Analysis and optimization of communications in biomedical systems
Authors: Τρευλάκης Στυλιανός 
Published: April 2022

Τα ιατρικά εμφυτεύματα (MIs) έχουν αποδειχθεί ως αποτελεσματική λύση σε πολλά προβλήματα υγείας. Οι συμβατικοί τύποι MIs χρησιμοποιούν τεχνολογίες μαγνητικής επικοινωνίας κοντινού πεδίου και λειτουργούν συνήθως σε συχνότητες χαμηλών ραδιοσυχνοτήτων, από 5 έως 49 MHz, ενώ η ισχύς εκπομπής τους είναι της τάξης των δεκάδων mW. Τα συμβατικά MIs αποτελούνται από μια εξωσωματική μονάδα που συλλαμβάνει το ερέθισμα, το μετατρέπει σε σήμα ραδιοσυχνοτήτων και το μεταδίδει ασύρματα στη μονάδα εντός του σώματος, η οποία διεγείρει το αντίστοιχο νεύρο. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η ανικανότητά της να υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς δεδομένων που απαιτούνται για εφαρμογές νευρωνικών προσθετικών, υπό λογική ισχύ μετάδοσης. Μια πολλά υποσχόμενη υποψήφια τεχνολογία είναι οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες (OWC). Τα βασικά πλεονεκτήματα των επικοινωνιών που βασίζονται στο φως σε σύγκριση με τις τυπικές που βασίζονται σε RF είναι το άφθονο διαθέσιμο εύρος ζώνης, οι σχεδόν ανύπαρκτες παρεμβολές, η αυξημένη ασφάλεια και οι υψηλότεροι επιτεύξιμοι ρυθμοί δεδομένων. Επιπλέον, λόγω των ιδιαιτεροτήτων του διαδερμικού και του σωματικού οπτικού καναλιού, των χωρικών και ενεργειακών περιορισμών καθώς και της κατευθυντικότητας των συνδέσμων OWC, ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη βιοϊατρικών εφαρμογών που βασίζονται σε OWC πρέπει να αξιοποιήσουν πρωτοποριακές τεχνολογίες. Με κίνητρο τα παραπάνω, τα οπτικά ασύρματα MI προβλέπεται ότι θα δημιουργήσουν μια τεράστια ποικιλία νέων βιοϊατρικών εφαρμογών, όπως η έξυπνη χορήγηση φαρμάκων και η ανάκτηση ιστών, καθώς και να βελτιώνουν την εμπειρία και την ασφάλεια των συμβατικών MIs, όχι μόνο στοχεύοντας από 10-100 φορές υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων, αλλά και συνδυάζοντάς τους με αξιόπιστες και ενεργειακά αποδοτικές επικοινωνίες. Η συνεχής παρακολούθηση των ζωτικών σημάτων, των παθογόνων και των αλλεργιογόνων σε πραγματικό χρόνο, η ανίχνευση ανωμαλιών ιστών και μορίων, καθώς και η έξυπνη χορήγηση φαρμάκων είναι μόνο μερικά παραδείγματα σε μια πληθώρα εξαιρετικά απαιτητικών εφαρμογών. Για να υποστηρίξει τέτοιου είδους εφαρμογές, η ερευνητική κοινότητα στρέφεται στην ανάπτυξη των τεχνολογιών THz, οι οποίες, αξιοποιώντας τις ιδιότητες του γραφενίου, αναμένεται να χρησιμοποιήσουν πομποδέκτες νανοκλίμακας. Ωστόσο, υπάρχουν διάφορες ανησυχίες σχετικά με την ασφάλεια των ζεύξεων THz και αυτές οι τεχνολογίες είναι ακόμη ανώριμες. Ανάλογα με τον τύπο της μονάδας διέγερσης των κυττάρων, τα MIs μπορούν να ταξινομηθούν σε ηλεκτρικά και οπτικά. Οι μέθοδοι ηλεκτρικής διέγερσης χρησιμοποιούν ένα εξωτερικό ηλεκτρικό ρεύμα για τον απευθείας χειρισμό του δυναμικού της μεμβράνης και έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την πρόκληση διέγερσης σε διάφορους τύπους ανθρώπινων κυττάρων. Πολλά ιατρικά εμφυτεύματα, όπως κοχλιακά εμφυτεύματα, βηματοδότες και άλλα, εκμεταλλεύονται αυτές τις τεχνικές. Ωστόσο, η απόδοση της ηλεκτρικής διέγερσης περιορίζεται από την κακή φασματική κωδικοποίηση και το περιορισμένο εύρος ζώνης του φάσματος των RF. Αυτοί οι περιορισμοί παρακίνησαν την ερευνητική κοινότητα να στρέψει την προσοχή της στο οπτικό φάσμα, το οποίο είναι ικανό να παρέχει πληθώρα ανεκμετάλλευτου εύρους ζώνης και μεγαλύτερη ασφάλεια για το ανθρώπινο σώμα. Οι οπτογενετικές τεχνικές βασίζονται στην ανάπτυξη γενετικά τροποποιημένων πρωτεϊνών, που ονομάζονται οψίνες, οι οποίες όταν φωτίζονται δημιουργούν μια ροή ιόντων μέσω της κυτταρικής μεμβράνης που μεταβάλλει το δυναμικό της μεμβράνης. Αυτή η υλοποίηση έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι ελέγχει τη δυναμική της κυψέλης με υψηλότερη ακρίβεια, συχνότητα, απόδοση ισχύος και μεγαλύτερη χωρική ανάλυση.