摆科科营闭生医专题
- 2. 內容 1 I. 生醫電子科技與仿生科技 II. 人工視網膜 III. 癲癇治療元件 IV. 展望
- 4. 3 下一個科技研發及產業發展機會: * 仿生科技 * e化健康 * 遠端醫療照護 * 老年人照護技術 * 醫療儀器 * 植入式醫療元件 I. 生醫電子科技與仿生科技
- 8. 7 ? Macular Degeneration 黃斑部退化 ? Retinitis Pigmentosa 色素性視網膜炎 ? Presbyopia 老花眼 ? Glaucoma 青光眼 ? Parkinsons 巴金森氏症 ? Epilepsy癲癇 ? Depression 憂鬱症 ? Stroke 中風 ? Aphasia失語症 ? Tinnitus耳鳴 ? Tetraplegia 四肢癱瘓 ? Paralysis癱瘓 ? Stroke 中風 ? Paraplegia 半身不遂 ? Hemiplegia 半身不遂 ? Drowsiness疲倦 ? Brain Control 腦部控制 ? Depression憂鬱症 ? Obsession 肥胖 ? Speech Disorders 語言障礙 ? Psychoanalysis 心理分析 有潛力之醫學應用 Proposed Medical Applications Platform Target Diseases and Phenomena 未來之目標疾病 Visual Prosthesis 視覺疾病治療 Deep Brain Stimulation 腦深層電刺激 Spinal Cord Injury Prosthesis 脊髓損傷修復 Neurocognition 神經認知疾病治療 Nerve/Muscle Stimulation 神經/肌肉刺激 ? Nerve Palsy 癱瘓 ? Atrophy 萎縮 ? Pain Control 止痛 ? Gait/Posture ? Bladder/Bowel 膀胱/腸控制 ? Electroacupuncture 電針灸 II 醫療電子領域
- 9. 8 ? Wireless Telemetry 無線裝置 ? Low Power IC 低功率IC ? Signal Processing 訊號處理 ? Non-Linear Modeling 非線性模型 ? Energy Scavenging 能量擷取 ? Flexible Electronics 軟性電子 ? Biocompatibility 生物相容性 ? Biophysics 生物物理 ? Biopower 生物電源 ? Bioadhesives 生物黏著劑 ? Organics 有機學 ? Flexible substrate 軟性基質 ? Thin-film Polymers 薄膜聚合物 ? Inert coatings 無機塗層 ? High-density Interconnect 高密度連線 ? Microfabrication 微型機構 ? Tissue Response 組織反 應 ? Neuroscience 神經科學 ? Electrophysiology 電生理學 ? Cell Growth 細胞發展 ? Sensors 感應器 ? Biomarkers 生物標記 整合性科技平台 Proposed Technology Platform Microsystems 微電子系統 Biomaterials 生物相容材料 Packaging and Integration 封裝整合科技 Biotic-Abiotic Interface 人工裝置與生物界面 基礎研究領域 I. 生醫電子科技與仿生科技
- 10. 9 中心規劃目標 Proposed Center Strategy Microsystems Biomaterials Packaging and Integration Biotic-Abiotic Interface Visual Prosthesis Deep Brain Stimulation Spinal Cord Injury Prosthesis Neurocognition Nerve/Muscle Stimulation I. 生醫電子科技與仿生科技
- 11. 10 Courtesy of Prof. Wentai Liu 1.人類視覺系統 視網膜 脈絡膜 鞏膜 黃斑部 視神經 大腦中心視覺區 角膜 水晶體 感光細胞(錐細胞 與桿細胞) II.人工視網膜
- 14. 13 ?Schematic salamander retina Reference: Roska B, Nemeth E, Orzo L, Werblin FS (2000) Three Levels of Lateral Inhibition: A Space-Time Study of the Retina of the Tiger Salamander. J. Neurosci., 20(5):1941-1951 5. 視網膜架構 Tiger Salamander II.人工視網膜 13
- 15. 14 (a) Cone Cell (b) Horizontal Cell (c) OFF Bipolar Cell (d) ON Bipolar Cell * 1: At the start of the stimulus * 2: At the end of the stimulus ?The Space Pattern of Activity at the Four Kinds of Cells Reference: Roska B, Nemeth E, Orzo L, Werblin FS (2000) Three Levels of Lateral Inhibition: A Space-Time Study of the Retina of the Tiger Salamander. J. Neurosci., 20(5):1941-1951 5. 視網膜架構 IV.人工視網膜 14
- 16. 15 (a) Cone Cell (b) Horizontal Cell (c) OFF Bipolar Cell(d) ON Bipolar Cell ?The Temporal Pattern of Activity at the Four Kinds of Cells Reference: Roska B, Nemeth E, Orzo L, Werblin FS (2000) Three Levels of Lateral Inhibition: A Space-Time Study of the Retina of the Tiger Salamander. J. Neurosci., 20(5):1941-1951 * 3: At the center of the stimulus * 4: At the edge of the stimulus 5. 視網膜架構 IV.人工視網膜 15
