DE102022205569A1 - Device and method for recording a user's muscle activity using optically pumped magnetometers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Muskelaktivität mittels Magnetfeldsensoren, umfassend mindestens eine optisch gepumpte Magnetometereinheit (270a, 270b, 270c, 270d, 272a, 272b, 272c, 272d), die mindestens ein Sensormedium (101, 102, 103, 104) mit optisch anregbaren Defektzentren umfasst und dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeldsignal an einem Messort (110, 112) durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium zu erfassen, eine Halterung (260, 262) zur Anbringung an einem Körperteil eines Benutzers, wobei in der Halterung (260, 262) die mindestens eine optisch gepumpte Magnetometereinheit (270a, 270b, 270c, 270d, 272a, 272b, 272c, 272d) so angeordnet ist, dass die Magnetometereinheit ein Magnetfeld erfassen kann, das durch elektrische Aktivität bei einer Muskelbewegung des Benutzers induziert wird; eine Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, Signalmerkmale des Magnetfeldsignals in Zeitfenstern mit vorgegebener Länge zu extrahieren; und eine Verarbeitungseinheit (136), welche dazu eingerichtet ist, die extrahierten Signalmerkmale eines oder mehrerer Zeitfenster durch mindestens ein Klassifikationsmodell in zwei oder mehr Klassen zu klassifizieren und ein Klassifikationsergebnis für das Magnetfeldsignal in den ein oder mehreren Zeitfenstern auszugeben.The invention relates to a sensor device for detecting muscle activity using magnetic field sensors, comprising at least one optically pumped magnetometer unit (270a, 270b, 270c, 270d, 272a, 272b, 272c, 272d), which has at least one sensor medium (101, 102, 103, 104). optically excitable defect centers and is designed to detect a magnetic field signal at a measuring location (110, 112) by reading out a spin resonance in the sensor medium that is dependent on the magnetic field strength, a holder (260, 262) for attachment to a part of the user's body, wherein The at least one optically pumped magnetometer unit (270a, 270b, 270c, 270d, 272a, 272b, 272c, 272d) is arranged in the holder (260, 262) in such a way that the magnetometer unit can detect a magnetic field caused by electrical activity during a muscle movement of the user; a processing unit which is set up to extract signal features of the magnetic field signal in time windows of a predetermined length; and a processing unit (136) which is set up to classify the extracted signal features of one or more time windows into two or more classes using at least one classification model and to output a classification result for the magnetic field signal in the one or more time windows.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Muskelaktivität eines Nutzers mittels optisch gepumpter Magnetometer sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a device and a method for detecting a user's muscle activity using optically pumped magnetometers, as well as a computing unit and a computer program for carrying out the method.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Interpretation neuromuskulärer Aktivität, d.h. das Erfassen und Verarbeiten von Signalen, die durch Muskelbewegungen und die damit verbundenen Nervensignale zustande kommen, ist in vielen Bereichen von Interesse. Bekannt sind dafür elektromyographische Messverfahren (EMG). Dabei wird die sekundäre elektrische Aktivität gemessen, die mit der Kontraktion von Muskelfasern einhergeht oder dieser vorausgeht. Hauptquelle solcher elektrischen Aktivitäten sind Aktionspotentiale entlang der Membranhülle von Muskelfasern. Während im diagnostischen Bereich üblicherweise Nadelelektroden bzw. Drahtelektroden verwendet werden, die durch die Haut in das Muskelgewebe eingeführt werden, können für nicht-diagnostische Zwecke auch Oberflächenelektroden genutzt werden, welche die elektrischen Signale auf der Hautoberfläche ableiten.The interpretation of neuromuscular activity, i.e. the detection and processing of signals caused by muscle movements and the associated nerve signals, is of interest in many areas. Electromyographic measurement methods (EMG) are known for this. This measures the secondary electrical activity that accompanies or precedes the contraction of muscle fibers. The main source of such electrical activities are action potentials along the membrane of muscle fibers. While needle electrodes or wire electrodes are usually used in the diagnostic field, which are inserted through the skin into the muscle tissue, surface electrodes can also be used for non-diagnostic purposes, which derive the electrical signals on the skin surface.
Allerdings ist es dabei notwendig, die elektrischen Potentiale über direkten Hautkontakt zu messen, so dass die Oberflächenelektroden beispielsweise an geeigneten Orten auf die Haut aufgeklebt werden müssen. Damit eignet sich dieses Verfahren nur zur Anwendung, wenn z.B. medizinisches Personal zur Anbringung der Messelektroden zur Verfügung steht. Außerdem ist mit den herkömmlichen elektromyographischen Messverfahren nur eine sehr grobe Auflösung der tatsächlich durch die verschiedenen Muskelgruppen und Nerven erzeugten elektrischen Aktivität möglich; das Oberflächensignal setzt sich dann aus allen elektrischen Signalen in den umliegenden Bereichen zusammen, so dass die Signale auch nicht weiter aufgelöst werden können. Zusätzlich werden die an der Hautoberfläche erfassten elektrischen Signale durch das dazwischenliegende Gewebe und unterschiedliche Leitungsverhältnisse verzerrt.However, it is necessary to measure the electrical potentials via direct skin contact, so that the surface electrodes, for example, have to be glued to the skin at suitable locations. This method is therefore only suitable for use if, for example, medical personnel are available to attach the measuring electrodes. In addition, with conventional electromyographic measurement methods, only a very rough resolution of the electrical activity actually generated by the various muscle groups and nerves is possible; The surface signal is then composed of all electrical signals in the surrounding areas, so that the signals cannot be further resolved. In addition, the electrical signals recorded on the skin surface are distorted by the intervening tissue and different conduction conditions.
Zur hochempfindlichen Messung magnetischer Felder, die beispielsweise durch elektrische Ströme wie z.B. Hirnströme induziert werden können, wurden in neuerer Zeit optisch gepumpte Magnetometer vorgeschlagen, wie sie etwa in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Muskelaktivität eines Benutzers sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a device and a method for detecting a user's muscle activity as well as a computing unit and a computer program for carrying out the method are proposed with the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.
Insbesondere wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Muskelaktivität mittels Magnetfeldsensoren vorgeschlagen, die mindestens eine optisch gepumpte Magnetometereinheit umfasst, die mindestens ein kristallines Sensormedium mit optisch anregbaren Defektzentren umfasst und dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeldsignal an einem Messort durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium zu erfassen. Die Sensorvorrichtung umfasst außerdem eine Halterung zur Anbringung an einem Körperteil eines Benutzers, wobei in der Halterung die mindestens eine optisch gepumpte Magnetometereinheit so angeordnet ist, dass die Magnetometereinheit ein Magnetfeld erfassen kann, das durch elektrische Aktivität bei einer Muskelbewegung des Benutzers induziert wird. Darüber hinaus umfasst die Sensorvorrichtung eine Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, Signalmerkmale des Magnetfeldsignals in Zeitfenstern mit vorgegebener Länge zu extrahieren; und eine Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die extrahierten Signalmerkmale eines oder mehrerer Zeitfenster durch mindestens ein Klassifikationsmodell in zwei oder mehr Klassen zu klassifizieren und ein Klassifikationsergebnis für das Magnetfeldsignal in den ein oder mehreren Zeitfenstern auszugeben. Durch die Verwendung von optisch gepumpten Magnetometereinheiten sind selbst sehr schwache biomagnetische Felder messbar. Mit einer solchen Vorrichtung können daher elektrische Signale, die im Körper eines Benutzers durch Muskelaktivität ausgelöst werden, indirekt über die von den elektrischen Signalen induzierten schwachen Magnetfeldsignalen erfasst werden. Diese Signale können dann klassifiziert werden, um Rückschlüsse auf die Muskelaktivität zu ziehen, z.B. auf Bewegungen, Gesten oder bewegte Muskelgruppen. Im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren ist es nicht nötig, dass die Magnetfeldsensoren mit direktem Hautkontakt angebracht werden.In particular, a sensor device for detecting muscle activity using magnetic field sensors is proposed, which comprises at least one optically pumped magnetometer unit, which comprises at least one crystalline sensor medium with optically excitable defect centers and is set up to generate a magnetic field signal at a measuring location by reading out a spin resonance which is dependent on the magnetic field strength to detect the sensor medium. The sensor device also comprises a holder for attachment to a part of the body of a user, wherein the at least one optically pumped magnetometer unit is arranged in the holder so that the magnetometer unit can detect a magnetic field that is induced by electrical activity during a muscle movement of the user. In addition, the sensor device comprises a processing unit which is set up to extract signal features of the magnetic field signal in time windows of a predetermined length; and a processing unit which is set up to classify the extracted signal features of one or more time windows into two or more classes using at least one classification model and to output a classification result for the magnetic field signal in the one or more time windows. By using optically pumped magnetometer units, even very weak biomagnetic fields can be measured. With such a device, electrical signals that are triggered in a user's body by muscle activity can be detected indirectly via the weak magnetic field signals induced by the electrical signals. These signals can then be classified to draw conclusions about muscle activity, e.g. movements, gestures or moving muscle groups. In contrast to previously known methods, it is not necessary for the magnetic field sensors to be attached with direct skin contact.
