Need for Advanced Wireless Protocols in Neural Interfaces

ממשקי נילי - טירונות הקובעים מסלולים תקשורתיים ישירים בין רקמת עצבית חיה ואלקטרוניקה חיצונית - עברו ממעבדות ניסיוניות ליישומים קליניים כגון ממשקי מחשב במוח (BCIs) לשיתוק, שתלים קוכלאר, ומריצים מוח עמוק, שכן מערכות אלה מתפתחות לקראת מערךים אלחוטיים, בעלי ספירת גבוהה המסוגלים ללכוד אלפי נוירונים, בו זמנית, בקבוק השידור האלחוטי הופך לזיהום עצבי חיוני, ולכן, לזיהום עצבי, לזיהום עצבי, ולכן, לזיהום עצבי, לזיהומים עצביים חיוניים, הם סיכונים עצביים, ומערכת תקשורת אלחוטיים, ולכן, לזיהום עצביים, לזיהום עצביים, ולכן, הם מסוכנים, לדלקת-מערכת תקשורת אלחוטית, ולכן, לדלקת-מערכת תקשורת אלחוטית, לדלקת-מערכת תקשורת אלחוטית, לזיהומים עצביים, מערכת אופטיים, ולכן, מערכת אופטיים, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת תקשורת אלחוטית, ולכן, מערכת תקשורתית, מערכתית, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת העצבים של מערכות אבטחה אופטית, מערכת תקשורת אלחוטית, ולכן, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת תקשורת אלחוטית, מערכת תקשורת אלחוטית, ולכן, ולכן, מערכתית,

דרישות הליבה של פרוטוקולים אלה הן מרתיעות: הם חייבים לתמוך בשיעורי נתונים גבוהים (לעיתים קרובות מעל 100 Mbps עבור אותות עצביים גולמיים), שקיפות נמוכה מאוד (sub-milliII לשליטה סגורה), צריכת חשמל מינימלית (כדי למנוע רקמות להאריך חיי סוללה), ואבטחה חזקה (נתוני הצפנה עצבית הם אישיים ופגיעות) מאמר זה חוקר את הגישות המבטיחות ביותר שפותחו כדי לענות על אתגרים אלה, מרדיו רחב וקישורים לתקשורת אופטית ועד לקישורית.

אתגרים נוכחיים ב-Nural Data Transmission

Bandwidth ו-Data Volume

בדיקות עצביות מודרניות מתעדות ממאות עד אלפי ערוצים, כל אחד מהם מייצר נתונים בשיעורים של 10-30 קילו-מפרק לשנייה.A 1024-ערוצית, למשל, מייצר זרמי נתונים גולמיים מעל 500 מ"בפסים.מדכאים את הנתונים האלה מבלי לאבד מידע קריטי - כגון ספיגמות גל או פוטנציאלי שדה מקומיים - מציב אתגר אלגוריתמי משמעותי ומדכאי.

שקיפות ותהליך בזמן אמת

עבור יישומים כמו גירוי עמוק עמוק במוח או שליטה על גוף סטטי, הכדאיות מקצה לקצה חייב להיות מתחת 10 מ"ר שניות, ובאופן אידיאלי תחת 1 ms עבור מנוע BCIs. פרוטוקולים אלחוטיים להציג עיכובים, עיבוד החבילה מעל הראש, ועיכובים חוזרים עקב התערבות. Wi-Fi ו- Bluetooth לעתים קרובות עולה על הגבולות האלה, במיוחד בסביבות רפואיות צפופות עם מכשירים אלחוטיים מרובים.

כוח יעילות ו-Thermal Constraints

ממשק עצבי בלתי פתיר חייב להתפזר פחות מ 10-20 מ"מ כדי להימנע מהעלאת הטמפרטורה בטמפרטורה של יותר מ 1 מעלות צלזיוס, סף מעבר לכך הנזק העצבי יכול להתרחש.העבר האלחוטי הוא בדרך כלל הצרכן הכוח הגדול ביותר.פרוטוקולים מתעוררים חייבים להשיג יעילות ספקטרלית גבוהה מחזורית גבוהה ומחזור חובה-מחדש אגרסיבי, לכבות את הרדיו כאשר אין נתונים החלים.

אבטחה ופרטיות

אותות עצביים מכילים לא רק פקודות מוטוריות משוב חושי אלא גם מצבים רגשיים, זיכרונות ואפילו מחשבות פרטיות.יירוט או מניפולציה לא מורשים יכולים להיות השלכות קטסטרופליות. שיטות הצפנה קיימות (למשל, AES) להוסיף חישוביות מעל ראש ועצלות; גישות מבוססות קוונטיות מבטיחות אבטחת מידע-אתרומטיות, אך עדיין אינן מעשיות עבור גורמים פתילים.

