Mens-Machine-interface stopt spiertrilling

Het geminiaturiseerde spierimplantaat, bestaande uit elektrodecontacten en elektronica, is slechts drie centimeter lang en nauwelijks een millimeter dik. Een siliconenbuis wordt gebruikt om het implantaat na het experiment te verwijderen. © Fraunhofer IBMT / The miniaturized muscle implant, consisting of electrode contacts and electronics, is just three centimeters long and barely one millimeter thick. A silicone tube is used to extract the implant after the experiment. © Fraunhofer IBMT

De basisstructuur van het intelligente draadloze netwerk van sensoren en actuatoren. Het bestaat uit geïnjecteerde elektroden, externe textielektroden en controllers. © Department of Information and Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Spanje / Werkingsprincipe van het intelligente draadloze netwerk van sensoren en actuatoren, bestaande uit geïnjecteerde elektroden, externe textielektroden en controllers. © Department of Information and Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Spanje

Wetenschappers van het Fraunhofer-Instituut voor Biomedische Technologie IBMT hebben samen met internationale partners een technologische platform ontwikkeld dat mensen met spiertrillingen in de toekomst kan helpen om de tremor te stoppen. Kleine biocompatibele elektroden in de musculatuur vormen samen met externe elektroden en controllers een intelligent netwerk van sensoren en actuatoren dat spier-signalen detecteert en indien nodig elektrische stimuli afgeeft. In combinatie met exoskeletten zou de technologie ook mensen met ruggenmergletsel kunnen ondersteunen.

Een compacte controller aan de riem of onder het jasje, een paar onopvallende textielektroden aan armen en benen en elektroden van drie centimeter lang en ongeveer een millimeter dik, die in de spier worden geplaatst – meer is niet nodig om mensen met tremorziekten in de toekomst te helpen. Elke keer wanneer het spiertrillen begint, stuurt het systeem elektrische stimuli naar de musculatuur, die door het zenuwstelsel worden geregistreerd. Het zenuwstelsel stopt vervolgens met het sturen van storingssignalen naar de spieren en deze kalmeren weer. Dit is het basisidee achter de technologie, waarvoor wetenschappers van het Fraunhofer IBMT samen met partners een set van intramusculaire en externe elektroden, evenals de bijbehorende controller, hebben ontworpen, vervaardigd, geïntegreerd en getest in experimenten.

De wetenschappers kunnen al concrete successen voorleggen. »In proeven met patiënten is het ons gelukt om het spiertrillen aanzienlijk te verminderen«, legt Andreas Schneider-Ickert uit, projectleider Actieve Implantaten en Innovatiemanager.

Het systeem maakt deel uit van het door de EU gefinancierde samenwerkingsproject »EXTEND«. In totaal ontwikkelen negen projectpartners uit vijf landen gezamenlijk een veelzijdig inzetbaar platform van gedistribueerde neuronale interfaces. De technologie kan in de toekomst mensen met neuromusculaire aandoeningen zoals tremor of ook verlammingsverschijnselen helpen. Zelfs mensen met ruggenmergletsel zouden hiervan kunnen profiteren. De techniek verbindt de geïmplanteerde elektroden via externe controllers tot een intelligent netwerk. De componenten communiceren draadloos met elkaar, wisselen gegevens uit, detecteren spier-signalen en sturen gerichte stimuli naar de musculatuur. De stimulatie via geïmplanteerde systemen bestaat al in de geneeskunde. Maar tot nu toe gaan deze methoden gepaard met complexe chirurgische ingrepen die voor patiënten een aanzienlijke belasting betekenen.