Die Magnetometereinheit kann optional weiter dazu eingerichtet sein, eine Ausrichtung des Magnetfelds an einem Messort zu erfassen, wobei dann die Verarbeitungseinheit weiter dazu eingerichtet sein kann, auch die Ausrichtung des Magnetfelds für das Extrahieren von Signalmerkmalen und/oder für das Klassifizieren der Signalmerkmale zu berücksichtigen. Damit kann eine genauere Lokalisierung der Feldquelle, d.h. des Ortes, von dem die elektrische Aktivität ausgeht, erfolgen.The magnetometer unit can optionally be further set up to detect an orientation of the magnetic field at a measuring location, in which case the processing unit can further be set up to also take into account the orientation of the magnetic field for extracting signal features and/or for classifying the signal features. This allows a more precise localization of the field source, ie the location from which the electrical activity originates.
In beispielhaften Ausführungsformen können die ein oder mehreren Magnetometereinheiten an vorgegebenen Orten in der Halterung fixiert sein, wobei die Halterung mindestens eines der folgenden umfasst: ein Kleidungsstück, ein Band zum Anbringen an einem Körperteil, einen Handschuh. Beispielsweise kann ein Armband genutzt werden, in dem ein oder mehrere Magnetometereinheiten in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen entlang des Bands verteilt sind. Die Abstände und Orte können so vorgegeben sein, dass die zur Auswertung geeigneten Muskelgruppen beim Tragen der Halterung möglichst nah an der jeweiligen Magnetometereinheit zu liegen kommt.In exemplary embodiments, the one or more magnetometer units may be fixed at predetermined locations in the holder, the holder comprising at least one of the following: a garment, a band for attachment to a body part, a glove. For example, a bracelet can be used in which one or more magnetometer units are distributed at regular or irregular intervals along the band. The distances and locations can be specified in such a way that the muscle groups suitable for evaluation lie as close as possible to the respective magnetometer unit when carrying the holder.
Es ist auch möglich, dass die Magnetometereinheit mindestens zwei Sensormedien umfasst, die in einem vorgegebenen Abstand zueinander in einer gradiometrischen Konfiguration angeordnet sind, wobei die Magnetometereinheit dazu eingerichtet ist, das Magnetfeldsignal an dem Messort durch Kombination der Magnetfeldsignale der mindestens zwei Sensormedien ohne Hintergrundfelder zu erfassen. Soweit die Hintergrundfelder groß und relativ homogen sind, kann davon ausgegangen werden, dass diese in beiden Sensormedien identisch sind; damit kann der Feldgradient eines interessierenden lokalen Magnetfelds z.B. als Differenz der beiden Signale ermittelt werden. Bei inhomogenen Hintergrundfeldern kann es auch nützlich sein, mehr als zwei Sensormedien innerhalb einer Magnetometereinheit zu nutzen und kombiniert auszuwerten, um die Hintergrundfelder zu eliminieren.It is also possible for the magnetometer unit to comprise at least two sensor media which are arranged at a predetermined distance from one another in a gradiometric configuration, wherein the magnetometer unit is set up to detect the magnetic field signal at the measuring location by combining the magnetic field signals of the at least two sensor media without background fields . As far as the background fields are large and relatively homogeneous, it can be assumed that they are identical in both sensor media; This allows the field gradient of a local magnetic field of interest to be determined, for example, as the difference between the two signals. In the case of inhomogeneous background fields, it can also be useful to use more than two sensor media within a magnetometer unit and evaluate them in combination in order to eliminate the background fields.
Insbesondere kann die Magnetometereinheit ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-Magnetometer umfassen, wobei das Sensormedium einen Diamantkristall oder einen Abschnitt eines Diamantkristalls mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren umfasst. Gerade für gradiometrische Magnetometereinheiten können durch Verwendung mehrerer Abschnitte desselben Diamantkristalls auch sehr kompakte Magnetometereinheiten realisiert werden. Alternativ zu Diamantkristallen mit Stickstoff-Fehlstellen können auch andere Farbzentren in Diamant oder in anderen Halbleitern verwendet werden, die eine optische Anregung und Auslesung von magnetfeldabhängigen Spinresonanzen erlauben, wie etwa verschiedene Punktdefekte in Siliziumcarbid.In particular, the magnetometer unit can comprise a nitrogen vacancy center magnetometer, wherein the sensor medium comprises a diamond crystal or a section of a diamond crystal with nitrogen vacancy centers. Especially for gradiometric magnetometer units, very compact magnetometer units can be realized by using several sections of the same diamond crystal. As an alternative to diamond crystals with nitrogen vacancies, other color centers in diamond or in other semiconductors can also be used, which allow optical excitation and readout of magnetic field-dependent spin resonances, such as various point defects in silicon carbide.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Erfassen von Muskelaktivität eines Benutzers vorgeschlagen, welches zunächst das Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Magnetfeldsignals an mindestens einem Messort an einem Körperteil eines Benutzers durch mindestens eine optisch gepumpte Magnetometereinheit umfasst, wobei die mindestens eine Magnetometereinheit mindestens ein Sensormedium mit optisch anregbaren Defektzentren umfasst und dazu eingerichtet ist, zumindest eine magnetische Feldstärke durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium zu erfassen. Aus dem Magnetfeldsignal werden dann in Zeitfenstern mit vorgegebener Länge Signalmerkmale extrahiert, die für ein oder mehrere Zeitfenster wiederum in (mindestens) ein Klassifikationsmodell eingegeben werden können. Das Klassifikationsmodell ist dazu eingerichtet, die Signalmerkmale in zwei oder mehr Klassen zu klassifizieren, so dass man anschließend ein Klassifikationsergebnis für das Magnetfeldsignal in den ein oder mehreren Zeitfenstern erhält.In addition, a method for detecting muscle activity of a user is proposed, which first comprises detecting a time profile of a magnetic field signal at at least one measuring location on a part of the user's body by at least one optically pumped magnetometer unit, wherein the at least one magnetometer unit has at least one sensor medium with optically excitable Comprises defect centers and is set up to detect at least one magnetic field strength by reading out a spin resonance in the sensor medium that is dependent on the magnetic field strength. Signal features are then extracted from the magnetic field signal in time windows of a predetermined length, which in turn can be entered into (at least) one classification model for one or more time windows. The classification model is set up to classify the signal features into two or more classes, so that a classification result for the magnetic field signal in the one or more time windows is then obtained.
