Anschluss von Computern an biologische Hardware

Präsentation zum Thema: "Anschluss von Computern an biologische Hardware"—  Präsentation transkript:

1 Anschluss von Computern an biologische Hardware
Themenüberblick: - Sehprothesen - Innenohrprothese - Steuerung von Gliedmaßen Ich werde euch heute einen Vortrag halten über den Anschluss von Computern an biologische Hardware, das heißt, ich werde euch über Implantate, die aktuelle Forschung daran und die Realisierung informieren. Ich werde meinen Schwerpunkt auf die künstlichen Sinnesprothesen setzen. Sinnesprothesen sind Implantate, die eines unserer Sinnesorgane, z.B. das Auge oder das Ohr in ihrer Funktion ersetzen sollen. So werde ich euch die verschiedenen Ansätze vorstellen, die es bei den Sehprothesen gibt. Dann werden wir ihr die Innenohrprothese kennen lernen und zuletzt werde ich euch über die neusten Forschungsergebnisse zum Thema Steuerung von Gliedmaßen informieren. Allem, was ich euch vorstellen werde, ist eines gemeinsam: Es muss eine Schnittstelle von der biologischen Hardware, hier dem Menschen, zu dem Computer geschaffen werden, was große Problem in sich birgt und die größte Herausforderung bei der Herstellung künstlicher Prothesen darstellt. Wie diese Herausforderung gelöst wurde oder ob sie erst noch gelöst werden muss, werdet ihr in meinem Vortrag erfahren.

2 Sehprothesen Es gibt 3 verschiedene Ansätze, um
Blinden das Sehen zu ermöglichen: Retinaimplantat: Das epiretinale Implantat Das subretinale Implantat Gehirnimplantat Das epiretinale und das subretinale Implantat wird als Retinaimplantat bezeichnet. In alle 3 Richtungen wird heftig geforscht: Es gibt interdisziplinäre Forschungseinrichtungen in Deutschland, Amerika, Belgien und Japan.

3 Das epiretinale Implantat
Bei dem epiretinalen Implantat wird das Implantat vor der Netzhaut angebracht Bei diesem Ansatz Sollen die Photorezeptoren durch eine Minikamera ersetzt werden Ein Neurocomputer das Bild in eine Impulsfolge umwandeln Die Nervenzellen im Auge stimuliert werden Wie das Implantat genau funktioniert siehe nächste Folie. Forschung hauptsächlich an der Uni Bonn unter Rolf Eckmiller und am Fraunhofer Institut Duisburg. Das epiretinala Implantat gibt es noch nicht. Alles, was ich vorgestelle, sind Forschungsergebnisse und Konzepte.

4 Funktionsweise Epi-Retinaimplantat
Das Bild von dem Schiff fällt auf die Kamera, die in der Brille angebracht ist. Das Bild wird an den Retina Encoder weitergeleitet, einen lernfähigen Computer, der das Bild so aufarbeitet, dass es über die Zellen, die den elektrischen Impuls von den lichtempfindlichen Zellen (Stapfen und Stäbchen) zum Gehirn leitet aufgenommen und im Gehirn verarbeitet werden kann (also in Pulsfolgen). Der Retina-Encoder, leitet die Pulsfolge an den Sender weiter, der die Information an das Implantat im Auge sendet. Das Implantat stimuliert die oben genannten Zellen (durch kleine Stromstöße) und im Gehirn entsteht das Bild vom Schiff. Der Sender versorgt das Implantat innerhalb des Auge mit Energie. Erste Entwürfe sehen vor an das Ende der Brillenbügel wiederaufladbare Batterien einzusetzen, die genügend Energie bereitstellen.

