טכנולוגיות מתפתחות בתקשורת נתונים נוירוניים ובלתי מחוברים

« התפתחות של צומת ניאל Wireless

התחום של הנדסה עצבית עבר טרנספורמציה עמוקה במהלך העשור האחרון, מונע על ידי ההתכנסות של microfabricationcation, חומרים מדע, וטכנולוגיות תקשורת אלחוטית. מיפוי עצבי מסורתי ומערכות גירוי המבוססים על חוטים percutaneous אשר הפר את העור, יצירת מסלולי זיהום והגבלת ניידות המטופל.השינוי לעבר מערכות אלחוטיות מותשת לחלוטין, מייצג שינוי פרדיגמה באופן שבו אנו ניגשים לממשקים טבעיים, נוירו-פרופורים, נוירו-מדעיים, יכולים כעת להפחית את הסיכונים הקליניים ולהפחית את המשתנים באופן דרמטי יותר.

טכנולוגיות עצביות אלחוטיות פועלות בצומת של מיניטוריזציה קיצונית והנתונים חזקים באמצעות חישוב.מכשירים בלתי ניתנים להחלפה חייבים ללכוד אותות מנוירונים בודדים או פוטנציאלי שדה מקומיים, לדיגיטליזציה שלהם, ולהעביר את המידע הזה על פני מחסום העור ללא אובדן סביר של נאמנות.באותו זמן, מכשירים אלה דורשים מקורות אנרגיה אמינים שאינם תלויים סוללות מוחלשות, אשר יחייבו התערבויות כירורגיות חוזרות ונשנות.

מדוע יישומים אלחוטיים למחקר קליני

ההכרח הקליני לממשקים עצביים אלחוטיים משתרע מעבר לנחמה של המטופל.ביישומים כגון גירוי עמוק במוח למחלת פרקינסון או ניהול אפילפסיה סגורה-פרלופ, היכולת לפקח על פעילות עצבית ולתאים פרמטרים גירוי בזמן אמת דורשת ערוץ תקשורת דו-כי-כיווני אמין.מערכות אלחוטיות מאפשרות פונקציונליות סגורה זו ללא רצף של קנונית חיצונית.בהגדרות מחקר, הקלטה אלחוטית מאפשרת לנוירונים להתבונן בפעילות גופנית באופן חופשי, ותובנות אנושיות, ומערכת ניווט בלתי-מחדשנית, עם שליטה חיצונית, ופעולות, ופעולות טבעיות, אשר היו בעבר, ופעולות אוטומטיות, ופעולות אוטומטיות, ופעולות מוטוריות, אשר היו קיימות, ופעולות חלופיות, עם יכולת בקרה, ופעולות טבעיות, עם צורות-מרחביות, ופעולות, ופעולות, עם יכולת בקרה, עם יכולת בקרה, עם יכולת בקרה מעגליות, עם יכולת בקרה, ופעולות, ופעולות, עם יכולת בקרה, ופעולות טבעיות, אשר היו בשימוש בעבר, עם יכולת בקרה חיצונית, ופעולות אוטומטיות, עם יכולת בקרה חיצונית, באופן בלתי-מחדשניות, עם יכולת בקרה חיצונית, ופעולות אוטומטיות, ופעולות אוטומטיות, ופעולות אוטומטיות, ופעולות אוטומטיות, ופעולות אוטומטיות, ופעולות אוטומטיות, אשר היו בשימוש בעבר, ופעולות אוטומטיות

טכנולוגיות להעברת נתונים: מבט עמוק יותר

העברת נתונים עצביים מהגוף למקבלים חיצוניים מציגה מערכת ייחודית של מגבלות.מדיום הפיזי של הרקמות הוא מעצימה ופיזור, במיוחד בתדרים גבוהים יותר.בנוסף, תקציב הכוח של משדר מותש מוגבל באופן חמור על ידי פירוק חום ויכולת סוללה.שלושת המודולים העיקריים המודגשים בסקירה המקורית של #8212; תדרי רדיו, אופטי, ואולטרסאונד #1282; הצעות אבטחה נפרדות, קצב בטיחות.

