Universitatea Vasile Alecsandri din BacuFacultatea de InginerieSpecializarea ERTA

Managementul inovarii echipamentelor pentru reabilitare

ndrumtor proiect:Prof. Brabie Gheorghe

Masterand:Hum Ovidiu

2014

Cuprins: pag.

1. Proiecte-prototipuri-exemple........................3 A. Creierul bionic4 B. Ochiul bionic.5 C.Urechea bionica (urechea interna).6 D.Bratul bionic mana artificiala.7 E.Inima artificiala (inima de titan)..8 F.Pancreasul si rinichiul artificial..9 G.Solutie pentru combaterea infertilitatii la barbati..10 H.Piciorul bionic (picioare inteligente).11BIBLIOGRAFIE.13

Stiintele naturii vor progresa prin conlucrare si prin cercetarea cea mai rationala. Gottfried Wilhelm Leibniz

http://www.news.com.au/common/imagedata/0,,5180007,00.jpg Din colaborarea specialistilor in medicina cu cei in cibernetica, robotica si electronica s-a nascut-bionica, medicina mileniului al treilea. Medicina bionica presupune imbinarea tesuturilor vii cu elemente electronice. Astfel se pot infaptui adevarate miracole pentru oameni cu deficiente fizice majore: nevazatori, surzi, amputati, paralizati. Datorita medicinei bionice pot fi create organe artificiale. BIONICA = biologie + electronica (engl. bionics, fr. bionique) sinonim partial: cyborg

Definitie americana: Organism electronic umanoid Proiecte Prototipuri

http://www.cosmosul.ro/images/2007/honda-asimo2.jpg Unele in curs de realizare, altele care tine mai mult de supraomenesc, stiintifico-fantastic sau pot reprezenta un pericol pentru fiinta umana. Toate proiectele se bazeaza pe utilizarea de cipuri electronice si microcipuri (circuite integrate, microplachete).Exemple:1)Proteze pentru creier (creierul bionic)2)Ochiul bionic3)Urechea bionica4)Mana robotizata dirijata prin sistemul gandirii5)Controlul contractiilor musculare in paralizii6)Casti EPOC pentru interactiunea creier calculator7)Regenerarea oaselor8)Transferul de celule cerebrale intre indivizi De doua decenii cercetatorul englez Evan Balaban a incercat sa transfere de la embrionul de pasare, celule cerebrale in curs de dezvoltare. Scopul era transferul unui mic fragment de creier in capul altui animal. Nivelul global de supravietuire al animalului de experienta era foarte bun: 20 - 60%. Pasarile cu grefe au preluat reflexele innascute (ex. modul de a canta al donatorului). Tehnica de transfer a celulelor cerebrale este foarte dificila; deocamdata nu s-au incercat transferuri la om.A.Creierul bionic

http://69.90.174.248/photos/display_pic_with_logo/235552/235552,1224671755,1.jpg Inlocuirea unei parti a creierului nu este asa de simpla cum ar fi cea a unui membru, dar in viitor ar pute fi. Theodore Berger, profesor la University of Sou thern California, a creat un cip care ar putea lua locul hippocampus-ului, o parte a creierului care controleaza memoria pe termen scurt si orientarea spatiala. Deseori afectata de boli precum Alzheimer sau de atacuri de cord, un implant hippocampus ar putea ajuta la mentinerea unei functionalitati normale la oameni care dealtfel ar fi serios dizabilitati. Berger inca testeaza acest implant, dar are viziune asupra vitorului, el a scris chiar si o carte "Toward Replacement Parts for the Brain" - "Catre inlocurirea unor parti din creier", in anul 2005. Sistemul de interfata neural mentine potentialul de a readuce functiile pierdute persoanelor cu paralizii. Progresul impresionant a fost realizat, inclusiv evaluarea semnalelor prin control neural, testarea senzorilor la om, semnale decodificate in avans, si validarea conceptului dovedit. Cel mai important, conceptia a demonstrat ca persoanele cu paralizii folosesc sisteme prototip pentru vorbire, punct si click si control robotic. Cercetarile de interfata neural asupra oamenilor si animalelor avanseaza in cunoasterea despre procesarea informatiilor neuronale si plasticitatea in sanatat, imbolnaviri si leziuni ale sistemului nervos. Aceste campuri de emergent au promis o categorie de neurotehnologii capabile sa revina comunicarii, independentei si controlul oamenilor cu miscari limitate.(1)