5 Schema Epi-Retinaimplantat
Stimulationskontakte Kamera-Chip Sender Empfänger So sieht das Retinaimplantat aus (inklusive Brille). Die Brille soll sich äußerlich nur wenig von einer gewöhnlichen Sonnenbrille unterscheiden. Das Implantat im Auge ist streichholzgroß. Hier sieht man einen entscheidenden Vorteil des epiretinalen Implantats: Durch die Trennung von Kamera/ Retina Encoder von dem Implantat selbst ist letzteres sehr viel leichter und somit besser für den Menschen geeignet. Die Stimulationskontakte wären in der Realität eine flexible Mikrokantaktfolie (ganz dünn geätztes Silizium). Sie befinden sich im Bereich des schärfsten Sehens (gelben Fleck). Stimulations- elektronik Retina-Encoder

6 Reha beim Epi-Retinaimplantat
Veranschaulichung des Lernzyklus wie in der vorherigen Folie. Der Lernprozess mit der Dialogkonsole findet zunächst im Krankenhaus unter Betreuung statt, kann aber später zu Hause wiederholt werden, um der optimalen Sehwahrnehmung so nah wie möglich zu kommen. Dieser Lernprozess ist von großem Vorteil.

7 Einsatz des Epi-Retinaimplantats
In Tests wurde nachgewiesen: Verträglichkeit: Langzeitstudie an einem Hund Stimulierbarkeit: Studie mit einer speziellen Sonde in Amerika an Freiwilligen Anbringen des Implantats: Durch chirurgischen Eingriff mit speziellem Halter durchführbar Routinemäßiger Eingriff Um die Verträglichkeit des Implantats zu testen wurde einem Hund ein Implantat eingesetzt, das er jetzt schon seit 2 Jahren trägt. Er hat keine Gewebeschäden erlitten. Zum Nachweis der Stimulierbarkeit wurde in Amerika Freiwilligen für ein paar Stunden eine spezielle Sonde ins Auge implantiert, mit der 10 der Zellen, die den elektrischen Reiz zum Gehirn weiterleiten, stimuliert wurden. Die Freiwilligen konnten tatsächlich etwas sehen, beschrieben dieses Sehen als sehr anders und etwas gewöhnungsbedürftig, erkannten jedoch Balken, Buchstaben und einfache geometrische Figuren. Zum Anbringen des Implantats macht der Chirurg einen kleinen Einschnitt an der Seite des Auges, durch den der im Auge verbleibende Teil des Retina Implants eingeführt wird. Mit einem speziellen Halter wird das Implantat auf die Netzhaut gelegt und dort fixiert. Diese Art des Eingriffs wird heute bereits routinemäßig in Augenkliniken zur Behandlung anderer Krankheiten durchgeführt. Das schlechtere Auge wird implantiert, damit die Sehleistung des besseren erhalten bleibt.

8 Probleme des Epi-Retinaimplantats
Derzeit wird Retina Encoder durch Großrechner realisiert um 100 Bild-Punkte zu stimulieren Fixierung des Implantats Qualität des erkannten Bildes Kosten hoch aber noch schwer kalkulierbar; Übernahme Krankenkasse? Der Retina Encoder wird derzeit durch einen Großrechner realisiert und passt keineswegs in die Brille oder kann wenigstens am Gürtel mit sich getragen werden. Es wird noch viel Forschung benötigt werden, um ihn so klein zu bekommen. Die Fixierung des Implantats ist sehr schwierig: einerseits muss das Implantat so fest sitzen, dass es nicht einmal um einen zehntel Millimeter verrutscht, andererseits darf durch die Fixierung das Gewebe nicht geschädigt werden. Die Forschung geht in Richtung Mikronägel oder Biokleber. Derzeit wird an einer Augenklinik mit einem Biokleber geforscht, der bereits zum kleben von Netzhautlöchern verwendet wird. Wie das erkannte Bild des Implantats aussehen wird, weiß im Moment noch niemand. Man vermutet, dass es eine Art 2D-Kantenbild sein wird, genau kann man das aber noch nicht sagen. Ob das Implantat jemals gut genug sein wird, um Lesen zu können und Gesichter zu erkennen, kann man derzeit noch nicht sagen. Auch die Kosten sind schwer kalkulierbar, werden aber in jedem Fall recht hoch sein. Zwar wird immer nur ein Auge implantiert (das schlechtere, um die Sehleistung des besseren nutzen zu können), aber auch das wird teuer kommen. Ob die Krankenkasse die Kosten für die Operation und das Implantat übernehmen ist noch fraglich, jedoch gut möglich, da sie das Cochleaimplantat für Gehörlose übernehmen. Fazit: Die Forscher sind optimistisch eine Lösung für all diese Probleme zu finden und forschen mit vollem Eifer daran.  Forscher sind optimistisch

