Интерфейсы мозг-компьютер могут вернуть парализованным людям часть их способности двигаться, управляя экзоскелетами. Однако более сложные сигналы управления пока не могут быть считаны с поверхности головы, поскольку обычные датчики недостаточно чувствительны для этого. Консорциум, состоящий из Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, University of Stuttgart и промышленных партнеров, взялся за решение этой задачи: В рамках недавно запущенного проекта BMBF "NeuroQ" партнеры по проекту разрабатывают высокочувствительные квантовые датчики на основе алмазов, которые позволят парализованным людям более точно управлять нейронными экзоскелетами. 

Например, для людей, которые не могут двигать руками или ногами из-за травмы спинного мозга, инсульта или другого заболевания, интерфейсы мозг-компьютер (BCI) дают большую надежду: Эти интерфейсы "мозг-компьютер" позволяют управлять устройством, используя только мозговую активность - например, экзоскелетом можно управлять, просто представляя себе движения. Таким образом, BCI дают парализованным людям шанс вернуть контроль над частью своей способности двигаться.

Пациент тестирует разработанный в Шарите интерфейс мозг-компьютер для управления экзоскелетной рукой.

BCI, которые измеряют активность мозга с поверхности головы, имеют то преимущество, что избавляют пациентов от сложного и рискованного хирургического вмешательства в мозг. "Мы уже разработали неинвазивную систему BCI, которая позволяет людям с тяжелой параплегией хватать повседневные предметы путем произвольного изменения их мозговых волн", - сообщает профессор Сурджо Р. Соекадар, профессор клинической нейротехнологии Эйнштейна в Шарите, добавляя: "Однако, несмотря на значительный прогресс, пока не удается контролировать сложные движения рук с помощью такой неинвазивной системы". Можно распознать намерение движения, но не то, какое именно движение должно быть выполнено. Чтобы добиться этого, необходимо значительно повысить чувствительность датчиков. 

Квантовые датчики измеряют мозговые волны

Девять партнеров взялись за эту задачу и запустили проект "Лазерные пороговые магнитометры для нейронных коммуникационных интерфейсов", или сокращенно "NeuroQ". В рамках проекта, который финансируется Федеральным министерством образования и научных исследований Германии (BMBF), партнеры разрабатывают квантовые датчики, которые настолько чувствительны, что могут измерять мельчайшие магнитные поля, генерируемые мозговыми волнами. Эти квантовые магнитометры планируется интегрировать в систему BCI, что позволит парализованным людям управлять ручным экзоскелетом гораздо точнее, чем это возможно в настоящее время.

Магнитные поля обеспечивают более четкие сигналы

В неинвазивных BCI активность нейронов до сих пор измерялась в основном с помощью электрических полей. Измерение магнитных полей имеет значительные преимущества: "Магнитные поля проникают через кожу и череп без искажений и поэтому дают гораздо более четкие сигналы, чем электрические поля, поскольку они сильно ослабляются на пути от источника к датчику". Магнитоэнцефалография (МЭГ) имеет значительные преимущества перед электроэнцефалографией (ЭЭГ), но редко используется из-за технических трудностей", - объясняет д-р Ян Йеске, руководитель проекта "NeuroQ" и научный сотрудник Fraunhofer IAF. 

Технические трудности МЭГ заключаются в используемых сенсорных технологиях: SQUID-датчики (сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы) обладают высокой точностью, но требуют низкотемпературного охлаждения, что делает их использование чрезвычайно дорогим и сложным. Магнитометры с оптической накачкой (OPM) на основе паровых элементов даже превосходят по чувствительности SQUID, но работают только в абсолютном нулевом поле - это означает, что для их работы необходимо полностью экранировать любое фоновое магнитное поле (включая магнитное поле Земли), что также требует огромных конструктивных усилий. 

"На сегодняшний день не существует магнитометров, которые бы достигали чувствительности в условиях окружающей среды - т.е. в неэкранированном окружении - пригодной для обнаружения нейромагнитных полей. Проект "NeuroQ" значительно превосходит уровень техники", - резюмирует проф. д-р Йорг Рахтруп, руководитель 3-го Института физики Штутгартского университета. 

Датчик на алмазной основе позволяет использовать его в повседневной среде 

Особенностью квантовых магнитометров, которые будут разработаны в рамках проекта "NeuroQ", является их базовый материал: они основаны на NV-центрах (азотно-вакансионных центрах) в алмазе и поэтому обладают уникальными свойствами: Алмазные квантовые магнитометры - единственные высокочувствительные магнитометры, работающие при комнатной температуре или температуре тела. Они также измеряют в присутствии фонового магнитного поля и могут определять точное направление магнитного поля (т.е. все три компоненты вектора). Кроме того, они биосовместимы и могут быть приближены к источнику, что, в свою очередь, позволяет получать более сильные сигналы.
Все это означает, что алмазные квантовые магнитометры можно будет использовать в клиниках, операционных, в реабилитационной среде, а также дома и в повседневной жизни, чтобы значительно улучшить качество жизни парализованных людей и внести важный вклад в их социальную интеграцию. 

Совместный мультидисциплинарный проект

Поскольку разработанные на сегодняшний день алмазные магнитометры пока не достигают требуемой чувствительности, в рамках проекта "NeuroQ" будут реализованы новые высокочувствительные квантовые магнитометры на основе нового типа алмазного лазера NV. Затем измерительная система будет разработана в систему BCI с необходимым коммуникационным интерфейсом и использована для демонстрации, оценки и дальнейшей разработки в клинических условиях в клинике Шарите в Берлине. Участвующие в проекте стартапы и малые и средние предприятия (МСП) вносят значительный вклад не только в разработку, но и в последующую коммерциализацию технологии, способствуя тем самым переводу результатов в товарные продукты и приложения. 

BMBF финансирует пятилетний совместный проект в рамках программы "Lighthouse projects in quantum-based measurement technology to overcome social challenges" на общую сумму почти 9 миллионов евро.

Партнеры проекта с первого взгляда: 

Источник: Fraunhofer IAF

Профессиональный контакт:

Проф. д-р Йорг Рахтруп, Университет Штутгарта, 3-й Институт физики, тел. +49 711 685 65278, e-mail

Источник: Использование алмазных датчиков для более точного управления нейронными экзоскелетами | Новости | 24.01.2023 | Университет Штутгарта (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)