Sikker lysbaseret kommunikation gennem biologiske væv

Synligt lyskommunikation (VLC), og optisk kommunikation generelt, fangede professor Marcos Katz' interesse, da han og hans team første gang i 2017 demonstrerede et rekonfigurerbart hybridt trådløst netværk, der udnytter VLC- og radioteknologier. Netværket skiftede problemfrit fra radio til optisk, eller omvendt, alt efter kanalernes tilstand, kontekstinformation, lokale politikker og andre.

"VLC er en fantastisk komplementær teknologi til radio, " siger Katz. "Dens unikke fordele omfatter høj sikkerhed og privatliv, ingen problemer med elektromagnetisk kompatibilitet, understøttelse af høje datahastigheder, alle nøgleegenskaber, der er nødvendige for 6G." Disse funktioner er nyttige i hans seneste forskningsudfordringskommunikation gennem biologisk væv.

Katz' team har for nylig demonstreret, hvordan lys kan bruges til at overføre data til og fra enheder i kroppen, såsom implantater. "Vi bruger nær-infrarødt lys til at transmittere data på tværs af biologiske væv, " siger Katz. "Ved disse bølgelængder, lysudbredelse inde i biovæv er mere gunstig, selvom det er meget udfordrende at overføre data gennem biovæv."

Med testsengen, holdet kan bruge forskellige typer parametre såsom moduleringsskemaer og sendeeffekt. "Vi har realiseret alle eksperimenter med kunstigt fremstillede optiske fantomer såvel som rigtige knogler og prøver af fersk kød, " siger Katz. "De optiske fantomer, der blev brugt i eksperimenterne, er blevet udviklet her på universitetet i Oulu." I øjeblikket, der er ingen planer om in vivo målinger, men holdet overholder strengt reglerne, der definerer den maksimalt tilladte lysstyrke pr. kvadratmillimeter i menneskeligt væv.

For nylig, nogle forfattere har foreslået brugen af ​​lys til meget korte links, i intervallet nogle få millimeter, for eksempel til kommunikation med enheder under huden. "Vi har gennem eksperimenter demonstreret, at vi kan øge rækkevidden betragteligt til flere centimeter, tillader kommunikation med dybt implanterede enheder såvel som mellem enheder i kroppen, " siger Katz. Han forudser, at direkte kommunikation mellem implanterede enheder og out-body-enheder også er mulig, selv når disse noder er meter væk fra kroppen.

Mens de første resultater viser datahastigheder på snesevis af kbps, brugen af ​​multi-source/modtagerstrukturer såsom MIMO og avancerede moduleringsordninger kan øge hastigheden betragteligt. Det er også muligt at bruge pulseret kommunikation til at øge kommunikationsrækkevidden i vævet. Lys har også den store fordel, at det kan bruges uden bekymringer om radiofrekvenseksponering og privatliv, siger Katz. Tidligere, radiokommunikation er for det meste blevet brugt til at overføre information til implanterede enheder.

Tredjeparter eller ondsindede brugere kan, i princippet, jam kommunikationslinks, aflytte signaler, og tilgå enheder. Nyere forskning viser også, at kommercielle pacemakere og defibrillatorer kan hackes, hvilket i sidste ende har ført til massive tilbagekaldelser af enheder. Lysbaseret kommunikation, på den anden side, er lokalt, hvilket praktisk talt forhindrer forsøg på fjern hacking, påpeger Katz.

Teamet forbedrer løbende måleopsætningen. Kommende muligheder inkluderer en præcis temperaturkontrol af prøverne. "Vi planlægger at fortsætte omfattende målinger for at kunne karakterisere biologiske væv som et medium til trådløs kommunikation, " siger Katz. "Baseret på resultaterne, vi vil være i stand til at udvikle kanalmodeller og designe sendere og modtagere optimeret til kanalen. Vi planlægger også at sammenligne radio og optisk kommunikation i biovæv."

Katz har et klart langsigtet mål. "I fremtiden, vi vil være i stand til at udføre vigtige medicinske IKT-funktioner såsom diagnostik, behandling, trådløs kommunikation, aktivering, hæmning og overvågning af celleaktiviteter og andre ved at udnytte et unikt og meget sikkert lysbaseret system, " siger Katz. "Når vi forstår biovævet som transmissionsmediet, vi kan designe en komplet kommunikationskæde, der er tilpasset den."