Dabei können die zwei oder mehr Klassen beispielsweise durch eine oder mehrere der folgenden Zielvariablen definiert werden: eine Muskelgruppe, eine Muskelbewegung, eine Bewegungsabfolge, eine Nervenaktivität, ein Ruhezustand, ein zeitlicher Verlauf einer Muskelbewegung. Damit kann ein Klassifikationsmodell so vorgesehen sein, dass es unmittelbar eine zu erkennende Bewegung auswertet, z.B. eine als Steuerungsbefehl vorgesehene Geste; alternativ oder zusätzlich können aber auch grundlegendere Auswertungen wie die Erkennung der beteiligten Muskelgruppen bei einer Bewegung durchgeführt werden.The two or more classes can be defined, for example, by one or more of the following target variables: a muscle group, a muscle movement, a movement sequence, a nerve activity, a resting state, a time course of a muscle movement. A classification model can thus be provided in such a way that it directly evaluates a movement to be recognized, e.g. a gesture intended as a control command; Alternatively or additionally, more basic evaluations such as recognizing the muscle groups involved in a movement can also be carried out.
Es ist dabei auch möglich, dass Magnetfeldsignale an mehreren verschiedenen Messorten an Körperteilen eines Benutzers erfasst werden und dann die Signalmerkmale der mehreren verschiedenen Messorte kombiniert in das Klassifikationsmodell eingegeben werden. Die verschiedenen Messorte können relativ nahe beieinander, z.B. an verschiedenen Stellen an einer Hand, aber auch weiter auseinander gelegen (z.B. am linken und rechten Arm, oder an Hand und Oberarm) mit mehreren geeigneten Halterungen vorgesehen sein.It is also possible for magnetic field signals to be recorded at several different measurement locations on parts of a user's body and then the signal characteristics of the several different measurement locations to be combined and entered into the classification model. The different measuring locations can be provided relatively close to one another, for example at different points on one hand, but also further apart (e.g. on the left and right arms, or on the hand and upper arm) with several suitable holders.
Das mindestens eine Klassifikationsmodell kann dabei beispielsweise ein statistisches Klassifikationsverfahren, eine Schwellwertüberprüfung und/oder ein neuronales Netz oder auch geeignete Kombinationen gleicher oder verschiedener Klassifikationsmodelle umfassen.The at least one classification model can include, for example, a statistical classification method, a threshold check and/or a neural network or even suitable combinations of the same or different classification models.
Das Verfahren kann darüber hinaus das Übermitteln der extrahierten Signalmerkmale und/oder eines Klassifikationsergebnisses über eine Kommunikationsverbindung umfassen, z.B. an eine externe Verarbeitungseinheit oder an ein Gerät, welches mittels der erkannten Signale angesteuert werden soll.The method can also include transmitting the extracted signal features and/or a classification result via a communication connection, for example to an external processing unit or to a device, which ches should be controlled using the detected signals.
Entsprechend kann das Verfahren auch das Ansteuern einer Vorrichtung auf Basis des erhaltenen Klassifikationsergebnisses umfassen, wie etwa eine Gestensteuerung als Eingabeschnittstelle für eine beliebige Vorrichtung, eine Steuerung eines Roboters oder eines ähnlichen Aktors, oder eine Ansteuerung einer Prothese am Körper.Accordingly, the method can also include controlling a device based on the classification result obtained, such as a gesture control as an input interface for any device, a control of a robot or a similar actuator, or a control of a prosthesis on the body.
Eine Sensorvorrichtung wie vorstehend beschrieben ist besonders dazu geeignet, das oben beschriebene Verfahren oder seine Abwandlungen und Weiterentwicklungen durchzuführen.A sensor device as described above is particularly suitable for carrying out the method described above or its modifications and further developments.
Die hier beschriebenen optisch gepumpten Magnetometer bieten gegenüber klassischen (z.B. SQUID-basierten) Magnetfeldsensoren den Vorteil, dass keine aufwendige kryogene Kühlung der Sensoren erforderlich ist und ein geringerer Abstand zur Signalquelle möglich ist, d.h. die Sensoren sehr kompakt am Körper angeordnet werden können. Gegenüber den herkömmlichen elektromyographischen Verfahren mit Oberflächenableitung kann eine höhere räumliche Auflösung und damit eine bessere Unterscheidung unterschiedlicher Muskelaktivitäten erreicht werden. Gleichzeitig sind kein direkter Hautkontakt und kein invasiver Eingriff erforderlich. Das Magnetfeld wird durch das zwischenliegende Gewebe kaum beeinflusst, so dass ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann als in elektromyographischen Verfahren. Die beschriebenen Magnetometer können auch verwendet werden, um in Umgebungen mit starken magnetischen Hintergrundfeldern wie etwa dem Erdmagnetfeld hochempfindliche Messungen zu ermöglichen, so dass die beschriebenen Systeme auch in Alltagsumgebungen problemlos einsetzbar sind.The optically pumped magnetometers described here offer the advantage over classic (e.g. SQUID-based) magnetic field sensors that no complex cryogenic cooling of the sensors is required and a smaller distance to the signal source is possible, i.e. the sensors can be arranged very compactly on the body. Compared to conventional electromyographic methods with surface recording, a higher spatial resolution and thus a better distinction between different muscle activities can be achieved. At the same time, no direct skin contact and no invasive intervention are required. The magnetic field is hardly influenced by the tissue in between, so that a better signal-to-noise ratio can be achieved than in electromyographic methods. The magnetometers described can also be used to enable highly sensitive measurements in environments with strong magnetic background fields such as the earth's magnetic field, so that the systems described can also be used without any problems in everyday environments.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is also advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is used for additional tasks and is therefore present anyway. Finally, a machine-readable storage medium is provided with a computer program stored thereon as described above. Suitable storage media or data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.). Such a download can be wired or wired or wireless (e.g. via a WLAN network, a 3G, 4G, 5G or 6G connection, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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1 zeigt schematisch mögliche Bestandteile eines Systems mit einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;1 shows schematically possible components of a system with a sensor device according to one embodiment; -
2a zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Sensorvorrichtung als Armband;2a shows a possible embodiment of a sensor device as a bracelet; -
2b zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Sensorvorrichtung als Handschuh;2 B shows a possible embodiment of a sensor device as a glove; -
3 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform; und3 shows schematically the sequence of a method according to a possible embodiment; and -
4 zeigt zwei beispielhafte Handbewegungen, die mit Ausführungsformen der Erfindung erkannt werden können.4 shows two exemplary hand movements that can be recognized with embodiments of the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Eine oder mehrere Magnetometereinheiten, die an geeigneten Stellen am Körper eines Nutzers angebracht werden, können Signale der Muskelaktivität in diesem Bereich erfassen. Dabei können grundsätzlich Aktivitäten beliebiger Muskelgruppen oder -teile erfasst werden, wie etwa Bewegungen von Armen, Beinen, Händen, Füßen, aber auch Muskelgruppen, die im Rumpf- oder Kopfbereich liegen und z.B. auf bestimmte Bewegungen schließen lassen. Auch die Muskelaktivität einzelner Finger oder Fingerglieder kann beispielsweise erfasst werden, um Fingergesten zu interpretieren.One or more magnetometer units attached to appropriate locations on a user's body can detect signals of muscle activity in that area. In principle, activities of any muscle groups or parts can be recorded, such as movements of arms, legs, hands, feet, but also muscle groups that are in the torso or head area and can, for example, indicate certain movements. The muscle activity of individual fingers or phalanges can also be recorded, for example, in order to interpret finger gestures.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von Muskelaktivität basieren auf optisch gepumpten Magnetometern, die hochempfindliche Magnetfeldmessungen ermöglichen. Insbesondere kann das hier beschriebene Prinzip mit Magnetometern umgesetzt werden, die auf optisch anregbaren und auslesbaren Resonanzen an Defektzentren bzw. Farbzentren in Kristallen beruhen. Als Beispiel sollen hier Magnetometer angeführt werden, die auf Stickstoff-Fehlstellenzentren (nitrogen vacancy, NV) in einkristallinem Diamant basieren. Durch optisches Auslesen der magnetischen Resonanz dieses Farbzentrums und Ausnutzung des Zeeman-Effekts, der die magnetfeldabhängige Aufspaltung der Spinzustände beschreibt, lassen sich bei sich bei Raumtemperatur und bei Hintergrundfeldern bis etwa 100mT auch sehr kleine Magnetfelder messen, wobei sich Sensitivitäten bis 1 pT/√Hz erreichen lassen. Da das NV-Zentrum in Diamant vier mögliche Ausrichtungen aufweist, erhält man für ein Ensemble von NV-Zentren bei Anlegen eines zusätzlichen statischen Bias-Magnetfelds von z.B. 1mT ein Quartett aus Resonanzen, aus deren Frequenzlage die volle Vektorinformation eines zusätzlichen unbekannten Magnetfelds durch Lösung algebraischer Gleichungen bestimmen lässt.The devices and methods described here for measuring muscle activity are based on optically pumped magnetometers that enable highly sensitive magnetic field measurements. In particular, the principle described here can be implemented with magnetometers that are based on optically excitable and readable resonances at defect centers or color centers in crystals. As an example, magnetometers that detect nitrogen vacancy centers (nitrogen vacancy, NV) in single-crystalline diamond should be mentioned here based. By optically reading out the magnetic resonance of this color center and using the Zeeman effect, which describes the magnetic field-dependent splitting of the spin states, even very small magnetic fields can be measured at room temperature and with background fields of up to around 100mT, with sensitivities up to 1 pT/√Hz be achieved. Since the NV center in diamond has four possible orientations, a quartet of resonances is obtained for an ensemble of NV centers when an additional static bias magnetic field of, for example, 1mT is applied, from whose frequency position the full vector information of an additional unknown magnetic field is obtained by solving algebraically equations can be determined.
