پروژه ی مدولار ایمپلنت مغزی

ستاد توسعه ی علوم و فناوری های شناختی

در این پرونده به طور ویژه به معرفی پروژه ی مدولار ایمپلنت مغزی و زیرپروژه های مربوط به آن و مصاحبه با اساتیدی که مدیریت بخش ها و زیر پروژه های این پروژه ی عظیم را برعهده داشتند، پرداختیم. در ابتدا با دکتر محمد حسین مقامی راجع به کلیات، اهداف و مجریان این پروژه گفت و گو کردیم، سپس با دکتر سعید سعیدی مدیریت زیر پروژه سامانه ارتباطی ایمپلنت مغزی و در نهایت با دکتر محمد مهدی احمدی مدیریت زیر پروژه سامانه تحریکی ایمپلنت مغزی مصاحبه کردیم.

پروژه ی مدولار ایمپلنت های مغزی از چه سالی و با چه هدفی شکل گرفت؟

ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی در سال 1393، در حوزه‌ی فناوری‌های شناختی شاخه‌ی جدیدی را برای ساخت ایمپلنت‌های مغزی و با هدف بررسی اطلاعات مغز آغاز کرد. به‌دنبال چندین سال فعالیت در حوزه‌ی فناوری‌های شناختی به‌طور کلی برنامه‌ی ایمپلنت‌های مغزی بر این است که ما بتوانیم سیستم‌های بسیار کوچکی را بسازیم و در مغز جای‌گذاری کنیم که بتوان به‌صورت تهاجمی و با رزولوشن بالا با مغز ارتباط بگیریم.

در اواخر سال 1393 کارگروهی متشکل از 7 نفر از متخصصان مرتبط با حوزه‌ی ایمپلنت‌های مغزی تشکیل شد. از آن پس برنامه‌ریزی‌ها و اطلاعات لازم برای دادن فراخوان‌هایی به بدنه تخصصی در جامعه تهیه شد. همانطور که می‌دانید فعالیت در این حوزه میان‌رشته‌ای است، به‌همین دلیل، این کمیته متشکل از تخصص‌های متنوعی است، مانند؛ مدار‌های الکترونیک، فناوری ریزساخت، شیمی و مواد، پردازش سیگنال، مخابرات، علوم اعصاب، الکتروفیزیولوژی و مدارهای الکترونیک.

در فاز اول تحقق پروژه ی مدولار ایمپلنت های مغزی چه فرایندی را طی کردید؟

طی یک سال 15 جلسه برگزار شد. در فاز اول، فراخوانی جهت پیشنهادیه در این پروژه اعلام شد. پیشنهاد پروژه‌ها در 3 فراخوان عمومی در اختیار جامعه هدفی که در سال 1393 حدود 25 دانشگاه و 120 عضو هیئت علمی بودند، قرار گرفت. در نهایت، پس از دریافت 25 پروپوزال، 10 عنوان از این پروپوزال‌های دریافتی تأیید شد و محققانی از دانشگاه‌های صنعتی شریف، صنعتی امیرکبیر، صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تربیت مدرس، صنعتی سهند تبریز، فردوسی مشهد و علم و صنعت ایران مشغول به فعالیت در این حوزه شدند.

پروژه ی مدولار ایمپلنت های مغزی از چه بخش هایی تشکیل شده و کدام دانشگاه ها در انجام این پروژه با شما مشارکت کردند؟

پروژه‌ی مدولار ایمپلنت‌های مغزی از بخش‌های متعددی از جمله؛ مدارهای ثبت که شامل دو پروژه (مدارهای سرنخست و مدار‌های پردازش است)، مدار‌های تحریک، ارتباط بی‌سیم که خود شامل سه زیرپروژه (ارتباط معکوس، ارتباط مستقیم و ارتباط دوطرفه است)، الکترود‌های نفوذی که شامل دو پروژه (الکترودهای دوبعدی و الکترود‌های سه‌بعدی است) و در نهایت ساخت باتری و بسته‌بندی مطمئن را شامل می‌شود.

 ایمپلنت های مغزی چه کاربردهایی دارند؟

ایمپلنت‌های مغزی کاربرد‌های متعددی در درمان، بازتوانی، توانبخشی و مسائل نظامی دارند. در بخش پزشکی می‌توانیم درمان بیماری پارکینسون را مثال بزنیم و یا می‌توانیم برای بازتوانی و توانبخشی از کنترل ربات‌های مختلف و یا جهت‌دهی الکتریکی حیواناتی مانند موش یا ماهی مثال بزنیم.

برنامه ستاد توسعه علوم و فناوری های شناختی برای فاز دوم پروژه ی مدولار ایمپلنت مغزی چیست؟

پس از تکمیل فاز اول پروژه‌ی ایمپلنت مغزی، در فاز دوم سیستم‌های ساخته‌شده را با یکدیگر ترکیب و تلفیق خواهیم کرد. در فاز اول، آزمایش‌هایی که برای بخش‌های مختلف سیستم از ثبت، تحریک، ارتباط بی‌سیم، باتری و بسته‌بندی در نظر گرفته شده، هم به لحاظ کارکردی و هم به لحاظ بیولوژیکی به‌منظور ثبت و تحریک بر روی حیوان انجام خواهد شد. تا جایی که امکان‌پذیر باشد ما در فاز اول، عملکرد بخش‌های مختلف را بررسی خواهیم کرد و با نگاهی واقع‌بینانه نسبت به ویژگی‌ها و عملکرد تک‌تک بخش‌ها، سیستم‌های مرحله‌ی دوم توسعه داده‌ می‌شود.

مصاحبه با دکتر سعید سعیدی در خصوص اجرا و ساخت زیر پروژه ارتباطی ایمپلنت مغزی

عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه تربیت مدرس

لطفا پروژه را به اختصار معرفی کنید.