פרוטוקולים וטכנולוגיות

Ultra-Wideband (UWB) תקשורת

Ultra-wideband (UWB) מעביר נתונים באמצעות דופקים קצרים, נמוכים כוחניים התפשטו על פני רוחב פס רחב מאוד (בדרך כלל >500 MHz) טכניקה זו מציעה מספר יתרונות עבור ממשקים עצביים: שיעורי נתונים גבוהים (עד כמה Gbps בעיקרון), צריכת חשמל נמוכה (אדריכלות מבוססת מחתרת), וחסינות פנימית לקידוד רב-3.1 GHz, מדעי, ומערכת רפואית זמינה יותר ויותר עבור שבבים מסחריים (BISM) עבור שבבים מסחריים ויותר.

אבטיפוסים אחרונים מפגינים את ה-UWB Transceivers לצרוך מתחת ל-1 מ"מ בעודם מספקים 50-100 Mbps מעל מרחקים של 1-2 מטרים - החל מהשתלים המוערכים או subcutaneous.חוקרים גם חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים אימפולסיבית-רדיו UWB (IR-UWB) שאינו דורש נושא, נוסף מפשט את החזית האנלוגית העיקרית היא מגבלות כוח כי טווח ה-מערכת ההפעלה מציעות של 10, אך ורק 10 הסתברותיות עם קישורים מתאימים.

טרהארצ (THz) Band Transmission

תדרי טרחרץ (0.1-10 THz) מייצגים גבול לתקשורת אלחוטית, המציע רוחב פס עצום (עשרות GHz) שיכולים לתמוך בשיעורי נתונים של terabit-per-II.עבור ממשקים עצביים, תקשורת THz היא אטרקטיבית בגלל הפוטנציאל שלה עבור נתונים מסיביים באמצעותput וגישה מרחבית גבוהה, אשר מפחיתה את ההתערבות בין מספר השתלות.

מערכות הוכחת-of-תפיסה מוקדמות הוכיחו את שיעור הנתונים מעל 100 Gbps על פני מרחקים מ"מ, אך בתרגום זה ליישומים הניתנים להשתלת דורש פריצות דרך במקורות THz וגלגים בעלי כוח נמוך.עדיין, הלהקה THz נחשבת לממשקים עתידיים-מכונה שעשוי בסופו של דבר צריך לזרום מעשרות אלפי ערוצים.

תקשורת אלחוטית אופטית

באמצעות אור מתואם - גלוי, קרוב ל-infrared, או אולטרה סגול - עבור העברת נתונים מציעה הטבות נפרדות: חסינות להתערבות אלקטרומגנטית (EMI), רוחב פס גבוה, ושורה של אבטחה. בהשתלות ביו-רפואיות, קישורים אופטיים יכולים להיות מממשים עם מיקרו-LED ו photodiodes משולבים לתוך החבילה.מערכות הפעלה ב- in the Near-infrared (nm) יכול לחדור כמה מ"חמי"חמי"מ-"ל-"ח, אפילו באמצעות מילימטרים מתאימים"מ"מ"מ"מ"מ"מ"ל-"מ"מ"ל-"מ"מ"ל-"מ"ל-"ל-"מ"מ"מ"ל-"ל-"ל-"ל-"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"ל-"מ"מ"מ-"מ-"מ) באמצעות , אפילו , אפילו , או "מ"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ-"מ

אבטיפוס תקשורת אלחוטית אופטית (OWC) השיגו את שיעורי הנתונים מעל 1 Gbps עם צריכת חשמל מתחת 10 mW. יתרון מפתח הוא כי אותות אופטיים אינם להפריע ל-MRI או בציוד רפואי אחר.עם זאת, הצורך בהיערכות והאפקטים המתפזרים של טווח רקמות הביולוגי ואמינות.חוקרים מטפלים בכך עם מתפתל אדפטי ורב-קטן (MI) למערכות אופטיות נעות לרדיו היברידית הוא קו מבוזר.

פרוטוקול אבטחה קוונטית

הפצת מפתח קוונטית (QKD) משתמשת בעקרונות של מכניקת הקוונטים כדי ליצור מפתחות קריפטוגרפיים משותפים כי הם בלתי פגיעים תיאורטית כדי לחלחל. בעוד QKD דורש חומרה מיוחדת - מקורות וגלאים - מינימליים קוונטיים זעירים מתקדמים במהירות. עבור ממשקים עצביים, QKD יכול לשמש כדי לקבוע ערוץ מאובטח לחלוטין עבור זוגות עם תאים עם תאים חיצוניים, אשר באמת יכול לספק גנרטורים אקראיים (NGR) באופן אקראיים).

