Spectrum仪器数字化仪应用：通过量子传感器控制假肢

中国北京，2024年12月4日讯 —— 通常，我们需要通过识别人体发出的信号来控制假肢。目前，通过植入电极的方式控制假肢是最为普遍的技术。然而，这种侵入式方法很可能导致电极的退化或移位。位于德国斯图加特的多学科联合体 QHMI 研发了一种全新的方法，他们通过量子传感器检测微小且快速的神经信号。灵敏的量子磁力计被置于体外，通过皮肤实现神经信号的测量。目前，科学家们正在使用Spectrum 仪器所提供的超高速数字化仪(M5i.3357)以及任意波形发生器(M4x.6631)对信号进行建模，并最终设计出所需的专用集成电路（ASIC）和光子集成电路（PIC）。

图（一）移动假肢新方式，通过皮肤上的量子传感器代替了体内的电极

斯图加特大学“Cluster4Future QSens”项目负责人兼QHMI联盟资深科学家Jens Anders表示：“这是量子传感器探针在现实生活中的首次应用。因为肌肉在10至100皮特（picoTeslas）之间的磁场比地球磁场小6个数量级。迄今为止，还没有任何方法能够以非侵入性的方式检测出肌肉中如此微小的磁变化。测试表明，我们传感器的灵敏度，足以通过皮肤检测到肌肉中的神经信号。理论上来说，诸如神经信号较少的上臂肌肉也同样适用。目前，我们正在努力提升传感器对飞米（femtoTesla）级别磁场变化的灵敏度，从而在不破坏皮肤的情况下探测到大脑中的信号。”

这项技术的核心是一个由钻石薄片制成的光学检测磁共振（ODMR）装置。钻石中掺入了含有净电子自旋的氮空位中心（NV 中心）。因此，其作用就如同微小的条形磁铁。当绿色激光照上时，就会发出红色荧光信号。通过加入适当的微波磁场，这种荧光信号就会对外部磁场表现得非常敏感，可以用来精准测量神经信号。

图（二）带有定制化集成电路和量子传感器的测试PCB

图（三）用显微镜测试PCB上的ASIC

控制氮空位中心自旋所需的微波磁场是由合适的线圈产生，并由微波发射器驱动。这个发射器的基带信号由任意波形发生器（AWG）产生，以提供所需的载波信号相位和幅度调制，使激发信号在理想的实验条件下更加稳定。随后，带有神经磁场信息的荧光信号会由光电二极管捕获、放大、滤波和数字化，以便进行高级信号处理。

Spectrum仪器公司的产品能够在众多竞品中多颖而出的原因有很多。首先，它们具备极高的动态范围且噪音性能表现极佳，这对于捕捉微弱信号至关重要。其次，产品速度非常快，能够捕捉与高级脉冲激发方案相关的快速信号，这就需要带宽至少超过100 MHz以上。第三，从性能与价格的角度来看，Spectrum仪器的产品具有极高的性价比。最后，高于行业基准的五年质保更加令人放心。一般来讲，如果研究中的组件在五年内损坏，很难获得资金来更换故障设备。

M5i.3357数字化仪旗舰产品，采样率为10 GS/s，分辨率为12位
畅销产品AWG M4x.6631，输出率为1.25 GS/s，分辨率为16位

目前，量子传感器探头约为一个火柴盒大小。未来，其体积将缩小至1立方厘米左右，并将与电子处理器和电池共同置放于一个大号火柴盒大小的控制盒中。其目标是通过微电子和光子集成技术进一步缩小控制盒，延长电池寿命，使设备电池的使用时间能够长达一天。该系列假肢预计在未来3、4年可投入使用。

图二与图三版权均为斯图加特大学Max Kovalenko所有

关于Spectrum仪器

Spectrum仪器公司成立于1989年，采用独特的模块化理念设计和生产了200多种数字化仪和发生器产品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及独立的以太网设备（LXI）。三十多年来，Spectrum仪器的客户遍布全球，产品也被众多行业的领军企业和知名大学使用。Spectrum仪器总部位于德国汉堡附近，旗下产品均享受5年质保以及来自工程师团队的卓越服务。更多详情，请访问公司官网www.spectrum-instrumentation.com 。