-همانطور که می‌دانید سیستم ایمپلنت مغزی به پروژه‌های کوچکتری تقسیم شد. بخشی که ما در دانشگاه تربیت مدرس کار کردیم و بنده مجری آن بودم بخش ارتباطی ایمپلنت مغزی است، یعنی آنجایی که ایمپلنت مغزی قرار است یک سری از اطلاعات را جمع‌آوری کند و به دنیای بیرون ارسال کند و در آنجا پردازش شود. همچنین ایمپلنت مغزی باید بتواند از دنیای بیرون یک سری اطلاعات را دریافت کند تا بتواند تنظیم و کنترل شود. ما بخش سامانه ارتباطی ایمپلنت مغزی را در دانشگاه تربیت مدرس کار کردیم.

در مورد بخش ارتباطی ایمپلنت مغزی کمی بیشتر توضیح دهید.

-به‌طور کلی سیستم ایمپلنت مغزی سامانه‌ای است در ابعاد خیلی کوچک که در مغز حیوانات و در آینده بر روی مغز انسان ایمپلنت می‌شود، که به وسیله‌ی یک سری الکترود اطلاعات سیگنالی نورون‌ها دریافت می‌شود. این سامانه باید قابلیت تحریک نورون‌ها را هم داشته باشد (دو عملکرد تحریک نورون‌ها و جمع‌آوری داده از آنها). زمانی که ایمپلنت در حال جمع‌آوری اطلاعات سیگنالی نورون‌هاست باتوجه به اینکه توان مصرفی سامانه داخل بدن نباید خیلی بالا باشد، اطلاعات باید در بیرون پردازش شود. سیستمی که در دانشگاه تربیت مدرس در نظر گرفتیم این است که کار را به صورت وایرلس (بی‌سیم) انجام دهد؛ یعنی بتوانیم دستگاهی را بسازیم که به صورت کاملا آزادنه، هیچ ارتباطی با سر نداشته باشد و ایمپلنت مغزی فاصله‌ای با سامانه‌ی بیرون جهت پردازش اطلاعات سیگنالی نورونی داشته باشد. همچنین سامانه‌ی بیرونی، تنظیماتی که نیاز است ایمپلنت مغزی از بیرون دریافت کند را کنترل می‌کند. کاری که توسط تیم ما در دانشگاه تربیت مدرس انجام شد ساخت یک سامانه‌ی ارتباطی دوسویه (یعنی ارتباط دو طرفه از ایمپلنت به سمت دنیای بیرون و از دنیای بیرون به سمت ایمپلنت) بود.

یک تراشه در قسمت ایمپلنت با ابعاد میلی‌متری ساخته شد که قرار است در آینده با دیگر سیستم‌ها (شامل؛ تحریک و ثبت سیستم عصبی ایمپلنت) مجتمع شود. بخشی از پروژه که شامل ساخت و آزمایش تراشه‌ای با ابعاد یک تا دو میلی‌متری است، انجام شده‌است. بخش دیگر، سامانه‌ی ارتباطی‌ای است که در دنیای بیرون با فاصله‌ای از ایمپلنت قرار می‌گیرد تا پردازش و تبادل اطلاعات را انجام دهد. این بخش را نیز در دانشگاه تربیت مدرس پیش بردیم.

پروژه‌ی ساخت سامانه‌ی ارتباطی توسط کدام دانشگاه و چه کسانی انجام شد؟

این طرح را در دانشکده‌ی برق وکامپیوتر دانشگاه تربیت مدرس، بنده انجام داده‌ام.
پروژه با همکاری دانشجوی دکتری سرکار خانم مینا طیبی که این پروژه بخشی از رساله‌ی دکتری ایشان هم هست. همچنین به همراهی دانشجوی کارشناسی ارشد، آقای مهندس محمدرضا صالحیان پیش رفته‌است. زمانی که پروژه آغاز شد ایشان دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه تربیت مدرس بودند و اکنون دانشجوی دکتری در دانشگاه شریف هستند.

هدف از انجام این پروژه چه بود؟

-ما توانستیم در این طرح یک سامانه‌ی ارتباطی دو طرفه ایجاد کنیم که برای تمامی سیستم‌های ایمپلنت چه ایمپلنت مغزی و چه دیگر ایمپلنت‌های داخل بدن، لینک ارتباطی بسازیم.

یعنی تراشه‌ای که ما در ابعاد میلی‌متری ساختیم قابل مجتمع‌شدن با هر سیستم ایمپلنت دیگری است و می‌‌تواند لینک ارتباطی با دنیای بیرون را برقرار کند. مهم‌ترین هدف این است که ما پردازش اطلاعات را از داخل سیستم ایمپلنت حذف کنیم. زیرا در سیستم ایمپلنت توان مصرفی بسیار مهم است. ایمپلنت چه از نظر باتری مصرفی و چه از نظر میزان توانی که از بیرون می‌توان برای تغذیه به آن داد، دچار محدودیت است، بنابراین این سیستم ارتباطی باید اولترا لو پاور (با توان مصرفی کم) باشد که خوشبختانه توانستیم تراشه‌ای کم‌توان و با نرخ داده بالا (یعنی در حد چندصد مگابیت در ثانیه که بتواند اطلاعات را از داخل بدن به بیرون منتقل کند) بسازیم. از طرفی در دنیای بیرون هم ما یک بورد الکترونیکی طراحی کردیم که بتوانیم لینک ارتباطی را با ایمپلنت داشته باشیم؛ یعنی یک ارتباط دو طرفه پرسرعت، با نرخ داده بالا و با صرف توان کم که بتواند بین ایمپلنت و دنیای بیرون برقرار شود.