9 Das subretinale Implantat
Das subretinale Implantat wird hinter der Netzhaut angebracht. Das Implantat nutzt den intakten Teil des Auges und ersetzt lediglich die Photo-rezeptoren (Zapfen und Stäbchen) durch speziell zu entwickelnde Mikrophotodioden. Diese wandeln das einfallende Licht in Spannungsimpulse um und leiten diese durch Elektroden an die Ganglienzellen weiter. Mikrophotodioden sind sehr kleine lichtempfindliche elektronische Sensoren. Der große Unterschied zum epiretinalen Implantat liegt im Standort des Implantats: es ist unter und nicht vor der Netzhaut. Das subretinale Implantat kommt ohne Kamera und Neurocomputer aus. Es benützt die im Auge vorhandenen neuronalen Strukturen. Voraussetzung für diese Lösung ist, dass nur die Photodioden der Netzhaut absterben, nicht aber die anderen Zellen (s. nächste Folie). Dies wurde an toten Retinitis pigmentosa Patienten nachgewiesen. Die Forschung leitet die Augenklinik der Universität Tübingen unter Prof. Zrenner.

10 Schema Sub-Retinaimplantat
Subretinales Implantat Netzhaut Gegenstand Auge Abbild auf Netzhaut Das Bild von der Tanne dringt durch die Pupille ins Auge ein, wird von der vorderen Augenkammer und der Linse auf die Netzhaut gebrochen. Wie man im vergrößerten Ausschnitt sieht, durchdringt das Licht zunächst alle Schichten der Netzhaut (optischer Nerv, Ganglienzellen, amakrine Zellen, Bipolare Schaltzellen und Horizontalzellen) bevor sie zu den Photorezeptoren kommen, die das Licht im gesunden Auge in einen elektrischen Impuls umgewandelt und weitergeleitet wird. Das subretinale Implantat ersetzt die Photorezeptoren und übernimmt ihre Aufgabe. In Tierversuchen wurde das Implantat erfolgreich getestet. Glaskörper Ganglien-zellen Photo-rezeptoren Amakrine Zellen, Bipolare Schaltzellen, Horizontalzellen

11 Das Gehirnimplantat Das Implantat besteht aus einer Mikrokamera, Minicomputer und einem Chip. Der Chip wird direkt an der Oberfläche der visuellen Cortex implantiert. Der Chip ist mit 68 Platinelektroden ausgestattet. Forschung von dem Elektrotechnik-Ingenieur William Dobelle in New York. Die Komponenten sind ähnlich wie beim epiretinalen Implantat. Der Chip wird hier jedoch nicht vor die Retina, sondern direkt auf die Oberfläche der visuellen Cortex (Sehzentrum der Großhirnrinde) implantiert (das heißt also unter den Schädel). Daher ist zusätzlich ein externes, recht dickes Kabel zum Implantat im Schädel nötig. Eine Platinelektrode kann bis zu 4 Bildpunkte auf einem schwarzen Hintergrund erzeugen. Farblose Lichtblitze zeigen lediglich Kanten und Umrisse von Gegenständen und Personen in einem Feld an, das nicht größer ist als eine auf Armeslänge gehaltene Tafel Schokolade. Der Rest ist schwarze Nacht. Die Patienten haben Probleme, die Tiefe zu erkennen. Sie können sich aber auch so im Raum orientieren und ein autonomes Leben führen. So wird das Sehen von einem der Patienten als primitiv und ganz anders beschrieben, es ist jedoch auf jeden Fall besser als absolute Blindheit. 2 der oben genannten Patienten tragen das Implantat bereits seit 1978 ohne Probleme der Verträglichkeit oder andere gesundheitliche Beeinträchtigungen. Bei manchen von ihnen hat die Krankenkasse einen Teil oder sogar die gesamten Kosten für das Implantat übernommen. Der Minicomputer wiegt 2,5kg und wird vom Patienten am Gürtel getragen.

