Analysis and optimization of communications in biomedical systems

Abstract

Medical implants (MIs) have been advocated as an effective-solution to numerous health-issues. Conventional MIs exploit near-field magnetic communication technologies and typically operate in low-RF frequencies, from 5 to 49 MHz, while their transmit power is in the order of tens of mW. As a result, they cannot support high-data-rates (in the order of Mb/s), which are required to achieve similar performance to the cochlea. Optical wireless communications (OWCs) are an important building-block to guarantee high-speed-connectivity between the external and internal units with low-energy-consumption. Optical-wireless MIs are envisioned to enable a vast variety of novel biomedical-applications, such as smart drug delivery and tissue recovery, as well as to improve the quality-of-experience and safety of the conventional ones, not only by targeting 10-100 times higher-data-rates, but also by combining them with reliability and compact designs. In this direction, the first chapter of the current thesis identifies OWCs as a promising technological solution to counterbalance the power, bandwidth, and reliability limitations of the radio frequency (RF) band. Specifically, it focuses on studying the feasibility and assessing the performance of OWCs that are characterized by partial transparency of skin at infrared wavelengths as well as the extremely high immunity to external interference. The analysis accounts for the particularities of the transdermal channel, namely extracting a fundamental design toolbox for transdermal OWC system models and architectures. Finally, it evaluates its performance in terms of the average signal-to-noise-ratio (SNR). The second chapter is devoted to the performance evaluation of transdermal OWCs. It introduces the concept of optical wireless cochlear implant (OWCI). The OWCI system is modeled with focus on its design parameters as well as the dynamic nature of their interactions. Next, its performance is evaluated with regard to the average SNR, ergodic capacity, spectral efficiency, and outage probability. This framework takes into account the technical characteristics of the optical link as well as the transdermal medium particularities; hence, it provides meaningful insights into the behavior of the considered setup.In the third chapter, the focus is turned towards the current state-of-the-art (SOTA) of cell stimulation techniques that constitute an integral part of the medical implants and greatly affect the end-to-end (E2E) system performance. Given the fact that the most promising ones are optical cell stimulation (OCS) and electrical cell stimulation (ECS) techniques, they are investigated from the engineering point of view with regard to their achievable stimulation amplitude, frequency, pulse width, latency and successful stimulation rate. The final chapter presents a complete system architecture that is termed all-optical cochlear implant (AOCI), which is fundamentally different from OWCI and its all-optical architecture creates many new challenges, especially regarding the optimization of the related parameters. In more detail, transdermal OWCs, optogenetic cell stimulation, as well as recent optoelectronics advances that enabled the creation of nano optical fibers capable of near lossless light delivery are combined in order to transform the SOTA cochlear implant into an all-optical system that is capable of achieving higher energy efficiency, signal quality, channel capacity, safety, stimulation accuracy and frequency.

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.