Op rotatie gebaseerde tribo-elektrische neurostimulator voor real-time modulatie van stimulusparameters

Het onderzoeksteam onder leiding van professor Sanghoon Lee van de afdeling Robotica en Mechatronica Engineering van DGSIT (president Yang Kuk) heeft met succes een op rotatie gebaseerde tribo-elektrische neurostimulator (RoTENS) ontwikkeld die in staat is tot real-time modulatie van stimulusparameters, waaronder stroomamplitude, frequentie en pulsbreedte.

Bestaande neurostimulatoren vereisen extra stappen bij het in realtime aanpassen van stimulusparameters vanwege de kenmerken van het op circuits gebaseerde systeem. Met name het wijzigen van de stimulusparameters met behoud van lading vereist complexe berekeningen en aanvullende processen via elektronische apparaten, wat resulteert in een lage bruikbaarheid.

Het onderzoeksteam van professor Sanghoon Lee bij DGIST heeft tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG), die elektrische energie opwekken via wrijving, aangepast aan een op rotatie gebaseerd ontwerp, waarbij meerdere pulsen worden gegenereerd met een enkele rotatie. Daarnaast kunnen verschillende pulsen worden gemoduleerd voor neurostimulatie door de elektrodepatronen in de TENG te wijzigen.

Dankzij het ladingsopwekkingsmechanisme van TENG, maakt RoTENG de controle van de frequentie en pulsbreedte mogelijk terwijl een constante lading tijdens rotatie behouden blijft, waardoor zenuwstimulatie mogelijk is terwijl de stimulusparameters in realtime worden gecontroleerd. Bovendien maakt het aanpassen van de afstand tussen de lagen het mogelijk om de amplitude van de pulsen te regelen, wat aangeeft dat verschillende stimulusparameters (frequentie, pulsbreedte en amplitude) kunnen worden geregeld.

In vivo dierexperimenten werden uitgevoerd om de klinische effectiviteit van RoTENS te verifiëren. De fysiologische reacties die werden geïnduceerd door de stimulusparameters door RoTENS te moduleren, werden waargenomen tijdens de stimulatie van de rechter scheenbeenzenuw bij ratten.

Door de frequentie te variëren (10-50 Hz) kon de spier zijn fysiologische toestand soepel verschuiven van spiertrekkingen naar versmolten tetanus. Natuurlijke ontspanning van de spier werd geïnduceerd door de stroomamplitude te veranderen via de afstand tussen de twee lagen (0-6 mm). Deze resultaten geven aan dat RoTENS voldoende is om de gewenste fysiologische respons te induceren en tegelijkertijd een breed scala aan frequenties en amplitudes te creëren.

Professor Sanghoon Lee (Robotics and Mechatronics Engineering, DGIST) zei dat preklinische proeven met de nieuw ontwikkelde neurostimulatoren bewijzen dat het mogelijk is om de stimulusparameters voor neurale stimulatie in realtime te regelen met rotatie-energie.

De onderzoekers verwachten dat technologische vooruitgang en verder optimalisatieonderzoek zullen leiden tot nieuwe kansen en mogelijkheden voor het gebruik van TENG als neurostimulatoren, zoals directe en intuïtieve sensorische feedback naar bionische ledematen of exoskeletten, revalidatie en bio-elektrische geneeskunde.

Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nano-energie.