12 Schema Gehirnimplantat
Elektroden Kamera Hier sieht man das Gehirnimplantat. An einer Brille ist eine Minikamera befestigt, die die aufgenommenen Bilder an den Minicomputer im Gürtel weiterleiten. Dieser funktioniert ähnlich wie der Retina Encoder. Er wandelt die gesendeten Bilder in elektrische Signale um. Diese werden an den Chip an der Cortex weitergeleitet. Die Platinelektroden des Chips erzeugen die berechneten Bildpunkte. Dadurch entsteht ein Kantenbild der Umgebung. Im Querschnitt (linke Seite) sieht man, dass der Chip unter dem Schädelknochen und der Kopfhaut mit den Haaren sitzt, was sicherlich nicht ganz ungefährlich ist und eine große Verletzungsgefahr birgt. Weitere Probleme, siehe auf der nächsten Folie. zum/vom Computer

13 Probleme des Gehirnimplantats
Verletzungsgefahr Sehr hohe Spannung zum Stimulieren nötig  Epilepsie Restriktionen der Behörde für Medikamente und Nahrungsmittel (FDA) medizinische Geräte ins Gehirn zu implantieren Durch das externe Kabel (auf beiden Seiten) ist man in der Bewegungsfreiheit gehemmt und es besteht die Gefahr irgendwo hängen zu bleiben. Der durchbohrte Schädel nimmt dem Gehirn seinen natürlichen Schutz bei Stürzen etc. Zur Stimulation der Zielzellen im Gehirn ist eine sehr hohe Spannung nötig, das heißt es ist nicht möglich kleine Zellgruppen spezifisch anzuregen. Diese dauernden hohen Spannungen können epileptische Anfälle provozieren. Warum diese Restriktion ausgesprochen wurde, weiß ich nicht, es hatte aber sicherlich seinen Grund. Das Gehirn ist unser wichtigstes Organ und steuert alle Vorgänge im Körper. Sich hier einzumischen ist gefährlich, besonders da die Gehirnforschung schwierig ist und wenig Resultate brachte, oft sogar die Resultate widerruft. So kann man nicht ganz sicher sein, dass die Stimulation der visuellen Cortex mit so hoher Spannung nicht noch andere unerwünschte Effekte mit sich bringt. Auch hier sind die Forscher, allen voran Dobelle, sehr zuversichtlich. Er rechnet mit schnellen Fortschritten und auch mit anderen Gehirnimplantaten.

14 Themenüberblick - Sehprothesen Innenohrprothese
- Steuerung von Gliedmaßen

15 Die Innenohr-Prothese
Innenohrprothese = Cochlea-Implantat Gehörlose können damit wieder hören Erste routinemäßig eingesetzte Sinnesprothese wenig bekannt 6000 Menschen in Deutschland tragen das Implantat Die Innenohrprothese wird in der Fachsprache Cochlea-Implantat genannt (Cochlea = Innenohr). Etwa Menschen in Deutschland haben ein Cochlea-Implantat, etwa wären potenzielle Patienten. Aber mit 700 Operationen pro Jahr ist die Tendenz steigend. Die drei größten Hersteller dieser Systeme sind: Nucleus/Cochlear (Australien), ca Patienten, Advanced Bionics/Clarion (USA), ca Patienten, MedEl (Österreich), ca Patienten . Die ersten Versuche zur Entwicklung eines künstlichen Innenohres wurden schon vor mehr als 30 Jahren in Frankreich und Deutschland (vor allem in Freiburg und München) durchgeführt. Die Kosten für das Cochlea-Implantat werden im Allgemeinen von der Krankenkasse übernommen.