B.Ochiul bionic

http://www.scientificblogging.com/graphics/nsight17.jpg Atunci cand esti nevazator, putea vedea chiar si cea mai simpla lumina, miscare sau forma poate face o mare diferenta. Atat proteza retiniana Argus II, in prezent in testele FDA (U.S. Food and drug administration), precum si un sistem dezvoltat de cercetatorul asociat la Harvard dr. john Pezaris, inregistreaza informatii vizuale de baza via camera video, le transforma in semnale electrice si le trimite wireless - "fara fir" - unor electrozi implantati. Argus II foloseste electrozi implantati in ochi, ceea ce ar put ea ajuta oameni care si-au pierdut o parte din functiile retinei. Sistemul doctorului Pezaris, inca in primele faze de cercetare, ocoleste ochii in totalitate, trasmitand informatia vizuala direct la creier. Ambele sisteme vot obtine rezultatele cele mai bune la indivizii care au vazut inainte de orbire, astfel creierul stiind cum sa proceseze informatia vizuala. "Creierul vizual este dependent de experienta vizuala pentru a se dezvolta normal" - a spus dr. Pezaris. Degenerarile retinei ca retinita pigmentoasa duce la orbire, corespunzatoare pierderii fotoreceptorilor. Exista o pierdere a celulelor retiniene interne, dar numarul semnificant al celulelor bipolare si ganglionare remane intact pentru multi ani. In prezent, nu s-au realizat teste terapeutice pentru a restaura vederea pe acesti subiecti fara vedere. Modele de stimulare electrica pe termen scurt a retinei folosind implantul electrozilorpe subiectii fara vedere din cauza retinitei pigmentoase au aratat ca vederea ambulatorie si recunoasterea caracterului limitat sunt posibile. Pentru a produce vedere artificiala prin stimulare electrica retinala, a fost conceputa o proteza http://d4rkn3ss.files.wordpress.com/2008/03/2edb79b9a5_eye03092008.jpgintraoculara fara fir. Imagini ale mediului luate cu o camera sunt pre-procesate de un decodificator visual extern. Modele de stimulare sunt transmise la dispozitivul implantat fara fir si impulsurile electrice sunt eliberate de electrozii de microcontact pe suprafata retinei. Fata de un implant pe om, biocompatibilitatea folosirii materialelor si realizarea procedurii implantului chirurgical erau in stadiul de proiect. In testele de simulare acuta, s-au dovedit a fi intr-o categorie sigura. Activarea locala si retinotopica a cortexului vizual, masurata de imagistica optica a semnalelor intrinseci a fost demonstrata pe stimularea retinei electric cu un implant retinian fara fir si controlat prin comanda. Eventualele obstacole sunt revazute si in plus pasii catre dezvoltarea unei proteze de success sunt discutati.(2)

http://www.foxnews.com/images/279921/1_61_070427_bionic_eye.jpg

C.Urechea bionica(urechea interna)

