这项研究提出了一种定制的高性能协议，用于与神经植入体进行双向通信，最终实现闭环操作。该协议提供了一种灵活的配置，可与具有不同特性的神经植入体进行通信。它可以支持不同的上行数据传输速率、2 到 16 个不同数量的神经通道、两种类型的数字信号调制（振幅移位键控 ASK 和二进制移位键控 PSK），以及不同的 RF工作频率（默认频率为 915MHz）。所提议的协议是用 C++（优于 Python，因为它可以实现快速信号处理算法）实现的，使用的是带有自定义通信模块的 GNU-Radio 工具包。
一、研究简介
越来越清楚的是，脑计算机接口（BCI接口（BCI）系统最终将实现重要的新技术新技术，取代、恢复、补充或改善受神经系统疾病影响的人的功能。功能的重要新技术。术语是指通过记录和/或刺激硬件与大脑直接连接的设备。神经接口设备可实现脑控技术并为研究大脑和治疗神经疾病提供工具。下一代此类设备必须微型化并可植入，以记录神经信号并刺激神经元。神经植入系统依靠软件来实时采集、同步和处理神经信号及行为数据。这些信号的获取通常使用专用硬件设备完成，并且需要执行专有软件接口来配置设备和实时获取数据，实现神经植入软件的一个主要挑战是的一个主要挑战是需要实现低功耗、高数据传输速率的无线通信协议低功耗、高数据传输速率的无线通信协议，并实现低延迟的双向通信。此外，下一代此外，下一代神经植入必须在闭环框架内运行。
本研究提出了一种定制协议，用于与基于背向散射的神经植入体进行双向双向通信的定制协议。最终实现闭环操作。建议的协议可在由商用软件无线电系统和个人电脑组成的读取器上实现。软件定义无线电系统和个人电脑组成的读取器上实现。因此，它将为使用不同神经植入物的研究人员提供一个广泛可用的高性能系统因此，它将为使用不同神经植入物的研究人员提供一个广泛可用的高性能系统。该协议，并使用图 1 所示的系统进行了初步验证。图 1 所示。在接下来的章节中详细说明。
图 1. 阅读器与神经植入体之间拟议通信协议的系统描述。阅读器使用脉冲间隔编码（PIE）与植入体通信
二、BCIS 和神经植入的背景
脑机接口是一种设备，可接收大脑的信号，脑机接口是一种设备，可通过大脑发出的信号控制假肢等系统、光标或机器人等系统的装置。它还允许外部信号通过神经刺激传递到大脑。刺激传递到大脑。BCI 系统可追溯到 20 世纪 60 年代初、BCI 一词诞生于 1970 年 。尽管其尽管开始时前景看好，但直到 1990 年，这一领域才经历了可观的增长。这一领域才有了长足的发展。
由于多电极记录和快速廉价计算机的发展，这一领域直到 1990 年才有了长足的发展。从那时起，人们对生物识别（BCIs）的兴趣和研究工作都有了巨大的增长。全球可能有数百个实验室在研究这一课题。研究这一课题。神经植入物是一种被广泛研究的 BCIs，因为它们有可能对医学产生重大影响，从从脊髓损伤后恢复肢体功能到生物电子药物，神经植入物都有可能对医学产生重大影响。反向散射通信是一种前景广阔的低功耗通信方法。在反向散射通信中，外部读取器（体外）产生无线电波。受能量限制的植入体通过选择性地反射这些无线电波进行通信。选择性地反射这些无线电波进行通信。这种方法所需的与传统的数据传输方法相比，这种方法所需的能量要少得多。相比，这种方法所需的功率要小得多。反向散射通信特别适合于植入式设备的数据通信。因此，这项工作重点研究基于反向散射的神经植入物。
三、基于反向散射的神经植入物
3.1 神经植入物与阅读器之间的物理接口
读取器之间的物理接口可视为分层网络通信系统中的信号层。网络通信系统中的信号层。信号接口定义了频率、调制、数据编码、数据速率以及射频通信所需的其他参数。射频通信所需的其他参数。关于关于频率范围，神经植入物应在读取器的频率范围内接收来自读取器的功率并与读取器通信。关于频率范围860 至 920 兆赫（含 860 兆赫）。频率的选择取决于当地的无线电法规和当地的无线电频率环境。
神经植入物与阅读器之间的物理接口可被视为信号层。读取器之间的物理接口可视为分层网络通信系统中的信号层。网络通信系统中的信号层。信号接口定义了频率、调制、数据编码、数据速率以及射频通信所需的其他参数。射频通信所需的其他参数。关于关于频率范围，神经植入物应在读取器的频率范围内接收来自读取器的功率并与读取器通信，频率的选择取决于当地的无线电法规和当地的无线电频率环境。
3.2 上行链路通信
