Category Archives: pacemakers

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.’

Slimme contactlenzen en andere medische gadgets in je lijf

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

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

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

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

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.

Elektroceutica: elektronische medicijnimplantaten voor in je hoofd

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

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

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

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

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

Slimme stroomstootjes als medicijn

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

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

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

Chips met een luisterend oor

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

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

Fijnregelen met schokjes

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

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

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

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

Can heart beats really power cardiac pacemakers?

Baron von Munchausen

Today, I received a link (http://tweakers.net/nieuws/85353/hartslag-kan-pacemaker-van-stroom-voorzien.html) from Marijn, honorary member of the Biomedical Electronics Group, in which it is mentioned that researchers have found a way to harvest enough energy from a piezo-electric transducer so that a cardiac pacemaker can be powered from the heart itself. This would render the bulky batteries in the pacemakers unnecessary and the pacemaker thus does not have to be replaced after a couple of years because of a depleted battery.

I have two concerns about this. First, there is a kind of “Baron-von-Munchausen” effect. Baron von Munchausen was an 18th-century German nobleman, who, according to Rudolf Erich Raspe’s story The Surprising Adventures of Baron Munchausen, pulls himself out of a swamp by his hair (specifically, his pigtail). Now, let’s suppose that a pacemaker, equipped with a piezo-electric energy harvester to power the pacemaker, for no particular reason, fails to operate and the heart stops its precious beating, what will then power up the pacemaker again to make the beat again? Scary thought, isn’t it?

Second concern is of another nature. Pacemakers are usually replaced, not because the battery has depleted, but simply because a next generation pacemaker can provide a better therapy to the patient. As a side note, uncomfortable but true, current pacemakers (and thus also the batteries included therein) on average live longer than their owners. Hopefully this latter aspect will change for the better soon.

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

Wilson Greatbatch, co-inventor of the pacemaker, has died at the age of 92

Wilson Greatbatch

Tuesday 27th of September, the co-inventor of the pacemaker, Wilson Greatbatch, died at the respectable age of 92 years. With the invention of the pacemaker as first implantable medical device, he created the basis of modern implantable medical devices used today. He is also founder of the Greatbatch company which put a lot of effort into the improvement of battery lifetime for implants. I believe that for many of the modern engineers he has been a great and inspiring person.

Cees-Jeroen

Be gentle to the heart, otherwise you’ll lose it

Researchers at the Max Planck Institute and Cornell University have come up with a low-energy pulse sequence to
restart hearts and make implants last longer is what we can read in IEEE Spectrum today. Other advantages of using a train (a burst) of pulses instead of using a single (tonic) pulse are that defibrillation becomes less painful to the patient and is less likely to evoke fibrillation elsewhere in the heart. The new therapy still has to be tested on patients, though. 

From this, it is only a small step towards realizing that other types of tissue should be stimulated with burst-like or even more exotic yet gentle pulses, too. In the Biomedical Electronics Group of Delft University of Technology, we’re working on interfacing with the brain in a more natural manner. Stay tuned…

Wouter

Smaller can be better

After the 2011 edition of ELCA Music Festival, I was dragged (by some mysterious power) deep into the idea that came to my mind around three years ago. At that time, I was trying to simultaneously linearize and reduce a transconductance of a Gm cell (VI converter circuit) for very low frequency biomedical filtering. The linearization and transconductance reduction were successful but the success came prices that I needed to pay:

  1. circuit complexity which is really unfriendly to weak inversion CMOS.
  2. more current consumption which was not surprising. It was very well in line with the circuit complexity. 
  3. more noise contribution (this was also a good friend with circuit complexity).

When I looked into the dynamic range of my design, it was not improved that much from that of an ordinary differential pair circuit (even so the paper was published [1] :). Then I got an idea that ‘instead of inventing a sophisticated linearization technique to obtain larger dynamic range, trying to use as less as possible noisy circuit elements and forget about linearization are more reasonable for biomedical signal processing which requires a good deal of power reduction’. The idea was left there since then for two reasons: I had other jobs to do and the idea seemed too sloppy.

Let me tell you more about the mysterious power. Several times we did rehearsals before the ELCA festival. I was in charge of acoustic guitar and harmonica for the song called ‘The end of the world’ http://www.youtube.com/watch?v=KmnKCE99sYE. Playing two instruments at the same time made me tired and it did not make a good harmony as expected. So I stopped playing the guitar and exercised only the harmonica (of course combined with the piano from Wouter, the electric guitar of Mark and Wannaya’s voice (I could not find this song on our Youtube channel — don’t know why). The song turned out better than before and this reminded me of that sloppy idea!!!

I did an investigation and found that there are strong evidences supporting my idea founded in low-pass filter design [2] [3]… It works!!! Large dynamic range was achieved as well as a very good figure of merit. Although the above filters were dedicated to communication systems rather than for low frequency biomedical signals, the underlying concept of the filter should be applicable for biomedical signal as well. Only a bit more effort was needed to work it out.

Good news!!! Recently, with the help from Senad, who has become 22 years old today — the same as me :). Happy Birthday!!!— my sloppy idea was realized. A 6th-order ECG low-pass filter with a large dynamic range of 59dB and extremely low power consumption of 0.45nW has been designed. We plan to submit this work to BioCAS2011. Hopefully, the reviewers will like it, too.

More good news!!! The application is not limited to low-pass filters only. I’m developing this idea further to apply it for a cochlear channel band-pass filter. What I can say now from the circuit simulations is that the filter provides the best figure of merit compared to state of the art designs. The secret is that all terminals of a single MOSFET device are being used, one pole and one zero are achieved by only two transistors sharing the same bias current.

Next time, I will tell you more about this. Stay tuned if you are interested!!!

Healthy Haring is coming. I heard from Marijn that this year, since the weather is warm, the fish is growing bigger. See you in the Pub this coming Thursday for Harings and Beers 😀

June

[1] C. Sawigun, D. Pal and A. Demosthenous, “A wide linear range transconductor subthreshold transconductor for sub-Hz filtering,” Proc. IEEE ISCAS, pp.1567-1570, 2010

[2] D. Python, A. S. Porret and C. Enz, “A 1V 5th-order Bessel filter dedicated to digital standard proceses,” Proc. IEEE CICC, pp. 505-508, 1999

[3] S. D’Amico, M. Conta and A. Baschirotto, “A 4.1mW 10MHz fourth-order source-follower-based continuous-time filter with 79-dB DR,” IEEE J. Solid-State Circuits, pp. 2713-2719, Dec. 2006