- 17. 16 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 在兔子視網膜內，共有 超過十種不同的神經節 細胞，各具不同功能。 有一些神經節細胞的功 能尚未確認。 Reference: B. Roska and F. Werblin, “Vertical interactions across ten parallel, stacked representations in the mammalian retina,” Nature, vol. 410, pp. 583 – 587, March 2001. 5. 視網膜架構 IV.人工視網膜 16
- 19. ? 歐美國家老年失明者超過一半是AMD造成 ? RP 尚無有效治療法 – AMD: 老年黃斑(視網膜中心視覺區)退 化症 – RP :色素性視網膜炎 18 Normal Retina(正常視網膜) 色素性視網膜炎 老年黃斑退化 6. Retinal Diseases (視網膜疾病) IV.人工視網膜
- 20. Retinitis Pigmentosa (RP) 19 Courtesy of Prof. Wentai Liu 6. Retinal Diseases (視網膜疾病) 色素性視網膜炎 II.人工視網膜
- 21. Age Related Macular Degeneration (AMD) 20 Healthy Macula 正常黃斑 Dry AMD(乾性) Wet AMD(濕性) Courtesy of Prof. Wentai Liu 6. Retinal Diseases (視網膜疾病) 老年黃斑退化 II.人工視網膜
- 22. 21 300 um 上視網膜植入 下視網膜植入 上脈絡膜植入(STS) II. 人工視網膜 Courtesy of Prof. Wentai Liu
- 23. Osaka Univ. NAIST, Nidek STS Semi-acute clinical Tohoku Univ. Epi, OptoGen. Animal exp. National Seoul Univ. Epi, Sub, STS Animal exp. Harvard Univ.& MIT Sub. Animal exp. Shanghai Jiao-Tong Univ. Optic nerve Animal exp. Illinois Inst. Tech. Visual cortex Animal exp. Univ. South Calif. SecondSight LLC Epi Long-term clinical Univ. New South Wales Prince of Wales Hospital STS Animal exp. Univ. Catholique de Louvain. Optic nerve Long-term clinical IMI AG Epi Long-term clinical Univ. Tuebingen & RetinaImplant Sub Long-term clinical RWTH Aachen Univ. Epi Acute clinical Univ. Utah Visual cortex Animal exp. Artificial vision research in the world 22 National Chiao Tung Univ. Sub. Animal exp. Univ. Montreal Visual cortex Animal exp.
- 24. 23 Model 1 Chronic Patient Trial Courtesy of Prof. Wentai Liu 7. 劉文泰教授所研發之人工電子眼 (第一代晶片) II.人工視網膜
- 25. 24 運作原理 Reference: Scientific American Frontiers - Cybersenses http://www.pbs.org/saf/ 1509/index.html 7. 劉文泰教授所研發之人工電子眼 II.人工視網膜
- 26. 25 植入手術 2002年二月, 首次人體試驗 ? 第一代 (16 個電極) ? 六位病人(永久性植入) ? UCSC(加大克魯茲分校) and USC(南加大) ? 自1988年開始合作 ? 以讓RP或AMD病人恢復視覺 為目標 ? 第二代(60電極)與未來的晶片 ? UCSC(加大克魯茲分校) and USC(南加大) ? NSF/ERC, NIH/BRP, DOE/Artificial Sight ? 五個國家實驗室共同研發 ? Second Sight LLC公司商品化 Courtesy of Prof. Wentai Liu 7. 劉文泰教授所研發之人工電子眼 II.人工視網膜
- 27. 26 閱讀字母 (2002年2月首次人體試驗) Courtesy of Prof. Wentai Liu 7. 劉文泰教授所研發之人工電子眼 II.人工視網膜
- 28. 辨認物體 Courtesy of Prof. Wentai Liu 7. 劉文泰教授所研發之人工電子眼 27 II.人工視網膜 27
- 29. Prospects of Clinical Trial Device Years Vision PeopletobeHelped Hand Motion Finger Count Face recognition 1,000,000 60 electrodes 200+ electrode 20/20 100,000 12,000,000 1000 electrode 28 Courtesy of Prof. Wentai Liu 7. 劉文泰教授所研發之人工電子眼 II.人工視網膜