רדיו Frequency Transmission: The Workhorse of Neural Telemetry

תדירות רדיו (RF) תקשורת נותרה השיטה המאומץ ביותר להעברת נתונים עצביים אלחוטיים, בשל בשל בגרותה והתשתית הנרחבת שפותחה למכשירים אלחוטיים של צרכנים.השתלות עצביים RF מודרניות פועלות בלהקות של שירותי התקשורת של השתלים הרפואיים (MICS) ב-402 ו-#8211;405 מהרץ או ללהקות תעשייתיות, מדעיות ורפואה (ISM) ב-2.4 ג'יגה' ומעלה.

חידושים אחרונים ב-RF עצביים להתמקד בטכניקות פס אולטרה-רחב (UWB) אשר להפיץ אותות בטווח תדר גדול כדי להשיג שיעורי נתונים מעל 100 Mbps תוך שמירה על צפיפות חשמל נמוכה. חוקרים באוניברסיטת בראון ו Qualcomm הפגינו משדרים עצביים UWB כי צורכים פחות מ 1 מ"ט של כוח תוך הזרמת נתונים ממאות ערוצי בו זמנית.

היתרונות של שידור RF כוללים:FLT:1 יכולות שיעור נתונים גבוהות, אמינות מוכחת בהגדרות קליניות, והתאמה עם פרוטוקולים אלחוטיים קיימים.עם זאת, אותות RF כפופים להפרעות מרובות-פתים וניתן נספגים על ידי רקמות, הגבלת עומק ההשתלה.

תקשורת אלחוטית אופטית: High Bandwidth Through Light

תקשורת אלחוטית אופטית (OWC) עבור שתלים עצביים ממינוף אור קרוב ל- 700 & #8211; 1000 ננומטר טווח להעביר נתונים על פני רקמות.ה היתרון העיקרי של שיטות אופטיות הוא הפוטנציאל עבור רוחב פס גבוה מאוד, שכן ספקים קלים יכולים להיות מודחים בתדרים הרבה יותר על אלה achievable עם רדיו.

הפיזיקה של התפשטות אור ברקמות מציגה הן הזדמנויות והן אתגרים. חוויות אור ליד-עורפלות יחסית פיזור וקליטה ברקמות ביולוגיות בהשוואה לאורכי גל גלויים, המאפשר שידור באמצעות כמה סנטימטרים של עור ועצמות. עם זאת, דרישות היישור בין משדר אופטי מושתל ומקבל חיצוני הם מחמירים, וכל תנועה של השתלת היחסי אל פני העור יכולה לדה את האיכות של דיפר.

גישה מתפתחת נוספת בתוך שידור עצבי אופטי הוא השימוש של LT:0 â € â € ¢ מודולה באופן מודולי מאמתים כתבים אופטיים FLT 1 המשלבת הקלטה עצבית עם גירוי אופטי. במערכות אלה, מחוונים חד-גנטיים לייצר אותות פלואוסטרים בתגובה לפעילות עצבית, ואותות אופטיים אלה נלכדים על ידי מערך photodetector מושתלים ומעבירים אלחוטי למקבל חיצוני.

Transmission: Deep Tissue Reliability

Ultrasound מציעה מנגנון שונה מהותי להעברת נתונים עצביים, המסתמך על גלים מכניים ולא על קרינה אלקטרומגנטית. היתרון המרכזי של אולטרסאונד הוא היכולת שלו לחדור עמוק לתוך רקמה עם תנוחה מינימלית בהשוואה לשיטות RF ואופטיות. גלים אולטרה סאונד לנוע ביעילות דרך העצם, השרירים והשומן, מה שהופך אותם מתאימים במיוחד עבור שתלים הממוקמים עמוק בתוך המוח או במקומות אחרים קשים לאנטומיים.

עבודה אחרונה באוניברסיטת דרום קליפורניה ואוניברסיטת סטנפורד יצרה מכשירי הקלטה עצביים קוליים הפועלים בתדרים בין 1 ל-10 MHz.מכשירים אלה קודמים נתונים עצביים על ידי הפעלת אות קול מותקף & #8212; טכניקה אנלוגית לתקשורת אחורית במערכות RF.הטר אולטרסאונד החיצוני פולט גל המוביל שמשתקף על ידי השתל, עם האותות הנושאת את המידע הגנוב.