Dabei kann zunächst für jedes Magnetometer als Sensormedium ein Kristall mit Defektzentren, beispielsweise ein Diamant 101, 102, 103, 104 mit Stickstoff-Fehlstellen vorhanden sein. Die optische Anregung der Defektzentren kann durch eine geeignete Lichtquelle 120 wie etwa einen Pumplaser bzw. eine Laserdiode erreicht werden. Hier eignet sich für NV-Zentren etwa ein Nd:YAG-Laser im grünen Bereich bei einer Frequenz von 532 nm, um die jeweiligen Übergänge anzuregen. Das Licht 124 des Pumplasers 120 kann über geeignete optische Elemente 128 wie etwa Spiegel, Strahlteiler, Linsen, polarisierende Elemente und/oder über faseroptische Elemente 122, 123 zu einem fokussierten Anregunglichtstrahl geformt und in die Diamanten eingestrahlt werden. Dabei wird hier eine einzelne Lichtquelle 120 für alle Diamanten 101, 102, 103,104 verwendet, von der das Anregungslicht über jeweils eine optische Faser in den jeweiligen Diamanten geleitet wird. Außerdem kann das Anregungslicht durch den Laser kontinuierlich eingestrahlt werden oder gepulst, so dass beispielsweise Zeitfenster zur störungsfreien Fluoreszenzlichtmessung freigehalten werden.A crystal with defect centers, for example a
Außerdem kann für die Sensorvorrichtung eine Mikrowellenquelle 140 vorhanden sein, die in der Lage ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld über eine Bandbreite hinweg, die die erwünschte Resonanzfrequenz abdeckt, im Sensormedium, d.h. im Bereich der NV-Zentren in den Diamanten 101, 102, 103, 104 zu erzeugen. Dabei kann beispielsweise eine zentrale Mikrowellenquelle 140 genutzt werden, deren Feld über geeignete Hochfrequenzkabel 142, 143 und Leiterstrukturen in einen lokalen Mikrowellenresonator (nicht gezeigt) im Bereich der Sensordiamanten eingestrahlt wird, so dass zumindest im Sensormedium im Diamant ein homogenes resonantes Mikrowellenfeld erzeugt wird. Solche Resonatoren können auch sehr kompakt gestaltet werden, z.B. als planare Resonatoren auf einer Platine. Ein statisches Bias-Magnetfeld 150, 152, das in den Sensordiamanten erzeugt wird, ermöglicht eine Richtungsbestimmung für das detektierte Magnetfeld.In addition, a
Das entstehende Fluoreszenzlicht 125 kann wiederum über die Faseroptik geleitet werden und durch einen Photodetektor 130, der mindestens im Bereich der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist, detektiert werden; alternativ könnten auch ein oder mehrere Photodetektoren unmittelbar an den Sensordiamanten angeordnet sein, die das Fluoreszenzlicht empfangen. Insbesondere bei mehreren Magnetometern bzw. Magnetometereinheiten können für jeden Sensorkopf eigene Photodetektoren (hier nicht gezeigt) vorgesehen sein. Auch hier können geeignete reflektierende oder halbdurchlässige Spiegel, Filter, Strahlteiler, Linsen zur Strahlformung, Auskoppellinsen für Faseroptiken oder für die Diamantkristalle, und andere optische Elemente 126, 128 auf der optischen Wegstrecke des Fluoreszenzlichts 125 genutzt werden. Das Signal jedes Photodetektors 130 kann dann durch verschiedene Elemente weiterverarbeitet werden, wie etwa einen Vorverstärker 132 und/oder eine Recheneinheit 136 zur Signalauswertung.The resulting
Die Elemente der Sensoreinheit sind in der Figur nur schematisch gezeigt; es versteht sich, dass beispielsweise die Mikrowellenquelle so ausgelegt und angeordnet ist, dass das RF-Feld in den Sensor-Diamanten erzeugt wird. Ebenfalls nicht abgebildet sind Elemente zur Erzeugung des statischen Magnetfelds 150, 152, die beispielsweise als Helmholtzspulen umgesetzt werden können. Solche Spulen können dann unmittelbar um die Sensordiamanten herum angeordnet sein, um möglichst homogene Felder zu erzeugen. Auch andere Elemente wie Mikrowellenresonatoren oder Gehäusebauteile sind hier nicht ausdrücklich gezeigt.The elements of the sensor unit are only shown schematically in the figure; It is understood that, for example, the microwave source is designed and arranged in such a way that the RF field is generated in the sensor diamonds. Also not shown are elements for generating the static
Es gibt auch alternative Möglichkeiten, die magnetische Spin-Resonanz z.B. in Diamant elektrisch auszulesen. Dabei werden Ladungsträger detektiert, die durch Zwei-Photon-Ionisierung der NV-Zentren in das Leitungsband von Diamant angehoben wurden. Wird ein solches Verfahren zum Auslesen der Resonanzeffekte genutzt, sind die Teile zur Detektion des Fluoreszenzlichts in den vorhergehenden Beispielen nicht erforderlich und werden durch geeignete Photostromdetektoren am Diamant ersetzt. Davon abgesehen kann das Verfahren zur Magnetfeldmessung aber entsprechend übertragen werden und in allen Ausführungsformen mit NV-Zentren-Magnetometereinheiten angewendet werden.There are also alternative ways to read out the magnetic spin resonance electrically, for example in diamond. Charge carriers are detected that were raised into the conduction band of diamond by two-photon ionization of the NV centers. If such a method is used to read out the resonance effects, the parts for detecting the fluorescent light in the previous examples are not required and are replaced by suitable photocurrent detectors on the diamond. Apart from that, the method for magnetic field measurement can be transferred accordingly and in all embodiments with NV Center magnetometer units can be used.
Die grundsätzliche Funktionsweise und weitere beispielhafte Aufbauten von Magnetometern auf Basis von NV-Zentren in Diamant können beispielsweise den Anmeldungen
Um in einer Alltagsumgebung einsetzbar zu sein, sollen Magnetfelder, die nicht von der gewünschten schwachen Quelle stammen, aus der Messung möglichst eliminiert werden. Beispielsweise entstehen im Automobilbereich oder in der Umgebung von elektrischen Maschinen vergleichsweise hohe und kaum abgeschirmte Magnetfelder, die etwa im Bereich von 10-6 bis 10-9 Tesla (Nanotesla) liegen, auch bei anderen Anwendungen ist immer das Erdmagnetfeld im Bereich von 10-5 Tesla (einige Mikrotesla) vorhanden. Dagegen bewegen sich die erwarteten Signalstärken der Magnetfelder, die mit den elektrischen Potentialen der Muskelaktivität korrelieren, im Bereich von einigen 10-12 Tesla (Picotesla, pT) oder noch darunter.In order to be usable in an everyday environment, magnetic fields that do not come from the desired weak source should be eliminated from the measurement as far as possible. For example, in the automotive sector or in the vicinity of electrical machines, comparatively high and barely shielded magnetic fields arise, which are approximately in the range of 10 -6 to 10 -9 Tesla (Nanotesla). In other applications, too, the earth's magnetic field is always in the range of 10 -5 Tesla (some micro Tesla) available. In contrast, the expected signal strengths of the magnetic fields, which correlate with the electrical potentials of muscle activity, are in the range of a few 10 -12 Tesla (Picotesla, pT) or even lower.
