Pour contrôler les prothèses, les signaux du corps doivent être détectés pour déplacer le membre artificiel. À l’heure actuelle, l’implantation d’électrodes est la technique la plus courante, mais elle est invasive et les électrodes peuvent se détériorer ou se déplacer. Une approche complètement différente est actuellement développée par le consortium multidisciplinaire QHMI de Stuttgart, en Allemagne, en utilisant des capteurs quantiques pour détecter les signaux nerveux incroyablement petits et rapides.
Les magnétomètres quantiques ultrasensibles seront transportés à l’extérieur du corps et mesureront les signaux neuronaux à travers la peau. À ce stade, les scientifiques utilisent les numériseurs ultrarapides (M5i.3357) et les générateurs de formes d’ondes arbitraires (M4x.6631) de Spectrum Instrumentation pour caractériser les signaux et pour finalement concevoir les circuits intégrés spécifiques aux applications (ASIC) et les circuits intégrés photoniques (PIC) requis.
Le professeur Jens Anders de l’université de Stuttgart, responsable du projet « Cluster4Future QSens » et scientifique de premier plan du consortium QHMI, explique : « Il s’agit de l’une des premières applications concrètes des sondes à capteurs quantiques, car il n’existe aucun autre moyen de détecter de manière non invasive des changements magnétiques aussi minuscules, de l’ordre de 10 à 100 picoTeslas pour les muscles, soit six ordres de grandeur plus petits que le champ magnétique terrestre. »
« Nos tests montrent que nos capteurs sont suffisamment sensibles pour détecter les signaux neuronaux transmis aux muscles à travers la peau. Même une petite quantité de muscle restant, par exemple celui de l’avant-bras, peut en principe être utilisée à cette fin. Nous travaillons sur une sensibilité encore plus grande pour les changements magnétiques femtoTeslas que nous devons mesurer pour détecter les signaux dans le cerveau sans percer la peau. »
Un circuit imprimé de test avec des circuits intégrés personnalisés et des capteurs quantiques. Copyright par l’Université de Stuttgart Max Kovalenko
Au cœur de cette technologie se trouve un dispositif de résonance magnétique à détection optique (ODMR) constitué d’une minuscule tranche de diamant. Le diamant est dopé avec des centres d’azote vacants (centres NV), qui ont un spin électronique net et se comportent donc comme de minuscules aimants en barre. Lorsqu’ils sont irradiés par une lumière laser verte, ils produisent un signal de fluorescence rouge. En appliquant un champ magnétique micro-onde approprié, ce signal de fluorescence est très sensible aux champs magnétiques externes, ce qui permet de mesurer les signaux neuronaux avec une précision extrême.
Vérification des ASIC sur le PCB de test avec un microscope. Copyright par l’Université de Stuttgart Max Kovalenko
Les champs magnétiques micro-ondes nécessaires pour contrôler les spins du centre NV sont générés à l’aide de bobines adaptées pilotées par un émetteur micro-ondes. Les signaux de bande de base de cet émetteur sont générés à l’aide d’un générateur de formes d’ondes arbitraires (AWG) pour fournir la modulation de phase et d’amplitude requise du signal porteur qui rend le signal d’excitation plus robuste face aux non-idéalités expérimentales. Les signaux de fluorescence résultants, qui transportent les informations des champs magnétiques neuronaux, sont ensuite capturés par une photodiode, amplifiés, filtrés et numérisés pour un traitement avancé du signal.
Le numériseur phare M5i.3357 avec un taux d’échantillonnage de 10 GS/s et une résolution de 12 bits et le best-seller AWG M4i.6631 avec un taux de sortie de 1,25 GS/s et une résolution de 16 bits.
Les cartes Spectrum ont été choisies par l’équipe pour plusieurs raisons. Tout d’abord, elles présentent une plage dynamique extrêmement élevée et de bonnes performances en termes de bruit, ce qui est essentiel pour des signaux aussi minuscules.
Ensuite, elles sont très rapides, ce qui leur permet de capturer les signaux rapides associés aux schémas d’excitation pulsée avancés, qui peuvent nécessiter une bande passante supérieure à 100 MHz. Troisièmement, elles offrent un excellent rapport performances/prix. Enfin, la garantie de cinq ans permet de s’assurer qu’un élément essentiel de la recherche est valable cinq ans, car il est presque impossible d’obtenir un financement pour remplacer un équipement défaillant.
Les sondes de capteurs quantiques ont actuellement la taille d’une boîte d’allumettes et mesureront à l’avenir environ un centimètre cube et seront reliées à un boîtier de commande de la taille d’une grande boîte d’allumettes qui abrite l’électronique de traitement et la batterie. L’objectif est d’utiliser l’intégration microélectronique et photonique pour réduire encore davantage la taille du boîtier de commande et prolonger la durée de vie de la batterie pour une journée d’utilisation avant de la recharger. On espère que les prothèses commenceront à être disponibles d’ici trois à quatre ans.
https://www.qsens.org/project/qhmi-mensch-maschine-schnittstelle/
