30.01.2023

Diamant-Sensoren messen Hirnströme

Projekt NeuroQ für die Entwicklung sensitiver Quantensensoren gestartet.

Gehirn-Computer-Schnittstellen können gelähmten Menschen durch die Steuerung von Exoskeletten einen Teil ihrer Bewegungs­fähigkeit zurückgeben. Von der Kopfoberfläche lassen sich komplexere Steuer­signale bislang jedoch nicht auslesen, weil herkömmliche Sensoren hierfür nicht sensitiv genug sind. Dieser Herausforderung hat sich ein Verbund aus Fraunhofer IAF, Charité – Universitäts­medizin Berlin, Universität Stuttgart und Industrie­partnern angenommen: Im kürzlich gestarteten BMBF-Leuchtturmprojekt „NeuroQ“ entwickeln die Projektpartner hochsensitive diamant­basierte Quanten­sensoren, die es Gelähmten ermöglichen sollen, neurale Exoskelette präziser zu steuern.

Abb.: Ein Patient testet ein von der Charité entwickeltes...
Abb.: Ein Patient testet ein von der Charité entwickeltes Brain-Computer-Interface zur Steuerung einer Exoskelett-Hand. (Bild: AG Klin. Neurotech., Charité)

Für Menschen, die beispielsweise aufgrund einer Rückenmarks­verletzung, eines Schlaganfalls oder einer anderen Krankheit ihre Hände oder Beine nicht bewegen können, stellen Brain-Computer-Interfaces (BCIs) eine große Hoffnung dar: Diese Gehirn-Computer-Schnitt­stellen ermöglichen die Steuerung eines Gerätes allein mittels Hirnaktivität – so kann etwa ein Exoskelett nur durch die Vorstellung von einer Bewegung gesteuert werden. Damit bieten BCIs gelähmten Menschen die Chance, die Kontrolle über einen Teil ihrer Bewegungs­fähigkeit wieder­zuerlangen. BCIs, die Hirnaktivität von der Kopfoberfläche messen, haben den Vorteil, dass sie Patienten einen aufwendigen und risiko­behafteten chirur­gischen Eingriff am Gehirn ersparen.

„Wir haben bereits ein nicht-invasives BCI-System entwickelt, das es Menschen mit hoher Querschnitts­lähmung ermöglicht, mittels willkür­licher Veränderung ihrer Hirnströme, Alltagsgegen­stände zu greifen“, berichtet Surjo R. Soekadar von der Arbeits­gruppe Klinische Neuro­technologie an der Charité, und fügt hinzu: „Trotz der beachtlichen Fortschritte ist es bislang jedoch nicht gelungen, komplexe Hand­bewegungen mit einem solchen nicht-invasiven System zu steuern.“ So lässt sich zwar die Bewegungs­absicht erkennen, aber nicht, welche Bewegung genau ausgeführt werden soll. Um dies zu erreichen, müsste die Sensitivität der Sensoren erheblich gesteigert werden.

Dieser Aufgabe haben sich nun neun Partner angenommen und das Projekt „Laser­schwellen-Magnetometer für neuronale Kommunikations­schnittstellen“, kurz „NeuroQ“, gestartet. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Vorhaben entwickeln die Projektpartner Quanten­sensoren, die so sensitiv sind, dass sie kleinste Magnetfelder, die durch Hirnströme entstehen, messen können. Diese Quanten­magnetometer sollen in ein BCI-System integriert werden und es damit Gelähmten ermöglichen, ein Hand-Exoskelett deutlich präziser zu steuern als es bislang der Fall ist.

Bei nicht-invasiven BCIs erfolgt die Messung der neuronalen Aktivität bislang hauptsächlich über elek­trische Felder. Dabei bringt die Messung von Magnetfeldern erhebliche Vorteile mit sich: „Magnetfelder durch­dringen Haut und Schädel unverzerrt und liefern damit wesentlich deutlichere Signale als elektrische Felder, da diese auf dem Weg von der Quelle zum Sensor stark abgeschwächt werden. So hat die Magneto-Enzephalo­graphie (MEG) signifikante Vorteile gegenüber der Elektro-Enzephalo­graphie (EEG), wird jedoch aufgrund technischer Hürden nur selten angewendet“, erklärt Projektleiter Jan Jeske vom Fraunhofer IAF. Die technischen Hürden von MEGs liegen an den eingesetzten Sensor­technologien: SQUID-Sensoren sind zwar hochpräzise, benötigen allerdings eine intensive Kühlung, was ihren Einsatz extrem teuer und aufwendig macht. Optisch gepumpte Magneto­meter (OPMs) auf der Basis von Dampfzellen übertreffen sogar die Sensi­tivität von SQUIDs, funktionieren jedoch nur im absoluten magne­tischen Nullfeld, was wegen der Abschirmung einen enormen bautechnischen Aufwand mit sich bringt.

„Bislang sind keine Magneto­meter realisiert worden, die unter Umgebungs­bedingungen – also in nicht abgeschirmten Umgebungen – eine Empfindlichkeit erreichen, die für den Nachweis neuromagnetischer Felder geeignet wäre. Das Vorhaben von NeuroQ übertrifft den Stand der Technik erheblich“, fasst Jörg Wrachtrup, Leiter des 3. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart, zusammen. Das Besondere an den zu entwickelnden Quanten­magnetometer ist ihr Ausgangsmaterial: Sie basieren auf NV-Zentren (nitrogen-vacancy center) in Diamant und verfügen damit über einzigartige Eigenschaften: Diamant-Quanten­magnetometer sind die einzigen hochsensitiven Magnetometer, die bei Raum- oder Körpertemperatur funktionieren. Sie messen auch in Anwesenheit eines Hintergrund­magnetfelds und können die genaue Richtung eines Magnetfeldes bestimmen. Zudem sind sie biokompatibel und können nah an die Quelle herangebracht werden, was wiederum stärkere Signale ermöglicht.

Das alles führt dazu, dass Diamant-Quanten­magnetometer perspektivisch in Kliniken, Praxen, einer Reha-Umgebung, aber auch zu Hause und im Alltag eingesetzt werden könnten, um die Lebensqualität gelähmter Menschen wesentlich zu verbessern und einen wichtigen Beitrag zu ihrer gesellschaftlichen Inklusion zu leisten. Da die bislang entwickelten Diamant-Magnetometer die geforderte Empfindlichkeit noch nicht erreichen, sollen zunächst neue hochsensitive Quanten­magnetometer auf Basis eines neuartigen NV-Diamant-Lasers realisiert werden. Das Messystem wird anschließend mit der benötigten Kommunikations­schnittstelle zu einem BCI-System entwickelt und zur Demonstration, Auswertung und Weiterentwicklung im klinischen Umfeld an der Charité in Berlin eingesetzt.

Die beteiligten Start-ups sowie kleine und mittlere Unternehmen leisten nicht nur einen erheblichen Beitrag zur Entwicklung, sondern auch zur anschließenden Verwertung der Technologie und fördern damit den Transfer der Ergebnisse in marktfähige Produkte und Anwendungen. Das BMBF fördert das fünfjährige Verbund­vorhaben im Rahmen der Maßnahme „Leuchtturm­projekte der quantenbasierten Messtechnik zur Bewältigung gesell­schaftlicher Herausforderung“ mit insgesamt knapp neun Millionen Euro.

Fh.-IAF / JOL

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