Recent Post

Breaking News

PENGERTIAN FLEXIBEL ANTARMUKA OTAK KOMPUTER

ANJAS TECH INFO


Fleksibel antarmuka otak-komputer

dari Wikipedia
Fleksibel Brain-Computer Interface
Fleksibel Brain-Computer Interface.jpg
A tipis, mampudeformasi microelectrode permukaan array yang dibuat pada substrat polimer fleksibel untuk digunakan sebagai antarmuka otak-komputer yang fleksibel.
KlasifikasiImplan medis
Fleksibel antarmuka otak-komputer (fBCIs) adalah array microelectode dibuat pada lapisan polimer (misalnya Polimida ) seperti yang terlihat dalam elektronik fleksibel 1) untuk merekam dan proses neuronal sinyal pola dan 2) untuk menggunakan data ini untuk mengontrol perangkat eksternal. Bendability peningkatan perangkat ini membuat mereka kurang berbahaya bagi jaringan otaksetelah segera implantasi dan jangka panjang sementara juga membantu array akses area otak yang kaku array berbasis silikon tidak bisa. [1] [2] Permukaan, array microelectrode fleksibel bisa mencapai resolusi sebanding dengan array berbasis silikon invasif dan lebih tinggi dari permukaan silikon array berbasis, membuat mereka kandidat yang baik untuk BCIs membutuhkan kemampuan untuk mengatasi sinyal pola pada mikro . [1]

Sejarah dan Perkembangan fBCIs [ sunting ]

Brain-Computer Interface Background [ sunting ]

Artikel utama: antarmuka otak-komputer
Antarmuka otak-komputer (BCIs) memungkinkan komunikasi langsung antara otak dan eksternal perangkat, misalnya membiarkan pasien mengoperasikan lengan jarak jauh atau memindahkan kursi roda dengan berpikir tentang hal itu. Proses ini melibatkan kemampuan untuk mengukur pola sinyal neuron in vivo secara real-time, mengirimkan data ini ke perangkat eksternal, menganalisis sinyal menggunakan pemrosesan sinyal , dan menerjemahkan sinyal yang diperoleh menjadi gerakan tertentu.

Origins [ sunting ]

Asal BCIs adalah electroencephalogram (EEG). Dibuat pada tahun 1924 oleh Jerman fisikawan dan profesor Hans Berger , perangkat ini digunakan perak foil elektroda melekat pada pasien kulit kepala untuk merekam aktivitas otak melalui galvanometer . Hari ini, EEG telah menjadi penting diagnostik dan penelitian alat dalam mempelajari pola sinyal neuron pasien in vivo dan dapat merekam sinyal saraf dengan tinggi resolusi temporal ; itu juga telah diupayakan sejak 1980-an dalam penelitian BCI noninvasif. Meskipun ada beberapa keberhasilan dalam menggunakan teknologi ini (termasuk Lawrence Farwell dan Emanuel Donchin di University of Central Florida membantu Locked-in syndromepasien berkomunikasi menggunakan speech synthesizer , Jessica Bayliss di University of Rochester memungkinkan pasien untuk mengontrol lingkungan mereka dengan memutar kamar lampu dan mematikan, dan Bin Dia di University of Minnesota menggunakan EEG untuk mengontrol penerbangan dari maya helikopter di ruang 3D ). Meskipun EEG memiliki potensi dalam aplikasi BCI karena resolusi temporal tinggi, mereka terbatas karena kerentanan terhadap lingkungan kebisingan dan kebutuhan untuk melatih pasien secara ekstensif untuk menggunakannya dengan benar. [3] [4]

Array microelectrode dan BCIs sekarang [ sunting ]

