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La recherche!
•  Thérapeutique!
•  Surveillance!
•  Suppléance!
•  Télémédecine!
•  Humain décodé!
•  Humain augmenté!
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2014 mai séminaire_42

  1. 1. BioElectronique  et     Systèmes  embarqués  pour  la  Santé   S.  Renaud,  Pr         Laboratoire  IMS   ENSEIRB-­‐MATMECA,    CNRS,     Université  de  Bordeaux    
  2. 2. Plan! •  Bio + Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes! •  ….. pour remplacer/contrôler des cellules! •  …..!
  3. 3. «  Tous  les  êtres  vivants  produisent  de  l’électricité  »     Pour  animer  les  muscles  ou  pour  assurer  la  circulaKon  sanguine,  le  cerveau  et  le   cœur   émeNent   des   signaux   électriques.   Le   cerveau   transmet   les   commandes   motrices  vers  les  nerfs  moteurs  grâce  à  un  phénomène  de  nature  électrique  qui  se   propage   le   long   des   neurones   :   l’influx   nerveux.   Celui-­‐ci   transporte   jusqu’au   cerveau  les  messages  sensoriels  des  capteurs  tels  que  la  peau,  le  nez,  les  yeux,  les   oreilles  et  les  récepteurs  de  goût.   Galvani  et  Volta,  1790   Les  nerfs  et  cellules  sont  donc  aussi  sensibles   aux  sKmulaKons  électriques   Electrophysiologie!
  4. 4. Une  cellule  excitable  est  une  cellule  capable  de  décharger  un   potenKel  d'acKon  en  réponse  à  une  dépolarisaKon  suffisante   (supérieure  à  un  certain  seuil  de  dépolarisa8on)  de  son   potenKel  de  membrane.   Liste  des  cellules  excitables:   •         Neurone   •         Cellule  bêta  des  îlots  de  Langerhans   •         Cellules  des  récepteurs  sensoriels   •         Cellule  neuroendocrine   •         Cellule  musculaire  striée     •  Cellule  musculaire  striée  squeleque   •  Cellules  musculaire  striée  cardiaque   Electrophysiologie!
  5. 5. Une  cellule  excitable  est  une  cellule  capable  de  décharger  un   potenKel  d'acKon  en  réponse  à  une  dépolarisaKon  suffisante   (supérieure  à  un  certain  seuil  de  dépolarisa8on)  de  son   potenKel  de  membrane. Electrophysiologie!
  6. 6. Electrophysiologie! ü   Suite  à  une  s"mula"on,  le  récepteur   sensoriel  génère  un  influx  nerveux  qui  se   propage  le  long  du  nerf  sensi@f  et  se  dirige   vers  le  cerveau.     ü   Afin  d'accomplir  une  ac"on,  les  neurones   du  cerveau  génèrent  un  influx  nerveux  qui   se  propage  le  long  des  nerfs  moteurs  et  se   dirige  vers  les  organes  effecteurs   «  Une  cellule  excitable  est  une  cellule  capable  de  décharger   un  potenKel  d'acKon  en  réponse  à  une  dépolarisaKon   suffisante  (supérieure  à  un  certain  seuil  de  dépolarisa8on)  de   son  potenKel  de  membrane.
  7. 7. Electrophysiologie!  Courant  issu  du  nœud  sinusal   =>  contrac@on  des  oreilleJes   =>  contrac@on  des  ventricules   On  peut  aussi  mesurer  le  champ  électrique  généré  par  une   grande  populaKon  de  cellules  synchronisées,  comme  celles  du   cœur  (ECG),  du  cerveau  (électroencéphalogramme  EEG)  ou   des  fibres  musculaires  (EMG).  
  8. 8. Où est l’information ? Microélectrodes extracellulaires Macro-électrodes Electrodes de surface Microélectrodes intracellulaires
  9. 9. « ultra-slow » « theta band» « spindles» « alpha or mu band» « beta band» « gamma band» LFP (potentiels de champ) T. Boraud, 2005 10   0.5 4 5 8 10 12 15 30 90 200 / 300 freq (Hz) Les bandes de fréquences Spike  (poten8els  d’ac8on)  
  10. 10. Quelques Electrodes Macroélectrode de surface (1cm)! Microelectrode intracellulaire (1µm)! Macroélectrode moelle épinière! (1mm)! Réseau de microélectrodes (10 µm)! Macroélectrode corticale (100µm)!
