Medische instrumenten

Gezond blijven met medische instrumenten

In de toekomst zal steeds meer nadruk liggen op gezond blijven, preventie en vroegdiagnostiek om zo dure behandelingen te voorkomen en mensen optimaal te laten participeren in de maatschappij. TNO ontwikkelt innovatieve, op fotonica gebaseerde medische instrumenten in samenwerking met universiteiten en bedrijfsleven. Deze innovatieve instrumenten vinden toepassing in zowel het ziekenhuis, in de 1e lijn als ook in de thuisomgeving.

Licht-weefsel-interactie

TNO heeft een sterke kennispositie op het gebied van licht-weefsel-interactie. Met niet-invasieve en minimaal invasieve fotonische systemen kunnen metingen worden verricht aan levende weefsels van mensen. De ontwikkeling van ‘photonics-based medical devices’ start met de kennis van de ziekteprocessen. Deze kennis wordt vervolgens vertaald naar optisch meetbare biomarkers. TNO ontwerpt innovatieve optische instrumenten voor het meten van deze biomarkers. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van analyses met behulp van complexe licht-weefsel interactie modellen om robuuste algoritmes te ontwikkelen die kwantitatief de biomarkers kunnen meten.

Tissue Optics Monte Carlo Analysis (TOMCA^®)

TNO beschikt over een uitgebreide Monte Carlo optische analyse tool om de licht-weefselinteractie spectraal te modelleren. Met onze gevalideerde optische weefsel modellen kunnen we de spectrale respons van het weefsel bij specifieke optische sensor configuraties analyseren. Hierdoor wordt het mogelijk om het optisch ontwerp te optimaliseren.

Een groot voordeel hierbij is de mogelijkheid om de invloed van de inter- en intrapersoonlijke variaties in weefsels te analyseren en zo bij het optimale sensorontwerp een zo robuust mogelijk sensoralgoritme te realiseren. Zo hebben we bijvoorbeeld de optische respons van een sensor op tienduizenden verschillende huidconfiguraties gesimuleerd. Deze Monte Carlo analyses worden ook ingezet als service voor bedrijven ter ondersteuning van hun fotonische sensor ontwikkeling.

We richten ons binnen de medische fotonische instrumenten onder andere op de domeinen: retinal imaging, wearables (bijvoorbeeld photonic health patches en smart bandages) en ultragevoelige optische ultrasound transducenten.

Retinal Imaging

TNO ontwikkelt innovatieve retinal imaging devices met nieuwe diagnostische functies gebaseerd op multi-spectrale weefseloptica.

Het oog is de enige plek in het lichaam waar je direct zicht hebt op bloedvaten en zenuwstructuren. Naast het verbeteren van diagnostiek van oogziektes wordt daarom ook gewerkt aan de detectie van systemische ziektes zoals Alzheimer en Parkinson en cardiovasculaire aandoeningen.

Daarnaast wordt gewerkt aan compacte, draagbare oplossingen voor een snelle diagnose door bijvoorbeeld de huisarts en ambulancepersoneel. Zie ook de startup Retinascope.

Modelogen

Voordat prototypes van netvliescamera’s op mensen worden getest, is het belangrijk om het prototype eerst uitvoerig te testen. En het onderliggende optische model van het innovatieve ontwerp te valideren.

TNO heeft een serie modelogen ontworpen die de weefseloptische eigenschappen van het netvlies nabootsen. Deze verdelen we in 2 klassen:

• 3D-fantomen die de optische verstrooiings- en absorptie-eigenschappen van de verschillende weefsellagen in het netvlies nabootsen.
• 3D-fantomen waarin de optische eigenschappen van het netvlies dynamisch worden geregeld, zoals de saturatie van bloed in een vat in het netvlies.

Photonic health patches en wearables

De technologische ontwikkelingen op het gebied van dunne, flexibele elektronica en lichtbronnen maken de ontwikkeling van innovatieve kleine, handzame en goedkope fotonische wearables en health patches mogelijk. Te denken valt aan op fotonica gebaseerde sensoren die gezondheidsparameters monitoren en de gebruiker feedback geven over hun gezondheidstoestand met daarbij een advies over te nemen maatregelen om hun gezondheid te bevorderen.

Een voorbeeld is het monitoren van de zuurstofsaturatie van het bloed in een optische pleister bij een coronapatiënt, of het monitoren van de wondgenezing na een borstamputatie door middel van sensoren in het verband.

Ring resonator biosensing

Ring resonators zijn zeer gevoelige geïntegreerde fotonica sensoren. Het point of care meten van de biomarkers in (bloed)samples wordt mogelijk gemaakt door Ring Resonator technologie te combineren met biochemische assays. Op een silicium chip van slechts 1 mm2 kunnen tientallen gevoelige sensorringen worden geplaatst die ieder afzonderlijk kunnen worden uitgelezen: multiplexen. Zo wordt het mogelijk om in een zeer klein sample veel biomarkers te meten. In 2018 is er op het gebied van deze technologie een TNO spin-off bedrijf opgericht: Delta Diagnostics.