Um diese Hintergrundfelder zu eliminieren, bieten sich als beispielhafte Ausführungsform insbesondere gradiometrische Magnetfeldmessungen. Als Gradiometer werden grundsätzlich Sensoreinheiten bezeichnet, die in der Lage sind, nicht nur die Feldstärke, sondern auch den Gradienten eines Felds zu erfassen. Dazu können zwei oder mehr einzelne wie vorstehend ausgeführte Magnetometer 101, 102 oder 103, 104 gleichzeitig verwendet und ausgewertet werden, die jeweils in einem definierten Abstand d1, d2 zueinander angeordnet sind. Zwei Magnetometer bilden dann in Kombination eine gradiometrische Magnetometereinheit. Der Abstand d1, d2 zwischen zwei Sensorköpfen einer gradiometrischen Magnetometereinheit entspricht dem Abstand der Orte, an denen gleichzeitig Magnetfeldmessungen durchgeführt werden. Solange der Abstand der Messorte relativ klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Stärke des zusätzlichen (unerwünschten) Hintergrundmagnetfeldes an beiden Orten etwa gleich groß ist. Dagegen wird das interessierende schwache Magnetfeld mit zunehmender Entfernung von der Magnetfeldquelle mit einem Faktor von 1/r2 abnehmen. Indem also zwei Sensoren in unterschiedlichen Abständen von der Quelle, z.B. in unterschiedlichen Abständen von der Muskelfaser angeordnet werden, kann das störende Hintergrundfeld durch Bildung einer Differenz der erfassten Sensorwerte eliminiert werden und das interessierende kleine Magnetfeld bzw. dessen Gradient extrahiert werden: Da das magnetische Feld sich mit dem Quadrat des Abstands abschwächt, wird die größte Magnetfeldänderung durch den Sensor in der Nähe der Quelle detektiert. Zu diesem Zweck können beispielsweise zwei Magnetometer übereinander in einer axialen Gradiometerkonfiguration angeordnet werden und zusammen eine gradiometrische Magnetometereinheit bilden.In order to eliminate these background fields, gradiometric magnetic field measurements are particularly suitable as an exemplary embodiment. Sensor units that are able to record not only the field strength but also the gradient of a field are generally referred to as gradiometers. For this purpose, two or more
Der Abstand d1, d2 der Sensorköpfe innerhalb einer gradiometrischen Magnetometereinheit, also in diesem Fall der Abstand der beiden Sensorkristalle 101, 102 und 103, 104 oder Kristallabschnitte, kann im Bereich von wenigen mm bis einigen cm liegen, beispielsweise zwischen 0,1 cm und 2 cm. Für Werte in diesen Größenordnungen konnten etwa für die Messung biomagnetischer Felder, die im Bereich von Picotesla liegen, gute Ergebnisse erreicht werden. Solange eine ausreichende Unabhängigkeit der Signale von den Hintergrundfeldern erreicht wird, können aber auch größere oder kleinere Abstände oder andere Gradiometerkonfigurationen verwendet werden, wie etwa nebeneinander angeordnete Sensoren.The distance d1, d2 of the sensor heads within a gradiometric magnetometer unit, i.e. in this case the distance between the two
Durch entsprechende Auswertestrategien ist es außerdem möglich, einen großen Teil von Störfeldern anhand ihrer Magnetfeldrichtung zu eliminieren. Falls die zu eliminierenden Hintergrundfelder nicht homogen im Raum verteilt sind, kann es sinnvoll sein, eine gradiometrische Magnetometereinheit mit mehr als zwei einzelnen Magnetfeldsensoren (nicht gezeigt) zu verwenden, um diese räumlichen Informationen zu gewinnen. Jeder Sensorkopf, der Teil einer gradiometrischen Magnetometereinheit mit mehreren Sensorköpfen ist, kann also einen Sensorkristall mit anregbaren Defektzentren (oder einen Teilabschnitt eines Sensorkristalls), optische Filter, mindestens einen Photodetektor sowie gegebenenfalls einen Mikrowellenresonator und eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines statischen Bias-Magnetfelds umfassen. Dabei wird zumindest innerhalb einer gradiometrischen Magnetometereinheit dieselbe Lichtquelle und dieselbe Mikrowellenquelle verwendet, um möglichst identische Anregungsbedingungen in den Magnetometern einer Magnetometereinheit zu erreichen. Eine Quelle kann dabei aber beispielsweise durch zwei separate Resonatoren bzw. zwei getrennte Fasern an die jeweiligen Sensorkristalle gebracht werden.Through appropriate evaluation strategies, it is also possible to eliminate a large proportion of interference fields based on their magnetic field direction. If the background fields to be eliminated are not homogeneously distributed in space, it may make sense to use a gradiometric magnetometer unit with more than two individual magnetic field sensors (not shown) to obtain this spatial information. Each sensor head, which is part of a gradiometric magnetometer unit with several sensor heads, can therefore have a sensor crystal with excitable defect centers (or a partial section of a sensor crystal), optical filters, at least one photodetector and, if necessary, a microwave resonator and a coil order to generate a static bias magnetic field. The same light source and the same microwave source are used at least within a gradiometric magnetometer unit in order to achieve excitation conditions that are as identical as possible in the magnetometers of a magnetometer unit. However, a source can be brought to the respective sensor crystals, for example, through two separate resonators or two separate fibers.
Für die optisch gepumpte Magnetfeldmessung in Sensorkristallen ist üblicherweise nur ein Messvolumen von etwa 1 mm3 oder sogar weniger im Kristall erforderlich. Damit lassen sich beispielsweise einzelne Sensorkristalle in entsprechend geringem Abstand zueinander platzieren, oder es ist für sehr kleine Abstände sogar möglich, zwei Bereiche innerhalb eines einzelnen Sensorkristalls für die parallele Messung als Gradiometer heranzuziehen. Da das benötigte Anregungslicht über optische Fasern oder photonische Strukturen in miniaturisierter Bauweise an den Sensorkristall herangeführt werden kann, und auch das Mikrowellenfeld z.B. entlang einer optischen Faser an den Sensorkristall geführt werden kann, ist ein sehr kompakter, aber auch flexibler Aufbau eines Sensorkopfs möglich, der für Anwendungen am Körper und in Alltagssituationen besonders gut geeignet ist.For optically pumped magnetic field measurement in sensor crystals, usually only a measuring volume of approximately 1 mm 3 or even less is required in the crystal. This allows, for example, individual sensor crystals to be placed at a correspondingly small distance from one another, or for very small distances it is even possible to use two areas within a single sensor crystal for parallel measurement as a gradiometer. Since the required excitation light can be brought to the sensor crystal via optical fibers or photonic structures in a miniaturized design, and the microwave field can also be guided to the sensor crystal, for example along an optical fiber, a very compact but also flexible design of a sensor head is possible is particularly suitable for applications on the body and in everyday situations.