  11. 11. 109    W   745  W   170  W   100  W   80  W   30  W   10-­‐2  W   10-­‐5  W   10-­‐9  W   10-­‐12  W   10-­‐18  W   10-­‐21  W   Barrage  Hoover  (CO,  USA)   1  cheval  vapeur   Intel  Titanium  Quad-­‐core   Metabolisme  corps  humain   Intel  PenKum  4   Cerveau  Humain   Laser  d un  lecteur  DVD   Montre  à  quartz   Courant  air  à  5m/s/mm2   1  cellule  humaine  (moyenne)   Bruit  thermique   Puissance  reçue  par  l’antenne  de  la  sonde  Galiléo  (deep  space)   Et la consommation ?
  12. 12. Systèmes Embarqués pour la Santé! “Un   disposiKf   SES   permet   d’acquérir   des   mesures   et   d’agir   sur   un   environnement   biologique   vivant   ou   inerte   de   façon   autonome   et   intelligente.   Il   peut   s’agir   d’une   structure  isolée  ou  d’un  élément  faisant  parKe  d’un  système  plus  complexe,  hiérarchisé  et   interacKf,   en   réseau   ou   non,   miniaturisé   ou   pas.   L’électronique   du   disposiKf   SES   est   soumise  à  de  fortes  contraintes  liées  au  milieu  vivant  et  à  l’applicaKon  (biocompaKbilité   par  exemple)”  
  13. 13. Exemples:     -­‐  Pacemaker,  défibrillateur   -­‐  Implant  cochléaire   -­‐  Pancreas  arKficiel   -­‐  SKmulateur  foncKonnels   -­‐  Détecteur  de  chutes   -­‐  PrédétecKon  mort  subite  nourrisson   -­‐      DisposiKfs  portés  (géolocalisaKon,  biométrie…)   -­‐  Surveillance  à  domicile   -­‐  Lits/Fauteuils  intelligents   Systèmes Embarqués pour la Santé!
  14. 14. En Bio+ Electronique,! ! à quoi peut donc bien servir le traitement numérique ? ! …. démonstration par lʼexemple!
  15. 15. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes (sensoriels)! •  ….. pour remplacer/contrôler des cellules! •  …..!
  16. 16. Stimulation cardiaque! Les  signaux  électriques  sont  émis  à  parKr  de  cellules  spécialisées,  situées  dans  l’oreilleNe   droite  du  cœur.  Ils  se  propagent  dans  les  oreilleNes,  qui  se  contractent,  poussant  ainsi  le   sang   dans   les   ventricules.   Les   signaux   circulent   ensuite   dans   les   ventricules,   qui   se   contractent  à  leur  tour,  permeNant  de  pousser  le  sang  vers  les  poumons  et  le  reste  du  corps. Circuit  de  resynchonisaKon  cardiaque  avec  3    sondes:   coronaire  (rouge),  ventriculaire  (poinKllés),  atriale  
  17. 17. Pacemaker adaptatif en boucle fermée! -­‐  SynchronisaKon  automaKque   -­‐  DéfibrillaKon  
  18. 18. Stimulation électrique fonctionnelle! SEF:  produire  des  contracKons  dans  les  muscles  paralysés  à  cause   de  lésions  du  système  nerveux  central  (sKmulaKon  électrique  par   électrodes  de  surface  électrodes  implantées) •  Boucle  ouverte  (rééducaKon,  lésion   moelle  épinière,  contrôle  sphincter,  ..)   •  Boucle  fermée  (accéléromètre-­‐ gyroscope,  …)   Contexte:   traumaKsme   cérébral,   traumaKsme   moelle   épinière,   infirmité   motrice  cérébrale,  sclérose  en  plaques.  
  19. 19. Stimulation électrique fonctionnelle en boucle fermée! ???????     ???????     Mesure     Décodage  de  l’informaKon   Traitement  de  l’informaKon   Temps  réel     Adapta"f   Basse  consomma"on   Inocuité  !  
  20. 20. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes sensoriels! •  ….. pour remplacer des cellules nerveuses! •  …..!
  21. 21. «  L'implant  cochléaire  est  desKné  à  la  réhabilitaKon   de   l'audiKon   chez   des   personnes   aNeintes   de   surdités   bilatérales   profondes   à   totales.   Son   principe  repose  sur  la  sKmulaKon  électrique  du  nerf   audiKf  pour  pallier  à  la  déficience  de  la  cochlée  »   ParKe  externe:  traitement  numérique  du  son   ParKe  interne:  implant  récepteur,  sKmulaKon   d’après  G.  Malherbe,  MXM   Implant cochléaire!
  22. 22. 1- Le son ambiant est capté par le microphone puis il est numérisé et traité. 2- Le signal de stimulation est envoyé à l implant par l antenne à travers la peau. 3- L'implant est un boîtier en céramique placé chirurgicalement sous la peau. Il reçoit les informations du processeur externe et les répartit suivant la tonotopie sur les 15 électrodes placées dans la cochlée. 4- Les terminaisons du nerf auditif en contact avec les électrodes transmettent les impulsions électriques jusqu’au cerveau qui les interprète comme des sons. Implant cochléaire!
