Elektronik hilft Wie Quanten-Sensoren Prothesen bewegen

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Zur Steuerung von Prothesen müssen die Signale des Körpers erfasst werden, um das künstliche Körperteil bewegen zu können. Dabei können die Digitizer von Spectrum Instrumentation helfen, denn sie erkennen extrem kleine und schnelle Nervensignale.

Derzeit ist das Einpflanzen von Elektroden die gängigste Technik, um Signale des Körpers zu erfassen. Aber dies ist invasiv und die Elektroden können sich abnutzen oder ihre Position verändern. Ein völlig anderes Konzept wird nun vom multidisziplinären Konsortium QHMI in Stuttgart verfolgt, wobei Quanten-Sensoren zur Erfassung der unglaublich kleinen und schnellen Nervensignale verwendet werden.

Dabei befinden sich extrem empfindliche Quanten-Magnetometer außerhalb des Körpers und messen die Nervensignale durch die Haut. In der aktuellen Entwicklungsphase verwenden die Wissenschaftler ultraschnelle Digitizer (M5i.3357) und Arbiträrgeneratoren (M4x.6631) von Spectrum Instrumentation, um die Signale zu charakterisieren und die erforderlichen, anwendungsspezifischen ICs (ASICs) und photonischen ICs (PICs) zu entwerfen.

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Eine der ersten realen Anwendungen für Quanten-Sensoren

Prof. Dr. Jens Anders von der Universität Stuttgart, der das Projekt „Cluster4Future QSens“ leitet und ein führender Wissenschaftler des QHMI-Konsortiums ist, erklärt: „Dies ist eine der ersten realen Anwendungen für Quanten-Sensoren, da es keine andere Möglichkeit gibt, die winzigen magnetischen Veränderungen der Muskeln nicht-invasiv zu erfassen. Die Nervensignale liegen im Bereich von 10 bis 100 Picotesla, das sind sechs Zehnerpotenzen weniger als das Magnetfeld der Erde!“

„Die Tests zeigen, dass unsere Sensoren empfindlich genug sind, um neuronale Signale der Muskeln durch die Haut hindurch zu erfassen. Sogar ein kleiner Rest von z.B. einem Unterarmmuskel kann dafür prinzipiell verwendet werden. Wir arbeiten an einer noch höheren Empfindlichkeit für die magnetischen Veränderungen, die dann im Femtotesla-Bereich liegen, um Signale des Gehirns außerhalb des Kopfes zu erfassen.“

Herzstück ist ein optisch detektiertes Magnetresonanzgerät (ODMR)

Das Herzstück dieser Technologie ist ein optisch detektiertes Magnetresonanzgerät (ODMR), das aus einer winzigen Scheibe eines Diamanten besteht. Das Kohlenstoffgitter des Diamanten ist mit Stickstoffatomen dotiert (NV = Nitrogen-Vacancy Centers), die einen Netto-Elektronenspin besitzen und sich daher wie winzige Stabmagnete verhalten. Wenn sie mit grünem Laserlicht bestrahlt werden, erzeugen sie ein rotes Fluoreszenzsignal. Durch Anlegen eines geeigneten Mikrowellenmagnetfelds ist dieses Fluoreszenzsignal sehr empfindlich gegenüber externen Magnetfeldern, wodurch neuronale Signale mit höchster Präzision gemessen werden können.

Überprüfung der ASICs auf der Testplatine mit einem Mikroskop

Die zur Steuerung der NV-Zentralspins erforderlichen Mikrowellen-Magnetfelder werden mithilfe geeigneter Spulen erzeugt, die von einem Mikrowellensender angetrieben werden. Die Basisband-Signale für diesen Sender werden mithilfe eines Arbiträrgenerators (AWG) erzeugt, um die erforderlichen Phasen- und Amplitudenmodulationen des Trägersignals bereitzustellen, die das Anregungssignal robuster gegenüber experimentellen Nichtidealitäten macht. Die resultierenden Fluoreszenzsignale, die die Informationen der neuronalen Magnetfelder enthalten, werden dann von einer Fotodiode erfasst, verstärkt, gefiltert und für eine erweiterte Signalverarbeitung digitalisiert.

Die PC-Karten von Spectrum wurden von den Forschenden des QHMI-Konsortiums aus mehreren Gründen ausgewählt. Erstens haben sie einen extrem hohen Dynamikbereich und ein sehr gutes Rauschverhalten, was für die extrem kleinen Signale entscheidend ist. Zweitens sind sie sehr schnell, sodass sie die hochfrequenten Signale erfassen können, die bei gepulsten Anregungs-Schemata eine Bandbreite von über 100 MHz erfordern können. Drittens weisen die PC-Karten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis auf. Und schließlich bietet die fünfjährige Garantie die Gewissheit, dass diese entscheidende Komponente des Versuchsaufbaus eine sehr hohe Qualität besitzt, denn es ist für die Wissenschaftler fast unmöglich, nachträglich Mittel für ein Ersatzinstrument bewilligt zu bekommen.

Erste Prothesen mit den Steuerungskonzept in drei bis vier Jahren

Die Quanten-Sensoren haben derzeit die Größe einer Streichholzschachtel, werden in Zukunft aber nur noch etwa einen Kubikzentimeter groß sein und in eine Steuerbox passen, in der sich auch die Verarbeitungselektronik und der Akku befinden. Ziel ist es, diese Steuerbox so klein wie möglich zu gestalten, so dass sie problemlos am Körper getragen werden kann. Außerdem soll die Stromaufnahme verringert werden, so dass die Steuerbox einen ganzen Tag in Betrieb sein kann, bevor ein Aufladen des Akkus nötig ist. Die Forscher gehen davon aus, dass in drei bis vier Jahren die ersten Prothesen mit dem neuen Steuerungskonzept verfügbar sein werden. (mk)

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