloeden. Maar voor epilepsie is dat makkelijker gezegd dan gedaan: je hebt er, net als bij een op en neer springende menigte, weinig vat op. De hele hersenschors – het gebied in de hersenen dat informatie ontvangt, interpreteert en analyseert – is bij het proces betrokken, zegt Wouter. ‘Dus wat je wil is een wake-upcall voor die hele hersenschors, die de natuurlijke communicatie herstelt zonder dat je hem stillegt.’

Samen met het Erasmus MC in Rotterdam onderzoekt hij de rol van de kleine hersenen, het cerebellum, als overbrenger van informatie. ‘Het cerebellum is verantwoordelijk voor de motoriek van ons lichaam en vertakt zich tot in alle delen van de hersenen. Die verbindingen kunnen ons helpen bij het sluiten van de lus: nauwkeurig detecteren waar en wanneer een aanval ontstaat, een interventie doen die alle delen van het brein bereikt, en vervolgens het effect meten van die interventie.’

Rocket science met patiënten

Een van die onderzoekers in het Erasmus MC die de brug vormt tussen kliniek en techniek, is Christos Strydis. Hij is een computeringenieur met Delftse roots, die werkt als Universitair docent bij de afdeling Neurowetenschappen. ‘Soms voel ik me net een vertaler,’ zegt Christos. ‘In Rotterdam is er kennis over de werking van de hersenen en de verbindingen tussen de verschillende hersenonderdelen, en in Delft heeft men ruime ervaring met het bouwen van technologische oplossingen.’ Christos moet beide talen spreken. ‘Sommige bioelektronische oplossingen die we bedenken voor de neurowetenschappen zijn geen rocket science, andere zijn dat welWij ingenieurs zouden nooit ervaring met patiënten kunnen opdoen als we in Delft zouden blijven.’

Als wij ingenieurs allemaal in Delft zouden blijven hangen, zouden we nooit ervaring met patiënten hebben.

 

Vanuit dat idee zetten Wouter en Christos samen een platform op, waarbij ze het medische vraagstuk rond epilepsie beantwoorden vanuit ingenieursperspectief. Ze kregen er een beurs voor vanuit Delft Health Initiative. Hun project, ECLEPSys (Ensemble, Closed-Loop, Epilepsy-Prevention System), bestaat uit een prototype voor een sensornetwerk, dat bestaat uit implanteerbare en draagbare sensoren en stimulatoren. De eerste groep meet signalen uit de hersenen, de tweede koppelt een signaal terug het lichaam in. Dat signaal moet de hersencellen op zo’n manier stimuleren dat ze weer in de pas gaan lopen.

‘Het is eigenlijk hartstikke logisch dat neurowetenschappers en ingenieurs samen optrekken,’ zegt Wouter Serdijn. Hij is hoogleraar Bioelektronica aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de TU Delft. Zijn hele wetenschappelijke carrière speelde zich af in Delft: van zijn masterdiploma tot zijn benoeming als hoogleraar. ‘Ik ben een Delftse jongen. Op een bepaalde manier is dat eigenlijk best saai. Maar ik vind het gewoon een geweldige plek.’ Wouter is een van de weinige ingenieurs met een aangeboren interesse in medische technologie. Vanuit zijn expertise in de bioelektronica werkte hij onder andere aan pacemakers, gehoorimplantaten en neurostimulators.

‘Jij noemt het saai, maar je hebt wel al flink wat kilometers op de teller staan,’ zegt Christos Strydis. Hij behaalde zijn masterdiploma Computer Engineering in Griekenland. Zijn carrière in de neurowetenschappen kwam op stoom in Delft, waar hij zijn ingenieursdiploma behaalde en promoveerde. Sindsdien werkt hij als universitair docent op de afdeling Neurowetenschappen bij het Erasmus MC in Rotterdam. Daar vormt hij als ingenieur een brug tussen neurowetenschappen en technologie. Christos kreeg onlangs samen met Wouter een beurs van het Delft Health Initiative voor het uitwerken van het ECLEPSys-project in het kader van Convergence, het samenwerkingsprogramma tussen de TU Delft en het Erasmus MC in Rotterdam.