  23. 23. SPEECH CHANNELS SELECTION PEAK DETECTION STIMULATION FRAME CODING ELECTRICAL STIMULATION COCHLEA SPECTRAL ANALYSIS , FFT But:  extraire  l'informa8on  acousKque  perKnente  devant   être  envoyée  au  nerf  audiKf.     •  Analyse  entre  100  et  7800  Hz  avec  une  résoluKon  de   122  Hz.     •  InformaKon  réparKe  sur  15  plages  fréquenKelles   distribuées  logarithmiquement  et  aNribuées  aux  15   électrodes  acKves  de  l implant.     •  stratégie  de  codage  de  la  sKmulaKon  afin  d’éviter  tout   risque  d’interacKon  entre  électrodes   •  fréquence  de  sKmulaKon  fixe(codage  CIS  Con@nuous   Interleaved  S@mula@on)  ou  variable  en  foncKon  du  pitch (codage  ASR  Adap@ve  S@mula@on  Rate).     PRE-PROCESSING: BEAMFORMING/DENOISING… Implant cochléaire!
  24. 24. Implant rétinien! Ré8ne   ar8ficielle:   une   grille   d’électrodes  au  niveau  de  la  ré8ne     •  mini-­‐caméra   vidéo   et   émeNeur   (dans   une   paire   de   luneNes)   liaison   sans   fil   avec  boiKer  PC   •  traitement   des   scènes   captées   par   la   caméra,   transformaKon   en   sKmuli   de   type  réKnien     •  transmission  à  l’implant,  qui  sKmule  les   c e l l u l e s   r é 8 n i e n n e s   e n c o r e   fonc8onnelles,   (qui   transmeNent   au   nerf  opKque)   Pa"ents  a;eints  de  ré"nite  pigmentaire  (certaines   cellules  ré@niennes  sont  conservées,  vue  normale   avant  la  maladie,    nerf  op@que  fonc@onnel)  (Argus  II,  essais  cliniques)  
  25. 25. Prothèse rétinienne et corticale!   Système  d’acquisiKon  +  traitement  d’image  (caméra  portée)     Contrôle  temps  réel  d’un  sKmulateur  implantable  raNaché  au  cortex  visuel     Transmission  RF  data+énergie       2002   2012   SKmulaKon  corKcale  /pixel    
  26. 26. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des micro-organes! •  ….. pour remplacer des cellules nerveuses! •  …..!
  27. 27. Calcul embarqué du besoin insuline chez les patients diabétiques! •  RégulaKon  par  les  nutriments  (sucre,  graisse,  protéines)   •  RégulaKon  par  les  hormones  (increKnes,  acetylcholine  etc)   Signal  de  sor8e  du  capteur=  poten8el  électrique  de  membrane   Les  îlots  pancréaKques  sont  des  capteurs  intrinsèques  du  besoin   d’insuline   +   Libérateurs  d’insuline   (sauf  chez  les  diabéKques…)  
  28. 28. Capteur bio-électronique besoin insuline! 0.2 mm * Îlots   MulKelectrode  Array  (MEA)   Hormones Glucose BIO-SENSEUR Nutriments Amplificateur Electrode Cellule β Canal ionique AcquisiKon  des   signaux   Mesure  et  traitement  du  signal  du  capteur  (in  vitro)  
  29. 29. Objec8f  :     EsKmaKon  du  besoin  en  insuline   50  µV   10  min   Glucose  15  mM   Signal  brut  (90  min)   Signal  brut  (3  s)   Temps  (s)   Amplifica8on   Filtrage   Quan8fica8on  des  paramètres   Ondes  lentes   PotenKels  d’acKon   Capteur bio-électronique besoin insuline! Calcul  temps  réel  besoin   d’insuline   ⇒  Contrôle  pompe  à   insuline  numérique   (pancréas  arKficiel)  
  30. 30. Capteur bio-électronique besoin insuline! HAUSSE   BAISSE   HAUSSE   BAISSE   Ondes  lentes  PotenKels  d’acKon   Traitement  temporel,   staKsKque,  fréquenKel   ???????     ???????     Vers  implant  in  vivo  ?  
  31. 31. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes! •  ….. pour contrôler/remplacer des cellules nerveuses! •  …..!
