腦機接口能夠通過控制外骨骼來恢復(fù)癱瘓患者的部分活動能力。然而，由于傳統(tǒng)傳感器不夠靈敏，還不能從頭部表面讀取更復(fù)雜的控制信號。Fraunhofer IAF、柏林夏里特醫(yī)學(xué)院、斯圖加特大學(xué)和其他工業(yè)合作伙伴的合作已經(jīng)接受了這一挑戰(zhàn)：在最近啟動的NeuroQ燈塔項目中，項目合作伙伴開發(fā)了高度靈敏的基于金剛石的量子傳感器，使癱瘓的人能夠更精確地控制神經(jīng)外骨骼。

患者測試

由Charité開發(fā)的腦機接口來控制外骨骼手

       對于由于脊髓損傷、中風(fēng)或其他疾病而無法移動手或腿的人來說，所謂的腦機接口（BCI）提供了巨大的希望：它們允許僅由大腦活動控制設(shè)備——例如，外骨骼可以僅通過想象運動來操作。因此，BCI為癱瘓的人提供了重新控制其某些運動的機會。

       從頭部表面測量大腦活動的BCI的優(yōu)點是使患者免于復(fù)雜而危險的腦部手術(shù)?！拔覀円呀?jīng)開發(fā)了一種非侵入性BCI系統(tǒng)，使高度截癱的人能夠通過腦電波的任意變化來抓住日常物品，”夏里特醫(yī)學(xué)院臨床神經(jīng)技術(shù)教授Surjo Soekadar教授博士補充說：              “然而，盡管取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但目前還不可能用這種非侵入性系統(tǒng)控制復(fù)雜的手部動作。因此，盡管可以檢測到移動的意圖，但無法準(zhǔn)確確定要執(zhí)行的移動。為此，必須大大提高傳感器的靈敏度。

       量子傳感器測量腦電波

       來自研究和工業(yè)界的九個合作伙伴現(xiàn)在已經(jīng)承擔(dān)了這項任務(wù)，并啟動了“用于神經(jīng)通信接口的激光閾值磁力計”項目，簡稱NeuroQ。在這個由德國聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）資助的項目中，項目合作伙伴開發(fā)了非常靈敏的量子傳感器，可以測量腦電波產(chǎn)生的最小磁場。這些量子磁力計將被集成到BCI系統(tǒng)中，使癱瘓的人能夠比目前更精確地控制手部外骨骼。

       磁場提供更清晰的信號

       在非侵入性BCI中，神經(jīng)元活動的測量迄今為止主要通過電場進(jìn)行。然而，磁場的測量具有相當(dāng)大的優(yōu)勢：“磁場穿透皮膚和顱骨而不失真，因此提供比電場更清晰的信號，因為這些信號在從源到傳感器的途中會強烈衰減。因此，腦磁圖（MEG）比腦電圖（EEG）具有顯著優(yōu)勢，但由于技術(shù)障礙，很少使用，“NeuroQ項目負(fù)責(zé)人兼Fraunhofer IAF研究員Jan Jeske博士解釋說。

       MEG的技術(shù)障礙與所使用的傳感器技術(shù)有關(guān)：SQUID傳感器（超導(dǎo)量子干涉器件）精度高，但需要低溫冷卻，這使得它們的使用極其昂貴和復(fù)雜?；谡羝氐墓鈱W(xué)泵浦磁力計（OPM）甚至超過了SQUID的靈敏度，但只能在零場環(huán)境中工作 - 這意味著任何背景磁場（包括地球磁場）都必須完全屏蔽才能運行，并且伴隨著大量的建設(shè)工作。

       “到目前為止，還沒有實現(xiàn)在環(huán)境條件下（即在非屏蔽環(huán)境中）實現(xiàn)適合檢測神經(jīng)磁場的靈敏度的磁力計。NeuroQ的目標(biāo)大大超過了最先進(jìn)的技術(shù)，“斯圖加特大學(xué)第三物理研究所所長J?rg Wrachtrup教授總結(jié)道。

       基于金剛石的傳感器允許在日常環(huán)境中使用

       在NeuroQ項目中開發(fā)的量子磁力計的突出特點是它們的起始材料。它們基于金剛石中的NV（氮空位）中心，因此具有獨特的特性：金剛石量子磁力計是唯一在室溫或體溫下工作的高靈敏度磁力計。它們也可以在存在背景磁場的情況下操作，并能夠確定磁場的確切方向（即矢量的所有三個分量）。此外，它們具有生物相容性，可以靠近信號源，從而產(chǎn)生更強的信號。

       所有這些都導(dǎo)致這樣一個事實，即金剛石量子磁力計可用于診所、醫(yī)療實踐、康復(fù)環(huán)境，也可以用于家庭和日常生活，以顯著改善癱瘓者的生活質(zhì)量，并為他們的社會包容做出重要貢獻(xiàn)。

       多學(xué)科合作項目

       由于迄今為止開發(fā)的金剛石磁力計尚未達(dá)到所需的靈敏度，因此將首先在NeuroQ的框架內(nèi)實現(xiàn)基于新型NV金剛石激光器的新型高靈敏度量子磁力計。通過所需的通信接口，測量系統(tǒng)將進(jìn)一步開發(fā)為BCI系統(tǒng)，并用于柏林夏里特醫(yī)學(xué)院臨床環(huán)境中的演示，評估和進(jìn)一步發(fā)展。

       所涉及的初創(chuàng)企業(yè)和中小型企業(yè)（SME）不僅對該技術(shù)的開發(fā)而且對隨后的開發(fā)做出了重大貢獻(xiàn)，從而促進(jìn)了將成果轉(zhuǎn)化為適銷對路的產(chǎn)品和應(yīng)用。

       BMBF正在資助這個為期五年的合作項目，作為“基于量子的計量燈塔項目以應(yīng)對社會挑戰(zhàn)”措施的一部分，總額近9萬歐元。