Simularea electrica a ganglionului neuronal spiralat intr-o surzenie de cohlee, via un implant de cohlee, furnizeaza mijloace de investigare a efectelor indepartarii si restaurarii ulterioare a functiilor aferente de intrare pe organizarea functionala a cortexului autiv primar. Stimularea electrica a fost furnizata de un implant cohlear clinic care a fost folosit continuu pentru o perioada de pana la 7 luni. Impantul cohlear al ultilizatorilorrezolutiei spectral este limitata de numarul de electrozi implantati si interactiunea canalelor intre electrozi. Directiile actuale intre doi electrozi monopolari adiacenti a fost folosita pentru a mari numarul de canale spectralede partea cealalta a electrodului. Oricum, stimularea monopolara este asociata cu o imprastiere vasta de curent si cresterea interactiunii intre canale. Actualmente, concentrandu-se pe cei trei electrozi adiacenti a fost folosita sa reduca curentul imprastiat de electrozi si sa imbunatateasca selctivitatea canalelor. In studiul prezent, directia actual si concentrarea au fost asemanate cu un model de stimulare a patru-electrozi (canal http://1.bp.blogspot.com/_F8DQEJKSUso/RwUdct6rZZI/AAAAAAAAAEo/DRx9esPTWZQ/s400/Bionic%2BEar2.jpgvirtual cvadripolar) semnaleaza nevoia cresterii canalelor si micsorarea imprastierii curentului. Discriminarea canalelor virtulae a fost masurata pe 7 utilizatori a Bionicii Avansate Clarion II sau implanturi de inalta rezolutie 90K; acesta a fost cuprins intre canalele virtuale monopolare si cvadripolare la trei situri de stimulare. Rezultatele au aratat ca cel cvadripolar furnizeaza o rezolutie spectrala mai buna decat canalul virtual monopolar. Rezultatele sugereaza ca cvadripolarul da indormatii despre ce-i mai bun intre cele doua lumi imbunatatind numarul canalelor spectral si reducand interactiunea intre canale.(3)

D.Bratul bionic mana artificiala

http://www.koian.org/world_reports/files/attach/images/177/332/002/bionic_arm.jpg Cea mai importanta realizare recenta este brataul bionic bionic arm. Solutia obtinuta in laboratoarele de cercetare ale firmei scotiene Touch Bionics a fost considerata inventia bionica numarul 1 a anului 2007 in Marea Britanie. Fiecare deget al mainii este controlat de un motoras independent, iar miscarile degetelor sunt coordonate de un sistem electronic pentru a efectua diverse miscari ale bratului si mainii. Puterea computatinala si avansata a creierului este complexul comportamentului pe care il produce. Asemanand retele neuronale cu un robot sau animatie si stiuand-o intr-un mediu studiem cum principiile esentiale ale retelei neuronale poate culmina cu o adapatare comportamentala. Am proiectat un robot biologic, o masinarie de scris care identifica miscarile senzoriale. Rezultatele preliminare sugereaza in timp real performantele bazate pe un feedback ce ii permite unui robot sa deseneze in directiile dorite. Aceasta apropiere poate ajuta la instruirea unui viitor design al sistemului neural artificial si al algoritmilor pentru a interfata protezele senzoriale si motorii cu creierul.(4)