  32. 32. La stimulation cérébrale profonde La   s8mula8on   cérébrale   profonde,   ou   Deep   Brain   S"mula"on   (DBS),   consiste   en   l’implantaKon   d’électrodes   dans   un   noyau   cérébral   profond,   reliées   à   un   générateur   de   signaux   dans   le   buste.   CeNe   méthode   provoque   une   rémission   chez   des   pa8ents   aQeints  de  symptômes  de  tremblement  (dont   Parkinson)     mais   les   mécanismes   biologiques   mis  en  jeu  sont  encore  peu  connus  et  certains   effets  secondaires  sont  aujourd’hui  constatés.  
  33. 33. La stimulation cérébrale profonde   •  Insuffisance  des  modèles  animaux  pour   l’étude  de  la  Maladie  de  Parkinson  et  la  DBS      ConcepKon  d’un  sKmulateur  embarqué  sur   rat,  similaire  à  l’implant  sur  l’humain   •  Méconnaissance  des  mécanismes   biologiques      Etude  des  mécanismes  d’acKon  de  la   sKmulaKon  électrique      EvaluaKon  des  effets  secondaires   •  S8mulateur  humain  actuel  en  «  boucle   ouverte  »      ConcepKon  d’un  sKmulateur  en  boucle   fermée  auto-­‐adaptaKf  vis-­‐à-­‐vis  du  paKent   (recherche  en  cours)   Implant  intelligent  de  s8mula8on  cérébrale  profonde  
  34. 34. Réhabilitation fonctionnelle Pontage  neuroélectronique  de  moelle  épinière  lésée/secKonnée   Les  commandes  nerveuses  locomotrices  au-­‐dessus  de  la  lésion  sont   détectée,  traitées  et  appliquées  au  CPG  pour  déclencher  la  locomoKon   (recherche  en  cours)  
  35. 35. Hybrid SNN for neural rehabilitation RegénéraKon  des  commandes  motrices  de  la  locomoKon  
  36. 36. Plan! •  Bio + Electronique! ….! ….! •  Mais que fait la recherche ?!
  37. 37. La recherche! •  Thérapeutique! •  Surveillance! •  Suppléance! •  Télémédecine! •  Humain décodé! •  Humain augmenté! •  Technologies bio-inspirées**! •  …..   Bras myoélectrique   **  1  cellule:  10-­‐12  W            1  cerveau  :  30  W  (1011  neurones)            1  humain  :  100  W   **Qualcomm  Zeroth  processor  2013   (calcul  neuromorphique)  
  38. 38. Human  Brain  Project  –  Europe  –  2013/2023   39   Une  simulaKon  parKelle  d’un   cerveau  de  rat,  obtenu  lors  d'une   phase  préliminaire  du  HBP,  en  2008   (10000  neurones,  30M  synapses,  1   colonne  corKcale)   Simula8on  informa8que  et  émula8on   électronique  détaillée  du  cerveau  humain   (Flagship  EU,  10  ans,  1,2  B€  )   hNp://www.humanbrainproject.eu/   Vers  des  machines  neuronales?    
  39. 39. Brain  IniKaKve  –  USA    -­‐  2014/?   40   «  Reverse  engineer  the  brain,  down  to  the  neuron  »   hNp://www.nih.gov/science/brain/index.htm  
  40. 40. DEFI-SENS DEFISENS  :  un  des  grands  défis  du  CNRS;    sur  les  insuffisances   percep8ves  et  leurs  suppléances  personnalisées  dans  le  domaine   sensoriel  et  dans  les  domaines  contrôlés  par  les  sens         § La  suppléance  des  capacités,  qui  correspond  à  la  par@e  concrète  et  matérielle  au   service  d’une  innova@on  maitrisée  (Mè@s)  ;     § L’améliora@on  de  la  nature  humaine,  qui  propose  à  la  fois  une  vision  progressiste   et  des  risques  de  démesure  (Hybris)  ;     § L’améliora@on  des  pra@ques  et  de  l’image  de  vie  (Charis).    
  41. 41. Quelques  enjeux  R&D     Microélectronique   Interface  nano-­‐bio   Circuit  auto-­‐adaptable   Electronique  basse  consommaKon     Energie    Mécanisme  de  récupéraKon  d’énergie      Biopile   Transceiver  RF,  par  inducKon     Traitement  et  analyse  de  l’informa8on   Compression  des  données   IdenKficaKon  de  signature   ContextualisaKon/apprenKssage   ClassificaKon  et  alarme   Fusion  mulK-­‐capteur   Systèmes Embarqués pour la Santé! Mots  clés  du  numérique  embarqué:   •  Temps  réel   •  Adapta8on   •  Op8misa8on   •  Sécurité  
  42. 42. DEFI-SENS et •  Acceptabilité  des  disposiKfs     •  Bénéfice  versus  risque   Systèmes Embarqués pour la Santé! •  Respect  de  l’Ethique    

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