e-nawrat SZTUCZNE NARZĄDY I ROBOTY MEDYCZNE Seria trzecia wykładów Zbigniew Nawrat

Zmysły - czyli o tym jak podłączyć się do mózgu e-nawrat SZTUCZNE NARZĄDY I ROBOTY MEDYCZNE Zmysły - czyli o tym jak podłączyć się do mózgu

Protezy neurologiczne Urządzenia przeznaczone do przekazywania informacji z zewnątrz do układu nerwowego lub z układu nerwowego na zewnątrz.( Wiliam J.Heetderks, dyr.programu protez neurologicznych z Narodowego Instytutu Zdrowia.   Protezy mają odtwarzać utracone zmysły, takie jak słuch, wzrok, poczucie równowagi i ruchu.

e-nawrat SZTUCZNE NARZĄDY I ROBOTY MEDYCZNE OKO

Każdy z elementów narządu wzroku może ulec uszkodzeniu. O ile przezroczystą soczewkę i chroniącą ją rogówkę stosunkowo łatwo zastąpić protezą… o tyle zastąpienie zniszczonej przez procesy degeneracyjne siatkówki napotyka ogromne trudności techniczne. Soczewki PMMA (z plexiglasu) mogą być wszywane w miejsce usuniętych ultradźwiękowo zmatowiałych soczewek.

twarde (polymetacrylate) Sztuczną soczewkę wprowadził do praktyki klinicznej w 1952 r. Brytyjczyk, Harold Ridley. Typ: twarde (polymetacrylate) miękkie ( hydrogels)

Protezy narządu wzroku Protezy gałki ocznej Protezy wzroku

Wszczep oczodołowy czyli protezy gałki ocznej

Zwykle jeżeli z powodu bólu lub ślepoty konieczne jest usunięcie oka, wykonuje się to w znieczuleniu ogólnym. Można usunąć całkowicie gałkę oczną (enukleacja) lub też główną jej zawartość z pozostawieniem twardówki, czyli białej, zewnętrznej warstwy gałki ocznej. Jest to wypatroszenie oczodołu, czyli ewisceracja. Wszczep oczodołowy, który jest kulą wykonaną z plastiku lub korala, umieszczany jest w przestrzeni, w której prawidłowo powinna znajdować się gałka oczna lub wewnątrz twardówki. Następnie wszczep pokrywa się spojówką, cienką, przezroczystą błoną, która pokrywa twardówkę.

Mięśnie oczne zostają przymocowane do wszczepu oczodołowego, dlatego też może on poruszać się razem ze sztucznym okiem, gdy porusza się oko zdrowe. Niektórzy pacjenci z koralowymi wszczepami oczodołowymi mają w nich otwory do wkręcenia protezy ocznej kilka miesięcy po usunięciu oka. W otwór w implancie i na tylnej powierzchni sztucznego oka wkłada się zatyczkę po to, by wszczep oczodołowy i leżące powyżej sztuczne oko mogły się poruszać razem dokładnie wtedy, gdy porusza się zdrowe oko.

Ponieważ wokół protezy oczodołowej znajdują się mięśnie i leży ona pod spojówką, a czasami w obrębie twardówki, nie może być wyjmowana. Sztuczna gałka oczna znajduje się ponad wszczepem oczodołowym i spojówką i jest utrzymywana w tej pozycji przez wewnętrzną powierzchnię powiek. Powinna być ona wyjmowana do czyszczenia co najmniej raz w miesiącu lub częściej, jeżeli jest brudna.

Protezy funkcjonalne oka czyli protezy wzroku

implanty korowe siatkówkowe podsiatkówkowe nadsiatkówkowe Implant wewnatrzgałkowy korowe siatkówkowe podsiatkówkowe nadsiatkówkowe

Pierwsze próby przywrócenia możliwości widzenia u osób które były ślepe wykonano w Dobelle Institute już w 1970 roku, kiedy to trzem mężczyznom wszczepiono elektrody do kory mózgowej i podłączono do komputera, który wtedy miał wielkość szafy i ważył półtorej tony. .

