mozkové implantáty

Mozkové ImplantátyMozkové Implantáty

Jiří Balcárek

[email protected]

X33BMI – zimní semestr 2006

ObsahObsah

Trocha historieCo jsou mozkové implantáty (+ rozdělení) ?Jak mozkové implantáty fungují ?Konkrétní příklad – “Cerebrus system“Vývoj mozkových implantátůZávěr (prostor pro dotazy)

Trocha historieTrocha historie

Luigi Galvani (9.9.1737- 4.12.1798)Luigi Galvani (9.9.1737- 4.12.1798)

Italský lékař a přírodovědec Objevitel “živočišné elektřiny“ 1773 – začíná pokusy na žabách 1791 – pojednání “De viribus

elektricitatis in motu muscalari commentarius“ (Traktát o elektrických silách při pohybu svalu)

1870 – ukázali, že stimulací některých částí mozku psa lze vyvolat pohyb a své poznatky publikovali jako essay "On the Electrical Excitability of the Cerebrum".

Položili základy “lokálního testování“ mozku

Gustav Fritsch(1838-1927) Eduard Hitzig (1838-1907)

1874 - Robert Bartholow experimentálně dokázal že podobně jako u mozku psího lze u lidského mozku stimulací určitých částí dosáhnout fyzických interakcí



Německý neurochirurg Experimentoval na pacientech Zjistil že reakce zvířecího

mozku a lidského mozku na elektrické podněty jsou obdobné

Pracoval na zmapování lidského mozku

Fedor Krause (1857-1937)

Mapa mozku od Mapa mozku od Fedora Krause

Co jsou mozkové implantáty ?Co jsou mozkové implantáty ?

Mozkové implantáty(~Nervové implantáty) jsou zařízení, která se přímo připojují k mozku přičemž obvykle jsou připojeny ke cortexu

<= Primary motor cortex je označen jako somatomotor cortex.

1. Implantáty pro stimulaci mozku (Deep brain stimulation) – elektroda se zavede do části mozku kterou chceme stimulovat elektrickými impulsy

Používá se např. pro “léčení“ : Parkinsonovy choroby, Tourettova syndromu, Klinických depresí …

Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?

Mozkové implantáty můžeme rozdělit na :

2. Implantáty pro snímání elektrických impulsů specifické části mozku

Používá se k vytvoření rozhraní mezi specifickou částí mozku a snímacím zařízením které signály zpracovává a vyhodnocuje


Mozkové implantáty můžeme rozdělit na :

Jak mozkové implantáty fungují ??Jak mozkové implantáty fungují ??


Pomocí pole elektrod se snímají signály určité části mozku s amplitudou ~µV, které prochází přes zesilovač k dalšímu zpracování procesorem, který detekuje “klíčové“ události a provede příslušné akce.


1. Zachycení informace – elektrodové pole zachycuje současně signály ze skupiny neuronů

2. Přenos informace – informace se z elektrodového pole přenáší pomocí ~100 zlatých “vodičů“, které jsou připojeny ke “konektoru“ zachycenému na lebce. Tento konektor je připojen k “počítači“.

3. Analýza dat – data mohou být v počítači skladována pro pozdější analýzu, nebo mohou být zpracována v realném čase a přeložena pomocí speciálního softwaru který činnost neuronů vyhodnotí a převede na “řídící signály“

4. Použití “řídících signálů“/ uložených dat – záleží na konkrétním případě.

Načtení a zpracování informace :

Cerebrus SystemCerebrus System

1. Pole mikroelektrod

2. CerePort 128:96 (případně 96:96, …)

3. Aplikátor pole mikroelektrod

4. Systém na získání a zpracování dat

Skládá se z několika částí :

Domovská stránka : http://www.cyberkineticsinc.com


1. Pole mikroelektrod (1) Vyvinuté na universitě v Utahu Obsahuje 100 křemíkových elektrod Velikost pole ~4 x 4 mm Délka elektrod je 1 – 1,5 mm Každá elektroda je spojena s okolním

světem velmi tenkým vodičem Možnost aplikace v: sensory cortex,

motor cortex, spinal cord, retinal flat mounts, peripheral nerve fibers, and tissue slices.

Možnost použití také ke stimulaci


1. Pole mikroelektrod (2) Křemíkové elektrody jsou od sebe

izolovány nevodivým “sklem“ Celé pole je izolováno polymerem -

Parylene-C Aktivní hrot elektrody je dlouhý

35-75µm a je potažený platinou Průměr elektrody: ~80µm Poloměr hrotu elektrody: 3-5µm Impedance elektrody je 100-800KΩ “Základna pole“ : 4,2 x 4,2 x 0,25mm

Cerebrus SystemCerebrus System2. CerePort 128:96 (případně 96:96, …) Obsahuje 134pinů “Nulová vkládací síla“ pro spojení Stojan vyroben z titanu Průměr základny : 19mm Průměr těla : 11mm Váha : 4,5g Port ICS-X ICS-32 má 36pinů a používá se

u malých zvířat např. krysy (13x7x10mm)

ICS-96 má 108pinů a používá se u velkých zvířat např. opice (37x17x8mm)


3. Aplikátor pole mikroelektrod (1)

Umožňuje vkládání mikroelektrodového pole s vysokou hustotou elektrod Délka vsunutí bývá většinou 0,5 ; 1 nebo 1,5mm Doba vkládání je menší než 2ms

Skládá se ze tří částí :

1. “Vkládací hůlka“ velikosti pera která provádí implantaci čipu

2. Kontrolní modul obsahující “kompresor“, ventil a elektroniku. Je připojen k “vkládací hůlce“ pomocí ohebné hadičky

3. Spouštěcí ovládání, které spustí vložení pole. Disponuje pojistkou – lze spustit pouze pokud je kontrolní modul v režimu

“Armed“


3. Aplikátor pole mikroelektrod (2) Používá Metodu

“Vysokorychlostního“ vkládání, která způsobuje pouze malé krvácení a minimální poškození tkáně.