http://2.bp.blogspot.com/_pxX8T7Gum8s/SQul-MxMpKI/AAAAAAAAAJY/WzlNnR0qSIc/s400/inv_bionic_hand.jpg Cei amputati pot acum folosi un brat proteza in acelasi mod in care folosesc un brat adevarat: cu puterea gandului. Dezvoltat de Dr. Todd Kuiken de la Institutul de reabilitare din chicago, "bratul bionic" este conectat la creier prin intermediul unor nervi motori sanatosi care mergeau pana la bratul lipsa. Acesti nervi sunt redirectionati catre o alta parte a corpului, cum ar fi pieptul, unde impulsurile nervoase transmise de acestia pot fi preluate d electrozi din bratul bionic. Cand pacientul decide sa isi miste mana, nervii care transmiteau semnalul la mana adevarata il transmit acum protezei. Acum echipa lui dr. Kiuken lucreaza la imbunatatirea protezei, prin folosirea nervilor senzoriali care au supravietuit pentru a comunica creierului pacientului de la mana bionica senzatia de temperatura, vibratie si presiune. Puterea computatinala si avansata a creierului este complexul comportamentului pe care il produce. Asemanand retele neuronale cu un robot sau animatie si stiuand-o intr-un mediu studiem cum principiile esentiale ale retelei neuronale pot culmina cu o adapatare comportamentala. S-a proiectat un robot biologic, o masinarie de scris care identifica miscarile senzoriale. Rezultatele preliminare sugereaza in timp real performantele bazate pe un feedback ce ii permite unui robot sa deseneze in directiile dorite. Aceasta apropiere poate ajuta la instruirea unui viitor design al sistemului neural artificial si al algoritmilor pentru a interfata protezele senzoriale si motorii cu creierul.(5) DEGETELE CARE CRESC LA LOC In 2007, cercetatorul Stephen Badylak de la Universitatea din Pittsburg SUA a reusit sa regenereze degetele retezate ale unor pacienti sexagenari cu ajutorul unei pulberi obtinute din vezica urinara de porc. Pulberea contine o serie de molecule regeneratoare care atrag celule si factori de crestere, astfel incat procesul de cicatrizare este blocat si degetele cresc la loc.

E.Inima artificiala (inima de titan)

http://express.howstuffworks.com/gif/bionic-body-1.jpg Dupa 15 ani de cercetare si o investitie de aproape 55 de milioane de euro, un doctor francez a creat prototipul primei inimi artificiale din lume potrivita pentru transplant. La realizarea ai au contribuit si inginerii de la compania aerospatiala EADS. La 30 de ani de la efectuarea primului transplant de cord, specialistul cardiolog francez Alain Carpentier, seful sectiei de cercetare din cadrul spitalului Georges Pompidou din Paris, a prezentat prototipul primei inimi artificial din lume, care poate fi produsa la scara industrial. Inima artificial este un mecanism sofisticat realizat din titan, tesut de animale si tehnologie balistica. Este acoperit de un tesut care a fost tratat pentru a se evita respingerea de catre sistemul imunitar al pacientului gazda, unul dintre cele mai mari riscuri ale transplanturilor. Datorita senzorului electronic complicat, inima poate sa se adapteze instantaneu schimbarilor de presiune arterial. Scopul acestei inimi este sa permita pacientilor care duc o viata aproape imposibila si pot face doar cativa pasi de la fotoliu la pat sa revina la o viata normal, din cauza bolilor de inima murind annual 17 milioane de persoane. Inima artificial este gata sa fie produsa la scala mondiala. Un nerv artificial, in simtul larg, poate fi conceput ca un sistem de interfata logic si fizic care restabileste traficul de informatii intre sistemul nervos central si organele periferice. Studii pe nervi artificiali care se axeaza pe sistemul nervos autonomic sunt in desfasurare, pentru a descoperi noi tratamente pentru pentru diferite boli cardiovasculare. Se vor revedea cercetarile axandu-ne pe sistemul nervos autonomic pentru a trata bolile cardiovasculare. Mai intai, se indentifica nervul nativ simpatic intr-o parte a inimii folosind functii pentru a stabili un cadru stimulatorului cardiac. In al doilea rand, se concepe un sistem baroflex bionic pentru a restaura functia baroflexa folosind stimulare electrica a ganglionul celia in ortostatism. In al treilea rand, bazate pe ipoteze ca dereglari autonome cornice insotite de stop cardiac, se implanteaza o interfata neural in nervul vagal drept si se demonstreaza stimularea vagala improvizata semnificatic cu atac de cord si infarct miocard. Totodata, cateva probleme practice trebuiesc rezolvate, ca dezvoltarea electrozilor de lung termen pentru inregostrarea activitatii nervului, studii arificiale de interfete neural cu sistemul nervos central au posibilitati mari in tratamentul cardiovascular. Ulterior se vor dezvolta interfete neural artificial rezistente la terapeuticele conventionale.(6) PRIMA INIMA BIOARTIFICIALA s-a realizat prin urmatoarele etape: 1.prelevarea inimii de la un sobolan mort 2.decelularizarea inimii cu detergenti biologici 3.conservarea matricii extracelulare a inimii 4.injectarea de celule cardiac neonatale la nivelul inimii decelularizate 5.celule cardiac neonatal genereaza rapid tesut cardiac, iar dupa aproximatix 8 zile inima bioartificiala se contracta sub actiunea unui impuls electric