Penetrasi, berbasis silikon Utah microelectrode larik.
Lebih luas adalah penggunaan array microelectrode di BCIs untuk merekam sinyal saraf. Dikembangkan awalnya di akhir 1930-an dan awal 1940-an, microelectrodes biasanya tipis, batang kaku dengan ujung yang tajam, yang memungkinkan individu elektroda untuk dimasukkan ke dalam otak dan merekam sinyal saraf secara real-time dari ekstraseluler atau intraseluler ruang neuron; meskipun elektroda sumsumawalnya terbuat dari baja atau tungsten , microelectrodes hari ini biasanya terbuat dari silikon . Penetrating, sub dural microelectrodes telah disusun dalam array sejak 1970-an untuk mencapai sinyal pola dari sejumlah besar neuron dan area yang lebih besar daripada yang bisa dilakukan oleh micrelectrodes individu; ini termasuk mapan in vivo array Utah dan Michigan. Namun elektroda ini hanya dapat menutupi area permukaan kecil dari otak, dan teknologi microelectrode array untuk BCIs sedang bergeser ke pengembangan array microelectrode permukaan yang tergeletak di atas korteks . Array permukaan microelectrode tidak memiliki tinggi resolusi spasial dari penetrasi array; untuk digunakan dalam vivo, namun, efek kurang berbahaya dari array permukaan otak penting. [3] [4]
Implementasi antarmuka otak-komputer (BCI) oleh kelompok Schwartz menunjukkan monyet rhesus mengendalikan lengan robot melalui kegiatan kortikal.
Pertama kerja BCI besar dilakukan pada tahun 1969 oleh Eberhard Fetz di University of Washington , di mana monyet dikendalikan defleksi dari biofeedback jarum dengan kortikal aktivitas. Sejak, teknologi BCI telah maju secara signifikan (terutama sejak tahun 2000) dengan penciptaan yang lebih baik algoritma untuk merekonstruksi pola sinyal neuron dan kemajuan dalam mikroelektronika fabrikasi teknik. Di Duke University , Miguel Nicolelis menunjukkan lengan robot bergerak dalam pola yang sama sebagai monyet rhesus meraih sebuah objek pada layar komputer karena BCI membaca pola sinyal neuron monyet karena dilakukan gerakan mencapai. Mengambil langkah lebih lanjut, Andrew Schwartz di University of Pittsburgh menunjukkan bahwa monyet rhesus bisa makan sendiri dengan menggunakan lengan robot yang dikendalikan oleh pikiran mereka; sama, John Donoghue di Brown University menunjukkan bahwa monyet bisa bergerak kursor menggunakan pikiran mereka untuk melacak target visual di layar komputer. [3] Saat ini, banyak dari pelopor di bidang BCI telah menciptakan perusahaan swasta BrainGate untuk memajukan teknologi BCI yang akan memungkinkan individu cacat (misalnya kehilangan anggota tubuh atau cedera tulang belakang traumatik ) untuk melakukan fungsi sehari-hari menggunakan pikiran. [5]

Fleksibel Electronics untuk BCIs [ sunting ]

Artikel utama: elektronik Fleksibel
Elektronik fleksibel adalah polimer atau bahan fleksibel lainnya (misalnya sutra , [6] pentacene , PDMS , parylene , polimida [7] ) yang dicetak dengan sirkuit ; sifat fleksibel dariorganik bahan latar belakang yang memungkinkan elektronik diciptakan untuk menekuk, dan teknik fabrikasi digunakan untuk membuat perangkat ini mirip yang digunakan untuk membuat sirkuit terpadu dan sistem microelectromechanical (MEMS). [8] elektronik fleksibel pertama kali dikembangkan di tahun 1960-an dan 1970-an , tapi kepentingan penelitian meningkat pada pertengahan 2000-an. Diharapkan elektronik fleksibel akan digunakan dalam perangkat sehari-hari mulai dari jam tangan ke sel surya dalam dekade mendatang karena adaptasi mereka. [9] Oleh karena itu, diharapkan bahwa perangkat tersebut akan digunakan secara lebih luas di masa depan teknologi fBCI .
Saat ini ada banyak pendekatan fabrikasi yang sedang diupayakan untuk menciptakan efisien, array microelectrode fleksibel. Yang paling terkenal adalah untuk fBCI diciptakan oleh Jonathan Viventi, sekarang di Polytechnic Institute of New York University , sebagai mahasiswa pascasarjana dengan Brian Litt di University of Pennsylvania pada tahun 2011. [1] fleksibel Array microelectrode difabrikasi menggunakan multi lapisan proses, dengan lapisan pertama yang mengandung doping silikon pita pada Polimida, lapisan kedua berisi interkoneksi horizontal dan vertikal pada Polimida, lapisan berikutnya terdiri dari vertikal interkoneksi struktur akses dikemas dalam Polimida atau epoxy, dan akhirnya platinum kontak elektroda. Ada 360 elektroda individu ukuran 300 x 300 m spasi 500 m terpisah dalam array final. Polimida backbone memungkinkan perangkat untuk dapat dilipat dan meluncur ke sulci atau medial daerah dari belahan otak . Array ini juga digunakan multiplexing untuk secara efisien mengirimkan sinyal disimpan di vivo melalui kawat ke komputer eksternal.