Kontrolní modul Tlak : 0 – 30 psi Ovládání : Insertion pressure, power, run/fill, trigger enable,

trigger Velikost : 12" x 12" x 5“ Váha : 16 lb


4. Systém na získání a zpracování dat (1)

Skládá se především ze zesilovače signálů a jednotky která zpracovává nervové signály.

Zpracování signálu : Zesilovač přijímá na vstupu signál z pole elektrod, který

zesiluje, filtruje a digitalizuje. Tento digitalizovaný signál posílá přes optické vlákno do jednotky zpracovávající nervové signály, která provede závěrečné filtrování signálu a on-line analýzu. Potom pošle zpracovaná data do počítače prostřednictvím síťového kabelu.


4. Systém na získání a zpracování dat (2)

Zesílení : 5000 Vstupní šum : >3µV Vstupní rozsah : ±7mV (rozlišení 16bit) Vstupní impedance : >10^12ohm ; 3pF Spotřeba : 5,5W – při zapojení 4 x

32kanálů Rozměry : 4,3" W x 1,7" H x 7,3" D

Zesilovač – 128 kanálů

Cerebrus SystemCerebrus System4. Systém na získání a zpracování dat (3)

Počet vstupů : 128 Rychlost vzorkování : 30,000 snímků/s Digitalizace : 16bit Rozhraní :

- MT-RJ fiber-optic port(až pro 128 kanálů)

- 100Mbit/1Gbit Ethernet - Experiment analog inputs: 16 +/- 5 V, 16-bit

- Experiment analog outputs: Four +/- 5V, 600Ohm,

16-bit - Experiment digital I/O: One 16-bit input port (DB-37)

- RS232 I/O port (DB-9) with 2400 to 115k baud … Hmotnost : 6,8kg

Jednotky pro zpracování nervových signálů

Cerebrus SystemCerebrus System4. Systém na získání a zpracování dat (4)

GUI se skládá z šesti základních částí :

1. “Setup window“ – nastavení parametrů každého kanálů

2. Okno kde můžeme provádět online klasifikaci akčního potenciálu na vybraném kanálu

3. Dvě okna pro prohlížení pohybu individuálních

akčních potenciálů a lokálních silových

potenciálů na všech kanálech 4. Mapa aktivity zobrazující aktivitu na

všech kanálech

5. Okno kontrolující získávání a ukládání dat

Zpracování dat v PC – ukázka GUI

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů 15.10.1999 University of California,

Berkeley Tým vědců nahrál signály z

177 buněk v části mozku, která zpracovává vizuální signály z oka a pomocí jednoduchého matematického filtru dokázali obraz rekonstruovat – pokus byl proveden na kočce

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů Červenec-srpen 2001 Japonští vědci na tokijské univerzitě

zveřejnili zprávu o 'robo-roach' dálkově ovládaném hmyzu který může být použit k přenášení minikamery nebo mikrofonu

K testům používaly americké šváby kteří jsou největší svého druhu a jsou schopni unést až dvacetinásobek své hmotnosti a jsou to jedni z nejodolnějších živočichů na světě

Na výzkum dostali $5miliónů

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů 1.5.2002 – Krysa “dálkově ovládaná“

pomocí mozkového implantátu Projekt předvedl tým State University of

New York pod vedením bioinženýra Sanjiva Talwara

Ovládání : běh, šplhání, skákání, zatočení vlevo/vpravo

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů 12.3.2003 Testování první

“mozkové protézy“ na universitě v Californii

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů

14.10.2003 Vědci z “Duke University in North Carolina“ implantovali

elektrody do mozku opice a poté opici testovali na jednoduché hře. Pomocí joysticku opice přesunula puntík na obrazovce počítače do příslušného kroužku a na určitou dobu stiskla tlačítko. Po chvilce jí joystick vzali a připojily výstup k robotické paži. Opice ještě chvíli pokračovala v pohybu paží ve směru joysticku, ale po chvíli si uvědomila, že ke splnění úkolu nemusí paží pohybovat a stačí na pohyb pouze myslet.

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátůOvládání robotické paže opicí s implantátem

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů2004 – společnost CyberKinetics

inc. dostává od FDA (Food and Drug Administration) povolení k testování mozkových implantátů na lidech

Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů 12.7.2006 – kompletně ochrnutý Matthew

Nagle, 25let se stává “prvním“ pacientem, který pomocí systému BrainGate provádí základní operace jako: čtení emailů,hraní počítačových “her“, stisknutí a povolení prstů na protetické ruce

ZávěrZávěr

Prostor pro dotazy

Použité zdrojePoužité zdroje http://www.wireheading.com/roboroach/robo-roaches.html http://www.berkeley.edu/news/media/releases

/99legacy/10-15-1999.html http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/5167938.stm http://www.skewsme.com/implants.html#ren48 http://www.nature.com/nature/focus/brain/experiments

/videoitself1.html http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn3488 http://www.transhumanismus.cz/ http://archives.betterhumans.com/Home/tabid/36/Default.

aspx http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

mozkové implantáty

Documents