(FLT:0) המגבלה העיקרית של העברת אולטרסאונד היא שיעור נתונים.IRLT:1 בעוד מערכות RF ואופטיקה יכולים להשיג עלייה של נתוני מגהביט וג'יגהביט, מערכות קוליות פועלות בדרך כלל בקיבה לטווח נמוך של מאגביט בשל תדירות נמוכה יחסית של גלי מכניים.עם זאת, עבור יישומים קליניים רבים שבהם מספר ערוצי ההקלטה הוא צנוע, אולטרסאונד מספק חלופה אמינה ובטוחה כי נמנעים משיטות אבטחה מתקדמות לקרינה מתקדמת.

עבור סקירה טכנית מקיפה של שיטות שידור אלה, הקוראים עשויים להתייחס לניתוח מפורט שפורסם ב (FLT:0) Nature Reviews NeuroscienceFLT:1 על ממשקים עצביים אלחוטיים (https: www.nature.com/articles/s41522-04920-4).

העברה אלחוטית: אנרגיה מתבוננת במוח הנשול

משלוח כוח למכשירים עצביים מושתלים נשאר אחד האתגרים המשמעותיים ביותר בתחום.הסוללות התופסות נפח, דורש החלפת בסופו של דבר, ומציג סיכונים רעילים אם הם דולפים.עבורת כוח אלחוטית (WPT) במטרה לספק אנרגיה רציפה או על פי דרישה להשתלים ללא קשרים פיזיים, המאפשרת פעילות קבועה או חצי-מישה.

שילוב אינדוקטיבי: פרובנס ומעשי

הפיכה אינדוקטיבית היא הטכנולוגיה האלחוטית הבוגרת ביותר עבור שתלים רפואיים, לאחר שימש במשך עשרות שנים בשתלים cochlear וקצב הלבב.העיקרון הוא פשוט: סליל חיצוני המונע על ידי זרם משתנה יוצר שדה מגנטי שגורם זרם בקבלת סליל מושת מתחת לעור.יעילות הכוח תלויה באופן ביקורתי על המרחק בין סלילים, עם ירידה של 30% ל סנטימטר אחד ל סנטימטר אחד ל סנטימטרים של 30 אחוזים.

ההתקדמות האחרונה בהפיכה אינדוקטיבית עבור שתלים עצביים להתמקד בשיפור סובלנות לעיוות.קישורים אינדוקטיביים דורש מיקום סליל מדויק, שקשה לשמור על מהלך המטופל. החוקרים פיתחו שלושה ממדים המקבלים סלילים ואימפולסים מתאימים מתאימים לרשתות אשר באופן אוטומטי להתאים את התדר הרטי כדי לשמור על כוח אופטימלי מעבר למגוון של עמדות.

(FLT:0) שיקולים מאובטחים עבור הפיכה אינדוקטיבית של הפיכה 1 (FLT:0) מרכז על שיעור הקליטה הספציפי (SAR) של שדות מגנטיים ברקמות, בעוד שדות מגנטיים נחשבים בדרך כלל בטוח יותר מאשר שדות חשמליים, שדות מגנטיים בעלי רגישות גבוהה יכולים לגרום זרמים אדדי כי לגרום לרקמות חימום.

Resonant Wireless Charging: Extending the Range

הפיכה אינדוקטיבית, הידוע גם כעברת כוח אלחוטית לטווח בינוני, מציגה מעגלים חוזרים בשני השידור וקבלת הצדדים כדי לשפר את היעילות על פני מרחקים גדולים יותר.על ידי התאמת התדרים המחודשים של משדר ומכרש סלילים, אנרגיה יכולה להיות מועברת ביעילות גם כאשר סלילים מופרדים על ידי מספר ס"מ ואינם מתואמים לחלוטין.

עבור שתלים עצביים, טעינה חוזרת מציעה את היתרון של FLT:0 גמישות גדולה יותר ב-Hilve quaFLT:1 ; חתך משדרת על הקרקפת יכול לספק כוח להשתלת הממוקם כמה סנטימטרים עמוק בתוך המוח קליפת המוח, מבלי לדרוש את השתל להיות ממוקם ישירות מתחת למעבר.זה מנתחים חינם להשתלים במיקום האופטימלי עבור הקלטה עצבית או גירוי ללא צורך במשלוח כוח.