16 Aufbau des Cochlea-Implantats
Das Cochlea-Implantat besteht aus 2 Komponenten: Der interne Teil - Empfänger Elektronik Magnet Feines Kabel mit 22 Stimulationselektroden Das Implantat ist 5 Mark-Stück-groß. Es befindet sich hinter dem Ohr unter der Kochhaut auf dem Schädelknochen. Es besteht aus einem Empfänger für Daten und Energie, einem Magneten, der die auf der Kopfhaut befindliche Sendespule an Ort und Stelle hält, einer Elektronik, welche die empfangenen Daten weiterverarbeitet (sie schickt es den Befehl zur Stimulation weiter und muss zuvor das Signal noch entschlüsseln) und aus einem feinen Kabel mit 22 Elektroden, das sich in der Schnecke befindet. Hier seht ihr die Spitze des Kabels mit den Elektroden vergrößert. Die Biegung entspricht den Windungen der Schnecke ist sorgt dafür, dass die Elektroden näher an die Fasern des Hörnervs zu bringen. Dadurch wird der Reiz fokussiert und es wird ein geringerer Reizstrom benötigt. Zum Vergleich: Was beim Cochlea-Implantat 22 Elektroden übernehmen, tun im gesunden Ohr Sinneshärchen.

17 Aufbau des Cochlea-Implantats
Der externe Teil: Sprachprozessor Mikrophon Sendespule Der Sprachprozessor ist in den verschiedenen Modellen des Implantats unterschiedlich groß. Dieses Implantat ist das leistungsfähigste im Moment. Der Sprachprozessor wird am Gürtel getragen. In anderen Modellen ist er weit kleiner und kann hinter dem Ohr getragen werden, was für der Verkabelung entgegen kommt. Das Mikrophon ist hochleistungsfähig und wird am Ohr getragen. Es nimmt die Geräusche der Umgebung auf. Mit der entsprechenden Frisur sind Sendespule und Mikrophon praktisch unsichtbar.

18 Schema Cochlea-Implantat
Gesundes Ohr: Der Schall dringt durch den Gehörgang ins Ohr ein und bringt das Trommelfell zum Schwingen. Von diesem aus wird der Schall über die Gehörknöchelchen ins Innenohr übertragen. Im Innenohr erzeugt der Schall durch Umbiegung der Haarsinneszellen einen elektrischen Reiz. Implantiertes Ohr: Das hinter dem Ohr getragene Mikrophon nimmt die Schallinformation auf und leitet sie über ein dünnes Kabel zum Sprachprozessor. Dort erfolgt eine aufwendige elektronische Verarbeitung und Codierung in die unterschiedlichen Stimulationsmuster. Diese werden dann auf einen Hochfrequenzträger moduliert und mittels Kabel über die Sendespule an das Implantat übertragen. Die Codierung verhindert, ähnlich der Mobiltelefone, Übertragungsfehler, die durch äußere elektrische und magnetische Störfelder entstehen können. Die Elektronik des Implantats entschlüsselt die empfangenen Signale und steuert dann die einzelnen Elektroden mit Stromimpulsen so an, dass bei jedem Patienten der für ihn bestmögliche Höreindruck erzielt wird. Die Sendespule übernimmt auch die Energieversorgung des Implantats.