خروجی پروژه به چه صورت است؟

-خروجی پروژه، تراشه‌ای با ابعاد یک در دو میلی‌متر، حاوی قسمت‌های فرستنده و گیرنده، سامانه‌ی فرستنده‌ی بیرونی، برد‌های تستی و آنتنی با ابعاد یک سانتی‌متر است (البته در ادامه تلاش داریم که ابعاد این آنتن را کوچکتر کنیم). تمامی این فرایند خروجی طرح است که قابل ارائه و با بقیه‌ی سیستم‌های طراحی‌شده‌ی موجود قابل‌مجتمع‌شدن است. ما می‌توانیم از این سامانه در هر سیستم ایمپلنت دیگری از جمله ایمپلنت مغزی استفاده کنیم.

دستاورد‌های اصلی یا مزایای انجام این پروژه از نظر شما چه مواردی هستند؟

در حوزه‌ی مهندسی الکترونیک، ما اولا ابعاد این سامانه ارتباطی را تا حد ممکن کوچک کردیم، دوما از تکینیک‌های متعدد سیستمی و مداری برای کاهش مصرف توان تراشه در ایمپلنت مغزی استفاده کردیم، سه اینکه توانستیم نرخ تبادل داده را به حداکثر ممکن برسانیم. در حال حاضر فرستنده‌ی ما می‌تواند تا پانصد مگابیت در ثانیه داده را جمع‌آوری و به دنیای بیرون ارسال کند. گیرنده‌ای که در سیستم ایمپلنت قرار دارد  می‌تواند تا نرخ صد مگابیت در ثانیه داده را از دنیای بیرون دریافت کند.

این موارد نوآوری و دستاورد‌هایی است که علاوه بر کارهای سیستمی و مداری، انجام دادیم.

لطفا درباره‌ی پروژه‌ی ایمپلنت مغزی بیشتر توضیح دهید.

-حوزه‌ی ایمپلنت‌ها یک حوزه‌ی بین‌رشته‌ای است، یعنی از پزشکی شروع می‌شود و به مهندسی هم مربوط است. در حوزه‌ی کاربرد بهتر است اساتید پزشکی آن را شرح دهند. اما درکل، چند سالی می‌شود که بحث ایمپلنت‌ها در دنیا مطرح است و هدف آن هم کمک به درمان و تشخیص برخی از بیماری‌ها است. به‌طورکلی، در حوزه‌ی ایمپلنت مغزی ما با بیماران قطع نخاعی و… سروکار داریم و این پروژه‌ای است که در دنیا آغاز شده‌است؛ به عنوان مثال می‌‌توان از شرکت آمریکایی به نام نورالینک نام برد. هدف از کارهایی که حدود 10 تا 5 سال است که در دنیا شروع شده کمک به درمان و تشخیص یک سری از بیماری‌ها مانند قطعی نخاع، سیستم‌های بینایی، شنوایی و… است. اساتید حوزه‌ی زیست فناوری در اینجا می‌‌توانند وارد شوند تا توضیحات کامل‌تری را ارائه کنند. به عنوان مثال، ایمپلنت مغزی در بیماران قطع نخاعی، بیمارانی که مشکل عصب بینایی دارند، کاربرد دارد.

انتظار می‌رود که در مرحله اول بتوانیم تست‌های حیوانی را انجام دهیم تا در نهایت بتوان از این تکنولوژی برای کارهای پزشکی و درمانی استفاده کرد.

آیا این پروژه کاملا انجام شده‌است؟

-بله پروژه انجام شده‌است. ما تراشه‌ی ساخته‌شده را با موفقیت آزمایش کردیم و توانستیم ارتباط دو طرفه را بین ایمپلنت در داخل بدن و سیستم بیرونی برقرار کنیم.

ابعاد تجاری این طرح  به چه صورت است؟ آیا می‌‌توان با نمونه‌های خارجی یا داخل موجود آن را مقایسه کرد؟

_در سالهای گذشته شرکت نورالینک دموی‌ای مشابه کاری که ما انجام دادیم را ارائه داد. این کمپانی به قصد ارتباط بین ماشین و مغز انسان فعالیت‌های خود را آغاز کرده‌است. اما من فکر می‌‌کنم که هنوز زود است در مورد ابعاد تجاری طرح در ایران صحبت کنیم زیرا حتی در دنیا هم کاری که انجام شده در حد یک دمو است. اما به نظر می‌آید در آینده‌ای نزدیک برای رفع یک سری از بیماری‌ها به کمک آید، چون بحث در مورد پزشک و بیمار است، بهتر است که فعلا در مورد ابعاد تجاری آن حرفی به میان نیاید، زیرا بیشتر هدف در این جا کمک به بیماران است. اما اگر شرکت‌هایی وارد شوند و روی تجاری‌سازی این پروژه تمرکز کنند و بتوانند مجوز‌های لازم را در دریافت کنند، می‌‌توان به ابعاد تجاری طرح هم امیدوار بود. اما در اینجا هدف کمک به بیماران و شناخت سیستم مغز است.

مسئله‌ی اصلی این است که بتوان به کمک زیست فناوری، یک سامانه‌ی اصلی ساخته شود و آزمایش‌های حیوانی را طی کند و مجوز‌های لازم را بگیرد. با کمک کسانی که در حوزه‌ی پزشکی نقش دارند، ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی تمهیداتی را در این راستا اندیشیده ‌است، تا دریابیم این پروژه برای چه بیمارانی با چه کاربردی می‌تواند استفاده شود و وارد حوزه‌ی تجهیزات پزشکی شود.

دستاورد‌های این پروژه در داخل کشور پس از تحقق کامل چیست؟

-خوشبختانه این طرح در زمانی شروع شد که ما در حوزه‌ی تکنولوژی، زیست فناوری و … تقریبا با یک تا دو سال اغماض همزمان با دنیا در حال پیشرفت هستیم. بنظرم در زمان بسیار خوبی کلید خورد، حتی می‌‌توان گفت که در برخی از زمینه‌ها طرح‌هایی که در کشور انجام شده در سطح دنیا قابل طرح و ارائه است و در این پروژه چند دانشگاه در ایران مشغول به کار هستند.