The Dobelle Eye Sygnały z kamery wideo są przetwarzane w podręcznym komputerze (ważącym 5kg!) i wyświetlane w podczerwieni na specjalnych goglach. Obraz przechodzi przez układ optyczny oka i jest rzucony na siatkówkę gdzie aktywuje fotodiody implancie podsiatkówkowym, który zamienia go w dwufazowe impulsy elektryczne. 68 platynowych elektrod przewodzi impulsy do kory wzrokowej

Implant wewnatrzgałkowy Wszczep wewnątrz oczny ma mieć zastosowanie przede wszystkim w tych przypadkach gdy zmętnienie lub zniszczenie rogówki ma taki charakter że nie jest możliwe odtworzenie jej funkcji drogą przeszczepiania rogówki dawcy. Układ składa się z miniaturowej kamery zamontowanej w oprawce okularów wyposażonej w specjalny układ elektroniczny przeprowadzajacy obróbke obrazu oraz mikronadajnik wysyłający sygnał niosący informacje o obrazie rejestrowanym przez kamery w postaci promieniowania podczerwonego.

Drugim elementem jest implant przeznaczony do umieszczenia w miejsce soczewki oka. Zawiera on detektor sygnału podczerwonego, układ elektroniczny i matryce mikroskopijnych diod świecących wyświetlających obraz wprost na siatkówkę oka. Urządzenie jest uzupełnione o układ do przekazywania energii potrzebne do zasilania implantu drogą fal elektromagnetycznych.

Implanty siatkówkowe Jeszcze do niedawna wydawało się że siatkówka jest tak skomplikowanym organem że nie będzie można go zastąpić. Jednak gdy uszkodzeniu uległo tylko część drogi wzrokowej, a pozostałe jej elementy działają prawidłowo tak jak to ma miejsce w chorobach degeneracycjnych siatkówki, można próbować zastąpić uszkodzony fragment układem elektronicznym. Chodzi tu o układy subretinalne, które maja zastąpić receptory siatkówki, albo o implanty epiretinalne, przekazujące bodźce bezpośrednio do komórek zwojowych i dwubiegunowych siatkówki.

Implant subretinalny jest to niewielka płytka średnicy ok Implant subretinalny jest to niewielka płytka średnicy ok. 2mm i grubości 25μm zawierająca 3500 elementów światłoczułych przekazujących informacje do pozostałych warstw komórek nerwowych siatkówki. Obraz siatkówkowy powstały na dnie oka jest odbierany przez matryce fotodetektorów umieszczoną na powierzchni implantu, a następnie przetworzoną przez układ elektroniczny i następnie zamieniony na impulsy elektryczne, które poprzez elektrody znajdujące się na drugiej powierzchni implantu przekazywane są do komórek dwubiegunowych siatkówki i dalej nerwami wzrokowymi do mózgu.

Implant epiretinalny. Mechanizm jego dziania polega na zastąpieniu układu optycznego oka miniaturową kamerą, której obraz jest przetwarzany na impulsy elektryczne dostarczane bezpośrednio do neuronów wzrokowych. Implant epiretinealny jest układem elektronicznym umieszczanym bezpośrednio na powierzchni siatkówki. Jego dolna część dotykająca komórek zwojowych i dwubiegunowych to matryca mikroskopijnych elektrod. Impulsy elektryczne z tych elektrod, są wychwytywane bezpośrednio przez neurony siatkówki i przekazywane nerwami wzrokowymi do mózgu tak, jakby pochodziły z czopków i pręcików zdrowej siatkówki.

