Prothèses de Nouvelle Génération : Détection des Signaux Nerveux par Capteurs Quantiques
Pour contrôler les prothèses, il est essentiel de détecter les signaux corporels afin de déplacer le membre artificiel. Actuellement, l'implantation d'électrodes est la méthode la plus courante, mais elle est invasive et les électrodes peuvent se détériorer ou se déplacer.
Le consortium multidisciplinaire QHMI à Stuttgart, en Allemagne, développe une approche innovante en utilisant des capteurs quantiques pour détecter les signaux nerveux extrêmement petits et rapides. Ces magnétomètres quantiques ultrasensibles seront portés à l'extérieur du corps, mesurant les signaux neuronaux à travers la peau.
Les scientifiques utilisent les numériseurs ultrarapides de Spectrum Instrumentation (M5i.3357) et les générateurs de formes d'onde arbitraires (M4x.6631) pour caractériser les signaux et concevoir les circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC) et les circuits intégrés photoniques (PIC) nécessaires.
Le professeur Dr. Jens Anders de l'Université de Stuttgart, responsable du projet "Cluster4Future QSens" et scientifique principal du consortium QHMI, explique : « C'est l'une des premières applications réelles pour les sondes de capteurs quantiques, car il n'y a pas d'autre moyen de détecter de manière non invasive de si petits changements magnétiques de l'ordre de 10 à 100 picoTeslas pour les muscles : c'est six ordres de grandeur plus petit que le champ magnétique terrestre. Nos tests montrent que nos capteurs sont suffisamment sensibles pour détecter les signaux neuronaux des muscles à travers la peau. Même une petite quantité de muscle restant, disons, de l'avant-bras, peut en principe être utilisée pour cela. Nous travaillons sur une sensibilité encore plus grande pour les changements magnétiques femtoTesla que nous devons mesurer pour détecter les signaux dans le cerveau sans percer la peau. »
Au cœur de cette technologie se trouve un dispositif de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) fabriqué à partir d'une fine tranche de diamant. Le diamant est dopé avec des centres de vacance d'azote (centres NV), qui ont un spin électronique net et se comportent donc comme de minuscules aimants. Lorsqu'ils sont éclairés par une lumière laser verte, ils produisent un signal de fluorescence rouge. En appliquant un champ magnétique micro-ondes approprié, ce signal de fluorescence est très sensible aux champs magnétiques externes, ce qui peut être utilisé pour mesurer les signaux neuronaux avec une précision extrême.
Les champs magnétiques micro-ondes nécessaires pour contrôler les spins des centres NV sont générés à l'aide de bobines appropriées alimentées par un émetteur micro-ondes. Les signaux de bande de base pour cet émetteur sont générés à l'aide d'un générateur de formes d'onde arbitraires (AWG) pour fournir la modulation de phase et d'amplitude requise du signal porteur, rendant le signal d'excitation plus robuste contre les imperfections expérimentales. Les signaux de fluorescence résultants, qui portent les informations des champs magnétiques neuronaux, sont ensuite capturés par une photodiode, amplifiés, filtrés et numérisés pour un traitement avancé des signaux.
Actuellement, les sondes de capteurs quantiques sont de la taille d'une boîte d'allumettes. À l'avenir, elles mesureront environ un centimètre cube et seront intégrées dans une boîte de contrôle de la taille d'une grande boîte d'allumettes, abritant l'électronique de traitement et la batterie. L'objectif est d'utiliser l'intégration microélectronique et photonique pour réduire encore la taille de la boîte de contrôle et prolonger la durée de vie de la batterie pour une utilisation d'une journée avant de recharger. Les prothèses devraient être disponibles dans trois à quatre ans.
Les cartes de Spectrum ont été choisies par l'équipe pour plusieurs raisons. Premièrement, elles offrent une plage dynamique extrêmement élevée et de bonnes performances en termes de bruit, ce qui est vital pour de si petits signaux. Deuxièmement, elles sont très rapides et peuvent capturer les signaux rapides associés aux schémas d'excitation pulsée avancés, nécessitant une bande passante supérieure à 100 MHz. Troisièmement, elles offrent un excellent rapport performance/prix. Enfin, la garantie de cinq ans assure la tranquillité d'esprit, car il est presque impossible d'obtenir un financement pour remplacer un équipement défaillant.