پروژه‌ای که آغاز شد بسیار هوشمندانه در بین کسانی که در این زمنیه‌ها تخصص‌های لازم را داشتند تقسیم شده‌است. این پروژه جزء نمونه‌های موفقی است که در داخل کشور، چند دانشگاه با یکدیگر همکاری کردند. در کشور معدود طرح‌هایی داشتیم که دانشگاه‌ها بتوانند به این شکل با یکدیگر همکاری کنند و این مدل تقسیم کار شاید شبیه به مدلی باشد که در کشورها‌ی اروپایی درحال انجام است. زیرا در این کشورها هم دانشگاه‌ها‌ی مختلف با یکدیگر همکاری دارند تا این طرح کاملا به صورت مدولار (یعنی به صورت کاملا ساخت‌یافته) بین دانشگاه‌ها پخش‌ شود.

ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی این طرح را مدیریت کرده و پروژه را به سرانجام رسانده‌است. به‌نظر من این مهم‌ترین دستاورد آن است و دستاورد مهم دیگر این است که ما از دنیا عقب نیستیم و چه بسا در این زمینه نوآوری‌هایی داریم که در سطح بین‌المللی هم قابل مطرح‌شدن است. اکنون باید زیرپروژه‌هایی که به صورت جداگانه انجام شده در یک سیستم کلی یکپارچه شود تا به محصول قابل عرضه برسد.

یک گام بسیار مهمی که در اینجا داریم تجمیع و یکپارچه‌سازی طرح‌هایی است که تا به اینجا انجام شده و من اطمینان دارم که ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی مرحله بعدی را مد نظر داشته‌است. اگر بتوانیم به مرحله‌ی تجمیع طرح‌ها هم برسیم، در نهایت به محصول قابل مطرحی در سطح کشور و جهان می‌رسیم.

برای انجام چنین پروژه‌ای از چه مسیری عبور کردید؟

-به صورت کلی روند این کار در رشته‌ی مهندسی در مرحله اول تحقیقات، مرحله دوم رسیدن به نمونه نیمه‌صنعتی، مرحله سوم ساخت محصول و سپس عرضه به بازار است. ما اکنون در مرحله‌ای هستیم که نمونه‌ی نیمه‌صنعتی را داریم. خوشبختانه با هزینه‌هایی که در ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی انجام شده، طرح‌ها همه موفقیت‌آمیز بودند و مرحله‌ی بعدی برای ما این است که به محصول برسیم تا درنهایت بتوانیم تجاری‌سازی کنیم. اکنون ما در حال عبور از مرحله‌ی نمونه‌ی نیمه‌صنعتی به مرحله تجاری‌سازی هستیم.

سختی‌ها و موانع مسیر را چطور ارزیابی می‌کنید؟

-از موانع این طرح می‌‌توان به مشکلاتی در تأمین منابع مالی و تحریم‌ها نام برد که حالا با استفاده از توان داخلی می‌‌توان به تحریم‌ها فائق آمد. اما تأمین منابع مالی از مهم‌ترین مشکلاتی است که ما در این طرح داشتیم، زیرا طرحی که ما شروع کردیم حدودا دو سال بخاطر مشکلات مالی به تعویق افتاد. در ادامه امیدواریم که این مسائل را بتوانیم با کمک یکدیگر حل کنیم.

در انتها اگر نکته‌ای دارید، بفرمایید.

ضمن تشکر از ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی، این طرح یک نمونه‌ی موفقی از تلاش همگانی، نگاه ساخت‌یافته و جامعی بود که در طی چند سال با مدیریت ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌ها‌ی شناختی انجام شده‌است. اما نکته‌ی حائز اهمیت این است که این طرح و طرح‌هایی مانند این که به این مرحله‌ رسیدند، باید حتما به مرحله یکپارچه‌سازی، تجاری‌سازی و در نهایت به محصول برسند، در غیر این صورت ما تنها در حوزه‌ی تحقیقات باقی می‌مانیم.

یک همت بسیار عالی نیاز است و کاری که در پیش داریم بسیار سخت‌تر از کاری است که تا کنون انجام داده‌ایم. زیرا طرح‌هایی که در حوزه‌ی مهندسی الکترونیک و به طور کل الکترونیک داریم باید از مرحله تحقیقات و محصول نیمه‌ساخته عبور کند و وارد مرحله‌ی محصول شود. ما نمونه‌های موفقی از این موارد را داشتیم و این طور نیست که تا به حال در کشور این اتفاق نیفتاده باشد.

امیدوارم که این طرح هم با موفقیت به سرانجام برسد تا ما به محصول قابل عرضه‌ای دست یابیم تا همگان از منافع آن استفاده کنند. مهم‌ترین مسئله هم مسئله‌ی مالی است و باید حمایت مالی تا آخر انجام شود، زیرا طرح‌های تحقیقات و توسعه‌، طرح‌های لبه‌ی تکنولوژی است و نباید این انتظار را داشت که طرح بعد از یک سال به بازار برسد و همان موقع هم سودآور باشد و این نکته را باید در نظر داشت که تحقیقاتِ صرف کمکی به پیشرفت کشور نمی‌کند.

مصاحبه با دکتر احمدی در خصوص زیر سیستم تحریک الکتریکی 16 کاناله ی تمام مجتمع

دکتر محمد مهدی احمدی عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیر کبیر

+ لطفا پروژه را به صورت کوتاه معرفی کنید.

– در بهمن ماه سال 1393، در ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی، پروژه‌ای تحت عنوان «ایمپلنت مغزی» آغاز شد. پروژه‌ی ایمپلنت مغزی، پروژه‌ای بزرگ و گسترده بود و حدوداً به 10 زیرپروژه تقسیم شد. سپس برای هر کدام از آن زیرپروژه‌ها، که البته به خودی خود، یک پروژه‌ی بزرگ بودند، از طرف ستاد درخواست پیشنهادیه‌ی پروژه شد.