האתגרים לטעינה חוזרת כוללים שמירה על יציבות החיסרון על פני וריאציות רקמות ושינויים בטמפרטורה.רקמות ביולוגיות יש תכונות דיאלקטריות משתנות עם תדירות, הידבקות וזרימת דם, אשר כל אלה יכולים לקלקל את המעגל המתחדש.מערכות מתקדמות משלבות מעקב בזמן אמת ואלגוריתם כוונוטטיבי אשר מאמת את תדירות השידור באופן קבוע כדי לשמור על התחדשות משמעותית.

רדיו Frequency Energy Harvesting: Power from the Air

אנרגיה RF קצירת אנרגיה מבטלת את הצורך במטען חיצוני לחלוטין על ידי לכידת אנרגיית תדר רדיו מסביבה.מגדלים סלולריים, נתבי Wi-Fi, ותחנות שידור טלוויזיה כל פולטים אנרגיית RF שיכולה, בעיקרון, להיות מקצר כדי כוח השתלות נמוך. המציאות המעשית היא כי צפיפות אנרגיה RF מחממת היא נמוכה מאוד בסביבות, בדרך כלל בטווח של 1 ל- 1 סנטימטר מתחת ל- 10.

כדי לטפל במגבלה זו, החוקרים פיתחו את הכוח של FLT:0 מכונים משדרים כוח RF מקודש 1 (FLT) שפועלים במשטר המרוחק-שדה, ומספקים כוח על פני מרחקים של כמה מטרים.מערכות אלה משתמשות באנטנות כיוון וחוששות להתמקד באנרגיה RF על השתל, השגת רמות כוח מספיקות להקלטות לסירוגין או גירוי.

למרות המגבלות הללו, קצירת אנרגיית RF נותרה תחום פעיל של מחקר בשל הפוטנציאל שלה לפעולה נקייה מאוד.עבודה חדשה באוניברסיטת וושינגטון הוכיחה תג הקלטה עצבי הפועל על אנרגיית RF מקצרת בלבד, באמצעות תוכנית תקשורת אחורית המשקף אותות RF מקריים לשדר נתונים עצביים. גישה זו משיגה צריכת חשמל כוללת מתחת ל-10 מיקרווואט, ומאפשרת הפעלה רציפה של RF ייעודית, הממוקמת במרחק של 2 מטרים.

Integrating Data and Power: The Unified Wireless Interface

אחת המגמות המרגשות ביותר בטכנולוגיה עצבית אלחוטית היא שילוב של העברת נתונים ואספקת חשמל לממשק אלחוטי יחיד.במקום שיש סלילים נפרדים או אנטנה לעוצמה ונתונים, מערכות מאוחדת משתמשות בקישור אלקטרומגנטי יחיד כדי לשרת את שני הפונקציות בו-זמנית. שילוב זה מקטין את טביעת הרגל הפיזית של השתל, מפשט מיקום ניתוחי, ומצמצם את מספר הרכיבים שיכולים להיכשל.

כוח וסימני העברת נתונים

כמה אסטרטגיות פותחו עבור כוח אלחוטי בו-זמנית ונתונים (SWPD) העברה בשתלים עצביים.יש גישה אחת משתמשת בתדירות חלוקת תדירות מרובותxing, שבו כוח מועבר בתדר נמוך יותר, ונתונים מובנות על נושא גבוה יותר שחולקים את אותו סליל או אנטנה. גישה אחרת משתמשת בתדירות חלוקת זמן, שבו העברת כוח ועברת נתונים מתרחשת בשינוי זמן, עם קפיטור על גבי קצבה על גבי פרק זמן אחסון במהלך ניתוח אנרגיה.

(FLT:0) תוכניות מודולציה מתקדמות כגון מפתח מודרך עומס (LSK)ראהומחיל 1) מאפשר השתל לשנות את הנתונים על נושאת החשמל עצמו.ב LSK, השתל משתנה את האימפולס שלו, אשר משנה את השתלים המותקפים אשר בו זמנית נראה על ידי משדר חיצוני.