Manfaat fBCIs [ sunting ]

Ketika interfacing neuron in vitro dengan microelectrodes , hanya cytocompatibility penting; ini berarti bahwa isi sel tidak harus terpengaruh oleh elektroda. Namun, ketika menanamkan perangkat BCI ke otak, biokompatibilitas diperlukan; ini berarti bahwa sistem biologis seluruh harus kompatibel dengan perangkat. Ini termasuk tekanan perangkat menempatkan pada jaringan otak , yang cytocompatibility dengan neuron, dan jangka panjang jaringan parut efek perangkat mungkin pada jaringan. [10] Silicon array seperti array Utah telah terbukti in vivo kurang biokompatibilitas yang kuat. Setelah 6-12 bulan, array ini menjadi rusak di otak dan harus diganti; lanjut, penggunaan jangka panjang dari array ini dapat menyebabkan pendarahan dan jaringan inflamasi . [1] [2] Untuk alasan ini, fBCIs menunjukkan janji menjadi lebih biokompatibel dengan otak in vivo dari BCIs silikon.
Kurangnya biokompatibilitas array silikon microelectrode dengan otak tampaknya terkait dengan kekakuan dari microelectrodes ditanamkan. [2] [7] BCIs silikon konvensional dengan modulus Young sekitar 140 GPa tidak merusak atau sesuai dengan jaringan otak, yang memiliki modulus Young sekitar 3,24 kPa (5 lipat yang berbeda). [2] ini "mekanik mismatch" antara jaringan otak dan elektroda silikon / array microelectrode saat ditanamkan in vivo selanjutnya dikonfirmasikan oleh Ravi Bellamkonda di Georgia Techmenggunakan elemen hingga komputasi simulasi dari sistem ini. [10] untuk alasan ini, fleksibel microelectrodes dengan modulus rendah Young (misalnya, 3,78 GPa untuk menembus microelectrodes fleksibel dibuat oleh Michelle LaPlaca di Georgia Tech [2] dan 100 kPa untuk permukaan yang fleksibel microelectrode array yang dibuat oleh Jonathan Viventi [1] ) lebih cocok dengan kekakuan lingkungan saraf di mana mereka harus ada jangka panjang (mulai dari bulan ke dekade). Bendability meningkat dari array microelectrode berarti tidak hanya bahwa array yang lebih baik dapat sesuai dengan otak dan catatan sinyal , tetapi bahwa array juga tidak membahayakan jaringan otak.Terakhir, penggunaan elektronik fleksibel dalam aplikasi bioteknologi lain telah menunjukkan bahwa sistem ini tidak menurunkan selama sepuluh tahun, yang berarti bahwa fBCIs adalah jangka panjang alternatif yang baik untuk BCIs silikon. [1]

Aplikasi dan Penggunaan Saat fBCIs [ sunting ]