بنده برای یکی از آن زیرپروژه‌ها با عنوان «زیرسیستم تحریک الکتریکی 16کاناله‌ی تمام مجتمع»، پیشنهادیّه‌ی پروژه نوشتم که بعد از بررسی و داوری دقیقی که در ستاد انجام شد، با پیشنهاد بنده برای آن پروژه موافقت شد. این پروژه را بنده به همراه گروه تحقیقاتی‌ام در آزمایشگاه مدارها و سیستم‌های زیست-پزشکی در دانشکده‌ی مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام دادیم.

این سامانه‌ی تحریکی باید به صورت تمام مجتمع (با تکنولوژی مدار مجتمع) ساخته می‌شد و قابلیت‌های زیر را می‌داشت:

  1. توانایی تحریک بافت عصبی در 16 محل مختلف
  2. قابلیت تحریک حداقل 4 محل به صورت همزمان و مستقل از یکدیگر
  3. امکان تولید پالس‌های مربعی تک فازه و دوفازه با قابلیت برنامه‌ریزی دامنه‌ی پالس، عرض پالس و جزئیات تکرار
  4. توانایی تولید قطار پالس تحریک با داشتن قابلیت تعیین فرکانس رخداد پالس‌ها
  5. قابلیت انتخاب تقدم فاز آندی بر فاز کاتدی و بالعکس

 از مراحل اولیه اجرایی پروژه بیشتر برایمان بگویید.

– همان طور که عرض کردم، اولین قدم پروژه در بهمن ماه 1393 برداشته شد. آقای دکتر سوداگر گروهی از متخصصان حوزه‌ی مهندسی عصبی-شناختی را تحت عنوان «کارگروه ایمپلنت مغزی» در ستاد علوم شناختی جمع کردند. بنده هم عضوی از همان کارگروه بودم. هدف از آن کارگروه، مشخص کردن استراتژی ستاد برای انجام پروژه‌ی ایمپلنت مغزی بود. بعد از جلسات متعدد و بررسی‌های فراوان، کارگروه تصمیم گرفت که این پروژه باید حدودا به 10 زیرپروژه تقسیم گردد و از افراد متخصص در زمینه‌ی هر زیرپروژه، در انجام پروژه‌ها درخواست همکاری شود.

بررسی‌های اولیه و تقسیم‌بندی زیرپروژه‌ها و نوشتن خصوصیات مورد نیاز آن‌ها، با دقت انجام شد. این کار در حدود 6 ماه طول کشید. سپس درخواست‌های اولیه برای انجام زیرپروژه‌‌ها ارسال گردید. برای هر کدام از زیرپروژه‌ها پیشنهادیه‌ی پروژه‌های متعددی دریافت شد و سپس فرایند داوری آغاز گردید که آن هم حدود 6 ماه زمان برد.

در خصوص دلایل انجام پروژه‌ی ایمپلنت مغزی توضیح مختصری را بفرمایید.

– ببینید مغز انسان بسیار پیچیده است. بعضی از متخصصین علوم اعصاب معتقدند مغز مانند اقیانوسی است که ما هنوز حتی دستمان را هم در آن خیس نکرده‌ایم. این به آن معنی است که پیچیدگی‌های مغز آنقدر زیاد است که ما هنوز نمی‌توانیم ادعا کنیم که می‌دانیم مغز چگونه کار می‌کند.

اغلب اطلاعاتی که ما درمورد نحوه‌ی عملکرد مغز داریم، با استفاده از سیگنال‌های EEG یا fMRI به دست آمده‌اند. این سیگنال‌ها به صورت کلی به ما می‌گویند که مثلا اگر بخواهیم دست را تکان دهیم، کدام قسمت از مغز فعال می‌شود و یا مثلا کدام قسمت از مغز مربوط به کدام عملکرد ما است. اما راجع به نحوه کارکرد و تعامل سلول‌های عصبی در مغز چیزی به ما نمی‌گویند.

شناسایی چگونگی عملکرد مغز آنقدر مهم است که در سال 2013 در آمریکا یک پروژه‌ی ملی بزرگ با عنوان BRAIN INITIATIVE PROGRAMME توسط رئیس جمهور وقت آمریکا، باراک اوباما، آغاز شد. هدف از آن پروژه، کمک به توسعه‌ی فناوری‌هایی بود که به بشر کمک می‌کند تا نحوه عملکرد مغز را بهتر بفهمد. در این راستا، برای ثبت سیگنال نورون‌ها و تحریک آن‌ها، ما باید ایمپلنت‌های مغزی را که شامل آرایه‌هایی از میکروالکترودها هستند بسازیم تا بتوانیم تعداد زیادی نورون را همزمان تحریک کنیم و سیگنال‌های آن‌ها را بخوانیم. این کار به ما کمک می‌کند که نحوه عملکرد مغز و سیستم عصبی را بهتر بفهمیم. برای اینکه بتوانیم با ظرافت و دقت بیشتری نحوه تعامل و کارکرد نورون‌ها درک کنیم، باید ایمپلنت‌هایی متشکل از تعداد زیادی میکروالکترود و تراشه‌‌های ثبت و تحریک چند کاناله داشته باشیم.

کاری که ما در داخل کشور انجام دادیم این بود که از میان حدود 10 زیرپروژه، دو پروژه را به الکترودهای ثبت و تحریک اختصاص دادیم. سه پروژه برای انتقال و تبادل اطلاعات بین دنیای بیرون و ایمپلنت مغزی تعریف کردیم. یک پروژه برای طراحی مدار تحریک، دو پروژه برای طراحی مدار ثبت و فشرده‌سازی اطلاعات ثبت‌شده، یک پروژه برای بسته‌بندی ایمپلنت و یک پروژه هم برای باتری مورد استفاده در ایمپلنت‌های مغزی تعریف شد.