F.Pancresul si rinichiul artificial

http://www.bernardfarrell.com/blog/uploaded_images/ArtificialPancreas-768951.jpg Un pancreas artificial, capabil de a monitoriza concentratia de zahar din sangele unei persoane si sa ajusteze nivelul de insulina pentru a asigura necesarul corpului, va fi disponibil pe piata in cativa ani, a spus Aaron Kowalski, directorul proiectelor de cercetare strategice de la Juvenile Diabetes Research Foundation (Fundatia de cercetare a diabetului juvenil). Kowalski a spus ca dispozitivul va fi initial o combinatie intre doua tehnologii deja existente: pompa de insulina si monitorul de determinare continua a nivelului de glucoza. Aceasta combinatie ar putea ajuta diabeticii dependenti de insulina sa duca o viata mai normala si sa evite efectele secundare devastatoare si care ameninta viata ale lipsei sau excesului de zahar din sange.

http://inventorspot.com/files/images/kidney.jpg Pentru cei care au rinichii in "pionieze", necesitatile de baza ale vietii cum ar fi eliminarea toxinelor din sange sau mentinerea echilibrului nivelurilor de lichid necesita ore de conectare la o masina de dializa de dimensiunea unui uscator de rufe. Dar un nou rinichi artificial, portabil care sa incapa intr-un sistem cu curea, ar pute schimba toate astea. In ciuda dimensiunilor reduse, rinichiul artificial automat "purtabil" (AWAK), proiectat de Martin Roberts si David B.N Lee de la UCLA, functioneaza chiar mai bine decat un aparat de dializa deoarece poate fi folosit non-stop 24 de ore, 7 zile din 7, asemenea unui rinichi normal. Crearea unor imprimante de organe incarcate cu celule specific, nutrimenti si substante care accelereaza cresterea organelor (factori de crestere). Celulele sunt dispuse pe anumit substrat organic (fibre de colagen). Reabilitare unor organe afectate patologic prin liza continutului, mentinerea doar a matricii celulare si introducerea in celulele goale de celule cardiac embrionare, cu mare potential de crestere.

G. Solutie pentru combaterea infertilitatii la barbati A fost realizata de Centrul de cercetare Roger Abdelmassih din Sao Paolo (Brazilia). Se recolteaza de la un barbat un fragment de pulpa dentara bogata in celule stem, care sunt injectate in testicule la soareci. Lichiul seminal format este ulilizat pentru a fertiliza un ovul. In anul 2006, Anthony Antala si echipa lui de la Wake Forest University au reusit sa creasca un nou corpora cavernosa, tesutul buretos care se umple cu sange in timpul unei erectii, pentru iepuri masculi carora le-a fost in prealabil extirpat.

H.Piciorul bionic (picioare inteligente)

http://i131.photobucket.com/albums/p310/axisof/2008-MAY/Bionicman.jpg Picioare inteligente produse de compania olandeza Ossur, care ar putea depasi eficacitatea membrelor inferioare ale omului. A fost mult mediatizata cu ocazia ultimei olimpiade, cazul atletului sud-african Oscar Pistorius, lispit de ambele picioare de la jumatatea gambelor in jos. Datorita protezelor inteligente, el este capabil sa alerge umar la umar cu orice sprinter care alearga pe prorpiile picioare. Mai mult, s-a considerat ca membrele sale bionic ear constitui un avantaj fata de ceilalti alergatori.

