Interfejsy mózg-komputer mogą przywrócić osobom sparaliżowanym część ich zdolności do poruszania się poprzez kontrolowanie egzoszkieletów. Jednak bardziej złożone sygnały sterujące nie mogą być jeszcze odczytywane z powierzchni głowy, ponieważ konwencjonalne czujniki nie są do tego wystarczająco czułe. Konsorcjum składające się z Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Uniwersytetu w Stuttgarcie i partnerów przemysłowych podjęło to wyzwanie: W ramach niedawno rozpoczętego projektu BMBF "NeuroQ" partnerzy projektu opracowują bardzo czułe czujniki kwantowe oparte na diamentach, które umożliwią osobom sparaliżowanym bardziej precyzyjne sterowanie egzoszkieletami neuronowymi. 

Dla osób, które nie są w stanie poruszać rękami lub nogami, na przykład z powodu urazu rdzenia kręgowego, udaru lub innej choroby, interfejsy mózg-komputer (BCI) oferują wielką nadzieję: Te interfejsy mózg-komputer umożliwiają sterowanie urządzeniem wyłącznie za pomocą aktywności mózgu - na przykład egzoszkieletem można sterować po prostu wyobrażając sobie ruch. Interfejsy BCI oferują zatem osobom sparaliżowanym szansę na odzyskanie kontroli nad częścią ich zdolności do poruszania się.

Pacjent testuje interfejs mózg-komputer opracowany przez Charité do sterowania egzoszkieletem ręki.

BCI, które mierzą aktywność mózgu z powierzchni głowy, mają tę zaletę, że oszczędzają pacjentom skomplikowanych i ryzykownych zabiegów chirurgicznych na mózgu. "Opracowaliśmy już nieinwazyjny system BCI, który umożliwia osobom z ciężką paraplegią chwytanie przedmiotów codziennego użytku poprzez arbitralną zmianę ich fal mózgowych", informuje prof. dr Surjo R. Soekadar, Einstein Professor of Clinical Neurotechnology w Charité, dodając: "Pomimo znacznego postępu, nie było jeszcze możliwe kontrolowanie złożonych ruchów dłoni za pomocą takiego nieinwazyjnego systemu". Intencję ruchu można rozpoznać, ale nie dokładnie, który ruch ma zostać wykonany. Aby to osiągnąć, czułość czujników musiałaby zostać znacznie zwiększona. 

Czujniki kwantowe mierzą fale mózgowe

Dziewięciu partnerów podjęło się tego zadania i uruchomiło projekt "Laserowe magnetometry progowe dla neuronalnych interfejsów komunikacyjnych", w skrócie "NeuroQ". W ramach projektu, który jest finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF), partnerzy projektu opracowują czujniki kwantowe, które są tak czułe, że mogą mierzyć najmniejsze pola magnetyczne generowane przez fale mózgowe. Te kwantowe magnetometry mają zostać zintegrowane z systemem BCI, a tym samym umożliwić osobom sparaliżowanym kontrolowanie egzoszkieletu dłoni znacznie dokładniej niż ma to miejsce obecnie.

Pola magnetyczne zapewniają wyraźniejsze sygnały

W nieinwazyjnych BCI aktywność neuronalna była dotychczas mierzona głównie za pomocą pól elektrycznych. Pomiar pól magnetycznych ma znaczące zalety: "Pola magnetyczne przenikają przez skórę i czaszkę bez zniekształceń, a zatem zapewniają znacznie wyraźniejsze sygnały niż pola elektryczne, ponieważ są one znacznie tłumione na drodze od źródła do czujnika. Magnetoencefalografia (MEG) ma zatem znaczące zalety w porównaniu z elektroencefalografią (EEG), ale jest rzadko stosowana ze względu na przeszkody techniczne", wyjaśnia dr Jan Jeske, kierownik projektu "NeuroQ" i badacz z Fraunhofer IAF. 

Przeszkody techniczne MEG leżą w stosowanych technologiach czujników: czujniki SQUID (nadprzewodzące kwantowe urządzenia interferencyjne) są bardzo precyzyjne, ale wymagają chłodzenia w niskiej temperaturze, co sprawia, że ich użycie jest niezwykle kosztowne i złożone. Magnetometry z pompą optyczną (OPM) oparte na ogniwach parowych nawet przewyższają czułość SQUID, ale działają tylko w polu zera absolutnego - oznacza to, że każde pole magnetyczne tła (w tym ziemskie pole magnetyczne) musi być całkowicie ekranowane dla ich działania, co również wiąże się z ogromnym wysiłkiem konstrukcyjnym. 

"Do tej pory nie zrealizowano magnetometrów, które osiągałyby czułość w warunkach otoczenia - tj. w nieekranowanych środowiskach - która byłaby odpowiednia do wykrywania pól neuromagnetycznych. Projekt "NeuroQ" znacznie przewyższa aktualny stan wiedzy", podsumowuje prof. dr Jörg Wrachtrup, kierownik 3 Instytutu Fizyki na Uniwersytecie w Stuttgarcie. 

Diamentowy czujnik pozwala na zastosowanie w codziennym środowisku 

Szczególną cechą magnetometrów kwantowych, które zostaną opracowane w ramach projektu "NeuroQ", jest ich materiał bazowy: są one oparte na centrach NV (centrach próżniowych azotu) w diamencie i dlatego mają unikalne właściwości: Diamentowe magnetometry kwantowe są jedynymi bardzo czułymi magnetometrami, które działają w temperaturze pokojowej lub w temperaturze ciała. Mierzą również w obecności pola magnetycznego tła i mogą określić dokładny kierunek pola magnetycznego (tj. wszystkie trzy składowe wektora). Są również biokompatybilne i można je zbliżyć do źródła, co z kolei umożliwia uzyskanie silniejszych sygnałów.
Wszystko to oznacza, że diamentowe magnetometry kwantowe mogą być stosowane w klinikach, gabinetach, środowisku rehabilitacyjnym, ale także w domu i życiu codziennym, aby znacząco poprawić jakość życia osób sparaliżowanych i wnieść istotny wkład w ich integrację społeczną. 

Wspólny projekt multidyscyplinarny

Ponieważ opracowane do tej pory magnetometry diamentowe nie osiągają jeszcze wymaganej czułości, w ramach projektu "NeuroQ" powstaną nowe, wysoce czułe magnetometry kwantowe oparte na nowym typie lasera diamentowego NV. System pomiarowy zostanie następnie przekształcony w system BCI z niezbędnym interfejsem komunikacyjnym i wykorzystany do demonstracji, oceny i dalszego rozwoju w środowisku klinicznym w Charité w Berlinie. Uczestniczące w projekcie start-upy oraz małe i średnie przedsiębiorstwa (MŚP) nie tylko wnoszą znaczący wkład w rozwój, ale także w późniejszą komercjalizację technologii, promując w ten sposób transfer wyników do produktów i zastosowań rynkowych. 

BMBF finansuje pięcioletni wspólny projekt w ramach programu "Lighthouse projects in quantum-based measurement technology to overcome social challenges" kwotą prawie 9 milionów euro.

Partnerzy projektu w skrócie: 

Źródło: Fraunhofer IAF

Kontakt zawodowy:

Prof. dr Jörg Wrachtrup, Uniwersytet w Stuttgarcie, 3 Instytut Fizyki, tel. +49 711 685 65278, e-mail

Źródło: Wykorzystanie czujników diamentowych do bardziej precyzyjnego sterowania egzoszkieletami neuronowymi | Aktualności | 24.01.2023 | Uniwersytet w Stuttgarcie (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)