در خصوص زیرپروژه‌ای که شما آن را مدیریت کردید توضیح دهید. این پروژه توسط کدام دانشگاه‌ها انجام شد و فرایند انجام آن به چه ترتیب پیش رفت؟

– زیرپروژه‌ی «زیرسیستم تحریک الکتریکی 16کاناله‌ی تمام مجتمع‌» در شهریور ماه سال 1395 در آزمایشگاه «مدارها و سیستم‌های زیست پزشکی» در دانشکده‌ی مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر آغاز شد. در ابتدا هدف بنده این بود که با استفاده از نیروی دانشجویی و با نظارت دقیق بر آن‌ها این پروژه را انجام دهم. به همین دلیل همان پروژه را به چند پروژه‌ی کوچک‌تر تقسیم کردم و در ابتدا، دو دانشجوی کارشناسی ارشد و یک دانشجوی دکتری که ورودی سال 1394 بودند کار بر روی پروژه را تحت عنوان پروژه‌های کارشناسی ارشد و دکتری خود آغاز کردند.

لازم به ذکر است که پروژه‌ای که در گروه تحقیقاتی بنده انجام شد خیلی گسترده‌تر از پروژه‌ای بود که ستاد علوم شناختی از ما درخواست کرده بود. به عبارت دیگر خواسته‌ی ستاد علوم شناختی از ما طراحی و ساخت یک زیرسیستم تحریک الکتریکی تمام مجتمع بود، در حالیکه بنده قصد داشتم که تمام قسمت‌های مربوط به یک ایمپلنت تحریکی پزشکی، از جمله مدارهای انتقال توان و اطلاعات به ایمپلنت و مدارهای مدیریت توان در تراشه‌ی ایمپلنت را هم پیاده‌سازی کنیم و به لطف خدا این کار را با کیفیت خوبی انجام دادیم.

بزرگترین مشکل ما در راه انجام پروژه، مشخص‌نبودن فناوری ساخت (fabrication process) از جانب ستاد علوم شناختی بود. در پروژه‌های طراحی مدار با استفاده از فناوری مدارهای مجتمع، یکی از قدم‌های اولیه برای شروع طراحی، مشخص کردن فناوری ساخت است. بدون مشخص‌بودن فناوری ساخت، مشخصات ترانزیستورها و قطعات الکترونیکی که در آن فناوری موجود است و برای طراحی مورد نیاز است، مشخص نیست و طراح نمی‌داند که بالاخره طراحی را چگونه انجام دهد. اگر بخواهم مثال بزنم، شبیه به آن است که ما بخواهیم یک ساختمان را طراحی کنیم اما ندانیم که این ساختمان بر روی چه نوع زمینی ساخته خواهد شد و چه مصالحی برای ساختن ساختمان در اختیار ما قرار خواهد گرفت.

البته علت اصلی که فناوری ساخت توسط ستاد مشخص نشده بود، تحریم‌های ظالمانه‌ی آمریکا بود. با توجه به اینکه باید راهکاری برای دورزدن تحریم‌ها فراهم می‌شد، و ستاد نیز نمی‌دانست چگونه می‌تواند فناوری ساخت را برای گروه‌های تحقیقاتی که بر روی پروژه‌ی ایمپلنت مغزی کار می‌کنند، فراهم کند؛ لذا مشخص‌کردن فناوری ساخت بیش از دو سال طول کشید.

از طرفی دانشجویانی هم که بر روی طرح کار می‌کردند نمی‌توانستند منتظر بمانند که ستاد، فناوری ساخت را مشخص کند. آن‌ها نیز با توجه به محدودیت‌هایی که بر روی سنوات تحصیلی دوره‌های کارشناسی ارشد و دکتری وجود دارد، نیاز داشتند که زودتر فارغ‌التحصیل شوند. به همین دلیل بنده از آن‌ها خواستم که طراحی‌های خود را با استفاده از یکی فناوری‌های ساخت معمول انجام دهند و دفاع کنند. گروه اول دانشجویان کارشناسی ارشدی که بر روی این پروژه کار می‌کردند در بهار سال 1397 فارغ التحصیل شدند. دانشجوی دکتری هم که بر روی پروژه کار می‌کرد به دلیل مشکلات بوجود آمده در طرح، از آن پروژه دکتری انصراف داد. لذا در تابستان سال 1395، که در برنامه ریزی ابتدایی قرار بود زمان اختتام طرح باشد، تمام محققانی که بنده با زحمت برای انجام این طرح تربیت کرده بودم، از طرح خارج شدند، در حالیکه هنوز فناوری ساخت توسط ستاد مشخص نشده بود! لذا بعد از صرف مقدار زیادی زمان و بودجه‌ی طرح، ما دوباره در خانه‌ی اول بودیم!

لذا من شروع به تشکیل و تعلیم گروه جدیدی از دانشجویان برای این طرح کردم که حتی بعضی از دانشجویان گروه جدید هم قبل از مشخص‌شدن فناوری ساخت توسط ستاد، فارغ‌التحصیل شدند. نهایتا در انتهای سال 1395فناوری ساخت توسط ستاد مشخص شد. اما با توجه به اینکه تیم تحقیقاتی بنده خالی از محققانی شده بود که برای این پروژه تربیت شده بودند، خود بنده مجبور شدم که تمام طراحی‌ها را از ابتدا تا انتها، با استفاده از فناوری ساخت مشخص شده، انجام دهم. یادم می‌آید که از روز 5 فروردین سال 1398 تا انتهای بهار 1398 به صورت تمام وقت  و حتی در روزهای تعطیل در دانشگاه بودم تا بتوانم طراحی‌‌ها را به‌موقع تمام کنم. در عین حال، تعدادی از دانشجویان را تعلیم دادم که جانمایی تراشه را انجام دهند و خوشبختانه ما توانستیم طراحی‌ها را سر وقت به اتمام برسانیم. البته ما تیم پیشرو و «جاده صاف کن» در انجام پروژه‌های ایمپلنت مغزی بودیم.

