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Neuartige Gehirn-Maschine Schnittstelle basierend auf Quantensensoren

Quantensensoren für die hochpräzise Messung schwacher Magnetfelder

Die Forschung an optisch aktiven Farbzentren in Festkörpern hat sich in der vergangenen Dekade rasant entwickelt. Vielfältige Untersuchen zur optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) in Festkörpern in den 1970er bis 1990er Jahren haben die Grundlage für die Entwicklung von Diamantquantensensoren geschaffen.

Diamant-Magnetfeldsensoren basieren auf dem optischen Nachweis der Elekronenspinresonanz von Stickstoff-Fremdatomen in einem Diamant-Kristallgitter. Die Energieaufspaltung zwischen zwei Elektronenniveaus dieser Fremdatome ist proportional zum zu messenden Magnetfeld.

Die zentrale Eigenschaft von solchen NV-Zentren (NV=Nitrogen/Vacancy) ist die lange Lebensdauer der erzeugten Quantenzustände. NV-Zentren bieten bedingt durch die effiziente Abschirmung innerhalb der Diamantmatrix – soweit bekannt – von allen Elektronenspin-Systemen die längsten Kohärenzzeiten im Festkörper bei Raumtemperatur. Mit Blick auf die Anwendung des Systems als Sensor ermöglicht diese Eigenschaft die genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann somit insbesondere das Magnetfeld exakt und mit höchster Präzision bestimmt werden.

Ultrapräzise Magnetsensoren als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle

Der Nachweis neuraler Aktivität über elektrische und magnetische Signaturen, die in direkter Nähe zum Kopf aufgezeichnet werden, ist inzwischen Teil der aktuell verwendeten medizinischen Diagnostik und ein unverzichtbares Hilfsmittel in der medizinischen Forschung. Weiterhin werden beispielsweise isolierte neuronale Signale fern des Kopfes bereits genutzt, um Menschen mit amputierten Gliedmaßen eine aktive Bewegung von Prothesen zu ermöglichen. Dabei dienen elektrische Nervenpotenziale am Prothesenansatz zur Steuerung.

Allerdings sind Systeme zur Ableitung komplexer Nutzerbefehle aus neuronalen Signaturen des Gehirns basierend auf Elektroenzephalografiesystemen (EEG) bisher nicht zuverlässig verwendbar. Aktuell weisen Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Texteingabe basierend auf EEG-Systemen ohne Berücksichtigung von Autokorrekturfunktionen Fehlerraten zwischen 20 und 30 % auf.

Systeme, die auf der Detektion neuronaler Magnetfelder beruhen, erlauben im Vergleich zu EEG Systemen eine deutlich genauere Ortsauflösung und Quantifizierung neuronaler Aktivität im Gehirn. Mensch-Maschine-Schnittstellen, die auf der Messung neuronaler Magnetfelder im Gehirn basieren, werden daher als eine vielversprechende Möglichkeit gesehen, zuverlässige Gehirn-Maschine-Schnittstellen mit breiten Anwendungsmöglichkeiten zu schaffen.

Am Ende dieses Projektes soll der Nachweis erbracht werden, Magnetfelder des auditiven Kortex mit einem miniaturisierten Sensorsystem am Kopf eines Probanden nachzuweisen. Das Sensorsystem soll dabei eine Empfindlichkeit von 1 Pikotesla (10-12 T) aufweisen.

Projektdetails

Koordinator

Prof. Dr.Jörg Wrachtrup
Universität Stuttgart - 3. Physikalisches Institut
Pfaffenwaldring 57, 70569Stuttgart
+49 711 685-65278

Projektvolumen

2,8 Mio. € (ca. 79% Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.08.2017 - 31.07.2020

Projektpartner

Universität Stuttgart - 3. Physikalisches InstitutStuttgart
Robert Bosch GmbH - Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung - MikrosystemtechnikRenningen
Universität Ulm - Fakultät für Naturwissenschaften - Fachbereich Physik - Institut für QuantenoptikUlm
Johannes Gutenberg-Universität Mainz - FB 08 Physik, Mathematik und Informatik - Institut für PhysikMainz