Zandbak

ECLEPSys behelst het bouwen van een compleet medical body area network (MBAN). Dat is een deels draadloos netwerk van nodes, knooppunten met elk een eigen taak: sensoren, stimulatoren en een computer die de signalen op elkaar afstemt. Een MBAN is doelmatiger dan bestaande technologie, omdat wordt gemeten, bijgestuurd en gerekend op of bij het lichaam. Vooral bij epilepsie kan ECLEPSys daarom een verschil maken, maar Christos denkt groter. ‘Het MBAN kan ook worden toegepast voor de behandeling van andere aandoeningen: hartritmestoornissen, Parkinson, migraine of oorsuizen. We willen laten zien dat het mogelijk is om patiënten te helpen door machine learning en algoritmes toe te passen op biosignalen.’ ECLEPSys moet je zien als een zandbak, waarin ideeën kunnen worden getest. ‘Daarbij kun je denken aan nieuwe sensoren, nieuwe vormen van stimulatie en manieren om data te analyseren. Maar ook dataveiligheid valt binnen dit project.’

Voor epilepsiepatiënten moet ECLEPSys leiden tot een nieuwe behandelmethode, gecombineerd met medicijnen. ‘Mijn verwachting is dat we hiermee epilepsie kunnen onderdrukken of controleren,’ zegt Wouter. ‘Het mooie aan deze vorm van neurostimulatie is dat je het aanzet en dat het dan gelijk werkt. En andersom: dat het direct stopt als je het niet meer wilt. Dat maakt de behandeling persoonlijk en gericht. Zo snel zijn medicijnen nooit: die weten niet waar ze in het lichaam naartoe moeten.’

Werk aan de winkel

Maar zover is het nu nog niet, zegt Wouter. ‘We hebben wel al een systeem dat epileptische aanvallen kan detecteren en onderdrukken, maar dat werkt alleen nog bij muizen. Hun cerebellum heeft veel overeenkomsten met dat van een mens.’ Door de hersengolven te meten en het cerebellum te stimuleren, konden Wouter en Christos een epileptische aanval elders in de hersenen onderdrukken. Daarmee is aangetoond dat het principe werkt, zegt Wouter. ‘We konden binnen 0,4 seconden detecteren dat er een aanval aankwam en hem de kop indrukken.’

Maar voordat patiënten met epilepsie weer veilig achter het stuur kunnen kruipen, is er nog een hoop werk aan de winkel. Zo is het energiebeheer van de sensoren en stimulatoren nog niet optimaal. Bovendien is de techniek die Wouter en Christos gebruiken nog niet vrijgegeven voor mensen. ‘Ons systeem is nog geen netwerk. We werken aan andere manieren om signalen in de hersenen te krijgen. En in plaats van hersenfilmpjes werken we aan andere soorten feedback. We weten dat het lichaam signalen geeft voordat een aanval begint: zweten, verwijde pupillen of een verhoogde hartslag. Die informatie moeten we leren gebruiken.’

Er is bij patiënten een grote variabiliteit. Dat vraagt om een andere aanpak.

 

Vertalen

Voordat Wouter en Christos het systeem bij patiënten kunnen testen, willen ze het eerst zo efficiënt mogelijk maken. De samenwerking tussen Rotterdam en Delft is daarbij essentieel: het realisme van de medische experts in Rotterdam houdt de Delftse ingenieurs met hun getting things done-mentaliteit in toom. ‘Zonder contact met het Erasmus zouden we nooit zover zijn,’ zegt Wouter. ‘Ingenieurs geloven heilig in de kracht van de herhaling. Als we iets twee keer hetzelfde maken, moet het ook hetzelfde werken. Maar bij patiënten gaat dat principe niet op. Er is een grote variabiliteit tussen patiënten, zelfs bij dezelfde patiënt op andere tijdstippen. Dat vraagt om een andere aanpak.’

