使用金刚石传感器更精确地控制神经外骨骼

脑机接口可以通过控制外骨骼来恢复瘫痪患者的一些活动能力。然而，由于传统传感器不够灵敏，还无法从头部表面读取更复杂的控制信号。

Fraunhofer IAF、柏林夏里特医学院、斯图加特大学和其他工业合作伙伴的合作已经接受了这一挑战：在最近启动的NeuroQ灯塔项目中，项目合作伙伴开发了高度灵敏的基于钻石的量子传感器，使瘫痪的人能够更精确地控制神经外骨骼。

对于由于脊髓损伤、中风或其他疾病而无法移动手或腿的人来说，所谓的脑机接口(BCI)提供了巨大的希望：它们允许仅通过大脑活动来控制设备。例如，外骨骼可以仅通过想象运动来操作。因此，BCI为瘫痪的人提供了重新控制某些行动的机会。

从头部表面测量大脑活动的BCI的优点是使患者免于复杂而危险的脑部手术。

“我们已经开发了一种非侵入性BCI系统，使高截瘫患者能够通过脑电波的任意变化来抓住日常物品，”夏里特医学院临床神经技术教授Surjo Soekadar教授报告说。

他还补充说：“然而，尽管取得了相当大的进展，但目前还不可能用这种非侵入性系统控制复杂的手部动作。因此，尽管可以检测到移动的意图，但无法准确确定要执行的移动。为此，必须大大提高传感器的灵敏度。

量子传感器测量脑电波

来自研究和工业界的九个合作伙伴现在已经承担了这项任务，并启动了“用于神经通信接口的激光阈值磁力计”项目，简称NeuroQ。

在这个由德国联邦教育和研究部(BMBF)资助的项目中，项目合作伙伴开发了非常灵敏的量子传感器，可以测量脑电波产生的最小磁场。

这些量子磁力计将被集成到BCI系统中，使瘫痪的人能够比目前更精确地控制手部外骨骼。

磁场提供更清晰的信号

在非侵入性BCI中，神经元活动的测量迄今为止主要通过电场进行。

然而，磁场的测量具有相当大的优势：“磁场穿透皮肤和颅骨而不失真，因此提供比电场更清晰的信号，因为这些信号在从源到传感器的途中会强烈衰减。因此，脑磁图(MEG)比脑电图(EEG)具有显着优势，但由于技术障碍，很少使用，“NeuroQ项目负责人兼Fraunhofer IAF研究员Jan Jeske博士解释说。

MEG的技术障碍与所使用的传感器技术有关：SQUID传感器(超导量子干涉器件)精度高，但需要低温冷却，这使得它们的使用极其昂贵和复杂。

基于蒸汽池的光学泵浦磁力计(OPM)甚至超过了SQUID的灵敏度，但只能在零场环境中工作 - 这意味着任何背景磁场(包括地球磁场)都必须完全屏蔽才能运行，并且伴随着大量的建设工作。

“到目前为止，还没有实现在环境条件下(即在非屏蔽环境中)实现适合检测神经磁场的灵敏度的磁力计。NeuroQ的目标大大超过了最先进的技术，“斯图加特大学第三物理研究所所长Jörg Wrachtrup教授总结道。

基于金刚石的传感器允许在日常环境中使用

在NeuroQ项目中开发的量子磁力计的突出特点是它们的起始材料。它们基于金刚石中的NV(氮空位)中心，因此具有独特的特性：金刚石量子磁力计是唯一在室温或体温下工作的高灵敏度磁力计。

它们也可以在存在背景磁场的情况下操作，并能够确定磁场的确切方向(即矢量的所有三个分量)。此外，它们具有生物相容性，可以靠近信号源，从而产生更强的信号。

所有这些都导致这样一个事实，即金刚石量子磁力计可用于诊所、医疗实践、康复环境，也可以用于家庭和日常生活，以显着改善瘫痪者的生活质量，并为他们的社会包容做出重要贡献。

多学科合作项目

由于迄今为止开发的金刚石磁力计尚未达到所需的灵敏度，因此将首先在NeuroQ的框架内实现基于新型NV金刚石激光器的新型高灵敏度量子磁力计。

通过所需的通信接口，测量系统将进一步开发为BCI系统，并用于柏林夏里特医学院临床环境中的演示，评估和进一步发展。

所涉及的初创企业和中小型企业(SME)不仅对该技术的开发而且对随后的开发做出了重大贡献，从而促进了将成果转化为适销对路的产品和应用。

BMBF正在资助这个为期五年的合作项目，作为“基于量子的计量灯塔项目以应对社会挑战”措施的一部分，总额近9万欧元。

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