אבטחה ופרטיות בתקשורת אלחוטית

האופי האלחוטי של ממשקים אלה מציג פרצות שאינן קיימות במערכות חוטיות.נתוני נילי הם בין המידע האינטימי והאישי ביותר שאדם יכול ליצור, כפי שהוא משקף מחשבות, כוונות ומצבים פיזיולוגיים.לא מורשה יירוט או מניפולציה של נתונים אלה עלולים להיות השלכות חמורות על פרטיות ובטיחות.

פרוטוקולי הצפנה ותיקון

יישום הצפנה חזקה במכשירים מותאמים להשתלה הוא מאתגר בשל המגבלות הקיצוניות על כוח, זיכרון ויכולת עיבוד. אלגוריתמי הצפנה סימפמטריים כגון Advanced הצפנה Standard (AES) עם 128 סיביות ניתן ליישם בחומרה עם צריכת חשמל תת-מיליוואט והם כעת סטנדרטיים בשתלים עצביים רבים של מחקר.עם זאת, ניהול מפתח נשאר אתגר: כיצד השתלים באופן מאובטח מפתח הצפנה עם מתכנתים חיצוניים ללא סודות משותפים?

(FLT:0) פונקציות לא ניתנות להחלפה (PUFssig)FLT) 1:1 להציע פתרון מבטיח עבור אימות השתל ודור מפתח. PUFs לנצל וריאציות ייצור שבבים סיליקון כדי ליצור טביעות אצבע ייחודיות למכשירים שלא ניתן לשכפל או לחזות. על ידי שילוב PU לתוך השתל העצבי, המכשיר יכול לייצר הצפנה על זבוב ללא אחסון אותם בזיכרון, מה שהופך אותו לניסיון מיקרוסקופי של 1 קוסמטיקה על בסיס הילוך חומרים קריפטוגרפיים של חוקרים.

מינימום והתאמה ביולוגית

ההצלחה המעשית של טכנולוגיות עצביות אלחוטיות תלויה במידה רבה באריזות וביו-זמינות כמו בביצוע האלקטרוניקה עצמם. Implants חייב לשרוד בסביבה הכימית הקשה של הגוף במשך עשרות שנים ללא שחיקה או הפעלת דלקת כרונית.הם חייבים להיות קטנים מספיק כדי להיות ממוקמים בחללים אנטומיים הדוקים ללא פגיעה ברקמות הסובבות.

אסטרטגיות מתקדמות

ההתקדמות האחרונה באריזות האמפטיות באמצעות FLT:0 [parylene-C, קרמיקה אלומיניום, ו ⁇ טיטניום ⁇ sFLT:1 יצרו שתלים שיכולים לשמור על שלמותם במשך יותר מ -10 שנים במבחנים מצופים מואצים.ל כוח וניתוק נתונים חייב להשתלב לתוך החבילה באופן שאינו מפריע לתמסורת, תוך מתן מחסום שלם נגד לחות וכושר גמיש של אנטנות.

חוקרים במכון Fraunhofer פיתחו פלטפורמה השתלת עצבית המשלבת את סליל האלחוטי ישירות על תת-קרקעי גמישה פוליimide, עם האלקטרוניקה מחלחלת בשכבה דקה של parylenelene-C. עובי הכולל של השתל הוא פחות מ -200 מיקרומטר, מה שהופך אותו מתאים למיקום תת-ממדי מבלי לגרום רקמת דחיסה משמעותית.

יישומים קליניים ומקרי שימוש

הטכנולוגיות המתוארות לעיל מאפשרות דור חדש של יישומים קליניים שהיו בלתי אפשריים או לא מעשיים.ממשקים עצביים אלחוטיים מוצאים שימוש ב-FLT:0restorative neuroprociosciophFLT:1 עבור חולים עם פגיעה חוט השדרה, שבו הם מאפשרים שליטה ישירה במוח של איברי רובוטיים או מערכות גירוי חשמלי פונקציונלי.

בתחום המחקר, ממשקים עצביים אלחוטיים משנים מחקרים של התנהגות חברתית במודלים של בעלי חיים.ניסויים הדורשים מבעלי חיים מרובים לתקשר בחופשיות בסביבות טבעיות, הם כעת אפשריים עם משדרים אלחוטיים קלים, בעלי ראש, המזרים נתונים עצביים מעשרות בעלי חיים בו-זמנית.יכולת זו מייצרת תובנות חדשות על בסיס העצבי של תקשורת חברתית, תוקפנות, והתנהגות בית משפט שלא היו נגישים עם מערכות הקלטה tetherות.

