Kalp pilleri ve insülin pompaları gibi günümüzdeki implantların çoğu birbirinden bağımsız çalışıyor. Bu cihazların birbirleriyle senkronize olmasını sağlamak amacıyla, bilim insanları anten ve radyo dalgaları yerine vücut dokusunu iletim yolu olarak kullanan bir ağ sistemi geliştirdi.
Radyo Dalgalarının Sınırlılıkları
Şu anda implantlar arasındaki iletişim genellikle Bluetooth Düşük Enerji (BLE) veya Yakın Alan İletişimi (NFC) gibi radyo protokolleriyle sağlanıyor. Ancak bu teknolojiler, vücut içi veri aktarımı için pek de uygun değil. Bunun başlıca iki nedeni var: Güç tüketimi ve sinyal zayıflaması.
Bir implantın milisaniyeler içinde yanıt verebilecek aktif bir durumda kalması istendiğinde, Bluetooth sistemleriyle bu enerjiyi sağlamak oldukça zor. Hatta yapılan araştırmalara göre, Bluetooth bileşenleri aktif hale geldiğinde bir implantın pil ömrünü %90'a kadar azaltabiliyor.
Diğer bir sorun ise radyo dalgalarının vücut içinde iyi iletilmemesi. Vücut dokusu, Bluetooth ve NFC gibi sinyalleri önemli ölçüde zayıflatıyor. Bu zayıflama, sinyalin doku içinde sadece bir santimetreden biraz daha fazla mesafe kat etmesi durumunda bile iletişim sorunlarına yol açabiliyor. Bir diğer konu da boyut. Radyo iletişimi için antenler gerekiyor ve ticari Bluetooth bileşenleri en az beş milimetre genişliğinde bir cihaza ihtiyaç duyuyor. Üç milimetreden daha ince implantlar bir şırınga ile kolayca enjekte edilebilirken, daha büyük olanlar genellikle cerrahi müdahale gerektiriyor.
Geliştirilen yeni sistem olan SWANS (Smart Wireless Autonomous Networking System - Akıllı Kablosuz Otonom Ağ Sistemi), vücudun kendi iç iletişim ağlarından ilham alıyor. Sistem, sinir sisteminin vücudun birçok noktasından gelen bilgileri toplayıp anlamlı kararlar alabilmesi gibi çalışıyor. SWANS, sinir hücrelerinin sodyum ve potasyum iyonlarını kullanarak iletim sağladığı gibi, iyonik iletimden faydalanıyor. Ancak burada sinirler yerine, bu sinyalleri iletmek için normal vücut dokusu kullanılıyor.
Sistemin Adı ve Çalışma Prensibi
Bu tür bir fikrin tamamen yeni olmadığını belirtmek gerek. Örneğin, bir ilaç şirketi tarafından onaylanmış bir yutulabilir hap, yutulduğu bilgisini bir cilt yamasına iletmek için iyonik iletimi kullanıyor. Ancak bu tür sistemler genellikle yalnızca iki cihaz arasında bağlantı kuruyor. SWANS ise çok sayıda cihazın birbirine bağlanmasını hedefliyor.
SWANS sisteminin ilk bileşeni giyilebilir bir merkez. Bu esnek devre kartı, sensör verilerini okuyor, karar verme algoritmalarını çalıştırıyor ve 12 volta kadar voltaj darbeleri yayıyor. İkinci bileşen, bu darbeleri derinin en dış katmanını aşarak vücuda ileten paslanmaz çelik mikroiğnelerden oluşan bir yama. Üçüncü bileşen ise her biri iki alıcı ped, bir transistör anahtarı, bir pil ve bir sensör veya sinir uyarıcısı gibi bir aktüatör içeren, şırınga ile enjekte edilebilen bir implant ağı.
Tüm akıllı işlevler giyilebilir merkezde toplanıyor. Bu merkez daha fazla alan ve batarya gücüne sahip olduğu için implantlar küçük ve basit tutulabiliyor. Merkez bir darbe gönderdiğinde, doku içinde her yöne yayılan kısa bir elektrik alanı oluşuyor. Menzil içindeki her implant bu darbeyi alıyor, ancak sadece doğru olanlar tepki veriyor; adeta kalabalık bir odada sadece kendi adını duyanların dönmesi gibi.
