分子通信中的血管网络拓扑结构：来自实验与理论的洞见
定量方法
2025-12-03 v1 新兴技术
摘要
合成分子通信 (MC) 指通过信号分子传递信息，被视为能够在人类心血管系统 (CVS) 中实现创新性医疗应用的技术。关键在于，设计此类应用需要准确且经实验验证的信道模型，能够刻画信号分子在血管网络 (VN) 中的传播，而不仅仅是单个血管。然而，目前缺乏针对 VN 中 MC 的经实验验证的模型。为此，我们提出一种用于复杂 VN 拓扑结构的新型信道模型，涵盖通过流动、分子扩散与湍流扩散、以及在血管壁上的吸附与解吸的分子运输。我们针对超.paramagnetic 铁氧体纳米颗粒 (SPIONs) 作为信号分子进行特化，引入一种用于平面线圈电感式传感器的新型接收器 (RX) 模型，实现端到端的实验验证。验证覆盖从单血管拓扑到分支血管网络 (VN) 的多路径拓扑。此外，为量化 VN 拓扑对信号质量的影响，灵感来源于常规无线通信中的多路径传播模型，我们引入两种指标：分子延迟和多路径扩散。我们表明，这些指标将 VN 结构与由 VN 引起的分子扩散相联系，并间接关联到接收器 (RX) 处的信噪比 (SNR)。所提出的 VN 结构-SNR 关联经实验验证，证明该框架可支持血管网络中最优传感器布置或确定满足特定 SNR 要求的合适测试平台拓扑。所有实验数据已公开于 Zenodo。
引用
@article{arxiv.2512.02811,
title = {Vessel Network Topology in Molecular Communication: Insights from Experiments and Theory},
author = {Timo Jakumeit and Lukas Brand and Jens Kirchner and Robert Schober and Sebastian Lotter},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.02811},
year = {2025}
}
备注
29 pages, 10 figures; This paper has been submitted to IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications