[论文解读] A Review on Bio-Cyber Interfaces for Intrabody Molecular Communications Systems

Yevgeni Koucheryavy, Anastasia Yastrebova+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 85被引用 8

一句话总结

本文提出生物-网络接口作为分子通信与传统电子网络之间的关键转换器，实现对体内纳米网络中分子通信的实时远程健康监测与控制。通过将分子信号转换为电信号，这些接口支持纳米级生物传感器与互联网的集成，为使用可植入或可摄入的纳米设备实现个性化、实时诊疗开辟了道路。

ABSTRACT

The recent advancements in bio-engineering and wireless communications systems have motivated researchers to propose novel applications for telemedicine, therapeutics and human health monitoring. For instance, through wireless medical telemetry a healthcare worker can remotely measure biological signals and control certain processes in the organism required for the maintenance of the patient's health state. This technology can be further extended to use Bio-Nano devices to promote a real-time monitoring of the human health and storage of the gathered data in the cloud. This brings new challenges and opportunities for the development of biosensing network, which will depend on the extension of the current intrabody devices functionalities. In this paper we will cover the recent progress made on implantable micro-scale devices and introduce the perspective of improve them to foster the development of new theranostics based on data collected at the nanoscale level.

研究动机与目标

• 解决分子级体内通信与外部电子网络及基于互联网的网络之间接口对接的挑战。
• 回顾可植入和可摄入的纳米尺度设备在实时健康监测方面的演进与现状。
• 识别实现可靠、安全且可扩展的体内纳米网络所面临的关键技术与生物学挑战。
• 探索生物-网络接口在实现远程、自主和个性化诊疗应用方面的潜力。
• 概述将纳米网络与6G及基于云的基础设施集成的未来研究方向，以支持下一代远程医疗。

提出的方法

• 提出一种生物-网络接口作为转换器，将分子信号（如化学、声学或电磁信号）转换为与传统计算机网络兼容的电信号。
• 回顾现有体内纳米尺度设备的设计，包括基于电磁刺激的纳米起搏器、生物传感器及基因调控系统。
• 分析基于扩散、流动和场传播的分子通信系统，用于体内纳米尺度间的通信。
• 研究合成生物学与纳米材料（如金纳米晶体、磁性纳米颗粒）在实现可控、可逆分子致动中的应用。
• 提出“生物-纳米物联”（IoBNT）概念，即由生物相容性设备组成的纳米网络通过分子信号通信，并通过生物-网络接口与互联网连接。
• 考虑将纳米网络与云基础设施集成，以实现持续的远程监测和基于数据的治疗干预。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何可靠地将人体内产生的分子信号转换为电信号，以便在传统通信网络上传输？
• RQ2 在确保体内纳米尺度设备及其互连的安全性、稳定性和长期性方面，面临哪些关键技术与生物学挑战？
• RQ3 生物-网络接口在实现纳米尺度生理过程的实时远程监测与控制方面，有哪些具体应用方式？
• RQ4 如何设计分子通信系统，以支持体内可靠的、低延迟且可扩展的纳米尺度间通信？
• RQ5 将体内纳米网络与6G及基于云的系统集成的未来前景如何，特别是在个性化诊疗方面？

主要发现

• 生物-网络接口对于实现体内分子通信网络与外部电子及基于互联网系统的互连至关重要。
• 通过电磁波刺激与DNA分子连接的金纳米晶体，可在数秒内实现DNA链的可逆局部解链，从而实现对基因的精确控制。
• 利用电磁波的纳米起搏器可刺激心肌细胞以调节钙离子交换，展示了其在靶向心脏治疗中的潜力。
• 可摄入的生物传感器可利用化学、声学或电磁信号触发肠道细菌的群体感应反应，实现对肠道健康的实时监测。
• 将纳米网络与云基础设施集成，可实现对分子水平生理数据的持续、远程和实时访问。
• 必须仔细管理诸如细胞凋亡、细胞骨架破坏及设备寿命等挑战，以确保体内系统长期的安全性与可靠性。