Argus Retinal Prosthesis Dr Mark Humayun i Eugene DeJuan pracujący w Doheny Eye Institute (USC) są wynalazcami aktywnej siatkówkowej protezy. Aby rozwinąć wszczepianą protezę siatkówkową pod koniec lat 90-tych powstało przedsiębiorstwo Second Sight. Ich implant pierwszej generacji miał 16 elektrod i został wszczepiony 6 pacjentom między 2002 i 2004. Pięciu z nich do dziś używa implantów. Osoby, które były zupełnie zupełnie ślepe przed implantacją, mogą teraz wykonać podstawowe czynności dnia codziennego.

Microsystem-based Visual Prosthesis (MIVIP) Zaprojektowana przez Claude`a Veraarta elektroda w kształcie spiralnego mankietu umiejscowiona jest dookoła nerwu wzrokowego. Podłączona jest do stymulatora elektrycznego wszczepionego w małe zagłębienie w czaszce. http://wwwcvw.sipr.ucl.ac.be/afficheCv.do?matricPRS=00769830

Implantable Miniature Telescope Jest stosowany w końcowym stadium degeneracji plamki żółtej. Ten typ urządzenia jest wszczepiany w komorę tylną oka i ma za zadanie powiększenie (około 3x) rozmiaru obrazu padającego na siatkówkę oka. Ma to na celu pokonanie centralnie umieszczonego w polu widzenia mroczka.

Tübingen MPDA Project Niemiecki zespół badawczy pod kierownictwem, Eberharta Zrennera w Tübingen, stworzył protezę podsiatkówkową. Chip jest usytuowany za siatkówką oka i używa macierzy mikrofotodiod(MPDA), które są wrażliwe na światło i przekształcają je na impulsy prądu elektrycznego pobudzające siatkówkowe komórki zwojowe. Naturalne fotoreceptory są o wiele bardziej czułe na światło niż fotodioda. Światło widzialne nie jest wystarczająco silne aby pobudzić MPDA. Dlatego konieczny jest zewnętrzny zasilacz.

Tübingen MPDA Project Niemiecki zespół rozpoczął eksperymenty in vivo w 2000r - u świnek morskich i królików zostały zmierzone korowe potencjały wywołane przez implanty. W 14 miesiącu po wszczepieniu, implant i siatkówka oka zostały zbadane i nie wykazano żadnych widocznych zmian anatomicznych i histologicznych. Implanty zadziałały u 50% badanych zwierząt. Obecnie prowadzone są badania na 8 pacjentach ich wyniki zostaną zaprezentowane na konferencji ARVO (http://www.arvo.org)

Artificial Silicon Retina (ASR) Bracia Alan i Vincent Chow stworzyli mikroukład zawierający 3500 fotokomórek, które wykrywają światło i zamieniają je na impulsy elektryczne, które pobudzają zdrowe komórki siatkówki. ASR nie wymaga żadnych urządzeń zewnętrznych.

Alan Chow i Vincent Chow Dr Alan Chow, oftalmolog z Chicago, wszczepił sześciu niewidomym pierwsze sztuczne siatkówki. Po 21 miesiącach jeden z nich zobaczył zamazaną twarz żony, drugi potrafi odczytać litery alfabetu, a pozostali są w stanie zarejestrować światło.

Optoelectronic Retinal Prosthesis Daniel Palanker z Uniwersytetu Stanford stworzył układ optoelektroniczny który zawiera fotodiody umieszczone pod siatkówką oraz projektor podczerwieni znajdujący się na specjalnych okularach.

The Virtual Retinal Display (VRD) Oparty na laserze układ rzucający obraz bezpośrednio na siatkówkę oka. Przydatny w poprawianiu wzroku u chorych na zaćmę lub u pacjentów z uszkodzoną rogówką

e-nawrat SZTUCZNE NARZĄDY I ROBOTY MEDYCZNE UCHO

Drgania przeniesione przez ucho środkowe wprawiają w drgania (falowanie) płyn , który wypełnia korytarze ślimaka. Komórki rzęskowe (słuchowe), jest ich 30 000, zamieniają drgania mechaniczne na impulsy nerwowe (elektryczne), które są przekazywane do mózgu. Zachowanie nawet 5% nieuszkodzonych nerwów umożliwia odczuwanie szmeru. Działanie