Solche optisch gepumpten Magnetometereinheiten können dann am Körper eines Benutzers angebracht werden, um aus den gemessenen Magnetfeldern Rückschlüsse auf die elektrischen Aktivitäten und damit indirekt auf die Muskelaktivität und Bewegungsabläufe eines Benutzers zu ziehen. Es versteht sich, dass dabei nicht alle Bauteile eines kompletten Magnetometer-Systems unmittelbar am Messort bzw. am Körper des Benutzers angeordnet sein müssen; im Wesentlichen müssen sich nur die Sensorköpfe, also die Sensorkristalle mit entsprechenden Mitteln wie Fasern, Resonatoren oder Spulen zur Erzeugung der benötigten Anregungsfelder direkt am Messort befinden. Diese Elemente werden hier als Sensorvorrichtung bezeichnet. Durch Kabel, optische Fasern, Signalleiter und andere Verbindungen ist es dann möglich, dass die weiteren Elemente eines Magnetometersystems (z.B. Pumplaser, Mikrowellenquelle, Signalverarbeitungseinheiten) davon entfernt untergebracht werden. Grundsätzlich können aber auch weitere Teile des Magnetometersystems bereits in die Sensorvorrichtung integriert werden, insbesondere wenn diese kompakt umsetzbar sind, z.B. durch ein Chipelement, welches den Photodetektor sowie Verarbeitungseinheiten zur Verarbeitung der detektierten Signale umfasst.Such optically pumped magnetometer units can then be attached to a user's body in order to draw conclusions about the electrical activities and thus indirectly about the muscle activity and movement sequences of a user from the measured magnetic fields. It goes without saying that not all components of a complete magnetometer system have to be arranged directly at the measuring location or on the user's body; Essentially, only the sensor heads, i.e. the sensor crystals with appropriate means such as fibers, resonators or coils to generate the required excitation fields, need to be located directly at the measuring location. These elements are referred to here as a sensor device. Cables, optical fibers, signal conductors and other connections then make it possible for the other elements of a magnetometer system (e.g. pump laser, microwave source, signal processing units) to be accommodated away from it. In principle, however, other parts of the magnetometer system can also be integrated into the sensor device, especially if they can be implemented in a compact manner, for example by means of a chip element which includes the photodetector and processing units for processing the detected signals.
Eine oder mehrere Magnetometereinheiten sollen dann zur Messung in der Nähe der relevanten Muskelgruppen angeordnet werden. Um bestimmte Handbewegungen zu erfassen, kann beispielsweise eine Position an der Hand, am Handgelenk und/oder am Unterarm gewählt werden. Je nach Ausprägung der Bewegungen, die erfasst werden sollen, können andere Positionen optimal sein, da andere Muskelgruppen ausgewertet werden können. Die Sensorvorrichtung kann eine Halterung umfassen, in der ein oder mehrere Magnetometereinheiten angeordnet sind.One or more magnetometer units should then be placed near the relevant muscle groups for measurement. In order to record certain hand movements, a position on the hand, wrist and/or forearm can be selected, for example. Depending on the nature of the movements that are to be recorded, other positions may be optimal because other muscle groups can be evaluated. The sensor device can include a holder in which one or more magnetometer units are arranged.
Zur Anbringung der einen oder mehreren Magnetometereinheiten kann beispielsweise eine Halterung wie ein Band 260 genutzt werden, das lösbar (z.B. mit einem Verschluss oder als ein elastisches Band) um ein Armgelenk herum angebracht werden kann, wie in
Die Lage der Magnetometereinheiten innerhalb einer solchen Halterung 260, 262 kann so gewählt werden, dass ein möglichst eindeutiges Signal für eine vorgegebene Muskelbewegung erreicht werden kann. Diese Lageinformationen können zumindest teilweise aus klassischen EMG-Verfahren und Wissen über die verwendeten Muskelgruppen ermittelt werden, können aber auch noch weiter angepasst und optimiert werden. Dazu können beispielsweise herstellerseitig Versuche vorgenommen werden, bei denen Magnetfeldsignale an verschiedenen Orten entlang von Gliedmaßen eines Nutzers für einen einzelnen Bewegungsablauf aufgezeichnet und ausgewertet werden, so dass die idealen Anbringungsorte für eine Magnetometereinheit gefunden werden können.The position of the magnetometer units within such a
Falls eine Sensorhalterung wie etwa ein Armband 260 genutzt wird, können optional Elemente an der Sensorhalterung vorgesehen sein, die eine eindeutige Positionierung relativ zu bestimmten Muskeln bzw. Körperstellen eines Benutzers erlauben; beispielsweise könnte ein Armband mit einer Fingerschlaufe versehen sein, so dass sowohl die Position am Arm entlang als auch die Drehposition der Sensorhalterung zumindest grob vorgegeben ist.If a sensor holder such as a
Wie bereits beschrieben, können als Magnetometereinheiten insbesondere gradiometrische Magnetometereinheiten aus zwei oder mehreren einzelnen, aber nah aneinander angeordneten und gemeinsam ausgewerteten Magnetometern verwendet werden, um Hintergrundfelder aus dem Signal zu eliminieren. In allen beschriebenen Beispielen kann also eine Magnetometereinheit insbesondere zwei oder mehr Einzelmagnetometer in einer Gradiometerkonfiguration umfassen. Damit können in einer Sensorhalterung wie einem Handschuh oder Armband mehrere gradiometrischen Magnetometereinheiten an verschiedenen Orten angeordnet sein, wobei jede aus dieser Vielzahl von gradiometrischen Magnetometereinheiten wiederum mehrere einzelne Sensorköpfe umfassen kann. Es versteht sich, dass dabei „einzelne Sensorköpfe“ jeweils Messbereiche in einem Sensorkristall bezeichnen; wie weiter oben bereits beschrieben, können jedoch insbesondere für gradiometrische Messungen auch mehrere Messbereiche innerhalb eines einzelnen Sensorkristalls genutzt werden. Natürlich können in einer Sensorvorrichtung auch einzelne Magnetometereinheiten und gradiometrische Magnetometereinheiten in Kombination umfasst sein, oder verschiedene Ausbildungen von gradiometrischen Magnetometereinheiten, z.B. an verschiedenen Orten am Körper. Auch die Mikrowellenquelle und die Anregungslichtquelle werden bevorzugt zumindest für alle Magnetometer einer gradiometrischen Magnetometereinheit gemeinsam genutzt; es ist aber auch möglich und vereinfacht den gesamten Aufbau, wenn die Mikrowellenquelle und die Anregungslichtquelle für alle vorhandenen Magnetometereinheiten einer Sensorvorrichtung gemeinsam genutzt werden und dann z.B. durch Faseroptiken durch die Halterungen (z.B. in einen Handschuh) geführt werden. Die Signale können auch über geeignete drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindungen an eine Verarbeitungseinheit übermittelt werden. Diese Verarbeitungseinheit kann beispielsweise unmittelbar die Verarbeitungseinheit eines Systems sein, das mit Hilfe von erkannten Muskelaktivitäten angesteuert werden soll, z.B. ein Fahrzeug oder ein Computer. Alternativ kann auch eine separate Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Magnetfeldsignale vorhanden sein, die dann ihre Ergebnisse an eine andere Verarbeitungseinheit weiterleitet.As already described, gradiometric magnetometer units consisting of two or more individual magnetometers arranged close to one another and evaluated together can be used as magnetometer units in order to eliminate background fields from the signal. In all of the examples described, a magnetometer unit can in particular comprise two or more individual magnetometers in a gradiometer configuration. This means that several gradiometric magnetometer units can be arranged at different locations in a sensor holder such as a glove or bracelet, each of this large number of gradiometric magnetometer units in turn being able to comprise several individual sensor heads. It goes without saying that “individual sensor heads” each refer to measuring areas in a sensor crystal; However, as already described above, several measuring ranges can also be used within a single sensor crystal, particularly for gradiometric measurements. Of course, a sensor device can also include individual magnetometer units and gradiometric magnetometer units in combination, or different designs of gradiometric magnetometer units, for example at different locations on the body. The microwave source and the excitation light source are also preferably used together at least for all magnetometers of a gradiometric magnetometer unit; However, it is also possible and simplifies the entire structure if the microwave source and the excitation light source are used together for all existing magnetometer units of a sensor device and are then guided through the holders (e.g. in a glove), for example by fiber optics. The signals can also be transmitted to a processing unit via suitable wired or wireless communication links. This processing unit can, for example, directly be the processing unit of a system that is to be controlled with the help of recognized muscle activities, e.g. a vehicle or a computer. Alternatively, a separate processing unit can also be present for evaluating the magnetic field signals, which then forwards its results to another processing unit.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Erfassung von Muskelaktivität mit einer solchen Sensorvorrichtung ist schematisch in dem Flussdiagramm aus