در بهار 1398 اعلام کردند که فرایند ساخت تراشه در تابستان 1398 انجام می‌شود. اما حتی برای همان هم تأخیر پیش آمد و کار به پاییز 1398 رسید. مشکلات فراوانی هم در ارسال تراشه‌های ساخته‌شده از کارخانه‌ی خارجی که تراشه‌ها را برای ما ساخته بود، پیش آمد و حدود یکسال طول کشید که تراشه‌ها به دست ما برسد. نهایتا تراشه‌ها در پاییز 1399 به ایران رسیدند. برای بررسی‌ آن‌ها نیاز بود که سیم‌های اتصال به پدهای تراشه وصل شود که همان فرایند هم حدود 6 ماه طول کشید. ما نهایتا توانستیم که تراشه‌ی ساخته‌شده را در بهار و تابستان 1400 آزمایش کنیم و خوشبختانه تراشه‌ی ما بخوبی از پس آزمون‌ها برآمد.

این پروژه چه اهدافی را دنبال می‌کرد و در نهایت چه دستاوردهایی داشت؟

– برای فهم عملکرد نورون‌ها، لازم است که ورودی‌ها و خروجی‌های نورون‌ها را بهتر بشناسیم. مثلا می‌توانیم آن‌ها تحریک کنیم و پاسخ آن‌ها را ببینیم. یا اینکه ببینیم نورون‌ها در شرایط مختلف چه سیگنال‌هایی تولید می‌کنند. کاری که ما در این پروژه به صورت اختصاصی انجام دادیم، ساخت یک ریزسامانه برای تحریک اعصاب و سلول‌های عصبی بود. در حال حاضر، اغلب ایمپلنت‌های هوشمند پزشکی، ایمپلنت‌هایی هستند که اعصاب را تحریک می‌کنند، از جمله ضربان‌ساز مصنوعی قلب (باتری قلب)، پروتز حلزون شنوایی، دستگاه تحریک عمقی مغز (DBS) و پروتز بینایی. می‌توان گفت اکثر ایمپلنت‌هایی که به صورت تجاری موجود هستند، ریز‌سامانه‌های تحریکی هستند. برای این کار، ما احتیاج به مداری داریم که عمل تحریک را به صورت مؤثر و ایمن انجام دهد. اگر تحریک برای کوتاه مدت باشد طراحی مدار تحریک کننده چندان دشوار نیست. اما در تحریک‌های طولانی مدت، ایمن بودن تحریک خیلی مهم است. اگر بخواهم این موضوع را باز کنم، باید عرض کنم که در الکترودهای تحریکی، جریان الکتریکی توسط الکترون‌ها منتقل می‌شود. اما در بافت‌ها و محلول‌ها جریان الکتریکی توسط یون‌ها منتقل می‌شود. هنگامی که یک الکترود داخل بافت یا محلول قرار می‌گیرد، در زمان اعمال تحریک، جریان الکترونی داخل الکترود باید به جریان یونی داخل بافت تبدیل شود. برای انجام این عمل، در محل اتصال الکترود و بافت، واکنش شیمیایی رخ می‌دهد. این واکنش شیمیایی اگر برای مدت زمان طولانی انجام شود منجر به تخریب الکترود یا بافت و یا هر دو می‌شود. بنابراین برای اینکه بتوانیم برای مدت زمان طولانی تحریک را انجام دهیم، باید ریزه‌کاری‌های بسیاری را رعایت کنیم تا نه بافت آسیب ببیند و نه الکترود. بنده برای انجام ایمن و صحیح این کار یک ثبت اختراع در آمریکا انجام داده‌ام.

پروژه زیر سیستم تحریک الکتریکی در چه زمینه‌هایی اعم از پزشکی یا تحقیقاتی می‌تواند مؤثر باشد؟

– ریز سامانه‌های تحریکی می‌توانند کاربردهای فراوانی داشته باشند از جمله در پروتز بینایی، دستگاه تحریک نخاع، دستگاه DBS ، پروتز حلزون شنوایی و … . زیرپروژه تحریکی که توسط گروه ما و با مدیریت بنده اجرا شد می‌تواند در دستگاه DBS، پروتز حلزون شنوایی و حتی دستگاه تحریک نخاع استفاده شود. با استفاده از ریزسامانه‌ی ساخته‌شده، ما می‌توانیم قسمت‌هایی از مغز را به صورت دقیق تحریک و سپس سیگنال‌های بازخوردی توسط نورون‌ها را ثبت کنیم تا درنهایت نحوه عملکرد نورون‌ها و تعامل آنها را بهتر درک کنیم.

نحوه کارکرد ایمپلنت مغزی به چه شکل است؟

– اغلب ایمپلنت‌های هوشمند پزشکی دو قسمت دارند؛ یک قسمت خود ایمپلنت است که در داخل بدن قرار می‌گیرد. برای مثال ایمپلنت مغزی در داخل مغز قرار می‌گیرد تا الکترودهای متصل به ایمپلنت بتوانند سلول‌های عصبی مغز را مستقیم و با دقت زمانی و مکانی مناسب تحریک کنند یا‌ اینکه سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط سلول‌های عصبی را مستقیما ثبت کنند. بنابراین در ایمپلنت، ما یک آرایه‌ی الکترودی و یک بورد الکترونیکی داریم که روی آن تراشه‌های ثبت و تحریک قرار می‌گیرد. برای ارسال اطلاعات و انرژی مورد نیاز برای ایمپلنت یک قسمت خارجی هم نیاز است. به عبارت دیگر، قسمت خارجی دستورات مورد نیاز برای تحریک را به قسمت داخلی، به صورت بی سیم، ارسال می‌کند. سیگنال‌های ثبت شده توسط مدارهای ثبت سیگنال که در قسمت داخلی ایمپلنت موجود است به صورت بی‌سیم به قسمت خارجی ایمپلنت ارسال می‌شود. بنابراین، قسمتی از این ایمپلنت مغزی در داخل جمجمه و قسمتی از آن بر روی سر قرار می‌گیرد. این دو قسمت، اولا باید اطلاعات مورد نیاز برای ثبت و تحریک را بین خود رد و بدل کنند. ثانیا، قسمت خارجی باید انرژی مورد نیاز برای عملکرد قسمت داخلی را به صورت بی‌سیم برای قسمت داخلی ارسال کند.