Trzy Typy Upośledzenia Słuchu Odbiorczy (ślimakowy, pozaślimakowy, ośrodkowy) Przewodzeniowy Mieszany (odbiorczy i przewodzeniowy) 33

Leczenie Upośledzenia Słuchu 1588 Pierwsze aparaty słuchowe wykonane z drewna na wzór uszu zwierząt opisane przez Giovanni Battista Porta w „Naturalnej Magii” XVII – XIX wiek – „Era trąbek słuchowych” 1898 Pierwszy komercyjny aparat słuchowy wyprodukowany w USA 1984 FDA zatwierdza pierwszy implant ślimakowy 34

są wszczepiane do ucha zewnętrznego, kości skroniowej, ucha środkowego Różnego rodzaju implanty aktywne i pasywne są wszczepiane do ucha zewnętrznego, kości skroniowej, ucha środkowego oraz ucha wewnętrznego i pnia mózgu, stwarzając szansę poprawy słuchu i komunikacji językowej. 35

Leczenie Upośledzenia Słuchu Aparaty Słuchowe Implanty Ślimakowe 36

Implanty pasywne to urządzenia, które w sposób efektywny zapewniają połączenie elementów aparatu przewodzeniowego ucha środkowego. Dzięki specjalnym protezkom oraz materiałom alloplastycznym możliwa jest transmisja dźwięku przez ucho środkowe. Oznacza to w praktyce uzyskanie od 90 do 100% sprawności słuchowej. 37

Stosowanie implantów pasywnych oznacza możliwość leczenia: IMPLANTY PASYWNE Stosowanie implantów pasywnych oznacza możliwość leczenia: Wad wrodzonych ucha środkowego i zewnętrznego Wad nabytych - pozapalnych i pourazowych ucha środkowego Innych chorób, podczas których doszło do zniszczenia lub unieruchomienia aparatu przewodzeniowego ucha środkowego. 38

IMPLANTY PASYWNE We wszystkich tych przypadkach chorobowych zastosowanie implantów słuchowych pozwala na efektywną poprawę słuchu zapewniając dzieciom w różnym wieku normalny rozwój słuchowy i uczęszczanie do szkół powszechnych, a dorosłym pełny powrót do pracy zawodowej. 39

Rozwiązania konstrukcyjne Najważniejsze typy aparatów słuchowych: BTE (Behind-The-Ear) – zauszne ITE (In-The-Ear) – wewnątrzuszne ITC (In-The-Canal) – wewnątrzkanałowe CIC (Completely-In-Canal) – wewnątrzkanałowe o wysokim stopniu miniaturyzacji

Rozwiązania konstrukcyjne

Układ akustyczny aparatu W przypadku aparatów słuchowych typu zausznego (BTE) potrzebny jest układ akustyczny, który przeniesie fale dźwiękowe od słuchawki aparatu do przewodu słuchowego zewnętrznego. Układ akustyczny aparatu nosi nazwę dźwiękowodu, który składa się z: - rożka, - przewodu akustycznego, - wkładki usznej. W przypadku aparatów zminiaturyzowanych układ taki nie jest potrzebny, aparat jest umieszczany bezpośrednio w przewodzie słuchowym.

IMPLANTY AKTYWNE Do implantów aktywnych będących wszczepialnymi elektronicznymi protezami słuchu zalicza się: Implanty ślimakowe, Implanty pniowe, Implanty ucha środkowego, Aparaty wszczepialne na przewodnictwo kostne. 43

IMPLANTY AKTYWNE W przypadku całkowitej głuchoty i głębokich niedosłuchów odbiorczych o lokalizacji ślimakowej stosowane są implanty ślimakowe. Zasada działania polega na odpowiedniej stymulacji elektrycznej zakończeń nerwu słuchowego w celu jego pobudzenia. W ten sposób możliwe jest ominięcie uszkodzonego ucha wewnętrznego, a dla potrzeb odbioru dźwięku wykorzystany jest pozaślimakowy, prawidłowo funkcjonujący odcinek drogi słuchowej. 44

