身体是最好的安全数据通道——与医疗设备之间通信不需要花哨的无线设备

DION KHODAGHOLY/COLUMBIA ENGINEERING

起搏器、植入式胰岛素泵、神经植入物和其他体内医疗设备都需要一种将数据发送到外部世界的方法。但是，无线方式对患者来说更舒适，以避免带来安全风险、生物相容性问题和高功耗问题。

研究人员现在利用人体自然离子储存的电荷，从生物植入物传输低功率无线数据。哥伦比亚大学（Columbia University）的电气工程教授Dion Khodagholy说：“人体内有大量的离子，我们能够证明你可以建立远距离和极低功率的通信。”

他说，射频通信是当今植入式电子设备无线数据传输的“首选”。天线和其他射频电路部件在身体外部发送信号，这些部件由刚性材料制成，不适用人体组织。射频波也会在身体组织中被反射和吸收，从而削弱信号，这限制了植入物在体内的深度，并仍然有效地进行通信。此外，射频通信还带来了安全风险：天线持续传输数据，使得附近的任何人都有可能窥探或攻击信号。

Khodagholy表示，新的离子通讯方法应该允许植入物以低功率通过身体组织安全地发送信号。据《科学进展》报道，这一简单的系统由两个相同的超薄适形电极组成，电极由放置在体内的导电聚合物上的金箔制成。这些电极充当发射器，而连接在皮肤上的第二组相同电极充当接收器。

当研究人员在发射器电极之间产生交变电位差时，带电离子的运动改变了体内储存的势能。这种变化反过来会导致接收器电极上的电压发生变化，从而允许它们读取传输的信号。研究人员能够使用该系统以6兆赫的频率发送和解码数字信号。

该团队测试了不同尺寸的电极，改变了它们之间的间距，并改变了发射器和接收器电极之间的距离。更大的电极可以通过模拟组织模型进行通信，其距离与心脏和内脏器官相当。

作为演示，该团队为大鼠创建了一个完全可植入的神经界面。他们将商用植入式脑电极连接到离子通讯传输器电极，并将其植入大鼠颈部。当大鼠自由奔跑三周时，植入的设备通过离子通信传输大脑信号，信号质量没有任何下降。

由于信号通过人体组织中的离子传输，该技术需要比射频设备更低的电压，因此功率更低。“我们的电池比射频发射机小六倍，”Khodagholy说，“我们希望推进到更小的规模。”

没有安全风险，因为没有未加密的电磁波发射到空中进行黑客攻击。“有了射频，你就在不断地传输数据，等待接收器捕捉到信号，”Khodagholy说，“离子通信更安全，因为它需要物理接触来提取数据。此外，它不发送模拟信号。它是完全数字的信息，可以加密。”