High speed ultrasonic communications for implanted medical devices

用于植入医疗设备的高速超声波通信

基本信息

项目摘要

Project Summary The goal of the proposed research is to fully develop and characterize the ultrasound/tissue communication channel and to demonstrate wireless control of an implanted medical device (IMD) and live video streaming through tissue via the ultrasound communication channel. The development of new enabling technologies to provide the means for personalizing medical care is highly significant. Among these enabling technologies, wearable medical devices or IMDs in humans will play a pivotal role in providing continuous diagnostic information without the need for the patient to visit the clinic. In the near future, diagnostic information from such devices will interact with external wireless networks to send diagnostic information to physicians for clinical evaluation. While sending information from wearable medical devices to external wireless devices for transmission to the clinic is straightforward, transmission of diagnostic information from IMDs to an external device is still a developing technology. To realize wireless communication with IMDs, communication channels from an external device to the IMD must be high speed, safe, low power, reliable and the transmission and receiving elements on the IMD need to be small in size. To meet these needs, communication channels are being explored to transmit diagnostic information from IMDs to external receivers and vice versa. Up to now, the acoustic or ultrasonic communication channel has been overlooked primarily because it was thought that ultrasonic communication rates are too slow for transmitting information such as medical diagnostics. However, recently in our laboratory, we demonstrated the capability to transmit acoustic information at clinical ultrasonic frequencies with data rates of 120 Mbps, a new world record. Further, we demonstrated 30 Mbps data rates through thick layers of pork loin and beef liver. The development of an ultrasonic communication channel in the body will have a significant impact in medical care. However, this technology must be demonstrated in tissues and living systems and its capabilities well documented and developed. The development and demonstration of the ultrasonic communication channel in tissues will provide a safe, reliable and high speed alternative to conventional electromagnetic communications. To develop and demonstrate the ultrasonic communication channel for biomedical applications we have proposed two specific aims. Our first specific aim is to develop and characterize the acoustic communication channel and integration of ultrasonic sources with small devices to transfer data through tissue. For this aim we will quantify the communication efficiencies in tissues versus attenuation, penetration depth and data rate using transducers having different bandwidths, directionalities and output properties. In the second aim we will demonstrate the ability to communicate diagnostic information and video streaming through tissues at high data rates (i.e., >10 Mbps) using ultrasound. The demonstrations will include controlling of a device implanted and live video streaming through large tissue samples and in vivo in rabbits.
项目摘要 拟议的研究的目的是充分发展和表征超声/组织通信 渠道并演示对植入医疗设备(IMD)和实时视频流的无线控制 通过超声通信通道通过组织。开发新的促进技术 提供个性化医疗服务的手段非常重要。在这些促成技术中, 人类的可穿戴医疗设备或IMD将在提供连续诊断方面发挥关键作用 无需患者去诊所的信息。在不久的将来,诊断信息来自 此类设备将与外部无线网络进行交互,以将诊断信息发送给医生 临床评估。在将可穿戴医疗设备的信息发送到外部无线设备的同时 向诊所的传播很简单,将诊断信息从IMD传输到外部 设备仍然是一项发展的技术。要实现与IMD的无线通信,沟通渠道 从外部设备到IMD必须是高速,安全,低功率,可靠和传输,并且 接收IMD上的元素的大小必须很小。 为了满足这些需求,正在探索沟通渠道以从 IMD到外部接收器,反之亦然。到目前为止,声学或超声通信渠道具有 被忽视的主要是因为人们认为超声波通信率太慢了 传输信息,例如医学诊断。但是,最近在我们的实验室中,我们证明了 数据速率为120 Mbps的临床超声波频率传输声学信息的能力,这是一种新的 世界纪录。此外,我们通过厚厚的猪里脊肉和牛肉肝层证明了30 Mbps的数据速率。这 体内超声通信渠道的发展将对医疗保健产生重大影响。 但是,该技术必须在组织和生物系统及其功能中得到证明 记录和开发。超声通信渠道的发展和演示 组织将提供安全,可靠和高速替代常规电磁的替代品 通讯。开发和演示生物医学的超声通信渠道 应用程序我们提出了两个具体目标。我们的第一个具体目的是发展和表征 声通信渠道和超声源与小型设备的集成以传输数据 通过组织。为此,我们将量化组织与衰减的通信效率, 使用具有不同带宽,方向性和输出的传感器的渗透深度和数据速率 特性。在第二个目标中,我们将展示传达诊断信息和视频的能力 使用超声以高数据速率(即> 10 Mbps)通过组织流式传输。演示将包括 控制通过大型组织样品和兔子体内植入和实时视频流的设备。

项目成果

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