Die Rohsignale der Magnetometereinheiten können dann in einem weiteren Schritt 320 durch eine oder mehrere Signalverarbeitungseinheiten vorverarbeitet werden. Beispielsweise können die Rohsignale der Magnetometereinheiten zunächst über einen Bandpass gefiltert werden, so dass alle Rauschanteile mit Frequenzen außerhalb der erwarteten Frequenzen der Muskelaktivität eliminiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann über eine Mittelung der erfassten Signale oder der gefilterten Signale über einen Zeitraum deutlich länger als typische Handbewegungen die Bias-Drift der Sensoren bestimmt und von dem gefilterten Signal abgezogen werden, so dass ein korrigiertes Signal vorliegt.The raw signals from the magnetometer units can then be preprocessed in a
Anschließend können aus den so vorverarbeiteten Magnetometersignalen in einem Schritt 330 verschiedene Merkmale extrahiert werden, die später zur Auswertung und Interpretation genutzt werden können. Beispielsweise können aus dem zeitlichen Verlauf der Magnetometersignale statistische Kennwerte wie etwa der Durchschnitt oder die Varianz des Gradienten jeweils über definierte Zeitfenster hinweg bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ können die Signale in den Frequenzbereich transformiert werden, so dass für jedes definierte Zeitfenster ein Frequenzsignal vorliegt, aus dem ebenfalls verschiedene statistische Merkmale abgeleitet werden können.Various features can then be extracted from the magnetometer signals preprocessed in this way in a
Die extrahierten Signalmerkmale können dann optional in Schritt 340 mittels definierter Hardware- und/oder Softwareschnittstellen externen Verarbeitungseinheiten zur Verfügung gestellt werden oder können direkt weiterverarbeitet werden.The extracted signal features can then optionally be made available to external processing units in
Die so erhaltenen Signalmerkmale können dann in Schritt 350 auf verschiedene Weise klassifiziert werden. Dabei kann direkt eine Klassifikation des aktivierten Muskels oder der aktivierten Muskelgruppe auf Basis dieser Merkmale erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann aber auch direkt eine Klassifikation einer konkreten Bewegung, Haltung oder Bewegungsabfolge erfolgen, ohne dabei die spezifischen Einzelmuskelsignale auszuwerten.The signal features thus obtained can then be classified in various ways in
Zur Klassifikation 350 können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Die Klassifikationsverfahren können separat oder auch in Kombination bzw. Abfolge eingesetzt werden.Various methods can be used for
Als einfaches Klassifikationsverfahren kann ein Schwellwertverfahren genutzt werden, welches beispielsweise obere und/oder untere Schwellwerte für bestimmte Signalmerkmale verwendet. Die Schwellwerte können zum Beispiel als Tabelle vorgegeben sein, die empirisch erhobene Kennwerte umfasst.A threshold value method can be used as a simple classification method, which uses, for example, upper and/or lower threshold values for certain signal features. The threshold values can, for example, be specified as a table that includes empirically collected characteristic values.
Darüber hinaus können auch verschiedene Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt werden, um die erfassten Signale zu klassifizieren. Eine Möglichkeit ist eine Interpretation der Signale mit Hilfe eines statistischen Klassifikationsverfahrens, wie etwa ein Entscheidungsbaum oder ein Random-Forest-Verfahren.In addition, various machine learning methods can also be used to classify the captured signals. One possibility is to interpret the signals using a statistical classification method, such as a decision tree or a random forest method.
Es können aber auch Ende-zu-Ende-Verfahren auf Basis tiefer neuronaler Netze verwendet werden, welche die (gegebenenfalls vorverarbeiteten) Signale der Magnetometereinheiten als Eingabewerte erhalten und die Klassifikation nach Muskelaktivität, Muskelgruppe, Haltung oder Bewegungsablauf vornimmt.However, end-to-end methods based on deep neural networks can also be used, which receive the (if necessary pre-processed) signals from the magnetometer units as input values and carry out the classification according to muscle activity, muscle group, posture or movement sequence.
Für die Klassifikation können auch mehrere Zielvariablen berücksichtigt werden, indem diese in verschiedenen Tabellen oder als verschiedene Klassifikationsmodelle (d.h. beispielsweise verschiedene trainierte neuronale Netze) vorgegeben werden. Dabei kann beispielsweise ein Klassifikationsmodell die Muskelgruppe bestimmen, während ein anderes den Bewegungsablauf klassifiziert.Several target variables can also be taken into account for the classification by specifying them in different tables or as different classification models (i.e., for example different trained neural networks). For example, one classification model can determine the muscle group, while another classifies the movement sequence.
Dabei können binäre Klassifikationen verwendet werden, die also nur zwei Zustände unterscheiden. Beispielsweise kann zwischen einer willentlichen Hand- bzw. Fingerbewegung und einer Ruheposition von Hand oder Finger unterschieden werden. Die Klassifikation soll also in diesem Fall in der Lage sein, unwillkürliche Bewegungen, feines Zittern und ähnliches auszufiltern und als Ruhezustand zu erkennen.Binary classifications can be used, which only distinguish between two states. For example, a distinction can be made between a voluntary hand or finger movement and a resting position of the hand or finger. In this case, the classification should be able to filter out involuntary movements, subtle tremors and the like and recognize them as a state of rest.
Ebenso können auch Multiklassen-Klassifikationen verwendet werden, so dass die als Eingabewerte erfassten Signalmerkmale in eine aus einer Vielzahl von vorgegebenen Klassen einsortiert werden. Als Klassen können hier beispielsweise die Unterscheidung verschiedener Hand- oder Fingerbewegungen verwendet werden.
Durch optionale Kombination der Ergebnisse kann dann eine verbesserte Einschätzung erfolgen. Beispielsweise könnte bei den vorstehend genannten Beispielen die zweite Klassifikation zur Erkennung einer Geste jeweils nur dann eingesetzt werden, wenn in der ersten Klassifikation eine willkürliche Bewegung erkannt wird. Es könnte auch eine mehrstufige Klassifikation genutzt werden, die in einem ersten Schritt die bewegten Muskelgruppen identifiziert und diese - gegebenenfalls mit weiteren Signalmerkmalen wie zeitlichen Verläufen - als Eingabewerte für eine weitere Klassifikation nutzt, die dann die konkreten Gesten oder Bewegungen klassifiziert. In anderen Ausführungsformen kann jedoch auch die gesamte Interpretation von einem einzelnen Klassifikationsmodell mit mehreren Klassen übernommen werden, welches nur die Magnetometersignale bzw. die daraus gewonnenen Signalmerkmale als Eingabewerte erhält.An improved assessment can then be made by optionally combining the results. For example, in the examples mentioned above, the second classification could only be used to recognize a gesture if an arbitrary movement is recognized in the first classification. A multi-stage classification could also be used, which in a first step identifies the moving muscle groups and uses these - possibly with further signal features such as time courses - as input values for a further classification, which then classifies the specific gestures or movements. In other embodiments, however, the entire interpretation can also be carried out by a single classification model with several classes, which only receives the magnetometer signals or the signal features obtained therefrom as input values.
