Hjerne-computer-interfaces kan give lammede mennesker noget af deres bevægelsesevne tilbage ved at styre exoskeletter. Men mere komplekse kontrolsignaler kan endnu ikke aflæses fra hovedets overflade, fordi konventionelle sensorer ikke er følsomme nok til det. Et konsortium bestående af Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, University of Stuttgart og industrielle partnere har taget denne udfordring op: I det nyligt lancerede BMBF-fyrtårnsprojekt "NeuroQ" udvikler projektpartnerne meget følsomme diamantbaserede kvantesensorer, der vil gøre det muligt for lammede mennesker at styre neurale exoskeletter mere præcist. 

For mennesker, der ikke kan bevæge deres hænder eller ben på grund af f.eks. en rygmarvsskade, slagtilfælde eller anden sygdom, giver hjerne-computer-interfaces (BCI'er) stort håb: Disse hjerne-computer-interfaces gør det muligt at styre en enhed alene ved hjælp af hjerneaktivitet - for eksempel kan et exoskelet styres ved blot at forestille sig bevægelser. BCI'er giver derfor lammede mennesker mulighed for at genvinde kontrollen over en del af deres bevægelsesevne.

En patient tester et hjerne-computer-interface udviklet af Charité til at styre en exoskelet-hånd.

BCI'er, som måler hjerneaktivitet fra hovedets overflade, har den fordel, at de sparer patienterne for et komplekst og risikabelt kirurgisk indgreb i hjernen. "Vi har allerede udviklet et ikke-invasivt BCI-system, der gør det muligt for mennesker med svær paraplegi at gribe hverdagsgenstande ved vilkårligt at ændre deres hjernebølger," rapporterer Prof. Dr. Surjo R. Soekadar, Einstein Professor of Clinical Neurotechnology ved Charité, og tilføjer: "På trods af de betydelige fremskridt, der er gjort, har det dog endnu ikke været muligt at kontrollere komplekse håndbevægelser med et sådant ikke-invasivt system." Hensigten med bevægelsen kan genkendes, men ikke præcis hvilken bevægelse, der skal udføres. For at opnå dette skal sensorernes følsomhed øges betydeligt. 

Kvantesensorer måler hjernebølger

Ni partnere har nu påtaget sig denne opgave og lanceret projektet "Laser threshold magnetometers for neuronal communication interfaces", forkortet "NeuroQ". I projektet, som er finansieret af det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF), udvikler projektpartnerne kvantesensorer, der er så følsomme, at de kan måle de mindste magnetfelter, der genereres af hjernebølger. Disse kvantemagnetometre skal integreres i et BCI-system og dermed gøre det muligt for lammede mennesker at styre et hånd-eksoskelet meget mere præcist, end det er tilfældet i dag.

Magnetiske felter giver klarere signaler

I non-invasive BCI'er er neuronal aktivitet indtil videre hovedsageligt blevet målt ved hjælp af elektriske felter. Måling af magnetiske felter har betydelige fordele: "Magnetiske felter trænger uforvrænget gennem huden og kraniet og giver derfor meget klarere signaler end elektriske felter, da disse dæmpes meget på vejen fra kilden til sensoren. Magnetoencefalografi (MEG) har betydelige fordele i forhold til elektroencefalografi (EEG), men bruges sjældent på grund af tekniske forhindringer," forklarer Dr. Jan Jeske, projektleder for "NeuroQ" og forsker ved Fraunhofer IAF. 

De tekniske forhindringer for MEG ligger i de anvendte sensorteknologier: SQUID-sensorer (Superconducting Quantum Interference Devices) er meget præcise, men kræver køling ved lav temperatur, hvilket gør deres anvendelse ekstremt dyr og kompleks. Optisk pumpede magnetometre (OPM) baseret på dampceller overgår endda SQUID'ernes følsomhed, men fungerer kun i et absolut nulfelt - det betyder, at ethvert baggrundsmagnetfelt (inklusive jordens magnetfelt) skal være fuldstændig afskærmet for at fungere, hvilket også medfører en enorm konstruktionsindsats. 

"Hidtil er der ikke blevet realiseret magnetometre, der opnår en følsomhed under omgivende forhold - dvs. i uafskærmede miljøer - der ville være egnet til at detektere neuromagnetiske felter. 'NeuroQ'-projektet overgår i høj grad den nuværende teknik," opsummerer Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, leder af 3rd Institute of Physics ved universitetet i Stuttgart. 

Diamantbaseret sensor muliggør brug i hverdagsmiljøer 

Det særlige ved de kvantemagnetometre, der skal udvikles i "NeuroQ"-projektet, er deres grundmateriale: De er baseret på NV-centre (nitrogen-vacancy-centre) i diamant og har derfor unikke egenskaber: Diamantkvantemagnetometre er de eneste meget følsomme magnetometre, der fungerer ved stuetemperatur eller kropstemperatur. De måler også ved tilstedeværelse af et baggrundsmagnetfelt og kan bestemme den nøjagtige retning af et magnetfelt (dvs. alle tre komponenter af vektoren). De er også biokompatible og kan bringes tæt på kilden, hvilket igen muliggør stærkere signaler.
Alt dette betyder, at diamantkvantemagnetometre kan bruges på klinikker, i operationer, i et rehabiliteringsmiljø, men også i hjemmet og i hverdagen for at forbedre lammedes livskvalitet betydeligt og yde et vigtigt bidrag til deres sociale inklusion. 

Tværfagligt fælles projekt

Da de hidtil udviklede diamantmagnetometre endnu ikke opnår den nødvendige følsomhed, vil nye meget følsomme kvantemagnetometre baseret på en ny type NV-diamantlaser i første omgang blive realiseret som en del af "NeuroQ". Målesystemet vil derefter blive udviklet til et BCI-system med den nødvendige kommunikationsgrænseflade og brugt til demonstration, evaluering og videreudvikling i et klinisk miljø på Charité i Berlin. De deltagende start-ups og små og mellemstore virksomheder (SMV'er) yder ikke kun et væsentligt bidrag til udviklingen, men også til den efterfølgende kommercialisering af teknologien og fremmer dermed overførslen af resultaterne til salgbare produkter og applikationer. 

BMBF finansierer det femårige fælles projekt som en del af programmet "Lighthouse projects in quantum-based measurement technology to overcome social challenges" med i alt næsten 9 millioner euro.

Projektpartnerne i et overblik: 

Kilde: Fraunhofer IAF

Professionel kontakt:

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, Stuttgarts Universitet, 3. Institut for Fysik, tlf. +49 711 685 65278, e-mail

Kilde: Brug diamantsensorer til at styre neurale exoskeletter mere præcist | Nyheder | 24.01.2023 | University of Stuttgart (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)