http://www.timepiece.ro/Top-10/omul-bionic-top-10-tehnologii.html Genunchiul nu este o parte a corpului la care te astepti sa gandeasca pentru el insusi, insa RHEO, un genunchi proteza dezvoltat de cercetatori ai inteligentei artificiale Hugh Herr and Ari Wilkenfeld de la MIT, chiar are o gandiere proprie. Primele proteze pentru genunchi trebuiau programate de un tehnician atunci cand erau prima data puse. Insa genunchiul RHEO, pe de alta parte, creeaza o miscare realista si confortabila de unul singur, invatand modul in care utilizatorul merge folosind senzorii care detecteaza pe ce fel de teren se afla. Acest sistem face mersul cu ajutorul unui picior cu proteza mult mai facil si mai putin epuizant.

http://halfbackflanker.files.wordpress.com/2008/05/bionic_leg.jpg Scopul acestui studiu a fost sa se testeze eficacitatea pasitului corect (picior picatura - foot drop) folosind microstimulatori BIONS; prima cercetare pe om in stimularea electrica functionala. Un prototip bionic picior picatura stimulator a fost conceput prin modificarea WalkAide2 stimulator pentru a controla activitatea BION a muschiului flexor dorsal al gleznei. Stimulare BION a fost comparata cu stimularea de suprafata a nervului peronier comun furnizat de stimulatorul normal picior picatura - WalkAide2 . Comparata cu stimularea de suprafata s-a descoperit ca stimulare BION a nervului peronier profund produce o flexie mult mai mare a gleznei cu conditia ca piciorul se fie miscat. Fara stimulare, degetul de la piciorul afectat trage piciorul pe pamant. The BIONic WalkAide ridica piciorul astfel incat degetul este ridicat de la pamant cu 3 cm, echivalentul degetului liber la piciorul sanatos. Costul psihologic s-a folosit pentru a masura eforul in timpul mersului. PCI-ul este mare fara stimulare si redus cu suprafata si stimulare BION. Deasemea viteza mersului creste de la 9,4 +/- 0,4m/min. fara stimulare la 19,6+/-2,0m/min. cu suprafata si 17,8+/-0,7m/min cu BION stimulare. S-a tras concluzia ca stimulare electrica functional cu BIONs e o practica alternativa catre suprafata de stimulare si furnizeaza control selectiv al muschiului activ.(7)

Bibliografie1.Introducere in bionica Victor Gheorghe, Aurel Popescu Editura Stiintifica, Bucuresti 19902.Revisa de cultura generela pentru intreaga familie Arborele Lumii, Editura Chartogrphia, 20003.Revista Corpul Omenesc Interiorul corpului uman, Editura Minarom, 19994.Bionics and biocibernetics, Perfect Techniques, 20055.Energobots Jason Maxwell, Legacy Information, 20006.Neogen, omul bionic Support 19987.Omul bionic Razvan Ionescu, Victor Raducanu, Editura Stiintifico-fantastica, 20068.Byonicle,transformers and cybernetic organism, 20089.Symbiotic bionics Jack Wilson, 200010.http://www.timepiece.ro/Top-10/omul-bionic-top-10-tehnologii.html11.Organism artificial Stiinta si tehnologie,Dalmant 199712.Wikipedia Bionics and Imagination13.Encarta Encyclopedia Bionica si Omul Bionic, 2008http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19264422?ordinalpos=9&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSumhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19376769?ordinalpos=3&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum(1)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18995827?ordinalpos=2&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum(2)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17691339?ordinalpos=5&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum(3)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19383534?ordinalpos=1&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum(4)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18002625?ordinalpos=1&itool=EntrezSystem2.PEntrez.Pubmed.Pubmed_ResultsPanel.Pubmed_DefaultReportPanel.Pubmed_RVDocSum 1