本节介绍植入体与读取器之间的通信系统。通信中使用的神经通道数量取决于特定的神经植入设备。提议的协议支持 2、4、8 或 16 个信道的通信，每个信道 16 比特、或 16 个信道，每个信道 16 位。例如，介绍的系统使用 Intan 技术平台(RHS2116）平台，该平台有 16 个单极通道。1) 调制和数据编码：植入系统应使用振幅偏移键控（ASK）或相移键控（PSK）调制。对于 PSK，协议支持二进制-PSK(BPSK) 和差分正交 PSK (DQPSK)。数据应使用 FM0 基带进行编码。FM0在每个符号边界进行基带相位反转，数据-0有一个符号中间相位反转。每个帧应以一个 6 位长的前导码：101011 开始。每个数据帧包含一个 6 位的前导符、从神经通道感测到的数据和一个数据帧。和 8 位长的帧计数器 F C 参数。F C 参数是一个 8 位帧计数器允许在数据流中识别缺失的帧，用于在出现导致帧同步丢失的位错误时识别数据流中的缺失帧。
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3.3 阅读器指令
阅读器可以发送四种不同的命令与植入体通信：开始、读取、连续和结束。读取器命令以帧同步（frame-sync）脉冲开始。(帧同步）脉冲开始。帧同步脉冲包括一个固定长度的开始分隔符和一个数据-0 信号。开始分隔符和数据-0 符号。分隔符的持续时间为持续时间为 3 微秒。启动命令启动与特定植入体的通信过程。读卡器通过在 DID读卡器通过在命令中加入 DID 字段来选择特定植入体、由 12 个比特组成。
例如，如果读取器想从通道 1、4、8、10 和 16 接收数据，那么读取命令的通道字段将1001000001。读取命令的通道字段将是 1001000001000001。字段 FNCT字段指定在发送新命令之前从植入设备接收到的帧数。
图 3. 读卡器 Cont 命令详情。USRP 源接收到的信号
最后，植入设备将对编码帧执行模式交错算法。交错算法。这种技术用于使前向纠错在突发错误方面更加稳健。交错算法应使用一个长度等于帧长度的置换向量。该排列向量不会在通信过程中交换，但读取器和发送器都会预先知道它。但读卡器和植入设备都事先知道。植入者事先知道。因此，如果帧被截获，攻击者将不知道解除对帧的互锁所需的置换向量。例如，在一个有 4 个读取器的场景中，如果有 4 个读取器，则读取器和植入设备都会知道该信息。例如，在有 4 个神经通道的情况下，帧长度为 126 比特、帧长度为 126 比特。这意味着有 126 种不同的置换向量。
四、 读卡器实施
执行拟议协议的读取器包括USRP N210。USRP 负责提供超高频通信载波，并接收包含植入体上行链路数据的反向散射子载波。子载波，其中包含来自植入体的上行链路数据。USRP 使用一个 SBX 子板，连接到一台Linux PC。子板的发射和接收端口与两个增益为6dBi 增益。USRP 通过以太网与 PC 连接。协议固件用 C++ 和 Python 实现、协议固件是用 C++ 和 Python 语言实现的。开发工具包。
图 4 显示了接收器在读取器上的设计流水线。
门电路块只向下一个电路块传递样本在检测到传输的读取器信号结束后，门电路块才将采样传递给下一个电路块。因此，解码器模块无需连续处理采样。连续处理采样。解码器模块负责帧同步、信道估计和检测植入数据帧。植入数据帧的帧同步、信道估计和检测。植入系统使用 FM0 行编码对信息进行编码。电平转换发生在比特边界上。此外位 “0 ”中间也会发生转换。因此基于记忆的调制，导致每个比特有四种不同的波形（见图 5）。T/2，其中 T 是比特（使用每个符号一个比特）速率。每符号一个比特）速率后，只能产生两种可能的脉冲形状，即 S0 和 S0。生成两种可能的脉冲形状，分别称为 S0 和 S1。
图 5. FM0 信号
在基于 USRP 的阅读器中，利用仿真神经植入数据帧实现了提议的协议（见图 4）。神经植入帧是神经植入帧是通过 USRP 发送活动帧信号并在 USRP 源接收来模拟的。USRP 数字模拟转换率设定为 8 百万采样/秒。考虑到植入2Mbits/second 的速度反向散射数据，读取器每个 FM0 符号需要处理 4 个采样。此外，一个 FM0 符号（一个比特）的持续时间为 0.5μs。图 6 显示了 USRP 源接收到的一个模拟帧。假设每个帧有 4 个神经信道数据。
图 6. 一个模拟的神经植入数据帧，根据提议的协议的模拟神经植入数据帧（每帧共 126 位）。接收到的信号在 USRP 源中。
图 7. 基于 USRP 的阅读器与仿真神经植入体之间的通信过程示例。USRP 信号源接收到的信号。该帧包含 4 个神经通道的数据（每帧共 126 位），FCNT=4。
五、未来工作
正在进行的工作包括利用两个现有的神经植入体对整个协议进行实时验证。正在进行的工作包括使用两个现有的神经植入体：NeuralCLIP 和 NeuroDisc，对整个协议进行实时验证。将使用之前介绍过的由 USRP N210 组成的阅读器。NeuralCLIP使用 ASK 调制，而 NeuroDisc 使用 DQPSK。因此，它们将提供两种不同的验证方案。
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