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使瘫痪的人恢复一些活动能力。然而，由于传统传感器不够灵敏，目前还无法从头部表面读取更复杂的控制信号。

FraunhoferIAF、Charité–UniversitätsmedizinBerlin、斯图加特大学和其他工业合作伙伴合作迎接了这一挑战：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金刚石的量子传感器，这将使瘫痪的人能够更精确地控制神经外骨骼。

对于因脊髓损伤、中风或其他疾病等原因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：它们允许通过大脑活动控制设备独自的。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他们某些动作的机会。

BCI从头部表面测量大脑活动，其优势在于可以避免患者进行复杂且有风险的脑部手术。

Charité临床神经技术教授SurjoSoekadar教授报告说：“我们已经开发出一种非侵入性BCI系统，使高度截瘫患者能够通过脑电波的任意变化来掌握日常物体。”

他还补充说：“然而，尽管取得了相当大的进步，但还无法用这种非侵入式系统控制复杂的手部动作。”因此，虽然可以检测到移动的意图，但是不可能准确地确定要执行哪个移动。为实现这一目标，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，它们可以测量脑电波产生的最小磁场。

这些量子磁力计将集成到BCI系统中，使瘫痪者能够比目前更精确地控制手部外骨骼。

磁场提供更明显的信号

在非侵入性脑机接口中，神经元活动的测量迄今为止主要是通过电场进行的。

然而，磁场测量具有相当大的优势：“磁场可以不失真地穿透皮肤和颅骨，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被强烈衰减。因此，脑磁图(MEG)与脑电图(EEG)相比具有显着优势，但由于技术障碍而很少使用，”NeuroQ项目负责人兼FraunhoferIAF研究员JanJeske博士解释道。

MEG的技术障碍与所使用的传感器技术有关：SQUID传感器(超导量子干涉装置)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。

基于蒸气室的光泵磁力计(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，并伴随着大量的建设工作。

“到目前为止，还没有磁力计在环境条件下——即在无屏蔽环境中——达到适合检测神经磁场的灵敏度。NeuroQ的目标大大超越了现有技术水平，”斯图加特大学第三物理研究所所长JörgWrachtrup教授总结道。

基于金刚石的传感器允许在日常环境中使用

NeuroQ项目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一一种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运行，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。

所有这一切导致这样一个事实，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，并为他们的社会做出重要贡献包容。

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，该测量系统将进一步发展成为BCI系统，并用于在柏林夏里特医院的临床环境中进行演示、评估和进一步开发。

所涉及的初创企业和中小型企业(SME)不仅对技术的开发而且对技术的后续利用做出了重大贡献，从而促进了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“基于量子计量学的灯塔项目以应对社会挑战”措施的一部分，总计近900万欧元。