- 32. 64-pixel 雙向刺激視網膜晶片 晶片特色:雙向刺激、電極縮小、高刺激電流 Process Technology Tsmc 65nm 1P6M3X1Z1U Pixel number 8 x 8 pixels Photo-sensing area per solar cell 5μm x 5μm Solar cell number of extra- pixel surrounding power supply 27086 Pixel size 150μm x 150μm Exposure electrode size 65μm x 65μm Return electrode width 25μm Pixel-sensing photodiode number per pixel 100 Pixel spacing 5μm Chip size 1.8 mm x 1.8 mm II.人工視網膜
- 33. II.人工視網膜 In Vivo Tests (動物實驗) 32 Implanted chip
- 34. 33 1. 癲癇是什麼? ?Epilepsy is defined as a tendency to have recurrent seizures. 癲癇症的定義為反覆不斷的癲癇發作(seizure) ?A epileptic seizure is caused by a sudden burst of excess electrical activity in the brain. 癲癇發作為腦部異常放電所引起 ? 70 million people have epilepsy worldwide 全球約有七千萬人為癲癇症患者 To the ancient Egyptians the term 'nsjt' (= nesejet = epilepsy) signified a disease which was sent by the gods and which was extremely dangerous. III. 癲癇治療元件 Courtesy of Prof. Dr. Yue-Loong Hsin
- 35. 34 Seizure EEG 發作時的腦波 III. 癲癇治療元件 1. 癲癇是什麼? 正常腦波
- 36. 35 ? 癲癇的成因 “Idiopathic” 68% Cerebrovascular disease 11% Developmental 5% Annegers JF et al, Mayo Clinic Proc 1996;71:570-5 III. 癲癇治療元件 1. 癲癇是什麼? 先天性(原發性) 發育性(腦發育障礙) 腦血管疾病
- 37. 36 ?Social problems 影響社交 ?Depression 造成憂鬱 ? Inconveniences (loss of drivers license, etc.) 日常生活不便(無法取得駕照等) ? difficulty in find job/education 影響學業、工作 ? 癲癇造成的困擾 Courtesy of Prof. Dr. Yue-Loong Hsin III. 癲癇治療元件 1. 癲癇是什麼? 癲癇發作的影片
- 38. 2. 癲癇的醫療方式 Diagnosis Medical Treatment Effective Ineffective Epilepsy SurgeryNeuromodulation? (Implant device) 確診 藥物控制 有效 無效 手術移除發作部位 神經調節 (植入元件) 37 III. 癲癇治療元件
- 39. ? 為何要使用植入元件? ? 70% of the patients can be treated with single drug 70%的患者可服用單一藥物控制 ? 25% need more than two kinds of drugs 25%需要超過兩種以上藥物合併控制 ? for else 5%, seizure is uncontrollable with medicine ?Consider surgery to remove seizure location of the brain 對於其他 5%病患 藥物效果不佳 可考慮手術 ?Risk of the surgery: 但手術(移除發作之腦組織)有風險 ? memory impairment 失憶 ? visual field loss 視野缺損 ? affect moving function 影響運動功能 38 III. 癲癇治療元件 2. 癲癇的醫療方式
- 40. Epilepsy research in the world 39 MIT Purdue Univ. Medtronic TI Univ. of Michigan Univ. of Illinois National Chiao Tung Univ. Notre Dame Hospital & ? cole Polytechnique de Montréal Univ. of Toronto Univ. College Dublin & Univ. College Cork
- 41. 3. Proposed closed-loop device for epilepsy ? 運作原理: 當偵測到癲癇發作時才提供電刺激 Seizure detection Stimulator Electrode Seizure onset 感測與刺激電極 發作偵測 刺激器 癲癇發作 40 III. 癲癇治療元件 閉迴路癲癇治療元件
- 42. 41 Position of Implantation Controller & Master Coil for power transmission Package containing ICs, coil, antenna Planar electrode 3D penetrate electrode III. 癲癇治療元件
- 43. ? 元件之架構 FilterElectrode Pre-Amp Amplifier AMUX ADCDSPDACDriver Tx / Rx Tx / RxImplant Controller Monitor/ Instruction Neural activity waveforms (for monitoring) Command/ Instruction Brain (Cortical Stimulation /DBS) Rectifier/ Regulator Power Amp. Power delivery 植入元件 指令 監控訊號(腦 波信號等)外部控制器 無線收發機 無線收發機 處理器數位類比轉換器 電刺激驅動器 電極陣列 前級放大器 濾波器 後級放大器 多工器 類比數位轉換器 整流器/穩壓器 功率放大器 腦部電刺激 無線電力傳輸 42 III. 癲癇治療元件 3. Proposed closed-loop device for epilepsy