Bu seçicilik, her implantın transistör anahtarının yalnızca gelen darbe belirli bir eşiği aştığında açılmasını sağlayarak elde ediliyor. Transistörün önüne eklenen bir direnç, anahtarı tetiklemek için gereken voltajı yükseltiyor. Bir kapasitör eklenmesi ise darbenin önce onu şarj edecek kadar uzun sürmesi gerektiği anlamına geliyor. Bu bileşenlerin farklı kombinasyonlarıyla, takım, darbe gücü ve süresinin belirli kombinasyonlarına yanıt veren implantlar geliştirdi. Yazarlar, bu yöntemin her vücut ve implant yerleşimi için voltaj eşiklerinin ayarlanmasını gerektirdiğini kabul ediyor.
SWANS implantları pasif bileşenlerden oluştuğu için, dinleme sırasında neredeyse hiç güç çekmiyorlar ve pil ömrünü Bluetooth ve NFC'ye kıyasla 15 kattan fazla uzatıyorlar. Piliyle birlikte tam bir implant 3x1.1x17 milimetre boyutlarında olup 6 gauge'luk bir iğneden geçebiliyor.
Sistemi test etmek için, araştırmacılar tavuk göğsü, derili ve kemikli domuz göğsü ve canlı sıçanlar üzerinde denemeler yaptılar.
Bacakları Kasıtmak
Domuz göğsü gibi kalın ve heterojen bir dokuda bile, tek bir 10 voltluk darbe 30 santimetreden fazla mesafede ve 14 santimetre derinliğe kadar tespit edilebilir bir voltaj gradyanı üretebildi. Bu, Bluetooth veya NFC'nin kapsama alanından 10 kat daha fazla.
Canlı sıçanlarda sinyaller, derinin altındaki, karın boşluğundaki ve hatta midedeki implantlara kadar ulaştı. İmplantların yerleşimi de önemli değildi; sıçanın midesine takılan giyilebilir merkezden, sırtındaki implant aracılığıyla etkileşim sağlanabildi.
En gelişmiş deneyde, sıçanların ön bacaklarına yerleştirilen gerinim sensörleri kullanıldı. Bir sensör sol veya sağ ön uzvun hareket ettiğini algıladığında, merkez vücut üzerinden ilgili arka bacağa özel bir darbe gönderdi. Bu darbe arka bacaklardaki bir implanta ulaştı, siyatik siniri uyararak o bacağın kasılmasını sağladı. Ayrıca, sıcaklık sensörü olan bir cihazın, 40°C'nin üzerindeki ateşi algıladığında ikinci bir implanta sinyal gönderdiği bir implanttan diğerine röle sistemi de geliştirildi.
Araştırmacılar, kalp pilleri ve nörostimülatörlerin zaten benzer voltaj ve darbe süreleri kullandığı için büyük güvenlik sorunları beklemediklerini belirtiyor. Sıçanlar üzerinde yapılan iki aylık bir çalışmada, implantların etrafında bir milimetreya kadar kalınlıkta yara dokusu oluştuğu görüldü, ancak güvenli sınırlar içindeki voltaj artırılarak iletişim sürdürüldü. Darbeler hedeflenen dışında sinirleri uyarmadı, kalbin elektriksel aktivitesini değiştirmedi ve sadece iğne ve elektriksiz implantlardan daha fazla hücre ölümü veya oksidatif strese neden olmadı.
Ancak SWANS, her şeyi yapabilen bir vücut içi iletişim sistemi değil ve muhtemelen hiçbir zaman da olmayacak.
İmplant Çoğullama
SWANS'ın ilk sınırlılığı, çok fazla veri gönderememesidir. Amaç, ultra küçük ve ultra düşük güç tüketen sistemler yaratmak olduğu için, cihazların büyük miktarda veri göndermesi istenmiyor. SWANS'ın, vücut bölümleri arasında sıcaklık okuması gibi kritik bilgileri iletmek için tasarlandığı, bunun ötesinde çok fazla veri aktarmayacağı savunuluyor. Sistem henüz büyük hayvanlar veya insanlarda test edilmemiş olsa da, öncü büyük hayvan çalışmalarının umut verici olduğu belirtiliyor ve potansiyel uygulamalar şimdiden düşünülüyor.
Şu anda nörostimülasyon ve ilaç salımı tamamen ayrı alanlar. Epilepsi gibi durumlarda ilacın belirli bir zamanda alınmasının faydaları olmasına rağmen, bir ilaç pompası ile nörostimülatörün birleştirilmiş tedaviler için birbirine bağlanması mümkün değil. SWANS'ın gücü, mevcut implantlarla ne kadar kolay entegre olabileceğinde yatıyor. Bu yeni iletişim protokolü, önceki sistemlere eklenebilir. Sensör veya aktüatörden tamamen bağımsız olduğu için, tam bir vücut içi tedavi ağı oluşturulabilir.