چند درصد از پروژه تکمیل شده‌است و آیا این پروژه در ادامه به‌روز می‌شود؟

– زیرپروژه‌ی که ما باید انجام می‌دادیم تمام شده‌است. برای ساخت مدارهای مورد استفاده در ایمپلنت‌‌های پزشکی،  استفاده از مدارات مجتمع اجتناب‌ناپذیر است. متاسفأنه ما در داخل کشور تکنولوژی ساخت مدار مجتمع را نداریم و به صورت کلی، مدار مجتمع جزء تحریم‌های قدیمی (چهل ساله‌ی) آمریکا بر ایران است. بنابراین هزینه‌ی بسیار زیادی لازم داریم تا بتوانیم تحریم‌ها را دور بزنیم و یک تراشه بسیار کوچک را بسازیم. به همین منظور باید بودجه هنگفتی پشت پروژه باشد تا کار ادامه پیدا کند. نسخه اول این زیرپروژه که مربوط به پروژه‌ی ایمپلنت مغزی بود ساخته، آزمایش‌ شده و کامل است. اما برای توسعه‌های بعدی، حامی مالی لازم است و علاوه بر آن باید نقش تحریم‌ها را هم در نظر گرفت. به عنوان مثال، برای انجام زیرپروژه‌ها، درحالی‌ که ما پیش‌بینی می‌کردیم که کار در طی 18 تا 24ماه به طول بینجامد، کار بیش از 5 سال طول کشید و حتی بعضی از زیرپروژه‌ها با وجود اینکه در سال 1395 شروع شده بود، هنوز تمام نشده‌است.

چه سازمان هایی از این پروژه حمایت کردند؟

– ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی تنها حامی این پروژه بود. به صورتی که اگر حمایت‌های ستاد برای ساخت تراشه‌ها نبود، اصلا چنین پروژه‌ای شکل نمی‌گرفت.

نمونه خارجی این دستگاه به چه صورت است؟

– در دنیا سیستم‌هایی با تعداد کانال‌های متفاوت وجود دارند اما آنچه که ما ساختیم الان یکی از بهترین‌ها در دنیاست.

مزایای رقابتی این پروژه را چطور توصیف می‌کنید؟

– مزیت اصلی رقابتی تراشه‌ی طراحی شده در گروه ما آنست که می‌تواند اندازه‌ی جریان‌های تحریکی در فازهای آندی و کاتدی را با دقت بسیار زیادی مساوی هم کند. این باعث می‌شود که توازن بار در حین تحریک با دقت بسیار بالایی انجام شود و لذا صدمه به بافت کاهش یابد. همچنین مدار ما نیاز به استفاده از خازن‌های خارج تراشه برای ایجاد توازن بار در هنگام تحریک را مرتفع می‌سازد که این به خودی خود باعث کوچک‌شدن ایمپلنت تحریکی می‌گردد.

هدف اصلی انجام این زیر پروژه توسط شما چه بوده است؟

– انجام این پروژه نه تنها باعث توسعه‌ی دانش فنی تحریک الکتریکی سلول‌های عصبی در داخل کشور شد، بلکه منجر به تربیت تعدادی نیروی انسانی متخصص در زمینه‌ی طراحی سخت‌افزار مورد نیاز برای علوم شناختی شد. همچنین زیرساخت‌های مورد نیاز برای توسعه‌ی پژوهش‌های مرتبط با ریزسامانه‌های قابل کاشتی که ابزار کار در علوم شناختی و علوم اعصاب است، در دانشکده‌ی مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر توسعه پیدا کرد.

به علاوه اینکه ما توانستیم مرزهای علم در این حوزه را جابه‌جا کنیم و مدارهای تحریکی‌ای که بهتر از نمونه‌های خارجی بودند را طراحی کنیم و آن‌ها را در آمریکا ثبت اختراع کنیم.

در مسیر انجام این پروژه با چه سختی‌هایی مواجه شدید؟

– زمان‌بر بودن این پروژه و تحریم‌های ظالمانه از سختی‌های این پروژه بود. پروژه‌ای که قرار بود در طی 2 سال انجام شود، 55سال به طول انجامید. بنده مجبور شدم چندین سری از دانشجویان را برای این کار تربیت کنم و آن‌ها قبل از اینکه کار به نتیجه برسد فارغ التحصیل شدند و از پروژه خارج شدند. لذا هزینه‌ی نیروی انسانی خیلی بیشتر از تخمین‌های اولیه‌ی بنده شد. همچنین بودجه‌بندی ما برای انجام این پروژه در سال 1395 انجام شد که در آن زمان قیمت دلار کمتر از 4000 تومان بود و هزینه‌ها و حقوق نیروی انسانی بسیار کمتر از سال‌های اخیر بود. علت تاخیر در انجام پروژه ما نبودیم. انتظار بنده از ستاد علوم شناختی این بود که بودجه‌ی طرح را حداقل با توجه به تورم موجود در کشور افزایش دهند. اما متاسفانه کوچک‌ترین تغییری در بودجه‌ای که به ما پرداخت شد صورت نگرفت.

آیا از این زیرپروژه در آینده می‌توان در کارهای بالینی و تحقیقاتی استفاده کرد؟

– بله، اکنون ما مدار مجتمع تحریک 16 کاناله را داریم و نمونه‌های آن به صورتی نیستند که از خارج قابل خریداری باشند. اگر برای پروژه‌ای لازم باشد که ما قسمت‌هایی از مغز را با 16 الکترود تحریک کنیم، مسلما پروژه‌ی ما به کار خواهد آمد.

0

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
0