Wetenschappers van het Fraunhofer Instituut voor Biomedische Technologie IBMT hebben met internationale partners een technologieplatform ontwikkeld dat de symptomen van spiertrillingen (tremors) kan helpen verlichten. De oplossing bestaat uit kleine biocompatibele elektroden die in de spieren geplaatst worden, externe elektroden en controllers. Die vormen samen een intelligent netwerk van sensoren en actuatoren om tremors te detecteren met behulp van elektrostimulatie te stoppen.
Deze zogenoemde mens-machine-interface om spiertrillingen tegen te gaan, is al met succes getest. In de praktijk bleek het systeem de spiertrillingen inderdaad te kunnen verminderen. Een van de pluspunten van de vinding is dat het systeem relatief compact is. De controller is compact genoeg om in een riem of onder een jas te plaatsen.
Verder zijn de elektroden die in de spieren geplaatst worden slechts drie centimeter lang en amper een millimeter dik. Daarnaast moeten patiënten ook enkele zogenoemde textielektroden op hun armen en benen plaatsen. "We zijn erin geslaagd spiertrillingen aanzienlijk te verminderen in proeven met patiënten", legt Andreas Schneider-Ickert, projectmanager voor actieve implantaten en innovatiemanager, uit.
Neuromusculaire aandoeningen
Het systeem is onderdeel van het door de EU gefinancierde project "EXTEND". Negen projectpartners uit vijf verschillende landen werken daarin samen om een veelzijdig platform van neurale interfaces te ontwikkelen. De technologie zal mensen met neuromusculaire aandoeningen, zoals tremoren of symptomen van verlamming, kunnen helpen.
De technologie maakt gebruik van externe controllers om de geïmplanteerde elektroden te koppelen tot een intelligent netwerk. De componenten communiceren draadloos met elkaar, wisselen gegevens uit, detecteren spiersignalen en sturen gerichte prikkels de spieren in. Geïmplanteerde systemen worden al medisch gebruikt om stimulatie te geven, maar de huidige methoden vereisen complexe chirurgische ingrepen die aanzienlijk stressvol zijn voor patiënten.
EXTEND Implantaten
Een sleutelelement van EXTEND zijn de implantaten. Die worden gemaakt van biocompatibel platina-iridium en siliconen. Via een katheter worden deze implantaten in de spier geïnjecteerd. He implantaat heeft een elektrode aan elk uiteinde die functioneert als een sensor of een actuator. Externe elektroden die in een textiellint zijn genaaid, voorzien de module van energie. Deze stuurt gepulseerde wisselstroom door het spierweefsel naar het implantaat.
"Het innovatieve hieraan is niet alleen het intelligente samenspel tussen besturingselektronica, sensoren en actuatoren, maar ook het principe van het moduleren van de wisselstroom om gegevens over te dragen", legt Schneider-Ickert uit.
Spiertrillingen detecteren en stoppen
Eenmaal geïmplanteerd en gestart, registreren de sensoren de eerste tekenen van spiertrillingen en geven deze informatie door aan de externe componenten. De controller evalueert de gegevens en stuurt signalen door de textielelektroden om de spier te stimuleren. Dit sluit een regelcircuit van intelligent genetwerkte sensor- en actuatorcomponenten die de trillingen tegengaan.
Het signaal van de prikkel is echter niet sterk genoeg om direct een spiercontractie op gang te brengen. Het zenuwstelsel speelt daarbij de doorslaggevende rol. Deze registreert de stimulatie in het spierweefsel en reageert door de commando's die de spiertrilling veroorzaken te stoppen. Dat is tenminste de theorie - de fijnere details van de relatie tussen tremoren en signalen van het zenuwstelsel moeten nog worden onderzocht.
“In klinische proeven werkt onze methode echter verbazingwekkend goed. Eerste proeven hebben aangetoond dat het voldoende is om de patiënt gedurende een of twee uur prikkels te geven om tremorsymptomen gedurende een langere periode te verminderen”, zegt Schneider-Ickert.
Omdat tremoren vaak in beide armen en benen voorkomen, kunnen implantaten worden geïnjecteerd en kunnen externe textielelektroden in alle aangetaste spiergroepen worden geplaatst. Hierdoor ontstaat een gedistribueerd sensornetwerk. De controllers kunnen alle geïmplanteerde en externe elektroden tegelijk volgen en in afstemming met elkaar aansturen. Dit gebeurt allemaal in realtime, waarbij de persoon geen enkele vertraging ondervindt.
Uitkomst voor dwarslaesie patiënten?
De wetenschappers denken bovendien dat het systeem ook dwarslaesie patiënten kan helpen, in combinatie met een exoskelet. Dit is mogelijk omdat bij verlamming de zenuwvezels vaak niet volledig worden afgesneden. Ze kunnen nog steeds prikkels vanuit de hersenen doorgeven, zij het zeer zwak. De sensoren registreren de activiteit en geven deze door aan de controller, die alle signalen analyseert, berekent welke beweging de persoon wil uitvoeren. Vervolgens kan het exoskelet worden aangestuurd om de spieren te ondersteunen bij het uitvoeren van de beweging.
Voor het zover is, moet nog heel wat werk verzet worden. Toch is het idee om mensen die verlamd zijn met behulp van een exoskelet weer (zelfstandig) te laten bewegen, opstaan en zelfs lopen, niet nieuw. In Nederland wordt al heel wat jaren gewerkt aan de ontwikkeling van een exoskelet voor deze doeleinden, Project March. En enkele dagen geleden presenteerde ONWARD een baanbrekende Brain Computer Interface die het mogelijk maakt om via neurostimulatie verlamde personen weer te laten bewegen, opstaan en lopen simpelweg door ze er aan te laten denken. Gedachtengestuurde spierstimulatie dus.