Bovendien gaat het niet alleen om de techniek, vult Christos aan. ‘Als je dit naar mensen brengt, moet je eerst discussies voeren over ethiek en kwaliteit van leven. Je kunt hersenactiviteit niet overal op het lichaam meten. Wil je een patiënt wel opzadelen met allerlei sensoren op zijn hoofd?’ Toch denkt Wouter dat de techniek achter ECLEPSys binnen afzienbare tijd te vertalen is naar de mens. ‘Met broddelwerk kun je niet bij mensen aankomen. Maar ik ben optimistisch. Als we epileptische aanvallen kunnen voorspellen met de juiste signalen, kunnen we de lus sluiten. Dan hebben we de techniek binnen drie jaar wel klaar.’

Tekst: Koen Scheerders | Portretfoto: Mark Prins

How smart sensors can prevent epilepsy

In Delft and Rotterdam, Wouter Serdijn and Christos Strydis are collaborating on a network of sensors and stimulators for the body. By picking up signals and sending the brain a rapid wake-up call, they hope to be able to predict and prevent epileptic fits. ‘If we can close the loop, we’ll have the technology ready within three years.’

Epilepsy is a collective name for disorders of the brain caused by a change in the brain cells’ electrical activity. These neurons suddenly become overactive, firing their electric signals uncontrollably. This sometimes results in a ‘short-circuit’: seizures where a patient loses consciousness or has involuntary muscular spasms. For the more than 200,000 Dutch people with epilepsy, this can be very dangerous. But what exactly happens during an epileptic fit? What exactly do the overactive brain cells do? And how can we influence that process? Wouter Serdijn, Professor of Bioelectronics at TU Delft, is trying to answer these questions by researching and designing technology for monitoring, diagnosing and treating epilepsy.

In a fit, all the neurons start jumping at the same time. In major seizures especially, they literally become exhausted.

 

Get-together

‘Do you know the band Rage against the Machine?’ asks Wouter. ‘I always compare epilepsy to their song Killing in the name of. Epilepsy experts say I’m mad for making the comparison, but that’s what the signals remind me of. In the chorus, everyone’s jumping all over the place.’ That’s what happens with brain activity during a seizure. It amplifies the signal, reducing the exchange of information to zero. The result is an epileptic fit.

That kind of seizure can really affect patients’ quality of life, says Wouter. ‘All of those 200,000 Dutch people are prohibited from driving or using heavy machinery.’ They also need to exercise constant caution in their day-to-day lives: stress or flashes of light can trigger a seizure. In addition, drugs are not always successful in preventing seizures. ‘In major seizures, the brain cells simply break down. They literally become exhausted and die.’ Wouter is therefore applying a technological perspective in his search for solutions that could help the body prevent these “wayward get-togethers” between brain cells.

Wake-upcall

As Professor of Bioelectronics, Wouter is working on technology that interacts with the electricity in the body, attempting to measure and influence it. But, for epilepsy, that’s easier said than done: just like with the crowd jumping up and down, you have little control over it. The entire cerebral cortex – the area of the brain that receives, interprets and analyses information – is involved in the process, says Wouter. ‘So, what you need is a wake-up call for the whole cerebral cortex that can restore normal communication without bringing it to a standstill.’

Together with the Erasmus MC in Rotterdam, he is conducting research into the role of the cerebellum in conveying information. ‘The cerebellum regulates the body’s motor movements and it branches into all parts of the brain. These connections can help us to close the loop: accurately detecting where and when a seizure develops, making an intervention that can reach all parts of the brain and then measuring the effect of that intervention.’

Rocket science with patients

Christos Strydis is one of the researchers of Erasmus MC who is bridging the gap between the clinic and the technology. A computer engineer with roots in Delft, he works as an assistant professor in the Neurosciences department. ‘I sometimes feel like a translator,’ says Christos. ‘In Rotterdam, there’s a lot of knowledge about brain function and how the different parts of the brain interconnect and the people in Delft have a lot of experience in building technological solutions.’ Christos has to speak both languages. ‘Some of the bioelectronic solutions we devise for neurosciences are not rocket science, but others are. If we stayed in Delft, we engineers would never be able to gain experience with patients.’

