移动假肢的神经信号测量：量子传感器将取代植入电极
2024-12-06 10:48:20   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

为了控制假肢，必须检测身体信号才能移动假肢，植入电极是当前最常用的方法，但具有侵入性，并且电极可能会损坏或移动位置。据麦姆斯咨询报道，近期，位于德国斯图加特的多学科联盟QHMI开发出一种完全不同的方法——使用量子传感器来检测极其微小和快速的神经信号。超灵敏的量子磁力计（quantum magnetometers）被置于体外，通过皮肤测量神经信号，而非像电极一样植入体内。

移动假肢的新目标：通过皮肤上布置的量子传感器取代需要体内植入的电极

目前，科学家们正在使用Spectrum Instrumentation公司的超高速数字化仪（M5i.3357）和任意波形发生器（M4x.6631）来表征信号并最终设计出所需的专用集成电路（ASIC）和光子集成回路（PIC）。

超高速数字化仪（M5i.3357）产品：采样率为10 GS/s，分辨率为12位；任意波形发生器（M4x.6631）产品：输出率为1.25 GS/s，分辨率为16位

德国斯图加特大学研究团队选择Spectrum Instrumentation公司的测试产品有几个原因。首先，它们具有极高的动态范围和良好的噪声性能，这对于如此微小的信号至关重要。其次，它们非常快，因此可以捕获与高级脉冲激励方案相关的快速信号，这可能需要超过100 MHz的带宽。第三，它们在性能/价格方面具有很高的价值。最后，五年保修期让客户高枕无忧。一般来讲，如果研究中的组件在五年内损坏，很难获得资金来更换故障设备。

德国斯图加特大学Jens Anders教授是“Cluster4Future QSens”项目的负责人，也是多学科联盟QHMI的首席科学家，他解释说：“这是量子传感器在现实世界中的首批应用之一，因为没有其它方法可以非侵入性地检测这种微小的磁变化，这种变化对于肌肉来说是10到100皮特（picoTeslas）的数量级：比地球磁场小六个数量级。我们的测试表明，量子传感器足够灵敏，可以通过皮肤检测到肌肉的神经信号。即使是少量的剩余肌肉，比如小臂肌肉，原则上也可以用于此目的。我们正在努力提高对飞特（femtoTesla）量级磁变化的灵敏度，我们需要测量这些变化，以便在不破坏人体皮肤的情况下检测神经信号。”

这项量子传感技术的核心是一种由钻石薄片制成的光学检测磁共振（ODMR）器件。钻石中掺杂了所谓的氮-空位色心（N-V色心），这些N-V色心具有净电子自旋，因此其行为类似于微小的条形磁铁。当绿色激光照射到它们上时，它们会产生红色荧光信号。通过施加合适的微波磁场，该荧光信号对外部磁场非常敏感，可用于精准测量神经信号。

集成ASIC和量子传感器的测试用PCB

控制N-V色心自旋所需的微波磁场由微波发射器驱动的合适线圈产生。该发射器的基带信号由任意波形发生器（AWG）产生，以提供载波信号所需的相位和幅度调制，使激励信号对实验非理想性更具鲁棒性。随后，光电二极管捕获携带神经磁场信息的荧光信号，并将其放大、滤波和数字化，以进行高级信号处理。

量子传感器探头目前只有火柴盒大小，未来将缩小到约1立方厘米，并连接到一个控制箱，该控制箱的大小与大火柴盒相当，里面装有处理电子器件和电池。目标是利用微电子和光子集成技术进一步缩小控制箱，延长电池寿命，使其在充电前可使用一天。希望移动假肢能在三到四年内开始上市。

延伸阅读：

《量子传感器技术及市场-2023版》