Spectrum儀器數(shù)字化儀應(yīng)用：通過(guò)量子傳感器控制假肢

中國(guó)北京，2024年12月4日訊 —— 通常，我們需要通過(guò)識(shí)別人體發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制假肢。目前，通過(guò)植入電極的方式控制假肢是最為普遍的技術(shù)。然而，這種侵入式方法很可能導(dǎo)致電極的退化或移位。位于德國(guó)斯圖加特的多學(xué)科聯(lián)合體 QHMI 研發(fā)了一種全新的方法，他們通過(guò)量子傳感器檢測(cè)微小且快速的神經(jīng)信號(hào)。靈敏的量子磁力計(jì)被置于體外，通過(guò)皮膚實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的測(cè)量。目前，科學(xué)家們正在使用Spectrum 儀器所提供的超高速數(shù)字化儀(M5i.3357)以及任意波形發(fā)生器(M4x.6631)對(duì)信號(hào)進(jìn)行建模，并最終設(shè)計(jì)出所需的專(zhuān)用集成電路（ASIC）和光子集成電路（PIC）。

斯圖加特大學(xué)“Cluster4Future QSens”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人兼QHMI聯(lián)盟資深科學(xué)家Jens Anders表示：“這是量子傳感器探針在現(xiàn)實(shí)生活中的首次應(yīng)用。因?yàn)榧∪庠?0至100皮特（picoTeslas）之間的磁場(chǎng)比地球磁場(chǎng)小6個(gè)數(shù)量級(jí)。迄今為止，還沒(méi)有任何方法能夠以非侵入性的方式檢測(cè)出肌肉中如此微小的磁變化。測(cè)試表明，我們傳感器的靈敏度，足以通過(guò)皮膚檢測(cè)到肌肉中的神經(jīng)信號(hào)。理論上來(lái)說(shuō)，諸如神經(jīng)信號(hào)較少的上臂肌肉也同樣適用。目前，我們正在努力提升傳感器對(duì)飛米（femtoTesla）級(jí)別磁場(chǎng)變化的靈敏度，從而在不破壞皮膚的情況下探測(cè)到大腦中的信號(hào)。”

這項(xiàng)技術(shù)的核心是一個(gè)由鉆石薄片制成的光學(xué)檢測(cè)磁共振（ODMR）裝置。鉆石中摻入了含有凈電子自旋的氮空位中心（NV 中心）。因此，其作用就如同微小的條形磁鐵。當(dāng)綠色激光照上時(shí)，就會(huì)發(fā)出紅色熒光信號(hào)。通過(guò)加入適當(dāng)?shù)?a target="_blank">微波磁場(chǎng)，這種熒光信號(hào)就會(huì)對(duì)外部磁場(chǎng)表現(xiàn)得非常敏感，可以用來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量神經(jīng)信號(hào)。

控制氮空位中心自旋所需的微波磁場(chǎng)是由合適的線(xiàn)圈產(chǎn)生，并由微波發(fā)射器驅(qū)動(dòng)。這個(gè)發(fā)射器的基帶信號(hào)由任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生，以提供所需的載波信號(hào)相位和幅度調(diào)制，使激發(fā)信號(hào)在理想的實(shí)驗(yàn)條件下更加穩(wěn)定。隨后，帶有神經(jīng)磁場(chǎng)信息的熒光信號(hào)會(huì)由光電二極管捕獲、放大、濾波和數(shù)字化，以便進(jìn)行高級(jí)信號(hào)處理。

Spectrum儀器公司的產(chǎn)品能夠在眾多競(jìng)品中多穎而出的原因有很多。首先，它們具備極高的動(dòng)態(tài)范圍且噪音性能表現(xiàn)極佳，這對(duì)于捕捉微弱信號(hào)至關(guān)重要。其次，產(chǎn)品速度非常快，能夠捕捉與高級(jí)脈沖激發(fā)方案相關(guān)的快速信號(hào)，這就需要帶寬至少超過(guò)100 MHz以上。第三，從性能與價(jià)格的角度來(lái)看，Spectrum儀器的產(chǎn)品具有極高的性?xún)r(jià)比。最后，高于行業(yè)基準(zhǔn)的五年質(zhì)保更加令人放心。一般來(lái)講，如果研究中的組件在五年內(nèi)損壞，很難獲得資金來(lái)更換故障設(shè)備。

M5i.3357數(shù)字化儀旗艦產(chǎn)品，采樣率為10 GS/s，分辨率為12位
暢銷(xiāo)產(chǎn)品AWG M4x.6631，輸出率為1.25 GS/s，分辨率為16位

目前，量子傳感器探頭約為一個(gè)火柴盒大小。未來(lái)，其體積將縮小至1立方厘米左右，并將與電子處理器和電池共同置放于一個(gè)大號(hào)火柴盒大小的控制盒中。其目標(biāo)是通過(guò)微電子和光子集成技術(shù)進(jìn)一步縮小控制盒，延長(zhǎng)電池壽命，使設(shè)備電池的使用時(shí)間能夠長(zhǎng)達(dá)一天。該系列假肢預(yù)計(jì)在未來(lái)3、4年可投入使用。

圖二與圖三版權(quán)均為斯圖加特大學(xué)Max Kovalenko所有

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器公司成立于1989年，采用獨(dú)特的模塊化理念設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了200多種數(shù)字化儀和發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨(dú)立的以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。三十多年來(lái)，Spectrum儀器的客戶(hù)遍布全球，產(chǎn)品也被眾多行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)和知名大學(xué)使用。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近，旗下產(chǎn)品均享受5年質(zhì)保以及來(lái)自工程師團(tuán)隊(duì)的卓越服務(wù)。更多詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com 。

審核編輯 黃宇