Spectrum儀器數(shù)字化儀應(yīng)用：通過量子傳感器控制假肢
中國北京，2024年12月4日訊 —— 通常，我們需要通過識(shí)別人體發(fā)出的信號(hào)來控制假肢。目前，通過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，他們通過量子傳感器檢測微小且快速的神經(jīng)信號(hào)。靈敏的量子磁力計(jì)被置于體外，通過皮膚實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的測量。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)出所需的專用集成電路（ASIC）和光子集成電路（PIC）。
圖（一）移動(dòng)假肢新方式，通過皮膚上的量子傳感器代替了體內(nèi)的電極
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）之間的磁場比地球磁場小6個(gè)數(shù)量級(jí)。迄今為止，還沒有任何方法能夠以非侵入性的方式檢測出肌肉中如此微小的磁變化。測試表明，我們傳感器的靈敏度，足以通過皮膚檢測到肌肉中的神經(jīng)信號(hào)。理論上來說，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)別磁場變化的靈敏度，從而在不破壞皮膚的情況下探測到大腦中的信號(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)。通過加入適當(dāng)?shù)奈⒉ù艌觯@種熒光信號(hào)就會(huì)對(duì)外部磁場表現(xiàn)得非常敏感，可以用來精準(zhǔn)測量神經(jīng)信號(hào)。
圖（二）帶有定制化集成電路和量子傳感器的測試PCB
圖（三）用顯微鏡測試PCB上的ASIC
控制氮空位中心自旋所需的微波磁場是由合適的線圈產(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?？?，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100 MHz以上。第三，從性能與價(jià)格的角度來看，Spectrum儀器的產(chǎn)品具有極高的性價(jià)比。最后，高于行業(yè)基準(zhǔn)的五年質(zhì)保更加令人放心。一般來講，如果研究中的組件在五年內(nèi)損壞，很難獲得資金來更換故障設(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，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)是通過微電子和光子集成技術(shù)進(jìn)一步縮小控制盒，延長電池壽命，使設(shè)備電池的使用時(shí)間能夠長達(dá)一天。該系列假肢預(yù)計(jì)在未來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，Spectrum儀器的客戶遍布全球，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儀器總部位于德國漢堡附近，旗下產(chǎn)品均享受5年質(zhì)保以及來自工程師團(tuán)隊(duì)的卓越服務(wù)。更多詳情，請(qǐng)?jiān)L問公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com 。
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