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