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BioElectronique	
  et	
  	
  
Systèmes	
  embarqués	
  pour	
  la	
  Santé	
  
S.	
  Renaud,	
  Pr	
  	
  	
  	
  
Laboratoire	
  IMS	
  
ENSEIRB-­‐MATMECA,	
  	
  CNRS,	
  	
  
Université	
  de	
  Bordeaux	
  	
  
Plan!
•  Bio + Electronique!
•  …. pour contrôler des organes !
•  ….. pour remplacer des organes!
•  ….. pour remplacer/contrôler des cellules!
•  …..!
«	
  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!
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!
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!
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.
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).	
  
Où est l’information ?
Microélectrodes extracellulaires
Macro-électrodes
Electrodes de surface
Microélectrodes intracellulaires
« 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)	
  
Quelques Electrodes
Macroélectrode de surface (1cm)!
Microelectrode
intracellulaire
(1µm)!
Macroélectrode moelle épinière!
(1mm)!
Réseau de
microélectrodes
(10 µm)!
Macroélectrode corticale (100µm)!
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 ?
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)”	
  
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!
En Bio+ Electronique,!
!
à quoi peut donc bien servir le traitement numérique ? !
…. démonstration par lʼexemple!
Plan!
•  Bio+ Electronique!
•  …. pour contrôler des organes !
•  ….. pour remplacer des organes (sensoriels)!
•  ….. pour remplacer/contrôler des cellules!
•  …..!
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	
  
Pacemaker adaptatif en boucle fermée!
-­‐  SynchronisaKon	
  automaKque	
  
-­‐  DéfibrillaKon	
  
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.	
  
Stimulation électrique fonctionnelle en
boucle fermée!
???????	
  
	
  
???????	
  
	
  
Mesure	
  	
  
Décodage	
  de	
  l’informaKon	
  
Traitement	
  de	
  l’informaKon	
  
Temps	
  réel	
  	
  
Adapta"f	
  
Basse	
  consomma"on	
  
Inocuité	
  !	
  
Plan!
•  Bio+ Electronique!
•  …. pour contrôler des organes !
•  ….. pour remplacer des organes sensoriels!
•  ….. pour remplacer des cellules nerveuses!
•  …..!
«	
  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!
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!
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!
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)	
  
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	
  	
  
Plan!
•  Bio+ Electronique!
•  …. pour contrôler des organes !
•  ….. pour remplacer des micro-organes!
•  ….. pour remplacer des cellules nerveuses!
•  …..!
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…)	
  
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)	
  
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)	
  
Capteur bio-électronique besoin insuline!
HAUSSE	
  
BAISSE	
  
HAUSSE	
  
BAISSE	
  
Ondes	
  lentes	
  PotenKels	
  d’acKon	
  
Traitement	
  temporel,	
  
staKsKque,	
  fréquenKel	
  
???????	
  
	
  
???????	
  
	
  
Vers	
  implant	
  in	
  vivo	
  ?	
  
Plan!
•  Bio+ Electronique!
•  …. pour contrôler des organes !
•  ….. pour remplacer des organes!
•  ….. pour contrôler/remplacer des cellules nerveuses!
•  …..!
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.	
  
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	
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Une	
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40	
  
«	
  Reverse	
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hNp://www.nih.gov/science/brain/index.htm	
  
DEFI-SENS
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  :	
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  • 1. BioElectronique  et     Systèmes  embarqués  pour  la  Santé   S.  Renaud,  Pr         Laboratoire  IMS   ENSEIRB-­‐MATMECA,    CNRS,     Université  de  Bordeaux    
  • 2. Plan! •  Bio + Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes! •  ….. pour remplacer/contrôler des cellules! •  …..!
  • 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. 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. 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. 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. 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. Où est l’information ? Microélectrodes extracellulaires Macro-électrodes Electrodes de surface Microélectrodes intracellulaires
  • 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. Quelques Electrodes Macroélectrode de surface (1cm)! Microelectrode intracellulaire (1µm)! Macroélectrode moelle épinière! (1mm)! Réseau de microélectrodes (10 µm)! Macroélectrode corticale (100µm)!
  • 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. 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. 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. En Bio+ Electronique,! ! à quoi peut donc bien servir le traitement numérique ? ! …. démonstration par lʼexemple!
  • 15. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes (sensoriels)! •  ….. pour remplacer/contrôler des cellules! •  …..!
  • 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. Pacemaker adaptatif en boucle fermée! -­‐  SynchronisaKon  automaKque   -­‐  DéfibrillaKon  
  • 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. Stimulation électrique fonctionnelle en boucle fermée! ???????     ???????     Mesure     Décodage  de  l’informaKon   Traitement  de  l’informaKon   Temps  réel     Adapta"f   Basse  consomma"on   Inocuité  !  
  • 20. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes sensoriels! •  ….. pour remplacer des cellules nerveuses! •  …..!
  • 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. 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. 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. 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. 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. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des micro-organes! •  ….. pour remplacer des cellules nerveuses! •  …..!
  • 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. 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. 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. Capteur bio-électronique besoin insuline! HAUSSE   BAISSE   HAUSSE   BAISSE   Ondes  lentes  PotenKels  d’acKon   Traitement  temporel,   staKsKque,  fréquenKel   ???????     ???????     Vers  implant  in  vivo  ?  
  • 31. Plan! •  Bio+ Electronique! •  …. pour contrôler des organes ! •  ….. pour remplacer des organes! •  ….. pour contrôler/remplacer des cellules nerveuses! •  …..!
  • 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. 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. 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. Hybrid SNN for neural rehabilitation RegénéraKon  des  commandes  motrices  de  la  locomoKon  
  • 36. Plan! •  Bio + Electronique! ….! ….! •  Mais que fait la recherche ?!
  • 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. 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. Brain  IniKaKve  –  USA    -­‐  2014/?   40   «  Reverse  engineer  the  brain,  down  to  the  neuron  »   hNp://www.nih.gov/science/brain/index.htm  
  • 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. 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. DEFI-SENS et •  Acceptabilité  des  disposiKfs     •  Bénéfice  versus  risque   Systèmes Embarqués pour la Santé! •  Respect  de  l’Ethique