Bio-chip van imec meet ontstekingswaarden in het lichaam

By Elcke Vels

Hoe goed geneest een wond na een operatie? Of hoe staat het ervoor met het ziekteverloop van een reumapatiënt? Het zijn vragen waar de medische sector dagelijks mee te maken krijgt. Imec, partner in het Holst Centre, ontwikkelt kleine, energiezuinige chips om ontstekingswaarden in het lichaam mee te meten, voor in een draagbaar medisch product. ”Het toepassen van de techniek in een zeer kleine chip is uniek”, zegt Lucas Lindeboom, Biomedical Engineer bij imec.

Bio-impedantie: veel mensen kennen de technologie onbewust al van de speciale weegschalen bij de sportschool, waarbij er een stroompje door het lichaam loopt om het vetpercentage vast te stellen. Wat velen niet weten is dat de techniek daarnaast in de medische sector al gebruikt voor het meten van vochtophoping bij patiënten met hart- en of nierfalen. Imec tilt de technologie nu naar een hoger niveau en werkt aan kleine chips en wearables die thuis of onderweg gebruikt kunnen worden. Daarmee is het veelvuldig gebruik van de grote ziekenhuisapparaten om het lichaam te monitoren in de toekomst misschien wel verleden tijd. De techniek is niet-invasief, breed inzetbaar, en uiterst geschikt om bijvoorbeeld de genezing van wonden te monitoren, Ook de vochtophoping in de longen van patiënten met hartfalen kan in de gaten worden gehouden.

“Het toepassen van deze technologie in een zeer kleine, energiezuinige chip is uniek”, zegt Lindeboom. Hoewel nog in de prototype-fase, worden de wearables hier en daar al getest in de praktijk. Willemijn Groenendaal, Principal Scientist bij imec licht toe: “Imec werkt onder andere samen met de Future Health afdeling van Ziekenhuis Oost-Limburg in Genk om de chips, prototypes en algoritmen die zijn ontwikkeld te testen en te verbeteren. We werken samen met artsen van verschillende afdelingen en zetten studies op om te kijken wat er precies nodig is om onze wearables toe te passen.”

Energiezuinig en veilig

De inzet van de chips in medische wearables biedt vele voordelen voor patiënten in de toekomst. Naast draagbaar zijn ze klein en energiezuinig gemaakt, uiterst geschikt om te dragen zonder ongemak. “Het gaat bijvoorbeeld om kleine, slimme pleisters met een kleine batterij erin verwerkt. Continu opladen is ook niet meer nodig”, zegt Groenendaal. Ook hoeven patiënten zich geen zorgen te maken over de veiligheid van de data. Security staat bij imec hoog op de agenda. Bovenop deze voordelen komt het grote frequentiebereik van de chips in de wearables. Daardoor zijn de grote apparaten, die nu nog worden ingezet voor de bioimpedantie-metingen, niet meer nodig. “Wij kunnen hetzelfde bereiken, maar dan met een chip van een paar millimeter groot.”

Wondgenezing

De prototypes van imec kunnen onder andere worden ingezet om informatie te vergaren over wondgenezing. Dit is uiterst handig nadat er bijvoorbeeld een knieoperatie plaatsvond. “Je kunt je voorstellen dat het belangrijk is om de knie dan goed in de gaten te houden”, zegt Lindeboom “Wordt de roodheid of vochtophoping tijdig minder? Om antwoorden daarop te krijgen, kan bio-impedantie worden ingezet. Het is dan een objectieve maatstaf om het herstel te bepalen. Er kan continue monitoring plaatsvinden op lastige plekken, zoals op beenwonden.”

Gewrichtsontstekingen

Ook bij de monitoring van gewrichtsontstekingen, zoals artritis, kunnen de wearables een rol spelen. Zo kan er gekeken worden hoeveel vochtophoping er in een knie zit, maar kan er ook meer specifieke informatie verkregen worden. “Dit is nog geheel in ontwikkeling, maar we denken dat celmembranen een rol spelen in het ontstekingsproces”, zegt Groenendaal. “Wanneer gaan de membranen zich anders gedragen? Wat gebeurt er vervolgens wanneer dit het geval is? We kunnen het verloop van de ontstekingen inzien en voorspellen wanneer de ontstekingen verergeren. Ook kunnen we bekijken of de medicatie die een patiënt krijgt voldoende werkzaam is.” Maar het onderzoek naar de inzet van bio-impedantie bij wonden en gewrichtsontstekingen staat echt nog in de kinderschoenen. Wij richten ons nu nog op het ontwikkelen van prototypes.”

Nierdialyse

De inzet van bio-impedantie bij nierdialyse wordt al vele jaren onderzocht en kan effectief het vochtniveau van patiënten monitoren. Dat is nodig, want nierpatiënten houden soms grote hoeveelheden vocht vast. De methode kan daarom goed gebruikt worden om het streefgewicht van een dialysepatiënt te bepalen. Lindeboom: “Met onze draagbare bio-impedantie wearables kunnen de patiënten zelf thuis inzien hoeveel vocht er uit het lichaam gehaald moet worden”, zegt Lindeboom. “Nierpatiënten gaan nu op gemiddeld drie vaste tijdstippen naar het ziekenhuis voor dialyse. De ontwikkeling van thuisdialyse systemen is in opkomst. Met thuismonitoring van vochtniveaus kan er in de toekomst wellicht gedialyseerd worden wanneer dat echt nodig is. Dan kan de behandelend arts meekijken op afstand. Dit kan er voor zorgen dat de patiënt minder vaak naar het ziekenhuis hoeft, maar het kan de patiënt ook helpen om zijn of haar dieet aan te passen.”

Van wearable naar implantable

Net zoals de technologie in mobiele telefoons en andere apparaten zien we dus dat de technologie van bio-impedantie steeds kleiner van schaal wordt. Er kan op steeds gedetailleerder niveau gemeten worden. Kijken we nog verder in de toekomst, dan zullen we zien dat, naast wearables, implantables steeds meer de norm worden. Bij imec wordt er momenteel onderzoek uitgevoerd naar de mogelijkheden en werking ervan. 

“Implantables hebben veel voordelen in vergelijking met wearables”, legt Groenendaal uit. “Neem bijvoorbeeld een patiënt met hartfalen. Nu wordt gevraagd of hij of zij elke dag op de weegschaal gaat staan om informatie te verzamelen. Een implantable kan metingen uitvoeren zonder dat je daar een patiënt elke dag mee lastig hoeft te vallen.” Daarnaast kan zo’n implantable veel nauwkeuriger metingen verrichten op plekken waar een wearable dat niet kan. “Denk bijvoorbeeld aan het meten wat er gebeurt binnenin een zenuw. Met een bio-impedantie implantable kun je zien of de juiste zenuw op de juiste manier gestimuleerd wordt.”

Een hoge vlucht

Komende jaren zal het onderzoek naar bio-impendatie een hoge vlucht nemen, voorspellen Lindeboom en Groenendaal. “We kunnen over de jaren heen steeds specifiekere metingen verrichten, zowel in ruimte als over tijd”, zegt Groenendaal. “Over een paar jaar is het al mogelijk om op zenuwniveau een meting te doen met behulp van een implantable, maar er moet nog wel veel onderzoek naar gedaan worden. Bij imec zijn we altijd bezig met innovatieve toepassingen van de dag van morgen. Het is vervolgens ontzettend mooi om te zien als onze toepassingen, zoals de technologie achter bio-impedantie wearables en implantables, effectief blijken en worden overgenomen door de medische markt.”

Lees ook over imec en ontwikkelingen op het gebied van Ultra Wind Band