Draadloze energie laat blinden weer zien
Tom van Nunen verdedigde op 8 februari 2023 zijn proefschrift aan de faculteit Electrical Engineering.
Wereldwijd zijn er meer dan 43 miljoen blinde mensen. In de afgelopen 30 jaar is dat aantal met ongeveer de helft toegenomen. De meeste blinden kunnen vanaf de geboorte wel zien, maar verliezen hun zicht pas op latere leeftijd, door een medische oorzaak of een ongeval. Vaak kan de visuele cortex in de hersenen nog steeds elektrische signalen interpreteren, maar zijn de ogen of de verbinding tussen de ogen en de hersenen beschadigd of verloren gegaan. Het is mogelijk om een vorm van gezichtsvermogen te herstellen door met een implantaat de visuele cortex de juiste elektrische prikkels te geven. Promovendus Tom van Nunen heeft een systeem ontworpen voor draadloze energieoverdracht dat veilig en betrouwbaar verbinding maakt met het implantaat en daarnaast een prototype ontwikkeld.
Optische informatie wordt door de ogen opgevangen en via neuro-elektrische signalen naar de visuele cortex in de hersenen gestuurd. Het interpreteren van deze input is wat mensen ervaren als zien. Het is bekend dat zelfs volledig blinde mensen bepaalde visuele signalen kunnen waarnemen wanneer hun cortex gestimuleerd wordt met elektrische signalen.
Door een externe beeldbron, zoals een camera, te verbinden met de geïmplanteerde elektroden in de visuele cortex, kan een blinde met deze visuele stimuli een ruwe vorm van zicht ervaren.
Het NESTOR-project, waarvan het onderzoek van Van Nunen deel uitmaakt, heeft het maken van een dergelijke visuele prothese als doel. Het hersenimplantaat dat het team momenteel ontwikkelt, bevat onder meer systemen voor draadloze gegevensoverdracht, aansturing van de elektroden en draadloze energieoverdracht.
Draadloze verbinding
In zijn promotieonderzoek richtte Van Nunen zich op de ontwikkeling van de draadloze verbinding tussen het invoerapparaat en het implantaat. Een draadloze verbinding is veel comfortabeler, flexibeler en veiliger voor de gebruiker van het implantaat, maar de vraag is: zijn ze stabiel en krachtig genoeg?
Miniaturisatie is een voortdurende ontwikkeling in de wereld van medische implantaten. Niet alleen worden bestaande toepassingen hierdoor kleiner (~1 mm3), wat diverse voordelen heeft voor de drager van het implantaat in termen van comfort. Het vermindert ook de medische complexiteit van het inbrengen van de implantaten in het lichaam. Dit maakt de implantaten echter te klein om hun eigen krachtbron zoals batterijen te bevatten. Daarom moeten de implantaten worden gevoed via een draadloze verbinding.
Eerder onderzoek dat de efficiëntie van draadloze energieoverdracht beschrijft, suggereert dat de overdracht optimaal is bij GHz-frequenties voor een implantaat van enkele millimeters groot dat op een diepte van enkele centimeters in het lichaam is geplaatst. Deze techniek wordt Mid-field Wireless Powertransfer (MF-WPT) genoemd. Daarbij vindt de vermogensoverdracht plaats door middel van voortplantingsgolven in plaats van inductie.
Modellering van optimale vermogensoverdracht
Toch blijft de verwachte efficiëntie van draadloze vermogensoverdracht naar miniatuurimplantaten vrij laag. Via een alternatieve benadering ontdekte Van Nunen dat het maximaliseren van het ontvangen vermogen betere resultaten geeft, dan het maximaliseren van de efficiëntie om het gewenste resultaat te bereiken. Om de meest geschikte frequenties te bepalen, gebruikte hij twee analytische modellen om de elektromagnetische velden te berekenen.
In zijn proefschrift beschrijft hij hoe hij de modellen heeft uitgebreid om de specifieke absorptiesnelheid (SAR-rate) van elektromagnetische straling in het menselijk lichaam, het ontvangen vermogen en het totale vermogensverlies in het weefsel te berekenen.
De berekende gegevens zijn te gebruiken om het maximale zendvermogen te bepalen zodat de SAR-veiligheidsgrenzen niet worden overschreden. Het blijkt dat zowel het hoogste ontvangen vermogen als de hoogste overdrachtsefficiëntie worden gevonden bij 10 kHz, een veel lagere frequentie dan door eerder onderzoek werd gesuggereerd.
Biomedische fantomen
Om zijn bevindingen te valideren, gebruikte hij zogenaamde biomedische fantomen, die specifieke eigenschappen van echt menselijk weefsel nabootsen. Daarbij lette hij erop dat hij materialen maakte waarvan de diëlektrische eigenschappen in het juiste bereik liggen en die gedurende langere tijd constant blijven.
Van Nunen biedt verschillende fantoomrecepten die gebaseerd zijn op gemakkelijk verkrijgbare ingrediënten, zoals water, suiker en zout, en die in een gewone keuken gemaakt kunnen worden. Bovendien blijven de eigenschappen van de fantomen die hij aanbiedt minstens tien dagen vrijwel constant, waardoor ze zeer geschikt zijn voor zijn experimenteel onderzoek.
Zelfgemaakte sensor
De fantomen die hij ontwikkelde en beschreef zijn homogene materialen. Het menselijk lichaam is echter niet homogeen. In sommige gevallen kan het nodig zijn andere details toe te voegen om de plaats van een implantaat in het lichaam beter na te bootsen. De aanwezigheid van onze schedel en tanden kan bijvoorbeeld van invloed zijn op de manier waarop elektromagnetische golven zich verplaatsen tussen het externe apparaat en het implantaat.
Een mogelijke benadering is het toevoegen van kunstmatige botten aan het fantoom, bijvoorbeeld gemaakt met 3D-printtechnologie. Met behulp van een goedkope zelfgemaakte sensor kon Van Nunen de diëlektrische eigenschappen meten van verschillende commercieel verkrijgbare 3D-printbare filamenten.
Sommige van deze materialen hebben diëlektrische eigenschappen die voor bepaalde frequentiebanden dicht bij die van bot liggen, en kunnen dus worden gebruikt in biomedische experimenten.
Titel proefschrift: Wireless Power Transfer for Implantable Medical Devices. Begeleiders: Huib Visser, Mark Bentum en Rob Mestrom.
Media Contact
Meer over gezondheid
Het laatste nieuws