Elektronik fleksibel telah diteliti untuk banyak aplikasi biomedis, termasuk tekanan sensor untuk stent di pembuluh darah dan elektroda pada jantung . [11] Karena fleksibilitas ini, telah ada dalam beberapa tahun terakhir banyak aplikasi menjanjikan fleksibel array microelectrode di otak. Jonathan Viventi, misalnya, melakukan eksperimen in vivo dalamkucing kucing otak untuk spasial (dalam ruang tertentu) dan temporal (selama waktu tertentu) map pola sinyal neuron (lihat "pola pemetaan neuron" dalam pidato pengolahan neurocomputational ). [1 ] dalam satu percobaan, visual yang respon membangkitkan di korteks diukur dengan menampilkan flash putih cahaya untuk 200 ms di berbagai lokasi di layar (yang bidang visual ); yang microelectrode array yang fleksibel yang ia ciptakan kemudian direkam berbagai pola aktivitas neuron berdasarkan lokasi dari flash di layar.Data ini kemudian digunakan untuk melatih dalam keyakinan bersih (DBN) classifier untuk mengidentifikasi lokasi flash pada layar, dan lebih rekaman yang diambil untuk menguji DBN dilatih. Bahkan untuk daerah kecil (~ 90 mm ^ 2) dari otak tertutup, yang DBN mampu mengidentifikasi dengan benar 23 dari lokasi layar 64 dari rekaman saraf, dan 42 dari 64 lokasi yang diidentifikasi dalam 1 tetangga persegi. [1]
Dalam eksperimen lain, kejang diperkenalkan di otak kucing Model menggunakan administrasi lokal picrotoxin berdekatan dengan array elektroda pada frontal-medial daerah otak. [1] [7] Karena kemampuan perangkat untuk cetakan ke bagian melengkung ini otak dan tinggi resolusi spasial dari array, percobaan ini untuk pertama kalinya dipetakan pola spasial sinyal neuron dari waktu ke waktu selama kejang . Hal ini menunjukkan searah jarum jam itu dan berlawanan spiral terjadi sangat berirama selama picrotoxin-diinduksiepilepsi dengan arah spiral yang diubah oleh berbagai gelombang pesawat merambat melalui daerah yang sudah diukur. Selain itu, itu menunjukkan bahwa spiral terdeteksi pada skala mikro yang sangat berbeda dari rekaman yang diperoleh pada skala makro . [1]
Array microelectrode fleksibel juga telah terbukti memiliki potensi di prostesis visual yang teknologi, seperti yang ditunjukkan pada tahun 2011 oleh para peneliti di Universitas Nasional Seoul. [12] Setelah fabrikasi, berbentuk panah microelectrodes dalam array ditempatkan baik di dalam agar bola pemodelan mata dan in vivo dalam bola mata kelinci.The microelectrode array yang fleksibel melengkung dan melekat pada bagian dalam bola mata dengan baik, dan tomografi koherensi optik gambar dari array ditanamkan menunjukkan baik biokompatibilitas dengan tidak merobek jaringan retina . Desain pertama ini dari array microelectrode fleksibel untuk prostesis visual yang fBCIs bisa fleksibel dan tidak hanya terbatas pada korteks pengukuran.

Tujuan masa depan fBCI Teknologi [ sunting ]

Implikasi dari fBCIs yang luas. Satu kemungkinan klinis implikasi dari teknologi ini adalah bahwa fBCI sendiri mungkin dapat pertama mendeteksi pola sinyal tidak menentu in vivo(seperti epilepsi pola mikro) yang mendasari tertentu neuropathologies dan kemudian melawan pola-pola ini dengan mengirimkan mereka sendiri "membatalkan" sinyal-sinyal listrik . [1 ]
Tinggi resolusi yang disediakan oleh sub ini dural fleksibel berbagai microelectrode juga akan dapat memadai mengukur pola aktivitas otak secara spasial dan temporal untuk aplikasi dalam sistem BCI tanpa kehilangan kinerja perangkat atau melukai jaringan otak di jangka panjang. Memperluas perangkat untuk menutupi area yang lebih besar dari otak atau menggunakan lebih array untuk menutupi bagian yang lebih dari otak akan memungkinkan untuk analisis yang lebih holistik sinyal saraf, sehingga menciptakan kontrol lebih sabar dan percaya diri dalam melakukan tugas-tugas menggunakan perangkat eksternal. [13] Dalam Selain itu, juga dimungkinkan untuk pasien untuk mengendalikan beberapa perangkat yang melayani berbagai keperluan secara bersamaan menggunakan fBCIs ditanamkan di berbagai daerah di otak. [8]
Terakhir, array rekaman fleksibel akan dapat ditanamkan antara dua belahan otak, memungkinkan BCI perangkat, misalnya, untuk merekam informasi dari korteks motor di kedua sisi otak; sinyal ini kemudian dapat digunakan untuk mengimplementasikan gerakan membutuhkan beberapa kaki palsu buatan . Selanjutnya, sifat fleksibel fBCIs menyiratkan bahwa teknologi elektroda lainnya ditanam, seperti stimulasi otak dalam (DBS) elektroda yang ditanamkan untuk menekan tremor di Parkinson dan tremor esensialpasien, mungkin dapat menyesuaikan diri dan membungkuk ke daerah-daerah penting dari otak untuk merekam lebih efisien. Untuk alasan ini, penciptaan teknologi fBCI adalah bidang yang muncul dengan implikasi besar untuk bagaimana tubuh manusia akan antarmuka dengan perangkat eksternal dalam waktu dekat.