If we engineers all stayed in Delft, we would never have experience with patients.

 

With that in mind, Wouter and Christos are setting up a platform to explore the medical issues surrounding epilepsy from an engineering perspective. They have received a grant from the Delft Health Initiative for their work. Their project ECLEPSys – Ensemble, Closed-Loop, Epilepsy-Prevention System – consists of a prototype for a sensor network made up of implantable and wearable sensors and stimulators. The first group measures signals from the brain and the second links a signal back into the body. The idea is that the signal should stimulate the brain cells in such a way that they revert back to normal.

‘It’s actually totally logical for neuroscientists and engineers to join forces,’ says Wouter Serdijn. He is Professor of Bioelectronics in TU Delft’s Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science. He has spent his academic career in Delft: from his Master’s degree to his appointment as professor. ‘I’m a Delft boy. In some ways that’s actually quite boring. But I just think it’s an amazing place.’ Wouter is one of the few engineers with an innate interest in medical technology. He applies his expertise in bioelectronics to his work on such areas as pacemakers, hearing implants and neurostimulators.

‘You call it boring, but you have quite a few miles on the clock,’ says Christos Strydis. He did his Master’s degree in Computer Engineering in Greece. His career in neurosciences took off in Delft, where he qualified as an engineer and completed a doctorate. Since then, he has worked as an assistant professor in the Neurosciences department at Erasmus MC in Rotterdam. As an engineer there, he forms a bridge between neurosciences and technology. Together with Wouter, Christos was recently awarded a grant by the Delft Health Initiative to develop the ECLEPSys project as part of Convergence, the joint programme of TU Delft and Erasmus MC in Rotterdam.

Sandpit

ECLEPSys involves building a complete medical body area network (MBAN). This is a partly wireless network made up of nodes, each with its own task: sensors, stimulators and a computer that coordinates the signals with each other. An MBAN is more effective than existing technology because it is measured, adjusted and calculated on or next to the body. ECLEPSys can therefore make a difference in epilepsy in particular, but Christos has even bigger ideas. ‘The MBAN could also be used to treat other disorders: heart arrhythmia, Parkinson’s, migraine or tinnitus. We aim to demonstrate that it is possible to help patients by applying machine learning and algorithms to biosignals.’ ECLEPSys can be compared to a sandpit, where ideas can be tested. ‘Examples could include new sensors, new forms of stimulation and ways of analysing data. But the project also encompasses data security.’

For epilepsy patients, it is hoped that ECLEPSys will bring about a new treatment method, combined with drugs. ‘I expect that this will enable us to suppress or control epilepsy,’ says Wouter. ‘The great thing about this type of neurostimulation is that you just switch it on and it works immediately. And vice-versa: you stop if you no longer want it. That makes treatment personal and targeted. Drugs can never be so fast: they don’t know where in the body they’re supposed to go.’

Work to be done

But that is still some way off, says Wouter. ‘We already have a system that can detect and suppress epileptic fits but it only works with mice at the moment. Their cerebellum is very similar to that of humans.’ By measuring brainwaves and stimulating the cerebellum, Wouter and Christos were able to suppress an epileptic fit elsewhere in the brain. That demonstrates that the principle works, says Wouter. ‘We were able to detect that a fit was coming within 0.4 seconds and stop it.’

But before epileptic patients can start driving again, there’s still a lot of work to be done. The energy management of the sensors and stimulators requires improvement, for example. The technique that Wouter and Christos are using has still not been cleared for use on humans. ‘Our system is still not a network. We’re working on other ways of getting signals into the brain. Instead of EEGs, we’re working on different types of feedback. We know that the body sends signals before a fit starts: sweating, dilated pupils or an increased heartbeat. We need to learn to use that information.’

There is significant variability between patients. That calls for a different approach.

 

Translating

Before Wouter and Christos can use the system on patients, they aim to make it as efficient as possible first. The collaboration between Rotterdam and Delft is essential in this: the realism of the medical experts in Rotterdam keeps the Delft engineers and their get-things-done mentality in check. ‘We would never have made such progress without our contact with Erasmus,’ says Wouter. ‘Engineers believe in the power of repetition. If we make something twice the same way, it also needs to work the same way. That principle does not work on patients. There is significant variability between patients, and even in the same patient at different times. That calls for a different approach.’