יישום מעשי עבור שתלים נשאר שנים משם, אבל ההפגנות האחרונות של QKD (למשל, באמצעות סיליקון פוטוניקה) מציעות כי מודול אבטחה קוונטי לחלוטין ניתן להשתלות לחלוטין.בינתיים, אלגוריתמים קריפטוגרפיים שלאחר קוונטי (כגון קריפטוגרפיים מבוסס LITT) הם סטנדרטיים ויוכלו להיות מוצבים בממשק עצבי קיים כדי להגן מפני התקפות קוונטיות עתידיות.

שינוי הסתגלות וקידוד

ממשקי נילי פועלים בערוץ המשתנה דינמי – הרחקת הנושא, שינויים במהירויות רקמות, והתערבות של מכשירים אחרים כולם משפיעים על איכות הקישור.מודולציה הסתגלות וקידוד (AMC) טכניקות התאמה דינמיות לפרמטרי שידור (גודל קידוד, קצב קידוד, כוח) כדי לשמור על שיעור שגיאה מעט מטרה תוך צמצום עיבוד אנרגיה.

החוקרים הציעו תחזיות מבוססות מכונה המנבאות את מצב הערוץ באמצעות תכונות מהאות העצביות עצמן (למשל, וריאציות פוטנציאליות שדה מקומיות קשורות להילוך ראשי) גישה זו חוצה-שכבת יכולה להפחית את שיעור ההפוגה ב-30-50% בהשוואה לתכניות קבועות. מחסנים קבועים (FPGAs) בהשתלה יכולים ליישם אלגוריתמים קלים עם כוח רשלני.

שילוב עם AI ו- Machine Learning

דיכוי נתונים חכם

פרוטוקול השידור האלחוטי היעיל ביותר הוא אחד שולח פחות נתונים.על דחיסה עצבית באמצעות autoencoders או אלגוריתמים מזייף ספייק יכול להפחית את נפח הנתונים ב 10-100× ללא להקריב דיוק מרתיעה.עבודה חדשה הוכיחה מעגלים משולבים ללא כוח נמוך של יישומים (ASICs) כי לבצע גילויי ספייקט בזמן אמת ומקבץ, תוך העברת רק פעמים ספייקטפי גל וגלים במקום דגימות גלם, לעומת דחיסות פוטנציאליות.

הפרוטוקול האלחוטי יכול להתאים את קצבו לזרם המדחוס, למחזור חובה של הרדיו במהלך תקופות של פעילות עצבית נמוכה.סינרגיה זו בין AI ל-implant ו-WiFi היא תחום מרכזי של מחקר פעיל, עם מערכות להשגת צריכת חשמל ממוצעת מתחת 1 מ'W אפילו עבור מערך גבוה של חשבונות.

תיקון שגיאות חיזוי

קודים קלאסיים לתיקון שגיאות (למשל, ריד-סומון, LDPC) דורשים פיסות חנינה נוספות ועוצמה מרתיעה. חלופה היא להשתמש במודלים חיזוייים: אם האות העצבי משתנה לאט (למשל, פוטנציאלי שדה מקומיים), המקלט יכול לחזות את הדגימה הבאה וטעויות נכונות ללא חיזוי יתר על המידה.

כאשר משולבים עם פרוטוקול אלחוטי, תיקון שגיאות חיזוי יכול להפחית את היחס הנדרש לסימון על ידי 3-6 dB, בתרגום ישיר לשדר כוח נמוך יותר. גישה זו מתאימה במיוחד עבור אותות עצביים בגלל הקורלציה הזמנית והמרחבית שלהם. אותו מעבד AI המבצע דחיסה יכול גם להפעיל את מודל החיזוי.

חידושים קשים למיניסטרציה וכוח נמוך

Integrated Circles (ASICs)

המיניטוריזציה של טרנסצ'יבים אלחוטיים עבור שתלים עצביים דורשת עיצוב ASIC מותאם אישית שבבים אחרונים לשלב את כל השכבה הפיזית - כולל אנטנה התאמת רשת, מגבר כוח ומעבד בסיס - באזורים פחות מ 1 מ"מ2. דוגמאות כוללות את NeuroRadios שפותחו באוניברסיטת מישיגן, המשלבת משדרי UWB עם על-chip עצביים וממירים אנלוגיים ל- 5WT.

גישה בולטת נוספת היא השימוש של אות נושא חיצוני:0 [backscatter תקשורתFLT]:1, שבו השתל משקף גרסה מנוסחת של אות נושא חיצוני.זה מבטל את הצורך של אוסטרטור מקומי ומגבר כוח, צמצום צריכת החשמל למיקרו-וואט (Backscatter הוכח עבור הקלטה עצבית בשיעורי נתונים על מנת כמה מ"מ, עבור חיישנים נמוכים (מתאים) והופכים לתאים לתאים לתאים (מתאים) בין תאים מסחריים).