Lihat juga [ sunting ]

Referensi [ sunting ]

  1. A b c d e f g h i j k Viventi, J (2011). "Fleksibel, dilipat aktif multiplexing, high-density elektroda array untuk aktivitas otak pemetaan in vivo" Nature Neuroscience 14:... 1599-1605 doi :10.1038 / nn.2973 .
  2. A b c d e Wester, BA (2009). "Pengembangan dan karakterisasi in vivo elektroda yang fleksibel kompatibel dengan perpindahan jaringan besar" Journal of Neural Teknik 6:... 1-7 doi :10,1088 / 1741-2560 / 6/2 / 024.002 .
  3. A b c Nicolelis, Axel (Maret 2011) Di luar batas-batas:. The neuroscience baru yang menghubungkan otak dengan mesin dan bagaimana hal itu akan mengubah hidup kita. Waktu Books. p. 368. ISBN 0805090525 .
  4. A b Pine, J (Mei 2006). "1". Sebuah sejarah pembangunan microelectrode larik. Kemajuan Jaringan Elektrofisiologi (1 Ed.). Peloncat. pp. 3-23. ISBN 9780387258584 .
  5. ^ Hochberg, LR (2006). "Kontrol neuron ensemble perangkat prostetik oleh manusia dengan tetraplegia" Nature 442:.. 164-171. Doi : 10.1038 / nature04970 . PMID 16838014 .
  6. ^ Kim, DH (2010). Bahan Alam "film larut dari fibroin sutera untuk ultrathin, konformal elektronik bio-terpadu" 9:... 511-517 doi : 10.1038 / nmat2745 .
  7. A b c Boppart, SA (1992). "Sebuah fleksibel berlubang microelectrode array untuk merekam saraf diperpanjang" Transaksi IEEE pada Biomedical Engineering 39:... 37-42 doi : 10,1109 / 10,108125 .
  8. A b Blau, A (Agustus 2011). "5". Prospek untuk neuroprosthetics: array microelectrode Fleksibel dengan konduktor polimer . Terapan Biomedical Engineering. Intech. .. pp 84-122 doi: 10,5772 / 23.186 . ISBN 9789533072562 .
  9. ^ Kim, DH (2012). "Elektronik fleksibel dan merenggang untuk perangkat bio-terintegrasi" Annual Review of Biomedical Engineering 14:... 113-128 doi : 10,1146 / annurev-bioeng-071.811-150.018 .
  10. A b LaPlaca, MC (2 Oktober 2012). "Fleksibel microelectrode Array (In-Orang)" (Wawancara). Wawancara dengan Ankita Tippur. Atlanta, Georgia.
  11. ^ Kim, DH (2012). "Nanomaterials semikonduktor anorganik untuk bio-terpadu elektronik fleksibel dan elastis" Nature Publishing Group Asia Bahan 4 (4):... 1-9 doi : 10.1038 / am.2012.27 .
  12. ^ Koo, K (2011). "Arrowhead berbentuk microelectrodes dibuat pada substrat yang fleksibel untuk meningkatkan kesesuaian bola prostesis retina" Journal of Microelectromechanical Sistem 20:... 251-259 doi : 10,1109 / JMEMS.2010.2090498 .
  13. ^ Rubehn, B (2009). "Berbasis MEMS A multichannel fleksibel ECOG-elektroda array" Journal of Neural Teknik 6:... 1-10 doi : 10,1088 / 1741-2560 / 6/3 / 036.003 .

Pranala luar [ sunting ]

  • Siaran Pers tentang fBCI Teknologi dari Translational Neuroengineering Lab (Dr. Jonathan Viventi) di Institut Politeknik Universitas New York: http://www.tneuro.com/press

Tidak ada komentar