«Используя ультразвуковые сигналы, мы предполагаем возможность не только управлять имплантированными медицинскими устройствами в организме, но и обеспечивать прямую трансляцию видео высокой четкости с устройств внутри тела», — пояснил Эндрю Сингер, профессор семьи Фокс в отделе электротехники и электричества. Компьютерная инженерия в Иллинойсе. «Вы можете представить себе устройство, которое проглатывают с целью визуализации пищеварительного тракта, но с возможностью непрерывной потоковой передачи видео высокой четкости на внешний экран и ориентацией устройства, контролируемой врачом по беспроводной сети и извне. Это может Сегодня это кажется научной фантастикой, но в основе научной фантастики лежат вопросы о том, что возможно.
Мы хотели показать, что это возможно, а инженерия — это всегда стремление к этой смежной возможности ».В этом исследовании, опубликованном на сайте arXiv.org, исследователи продемонстрировали, что улучшенные методы обработки сигналов могут обеспечить высокую скорость передачи данных (> 30 Мбит / с) с низким уровнем ошибок. скорости через ткани на частотах, которые позволят распространяться через тело («Насколько нам известно, это первый раз, когда кто-либо передает данные с такой высокой скоростью через ткани животных», — добавил Сингер. «Этих скоростей передачи данных достаточно, чтобы обеспечить потоковую передачу видео высокой четкости в реальном времени, достаточную для просмотра Netflix, например, а также для работы и управления небольшими устройствами внутри тела».На сегодняшний день кардиологические пациенты представляют собой самый большой сегмент пациентов, использующих беспроводную телеметрию с имплантированных медицинских устройств.
Однако количество и типы приложений для имплантированных кардиостимуляторов и дефибрилляторов, мониторов глюкозы и инсулиновых помп, датчиков внутричерепного давления, контроля эпилепсии, съедобных камер для визуализации пищеварительного тракта и многих других приложений быстро растут.«В этой работе исследуется использование таких методов для связи через ткани для потенциальных биомедицинских приложений с использованием огромной полосы пропускания, доступной в коммерческих медицинских ультразвуковых преобразователях», — сказал Майкл Эльз, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии в Иллинойсе. «Повышенный спрос на эти устройства и открытие новых приложений для имплантированных медицинских устройств будет продолжать усиливать роль этих устройств в уходе за пациентами и лечении заболеваний».Для имплантированных медицинских устройств передача датчика характеризуется низкой пиковой мощностью и низким рабочим циклом, что снижает вероятность неблагоприятных биоэффектов и продлевает срок службы батареи.
Другие подходы направлены на подзарядку небольших батарей в этих устройствах по беспроводной сети путем преобразования энергии из передаваемого сигнала от внешнего устройства (в виде энергии электромагнитной или ультразвуковой волны) в электрохимическое накопление. Таким образом, использование распространения волн для связи и взаимодействия с имплантированными медицинскими устройствами является неотъемлемой частью текущих и будущих разработок устройств.В настоящее время большинство имплантированных медицинских устройств используют радиочастотные электромагнитные волны для связи через тело. Федеральная комиссия по связи (FCC) регулирует полосу пропускания, которая может использоваться для распространения радиочастотных электромагнитных волн, доступных для имплантированных медицинских устройств.
Например, Служба радиосвязи медицинских устройств (MDRS) определяет рабочие частоты в диапазоне 401–406 МГц. Соответствующая максимальная разрешенная полоса пропускания составляет 300 кГц, что по своей сути ограничивает скорость передачи данных этих устройств и, как сообщается, в текущих устройствах ограничивается максимумом 50 кбит / с.«В подводных применениях радиочастотная (РЧ) электромагнитная связь уже давно вытеснена акустической», — отметил Сингер. «Акустическая или ультразвуковая связь является предпочтительным средством связи под водой, потому что звуковые волны (волны давления) демонстрируют значительно меньшие потери, чем РЧ, и могут распространяться на огромные расстояния для сигналов с небольшой полосой пропускания».Помимо ограничений полосы пропускания, основным ограничением использования радиочастотных электромагнитных волн в организме является потеря сигнала из-за затухания в организме. Потери в мягких тканях сопоставимы с потерями в соленой воде, которая является основным компонентом мягких тканей и является средой с высокими потерями для распространения электромагнитных волн RF.
Каждая мягкая ткань имеет свои соответствующие диэлектрические свойства с высокими потерями, что приводит к рассеянию и многолучевому распространению сигналов, а также к потерям. Чтобы преодолеть эти потери, необходимо использовать более высокую мощность, что может привести к нагреванию тканей из-за поглощения.Неблагоприятные биологические эффекты, связанные с излучением электромагнитных волн в организме, не были подробно изучены, и долгосрочные биологические эффекты нагрева и нетепловых эффектов, такие как предполагаемый повышенный риск рака или другого повреждения клеток, требуют дополнительных исследований, заявили исследователи. .«Эти предполагаемые риски могут быть столь же важны, как и реальные риски, сдерживать прогресс», — сказал Эльзе. «Эти проблемы препятствуют прогрессу в разработке внутрикорпоративных беспроводных сетей, позволяющих устройствам связываться друг с другом через тело и с внешними устройствами».
Исследователи получили предварительную заявку на патент на ультразвуковую технологию высокого разрешения. Они представят свои выводы на 17-м международном семинаре IEEE по достижениям в обработке сигналов в беспроводной связи, который состоится в июле этого года в Эдинбурге, Великобритания.
См. Больше на: http://arxiv.org/abs/1603.05269v1