Implantaten voor de mens-machine interface

Een centraal element van EXTEND zijn de implantaten. Deze zijn gemaakt van biocompatibel platina-iridium en siliconen. Via een katheter worden ze in de spier geïnjecteerd. Het kleine implantaat, dat drie centimeter lang is en bijna een millimeter dik, beschikt aan beide uiteinden over een elektrode die telkens als sensor of actuator fungeert. Het module wordt via externe elektroden, die in textielbanden zijn geweven, van energie voorzien. Deze leveren pulserende wisselstroom door het spierweefsel aan het implantaat. »Innovatief is niet alleen de slimme samenwerking tussen besturingselektronica, sensoren en actuatoren, maar ook het principe om de wisselstroom te moduleren om gegevens over te dragen«, legt Schneider-Ickert uit.

Eenmaal geïmplanteerd en in werking gesteld, registreren de sensoren de eerste tekenen van spiertrillingen en geven deze informatie door aan de externe componenten. De controller verwerkt de gegevens en stuurt via de textielektroden signalen voor de stimulatie van de musculatuur. De zo gesloten regelkring van slim verbonden sensorische en activerende componenten werkt tegen de tremor.

Het stimulerende signaal is echter niet krachtig genoeg om direct een contractie in de spier uit te lokken. In plaats daarvan speelt het zenuwstelsel hier de beslissende rol. Het registreert de stimulatie in het spierweefsel en reageert daarop door de commando's aan te passen die het spiertrillen veroorzaken. Althans, dat is de theorie, want de relatie tussen tremor en de signalen van het zenuwstelsel is tot in detail nog niet volledig onderzocht. »Onze methode werkt echter verbazingwekkend goed in klinische proeven. De eerste tests hebben aangetoond dat het voldoende is om de patiënt een of twee uur stimuli te geven om de tremor-symptomen voor een langere periode te verminderen«, zegt Schneider-Ickert.

Aangezien tremor vaak aan beide armen en benen optreedt, kunnen in alle getroffen spiergroepen implantaten worden geïnjecteerd en externe textielektroden worden geplaatst. Zo ontstaat een gedistribieerd sensornetwerk. De controllers houden alle geïmplanteerde en externe elektroden gelijktijdig in de gaten en kunnen deze op elkaar afstemmen en aansturen. Dit alles gebeurt in real-time, zonder dat de persoon een vertraging ervaart.

De technologie van het samenwerkingsproject EXTEND is net zo functioneel als klassieke implantsystemen, maar slechts minimaal invasief en daardoor gemakkelijker te accepteren en geschikt voor dagelijks gebruik. Het basisconcept komt van een Spaanse projectpartner. Op basis hiervan hebben de onderzoekers van het Fraunhofer IBMT de elektroden en implantabele componenten ontworpen, in hun eigen cleanroom vervaardigd en geïntegreerd. De wetenschappers kunnen terugkijken op meer dan 25 jaar expertise op het gebied van neuroprothetik en actieve implantaten.

Exoskeletten tegen dwarslaesies

Voor tremorpatiënten betekent EXTEND de hoop op een duidelijke verlichting van de symptomen. Maar de technologische platform zou ook mensen met ruggenmergletsel kunnen helpen door middel van gemotoriseerde exoskeletten. Dit is mogelijk omdat de zenuwbanen bij verlammingen vaak niet volledig doorgesneden zijn. Ze geleiden nog steeds, zij het heel zwak, stimuli van de hersenen door. De sensoren registreren de activiteit en sturen deze door naar de controller. Die analyseert alle signalen, bepaalt welke beweging de persoon wil uitvoeren en activeert vervolgens precies die prothesen die de musculatuur ondersteunen bij het uitvoeren van de beweging.

Na de eerste succesvolle tests zijn de in EXTEND gebruikte concepten en technologieën voortdurend verder ontwikkeld, geminiaturiseerd en geoptimaliseerd, en zijn aanvullende implementatiestudies uitgevoerd. Daarmee kon het project worden afgesloten met een succesvolle proof of concept van het miniaturiseerde geïntegreerde totaal-systeem bij mensen. Het Fraunhofer IBMT zal de in EXTEND opgedane kennis gebruiken om zijn expertise op het gebied van neuromusculaire en neuronale interfaces verder uit te bouwen.