IMPLANTY AKTYWNE W przypadku zniszczenia części nerwu słuchowego stosuje się implanty pniowe, co umożliwia stymulację elektryczną obszaru kompleksu jąder ślimakowych znajdujących się w pniu mózgu. Powstały w wyniku stymulacji elektrycznej słuch określa się często jako słuch elektryczny. 45

IMPLANTY AKTYWNE Implant ucha środkowego przeznaczony jest dla osób dorosłych z obustronnym, średnim lub głębokim ubytkiem słuchu typu zmysłowo-nerwowego, którzy nie mogą korzystać z klasycznych aparatów słuchowych z powodu występowania niekorzystnych zjawisk, m. in. efekt okluzji (zatkanego ucha), nienaturalne brzmienie własnego głosu, występowanie sprzężeń zwrotnych, odczyny zapalne i alergiczne wywołane obecnością aparatu lub wkładki usznej w kanale słuchowym. 46

IMPLANTY AKTYWNE Nowoczesny system implantu aktywnego złożony jest z części wewnętrznej - implantu, składającego się z odbiornika i stymulatora elektrycznego we wspólnej obudowie wraz z wiązką elektrod (implanty ślimakowe lub pniowe) bądź z przetwornika elektromechanicznego (implanty ucha środkowego), oraz z części zewnętrznej - cyfrowego, wielokanałowego procesora mowy. 47

IMPLANTY AKTYWNE W trakcie postępowania chirurgicznego wszczepiana jest część wewnętrzna. 48

IMPLANTY AKTYWNE Kapsuła implantu ślimakowego umieszczana jest w niszy w kości skroniowej i przykryta płatem skórnym, wiązka elektrod wprowadzana jest do ślimaka. 49

Części zewnętrzne implantu - procesor mowy, - mikrofon, - nadajnik. Budowa i działanie implantów Części zewnętrzne implantu - procesor mowy, - mikrofon, - nadajnik. Części wewnętrzne implantu wszczepiane są chirurgicznie: odbiornik/stymulator – w kość za uchem elektroda – do wnętrza ślimaka Połączenie części implantu: drogą radiową (wszczepiany odbiornik i zewnętrzny nadajnik) – najczęściej stosowane poprzez wszczepienie złącza (brak nadajnika i odbiornika)

Jak działa implant ślimakowy? 52

Aby dźwięk brzmiał normalnie impulsy musza być podobne do powstających w komórkach słuchowych. Tym zajmuje się procesor mowy. Elektrody implantuje się do lub na ślimak. Georg von Bekesy udowodnił, że dźwięki wysokie drażnią komórki słuchowe na wejściu, a niskie na górnym zakończeniu ślimaka. Jednak sztuczne ucho z 8 kanałami drażniącymi osiem miejsc w zależności od wysokości dźwięku nie dało dobrych wyników. Lepsza okazała się metoda wykorzystująca rozkład częstotliwościowy. Na ogół pacjenci źle mówią, bo nie słyszą własnego głosu.

i grzbietowych nerwu ślimakowego. IMPLANTY AKTYWNE W przypadku implantów pniowych elektroda umieszczana jest w obszarze jąder ślimakowych w pniu mózgu; kilkanaście poszczególnych kanałów ma za zadanie stymulację jąder brzusznych i grzbietowych nerwu ślimakowego. 54

IMPLANTY AKTYWNE W przypadku implantów ucha środkowego przetwornik elektromechaniczny mocowany jest na jednej z kosteczek słuchowych. 55