כיוונים עתידיים ואתגרים

למרות התקדמות יוצאת דופן, אתגרים משמעותיים נשארים לפני ממשקים עצביים אלחוטיים הופכים לכלים קליניים שגרתיים.המסחר בין שיעור נתונים וצריכת חשמל ממשיך להגביל את מספר הערוצים שניתן להקליט בו זמנית.הבטיחות הירומית מגבילה את עוצמת העברת הכוח האלחוטית, במיוחד עבור שתלים הממוקמים ליד מבנים רגישים לטמפרטורה במוח.

הדרך לשיעורי נתונים גבוהים יותר

גישות מתפתחות להגדלת שיעורי הנתונים בממשקים עצביים אלחוטיים כוללים את השימוש בטכנולוגיות סלולריות ו-Wi-Fi.0. [multiple-input מרובות- ⁇ (MIMO) תקשורת ⁇ FLT:1 טכניקות שנלקחו מטכנולוגיות סלולריות ו-Wi-Fi. על ידי שימוש באנטנות מרובות הן על גבי ערוצי ה-GL והן על גבי מקלט חיצוני, מערכות MIMO יכולות להשיג גבוה יותר באמצעות צריכת חשמל מוגברת או רוחב פס.

אנרגיה אוטונומית באמצעות קציר היברידי

גבול נוסף הוא אוטונומיה אנרגיה, שבו שתלים עצביים לקצור את כל הכוח הנדרש ממקורות מרובים במקביל.מערכות היברידיות המשלבות את אנרגיית RF עם אנרגיה אדזואלקטרית מתנועה וגימור תרמואלקטרי מחום הגוף יכול לספק כוח רציף ללא כל משדר חיצוני ייעודי. בעוד שהכוח נכנע ממערכות כאלה כיום נמוך מדי עבור מכשירים הקלטה עצבית, התקדמות בתחום האלקטרוניקה אולטרה סגולה באנרגיה וספורט הם אלה שיכולים להפוך את הפערים לחלוטין עבור כל צורך באנרגיה גרעינית.

לקריאה נוספת על הנוף הרגולטורי והמסלולים לטכנולוגיות עצביות אלחוטיות, מסמך ההנחיות של ה- FDA על מכשירים עצביים מותאמים למניעה מספק התייחסות חיונית (https: www.fda.gov/regulatory-מידע / מחקר-fda-documents/implantsed-bra-in-interface-devices) בנוסף, העבודה המתמשכת של צוות NDA/FEECDC מכוסהרחבה ב-Reduce/Rexie/REDCDC/Reduce/Reduce/RECREDCDC/RECREDCDC/Rex/Reduced-Reduced-Reduce RIE הוא , שפורסם לאחרונה.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.R.R.D.R.R.R.R.D.R.R.R.D.D.D.D.D.D.R.D

מסקנה

העברת נתונים עצבית וטכנולוגיות כוח התקדמו מתחנות מעבדה ועד כלים רלוונטיים קלינית שמתחילים לשנות את הטיפול בהפרעות נוירולוגיות ולהרחיב את גבולות מדעי המוח הבסיסיים.מגוון הגישות ו-#8212;RF, העברת נתונים אופטית ואקורית; אינדוקטיבית, מהדהדת, ו-RF Power Transfer —reects את העושר של המרחב העיצוב והעדר של מערכת נתונים מתאימה, כל אחד, בהתאם לרזולוציה הקלינית של המערכת.

השילוב של נתונים וכוח לממשקים אלחוטיים מאוחדים, בשילוב עם התקדמות בהצפנה, בקטרטוט ובאריזות ביו-איות, מעביר את השדה לעבר מערכות בעלות השתלות מלא הדורשות חיבורים חיצוניים והתערבות למשתמש מינימלית.כפי שטכנולוגיות אלה בוגרות, הן מבטיחות לספק על החזון ארוך של ממשק עצבי חלק, גבוה נאמנות, שמשחזר תפקוד, שיפור איכות החיים, ולהעמיק את ההבנה שלנו של האיבר המורכב ביותר בעשור הקרוב, יראה את הסימולציות הקליניות של מערכות העצבים.