אנרגיה מתחדשת ו-WiFial Power Transfer

כדי לחסל סוללות לחלוטין, שתלים עצביים חייבים לקצור אנרגיה מהסביבה.עברת כוח אינדוקטיבית בתדרי רדיו (למשל, 13.56 MHz) יכולה לספק עשרות מילימטרים על פני כמה סנטימטרים, מספיק עבור רוב הממשקים העצביים.פרוטוקולים המתפתחים משלבים העברת חשמל והנתונים על אותו גל נושא - זה ידוע כמידע אלחוטי והובלת חשמל (SWPT) לדוגמה, שירות רפואי (Iplanting) עבור IR.

איסוף אנרגיה מתנועות גוף (piezoelectric או triboelectric) ו ⁇ טמפרטורה (thermoelectric) יכול להשלים כוח אינדוקטיבי, המאפשר השתל לפעול ברציפות גם כאשר מקור הכוח החיצוני אינו מתואם. אבטיפוסים אחרונים של אבק עצבי מופעל עצמית הראו העברת נתונים אלחוטית באמצעות אולטרסאונד בלבד עבור כוח ותקשורת, השגת שיעורי נתונים של כמה מאות kbps בעומקים עד 3 ס"מ.

כיוונים עתידיים והשלכות קליניות

מערכות השתלות

המטרה הסופית היא ממשק עצבי מושתל לחלוטין ללא חומרה חיצונית - לא משדר בעל ראש או כבל חד-משמעי.זה דורש פרוטוקול אלחוטי לתקשר דרך הגולגולת והקרקפת, אשר באופן משמעותי מזרז רדיו אותות אופטיים.מיד-פילד אלחוטי העברה (כפי שפותחה על ידי המעבדה ארבאנית בסטנפורד) יכול לספק כוח מספיק להשתלתים 2–3 ס"מ עמוק בתוך רקמות, תוך שימושים אופטיים מאוד נתונים או אולטרסאונד.

העברת נתונים עצבית מבוססת אולטרהסאונד היא אלטרנטיבה מבטיחה: יש לה הפחתה נמוכה יותר מאשר רדיו העצם ורקמות, והוא יכול להיות ממוקד להשיג פתרון מרחבי גבוה. גליום ניטריד transducers יכול לייצר מגה-הרץ-אולטרסאונד עם יעילות גבוהה.שיעורי נתונים של 10-20 Mbps הוכח באמצעות גולגולת אנושית אקסבו, עם צריכת חשמל דומה לגישות רדיו- ⁇ .

שיקולים תקינים ומוסריים

ככל שהפרוטוקולים האלחוטיים של ממשק עצבי מראש, הגופים הרגולטוריים כגון ה- FDA ו-FCC חייבים לקבוע סטנדרטים לבטיחות, הקצאה ספקטרלית, והתערבותיות.שירות התקשורת של מכשיר רפואי קיים (MedRadio) מוגבל; הרחבת להקות גבוהות יותר של ספקטרליות (למשל 60 GHz) עשויה לדרוש מסלולים אתיים חדשים על פרטיות - נוירו-לגנטי הם אותות מוח, ואפילו מוצפנים פגיעים להתקפות אלחוטיות.

גופי התקנים כמו IEEE מפתחים סטנדרטים אלחוטיים של ממשק עצבי ייעודי (IEEE 802.15.6 עבור רשתות אזורי גוף אלחוטיות) אשר מאוחסנים בדרישות הייחודיות של שתלים. חוקרים חייבים לשתף פעולה עם רופאים ואתיקה כדי להבטיח כי פרוטוקולים מתעוררים הם מאובטחים, חזקים ושקוף לחולים. יוזמת המוח ופרויקט המוח האנושי האירופי הם מימון כמה פרויקטים במיוחד על העברת נתונים עצביים.

מסקנה

פרוטוקולי העברת נתונים אלחוטיים של ממשקי העצב של המחר יתעצבו על ידי ההתכנסות של רדיו פס אולטרה-רחב, תקשורת טרההרץ, קישורים אופטיים, אבטחה קוונטית, ו- AI- המונעת על ידי כל גישה מתייחסת נקודות כאב ספציפיות - פסד, צניעות, עוצמה, אבטחה - אבל לא פרוטוקול אחד יתאים לכל היישומים.

לקריאה נוספת: דוחות מדעיים על גלגולי העצב של UWB [UWB]: IEEE עסקאות על מעגלים ביו-רפואיים ומערכות על ממשקי עצביים THz FLT 3:, ו-FLT:4Microsystems & Nanoengineeringing on אולטרסאונד אבק אולטרסאונד:5 LT:5