Besides that, it’s not only about the technology, adds Christos. ‘Before rolling this out to more people, you have to discuss such issues as ethics and quality-of-life. You cannot measure brain activity everywhere in the body. Do you really want to burden a patient with all kinds of sensors on his head?’ Despite this, Wouter thinks that the technology behind ECLEPSys can be translated for human use within the foreseeable future. ‘You cannot apply substandard work on people. But I’m still optimistic. If you can predict epileptic fits with the right signals, we can close the loop. Then we’ll have the technology up-and-running within three years.’

Text: Koen Scheerders | Portrait photo: Mark Prins

Het medicijn van de toekomst slik je maar één keer en is bio-elektronisch | BNR Nieuwsradio

Door Karlijn Meinders

Deze hele week bespreken we ontwikkelingen in de geneeskunde. Met vandaag kleine elektronische apparaatjes, die precies weten wanneer het lichaam wat nodig heeft: als het aan onderzoekers ligt duurt het niet lang meer of dit slimme persoonlijke medicijn van de toekomst is realiteit. Je kunt het vergelijken met een pacemaker, maar dan flink wat kleiner. Een apparaatje dat zenuwcellen stimuleert om mensen van klachten af te helpen. Parkinson wordt zo al deels behandeld, maar in de toekomst moet dit ook werken voor iets als migraine, autisme, depressie of epilepsie.

De grootste uitdagingen zitten hem nog in het materiaal en formaat van het apparaatje en de benodigde stroomvoorziening, maar de ontwikkelingen gaan hard. Zo zou dit mini-pacemakertje dat veilig in de hersenen geplaatst kan worden straks wel eens draadloos opgeladen kunnen worden door iets dat in je oorbel, aan een ketting of onder een petje past.

In deze audio hoor je onderzoeker Wouter Serdijn van de TU Delft. Lees hier meer over zijn onderzoek.

Twelve new Medical Delta projects

Medical Delta, the collaboration between TU Delft, Leiden University, LUMC and Erasmus MC Rotterdam, started 12 new projects to develop solutions for sustainable healthcare.

The programmes combine the knowledge and expertise of three universities and two university medical centres to address important societal healthcare challenges such as dementia, helping the elderly stay mobile as long as possible, and the regeneration of tissues with stem cells. They will receive almost EUR 400,000 each. Delta spoke to six of the Delft scientists involved.

Neurodelta
Professor Wouter Serdijn of the Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science is involved in two of the projects. The first is called NeuroDelta: Ambulant Neuromonitoring for Prevention and Treatment of Brain Disease. Brain disorders that involve multiple brain regions are notoriously difficult to treat and impose a huge burden on society. Examples are migraine and autism. The NeuroDelta Consortium will try to tackle these disorders.

Wouter Serdijn: “We will develop a first-of-a-kind arrhythmia-on-a-chip model.” (Photo: Sam Rentmeester)

“One of the main problems is that many patients suffering from these brain disorders are diagnosed relatively late. In the current project, we will develop and evaluate a system for mouse models suffering from these types of disorders, paving the way for clinical applications. More specifically, we will develop a device that will allow us to monitor and modulate activity simultaneously in multiple brain regions of freely-moving animals. This will lead to a better understanding of network phenomena in the brain and the development of better treatment modalities for two disorders that lead to deficits in individual and social behavior: migraine and autism.”

The second project Serdijn works on is the Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab.

Heart arrhythmia is a group of conditions in which the heartbeat is irregular, too fast, or too slow. The mission of the Medical Delta Cardiac Arrhythmia Lab is to decrease the cardiac arrhythmia burden by providing patient-tailored therapy. “To this end, we plan to design and test novel bio-electronic diagnostic tools. We will develop a first-of-a-kind arrhythmia-on-a-chip model to study arrhythmia mechanisms, identify novel therapeutic targets and test innovative therapies.”