- 44. Peter(Chung-Yu), President, National Chiao Tung University ? 癲癇偵測與電刺激動物實驗環境 3. Proposed closed-loop device for epilepsy 實驗動物: 大鼠 紀錄到的 神經信號 43 III. 癲癇治療元件
- 45. Peter(Chung-Yu), President, National Chiao Tung University ? 癲癇偵測與電刺激實驗結果 3. Proposed closed-loop device for epilepsy 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 Time (Sec) Seizure onset Stimulation starts Stimulation duration Consecutive seizure suppression 多次發作與抑制結果 Seizure detection & suppression 癲癇偵測與電刺 激抑制 Seizure ECoG 癲癇發作時的腦波 癲癇發作(異常放電) 電刺激開始 電刺激持續 的區間 Stimulation duration 電刺激持續 的區間 發作 Accuracy(正確率) > 92% 44 III. 癲癇治療元件
- 46. 45 ? 8 channel Close Loop Seiure Treatment System ? Analog Front-End ? Wireless Transmission System ? Wireless Power Supply System ? Epileptic Seizure Detector ? Stimulator 2.76mm 4.88 mm ISSCC 2013 全世界第一顆癲癇治療之電子系統單晶片獲得 ISSCC 2013國際研討會接受發表。
- 47. AFE Output Wireless transmission signal Stimulator enable 46 AFE Output Wireless transmission signal Stimulator enable ? Recording, w/ detection, w/o stimulation ? Recording, w/ detection, w/ stimulation Animal test results
- 48. 47 ? Acquisition, Detection & Stimulation Animal test results
- 49. 48 Seizure occurrence Seizure occurrence Stimulation on Stimulation on AFE output Wireless signal Stimulation Enable Animal test results
- 50. 台灣生醫電子工程協會:《雅典學院》（La scuola di Atene） 49 . 49 IV. 展望-生醫電子與仿生科技
- 51. 50 《雅典學院》（La scuola di Atene） 拉斐爾將西方文明不同時期的人集中在同個空間，古希臘、古羅馬 和作者所在時代義大利哲學家、藝術家、科學家薈萃一堂，表現自 身篤信人類智慧和諧，並讚美西方文明的智慧結晶。 50 IV. 展望-生醫電子與仿生科技
- 53. IV. 展望 未來在等待的人才
- 54. ? 創造力的培養 ? 跨界思考 ? 培養解決問題的能力 IV. 展望 未來在等待的人才
- 57. 跨界思考 ?阿拉斯加漁船作業型態+Intel晶片=Intel Centrino無線網路筆記型電腦 –人類學家看見人類「移動」的需求，Intel利用科 技解決。 ?不到10人的Intel人類與行為實驗室(People and Practice research lab) –集結社會學、人類學、心理學、教育專才 –在埃及，觀察女性生活，改變電腦進駐客廳的刻板 印象 –在印度，看見農民需求，成立社區電腦站 –在日本，察覺人民重視隱私，設計特殊螢幕 ?Intel企業文化：別害怕建設性的衝突 IV. 展望 未來在等待的人才
- 59. St. Jerome by 達文西 58
- 61. IV. 展望 未來在等待的人才 60 Architect of St. Paul Cathedral A Founder of Royal Academy Sir Christopher Wren(1623~1723):
- 62. 未來在等待的人才 61 Christoph Wren 爵士的一則小故事(1/5) Christopher Wren, walked onto the worksite one day, unrecognized, and started talking to the people working there.
- 63. 未來在等待的人才 62 Christopher Wren 爵士的一則小故事(2/5) Hello! What are you doing?
- 64. 未來在等待的人才 63 Christopher Wren 爵士的一則小故事(3/5) Christopher : What are you doing? First Man: Cutting a piece of stone.
- 65. 未來在等待的人才 64 Christopher Wren 爵士的一則小故事(4/5) Christopher : What are you doing? Second Man : Earning five shillings.
- 66. 未來在等待的人才 65 Christopher Wren 爵士的一則小故事(5/5) Christopher : What are you doing? Third Man : I’m helping to build one of the most beautiful buildings in the world.
- 67. Stay Hungry Stay Foolish Steve Jobs, CEO and Co-Founder of Apple Computer 未來在等待的人才
- 70. THANK YOU 69