Zu jeder definierten Zielvariable kann in allen Klassifikationsverfahren zusätzlich ein Konfidenzwert berechnet werden, der die statistische Sicherheit des Klassifikationsergebnisses widerspiegelt. Dieser Wert kann beispielsweise verwendet werden, um eine weitere Schwelle für eine Bewegungserkennung zu definieren; falls der Konfidenzwert unterhalb eines vorgegebenen Grenzwert liegt, kann z.B. festgelegt sein, dass die erkannte Bewegung nicht zur weiteren Steuerung verwendet wird, oder ein Nutzer kann aufgefordert werden, eine Bewegung noch einmal zu wiederholen.In all classification methods, a confidence level can also be added to each defined target variable value can be calculated that reflects the statistical certainty of the classification result. This value can be used, for example, to define another threshold for motion detection; If the confidence value is below a predetermined limit, it can be specified, for example, that the detected movement is not used for further control, or a user can be asked to repeat a movement again.
Zur Bildung solcher Klassifikationsmodelle können in einer Trainingsphase Messungen vorgenommen werden, die z.B. vorgegebene Bewegungen oder Bewegungsabläufe umfassen, so dass anhand dieser Bewegungen und der erfassten Messergebnisse gelabelte Trainingsdaten erzeugt werden können. Zusätzlich oder alternativ können klassische Verfahren wie die Elektromyographie über Oberflächenelektroden oder Nadelelektroden genutzt werden und mit den erfassten Magnetfeldsignalen korreliert werden, um gelabelte Trainingsdaten bzw. Zielvariablen für Klassifikationsmodelle zu erstellen. Die Ergebnisse können dann auf geeignete Weise abgespeichert werden und zusammen mit der Sensorvorrichtung und der zugehörigen Auswertungssoftware ausgeliefert werden.To form such classification models, measurements can be carried out in a training phase, which include, for example, predetermined movements or movement sequences, so that labeled training data can be generated based on these movements and the recorded measurement results. Additionally or alternatively, classic methods such as electromyography via surface electrodes or needle electrodes can be used and correlated with the recorded magnetic field signals in order to create labeled training data or target variables for classification models. The results can then be saved in a suitable manner and delivered together with the sensor device and the associated evaluation software.
Es ist außerdem möglich, weitere Informationen in die Klassifikationsverfahren mit einfließen zu lassen. Beispielsweise können Informationen wie Alter, Größe oder Gewicht eines Nutzers erfasst werden oder aus anderen Quellen erhalten werden und verwendet werden, um nutzerspezifische Ergebnisse zu verbessern. Eine Personalisierung kann auch erfolgen, indem ein Klassifikationsmodell durch einen Kalibriervorgang durch den Nutzer angepasst wird. Beispielsweise kann der Nutzer aufgefordert werden, bestimmte Bewegungsabläufe oder Gesten nach Vorgabe durchzuführen, die dann erfasst und ausgewertet werden. Optional können alle Klassifikationsmodelle auch kontinuierlich verbessert werden, indem z.B. im aktiven Gebrauch Rückmeldungen zur korrekten Erkennung von Bewegungen und Haltungen von einem Nutzer abgefragt werden.It is also possible to incorporate further information into the classification process. For example, information such as a user's age, height, or weight may be collected or obtained from other sources and used to improve user-specific results. Personalization can also be done by the user adapting a classification model through a calibration process. For example, the user can be asked to carry out certain movement sequences or gestures as specified, which are then recorded and evaluated. Optionally, all classification models can also be continuously improved, for example by asking a user for feedback on the correct recognition of movements and postures during active use.
Die so erhaltenen Ergebnisse der Klassifikation von Muskelbewegungen können dann auf beliebige Weise weiterverarbeitet werden.The results of the classification of muscle movements obtained in this way can then be further processed in any way.
Beispielsweise können die Ergebnisse weiteren Verarbeitungseinheiten zur Verfügung gestellt werden, welche diese in Schritt 360 als Steuerinformationen für eine Nutzerschnittstelle verwenden können. Zum Beispiel kann damit eine gestenbasierte bzw. bewegungsbasierte Steuerung für einen PC, ein Tablet oder ein Smartphone oder beliebige daran angeschlossene Hardware implementiert werden. Damit können beispielsweise eine oder mehrere Finger- und/oder Handgesten einem bestimmten Systemverhalten (z.B. nach oben oder unten scrollen auf einer angezeigten Seite, vor- und zurückspringen in einer Bedienoberfläche wie einer Playlist) zugeordnet werden und das zugeordnete Systemverhalten ausgeführt werden, sobald die jeweilige Geste erkannt wird. Es ist auch möglich, dass gleiche Gesten bzw. Muskelbewegungen für unterschiedliche Systeme unterschiedliche Reaktionen auslösen, oder dass eine Bewegung mehrere unterschiedliche Systeme gleichzeitig ansteuert. Alternativ kann auch die Bewegung von einer einzelnen zentralen Verarbeitungseinheit zur Steuerung ausgewertet werden, woraufhin diese Verarbeitungseinheit wiederum eine oder mehrere andere Vorrichtungen ansteuern kann.For example, the results can be made available to other processing units, which can use them in
Um eine Bewegungserkennung zu ermöglichen, kann insbesondere die Messung der Magnetfelder kontinuierlich bzw. in vorgegebenen Abständen wiederholt werden, so dass alle relevanten Bewegungen erfasst werden. Die Schritte der Signalverarbeitung und Klassifizierung können in denselben Abständen oder auch in größeren Abständen durchgeführt werden, beispielsweise immer dann, wenn eine vorgegebene Anzahl von gemessenen Signalen in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern vorliegt. Es ist auch möglich, dass die Messung und/oder die zugehörige Auswertung der Magnetfeldsignale durch andere Bedingungen ausgelöst oder gestoppt wird, z.B. durch entsprechende Schalter oder Benutzerschnittstellen oder durch Signale weiterer Sensoren wie eines Annäherungssensors.In order to enable motion detection, the measurement of the magnetic fields can in particular be repeated continuously or at predetermined intervals so that all relevant movements are recorded. The signal processing and classification steps can be carried out at the same intervals or at larger intervals, for example whenever a predetermined number of measured signals are present in successive time windows. It is also possible for the measurement and/or the associated evaluation of the magnetic field signals to be triggered or stopped by other conditions, for example by corresponding switches or user interfaces or by signals from other sensors such as a proximity sensor.
Eine derartige Benutzerschnittstelle, die in der Lage ist, Muskelbewegungen zu erkennen, kann insbesondere in der Neurorehabilitation sowie zur Ansteuerung von (Teil-)Prothesen genutzt werden.Such a user interface, which is able to recognize muscle movements, can be used in particular in neurorehabilitation and to control (partial) prostheses.
Natürlich ist es auch möglich, mit einer solchen bewegungsgesteuerten Benutzerschnittstelle über Magnetometer die Steuerung von Fahrzeugen, Flugzeugen, Drohnen, Maschinen, Robotern oder anderen beweglichen Elementen zu übernehmen oder zumindest zu unterstützen, falls die Zuordnung der Magnetfeldsignale zu den jeweiligen Bewegungsabläufen genau genug sichergestellt werden kann.Of course, it is also possible to use such a motion-controlled user interface to take over or at least support the control of vehicles, aircraft, drones, machines, robots or other moving elements via magnetometers, if the assignment of the magnetic field signals to the respective movement sequences can be ensured precisely enough .
Es versteht sich, dass die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele nur zur Veranschaulichung des vorgeschlagenen Prinzips dienen und auch anders ausgebildet sein können. Beispielsweise können anders ausgebildete Halterungen genutzt werden, um die Sensoren am Körper eines Nutzers anzubringen; die Halterung kann auch in eine für einen anderen Zweck genutzte Vorrichtung (z.B. Armbanduhr) integriert werden.It is understood that the exemplary embodiments described and illustrated only serve to illustrate the proposed principle and can also be designed differently. For example, differently designed holders can be used to attach the sensors to a user's body; The holder can also be integrated into a device used for another purpose (e.g. wristwatch).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102018203845 A1 [0004, 0031]DE 102018203845 A1 [0004, 0031]
- DE 102020207200 A1 [0004, 0031]DE 102020207200 A1 [0004, 0031]
- DE 102019212587 A1 [0031]DE 102019212587 A1 [0031]
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- 2022-06-01 DE DE102022205569.1A patent/DE102022205569A1/en active Pending
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