mozkové implantáty
DESCRIPTION
Mozkové Implantáty. Jiří Balcárek [email protected] X33BMI – zimní semestr 2006. Obsah. Trocha historie Co jsou mozkové implantáty (+ rozdělení) ? Jak mozkové implantáty fungují ? Konkrétní příklad – “Cerebrus system“ Vývoj mozkových implantátů Závěr (prostor pro dotazy). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 2: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/2.jpg)
ObsahObsah
Trocha historieCo jsou mozkové implantáty (+ rozdělení) ?Jak mozkové implantáty fungují ?Konkrétní příklad – “Cerebrus system“Vývoj mozkových implantátůZávěr (prostor pro dotazy)
![Page 3: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/3.jpg)
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)
![Page 4: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/4.jpg)
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
Trocha historieTrocha historie
![Page 5: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/5.jpg)
Trocha historieTrocha historie
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)
![Page 6: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/6.jpg)
Mapa mozku od Mapa mozku od Fedora Krause
![Page 7: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/7.jpg)
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.
![Page 8: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/8.jpg)
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 :
![Page 9: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/9.jpg)
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
Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?
Mozkové implantáty můžeme rozdělit na :
![Page 10: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/10.jpg)
Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?
![Page 11: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/11.jpg)
Jak mozkové implantáty fungují ??Jak mozkové implantáty fungují ??
![Page 12: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/12.jpg)
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.
![Page 13: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/13.jpg)
Jak mozkové implantáty fungují ??Jak mozkové implantáty fungují ??
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 :
![Page 14: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/15.jpg)
Cerebrus SystemCerebrus System
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
![Page 16: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/16.jpg)
Cerebrus SystemCerebrus System
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
![Page 17: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/17.jpg)
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)
![Page 18: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/18.jpg)
Cerebrus SystemCerebrus System
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“
![Page 19: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/19.jpg)
Cerebrus SystemCerebrus System
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
![Page 20: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/20.jpg)
Cerebrus SystemCerebrus System
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.
![Page 21: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/21.jpg)
Cerebrus SystemCerebrus System
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
![Page 22: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![Page 24: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/24.jpg)
![Page 25: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/28.jpg)
Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů
![Page 29: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/29.jpg)
Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů
![Page 30: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/30.jpg)
Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů 12.3.2003 Testování první
“mozkové protézy“ na universitě v Californii
![Page 31: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/31.jpg)
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.
![Page 32: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/32.jpg)
Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátůOvládání robotické paže opicí s implantátem
![Page 33: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/33.jpg)
Vývoj mozkových implantátůVývoj mozkových implantátů2004 – společnost CyberKinetics
inc. dostává od FDA (Food and Drug Administration) povolení k testování mozkových implantátů na lidech
![Page 34: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/35.jpg)
ZávěrZávěr
Prostor pro dotazy
![Page 36: Mozkové Implantáty](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062519/56814d0c550346895dba46d1/html5/thumbnails/36.jpg)
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