19 Themenüberblick - Sehprothesen - Innenohrprothese
- Steuerung von Gliedmaßen

20 Steuerung von Gliedmaßen
Neuste Forschungsergebnisse: Affe bewegte Cursor mit Gedanken über den Bildschirm Affe steuert Roboterarm nur wenige Elektroden nötig Steuerung eines Cursors über EEG Biofeedback In neusten Experimenten ist es gelungen, dass ein Affe, dem ein Chip mit Elektroden ins Gehirn implantiert wurden, den Cursor über den Bildschirm zu bewegen mit reiner Gedankenkraft. Zunächst bewegte der Affe den Cursor mit einem Joystick, also durch die Bewegung seiner Hand. Die Forscher zeichneten dabei die neuronalen Aktivitäten auf. Diese wurden zur Berechnung des Zusammenhangs zwischen der Hirnaktivität und der Bewegung des Cursors benutzt und mit Hilfe von neu entwickelten Algorithmen in Echtzeit die Bewegung des Cursors berechnet. So brauchte der Affe die Hand nicht mehr zu bewegen. Er schaffte es, den Cursor durch die Gedanken über den Bildschirm zu steuern und mit dem Cursor einem Ziel zu folgen. In einem ähnlichen Experiment gelang es, dass ein Affe über das Internet einen Roboterarm steuerte, der durch eine Klappe griff, nachdem sich diese geöffnet hatte und nach einem Apfelstück auf einem der 4 Plattformen hinter der Klappe griff (3 dimensionale Bewegung). Er war auch fähig einen Griff nach rechts oder links zu bewegen (2 dimensionale Bewegung). Durch das nacheinanderfolgende Abschalten von Elektroden, stellte man fest, dass zu der Steuerung des Roboterarms nicht wie angenommen ca. 100 Elektroden, sondern nur 7-30 nötig sind. Mit Hilfe von Biofeedback kann man lernen, sonst nicht bewusst beeinflussbare Körperfunktionen, wie zum Beispiel den Puls oder negative Potenziale in den beiden Hirnhälften, bewusst zu steuern. Dies wird bereits eingesetzt gegen Epilepsie (Ausdruck einer Obererregung von Gehirnstrukturen ) und Spannungskopfschmerzen, man kann auch lernen, sich damit zur Entspannung und zum Einschlafen zu zwingen. EEG Biofeedback: Durch die Potenzialverschiebung im Gehirn kann man auch einen Cursor über den Bildschirm schieben (oben-unten, rechts-links), zum Beispiel um aus vorgegebenen Silben die gewünschte herauszusuchen und damit Wörter zu erzeugen, um mit der Außenwelt zu kommunizieren. Das verschieben von Potenzialen ist anstrengend und zeitaufwendig, so dass eine richtige Konversation derzeit noch nicht möglich ist. Biofeedback wird am Institut für Medizinische Psychologie in Tübingen unter der Leitung von Prof. Birbaumer erforscht.

21 Ziel der Forschungen Prothesen: mit dem Gehirn steuerbar
als Körperteil akzeptiert Mensch-Maschine Schnittstelle: Steuern des Computers Sprachgenerator Anschluss an andere Systeme Prothesen, z.B. für Querschnittsgelähmte, die vom Gehirn als Körperteil akzeptiert werden und auch vom Gehirn gesteuert werden können, indem man sich vorstellt, ein bestimmtes Körperteil zu bewegen und dieses Körperteil das dann auch tut, könnten den Patienten ein völlig normales Leben ermöglichen. Schwerst Behinderten, die nicht sprechen können und sich nicht bewegen können, deren Geist jedoch völlig in Ordnung ist, soll die Möglichkeit gegeben werden, mit ihrer Gedankenkraft einen Computer so zu nutzen, dass sie s schreiben und das World Wide Web nutzen können. Dadurch könnten sie sozialen Kontakt zur Außenwelt knüpfen. Auch hofft man, dass man solchen Menschen eine derartige Mensch-Maschine Schnittstelle zur Verfügung stellen zu können, dass den Patienten ermöglicht das Licht einzuschalten oder eine Person zu rufen.

22 Literaturverzeichnis
Sehprothesen: Cochlea-Implantat: Steuerung von Gliedmaßen: NTHR-03/ziegler.pdf