IMPLANTY AKTYWNE Część zewnętrzna, wielokanałowy procesor mowy przetwarza dźwięk na sygnał elektryczny zgodnie z określonym algorytmem zwanym strategią kodowania mowy. Dopasowanie procesora mowy prowadzi się u każdego pacjenta indywidualnie dobierając przetwarzanie dźwięków do indywidualnej charakterystyki ubytku słuchu pacjenta. 56

obustronna całkowita utrata słuchu (głuchota zmysłowo-czuciowa) Kryteria implantowania obustronna całkowita utrata słuchu (głuchota zmysłowo-czuciowa) klasyczne aparaty słuchowe nie powodują poprawy słyszenia ukończony 18. miesiąc życia gotowość do wzięcia udziału w długotrwałym treningu słuchowym osoby niedosłyszące, szczególnie w zakresie wysokich częstotliwości z zachowaną zdolnością słyszenia niskich częstotliwości

Po wszczepieniu implantu ślimakowego, zanim rozpocznie się trening słuchowy, audiolog musi zaprogramować procesor mowy zgodnie z subiektywnymi wrażeniami słuchowymi użytkownika. Jeżeli po pewnym czasie pojawią się zmiany w jakości słyszenia, procesor może być ponownie dostrojony. Rehabilitacja, której etapy związane są z odbudowaniem utraconej percepcji w przypadku osób z postlingwalną utratą słuchu oraz jej tworzeniem u pacjentów z prelingwalną utratą słuchu jest długotrwała i wymaga dużego zaangażowania ze strony pacjenta i jego otoczenia.

1978 pierwszy implant ślimakowy na świecie Implanty w liczbach 1978 pierwszy implant ślimakowy na świecie 1992 pierwszy implant ślimakowy w Polsce 1998 pierwszy implant pniowy w Polsce (IV na świecie) 2002 pierwszy w Polsce implant ślimakowy u osoby z częściową utratą słuchu prof. Henryk Skarżyński, Międzynarodowe Centrum Słuchu i Mowy, Instytut Fizjologii i Patologii Słuchu w Kajetanach k. Warszawy W Polsce około 800 osób używa implantów, z czego 2/3 to dzieci. W 2004r przeprowadzono 103 takich zabiegów, na kolejne czeka 400 pacjentów.

Zmysł równowagi – sztuczny błędnik Człowiek utrzymuje równowagę głownie dzięki działaniu błędnika: składa się z trzech kanałów pólkolistych w uchu wewnętrznym. Często u osób starszych dochodzi do upośledzenie tego narządu co ma swoje konsekwencje :upadki itd. Uczeni. Conrad Wall z Massachusets Eye and Ear Infirmary z pomocą Draper Laboratory ( firma specjalizuje się w systemach naprowadzania pocisków samosterujących). Urządzenie pomiarowe połączone z drgającymi plastrami umocowanymi na plecach i piersiach chorego  Poruszając się plastry drgają w różny sposób (wzorów). Dany wzorzec drgań może oznaczać np.” Uważaj, przechylasz się na prawo

Cel; oprawić zdolność mówienia osób, którym amputowano krtań (ok Cel; oprawić zdolność mówienia osób, którym amputowano krtań (ok. 4 tys osób rocznie w USA traci struny głosowe z powodu raka). Operacja ta wiąże się zazwyczaj z przecięciem nerwu prowadzącego z mózgu do strun głosowych. Jedna z metod obecnie rozwijanych polega na połączeniu tych nerwów z mięśniami szyi. Umieszczony obok na skórze czujnik przenosi bodźce z nerwów do przetwornika. Mięśnie służą za wzmacniacz sygnału. Aparat składa się z: 1.      1. czujnika na skórze szyi 2.      2. procesora – przetwarza sygnały z czujnika (częstość, ton) 3. stymulator mowy – urządzenie wytwarzające drgania : wielotonowe dźwięki, które pod wpływem ruchu ust układają się w słowa MOWA

e-nawrat SZTUCZNE NARZĄDY I ROBOTY MEDYCZNE KONIEC SERII TRZECIEJ WYKŁADÓW DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ ZAPRASZAM DO TESTU PRÓBNEGO