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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 squele\que • 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 : t raumaKsme cérébra l , traumaKsme moelle épinière, infirmité motrice cérébrale, sclérose en plaques.
Stimulation électrique fonctionnelle en boucle fermée!
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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 gril le 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
-SE
NS
EU
R
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
???????
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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 paKent
(recherche en cours) Implant intelligent de s8mula8on cérébrale profonde
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)
Hybrid SNN for neural rehabilitation RegénéraKon des commandes motrices de la locomoKon
Plan!
• Bio + Electronique!….!….!• Mais que fait la recherche ?!
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)
Human Brain Project – Europe – 2013/2023
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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?
Brain IniKaKve – USA -‐ 2014/?
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« Reverse engineer the brain, down to the neuron »
hNp://www.nih.gov/science/brain/index.htm
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).
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
DEFI-SENS et
• Acceptabilité des disposiKfs • Bénéfice versus risque
Systèmes Embarqués pour la Santé!
• Respect de l’Ethique
