Worum geht es?

Zur Steuerung von Prothesen müssen die Signale des Körpers erfasst werden, um das künstliche Körperteil bewegen zu können. Zur Zeit ist das Einpflanzen von Elektroden die gängigste Technik, aber das ist invasiv und die Elektroden können sich abnutzen oder ihre Position verändern. Ein anderes Konzept wird vom multidisziplinären Konsortium QHMI in Stuttgart verfolgt, wobei Quanten-Sensoren zur Erfassung der 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 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.


Wie funktioniert das?

Genutzt wird 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.

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 ...

haben einen entsprechend hohen Dynamikbereich und gutes Rauschverhalten, was für die extrem kleinen Signale entscheidend ist. Außerdem können sie die hochfrequenten Signale erfassen, die bei gepulsten Anregungs-Schemata eine Bandbreite von über 100MHz erfordern können.

Wie groß ist so ein Quanten-Sensor?

Die Quanten-Sensoren haben derzeit die Größe einer Streichholzschachtel, werden in Zukunft aber 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.