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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden
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Hintergrund der Erfindung
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Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbesondere optisch gepumpte oder auf NV-Zentren in Diamant basierende Quantensensoren. In der
DE 10 2022 204 526.2 wird ein Magnetometer beschrieben, das optisch gepumpte und optisch detektierte magnetische Resonanzen (optically detected magnetic resonance, ODMR) nutzt. Dabei wird ausgenutzt, dass unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Energieniveaus bestimmter Spinzustände ungepaarter Elektronen aufspalten, der sogenannte Zeeman-Effekt. Durch die Aufspaltung der Energieniveaus ergeben sich veränderte Übergänge bei der Relaxation aus angeregten Zuständen, die dann beispielsweise durch optische Anregung und frequenzabhängige Detektion der resultierenden Fluoreszenzstrahlung oder durch Beobachtung optischer Eigenschaften wie der Absorption von Licht, gemessen werden können. Aus den gemessenen optischen Parametern kann dann wiederum auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Magnetokardiogramm (abgekürzt MKG) ist die Aufnahme und Darstellung des Magnetfeldes des Herzes, das durch die elektrophysiologische Aktivität der Herzmuskelzellen entsteht. Im Rahmen der Erfindung wird eine kontaktlose, passive Möglichkeit der Langzeitüberwachung des menschlichen Herzes mit hoher Auflösung vorgestellt. Dies wird durch wenigstens eine Stickstoff-Fehlstellen-Magnetometereinheit (sog. NV-Magnetometereinheit) realisiert.
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Im Einzelnen wird nun eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden, vorgestellt, welche wenigstens eine NV-Magnetometereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine magnetische Feldstärke und Feldrichtung zu erfassen, wenigstens einen weiteren Sensor, und eine Signalverarbeitungseinheit, mit der die wenigstens eine NV-Magnetometereinheit und der wenigstens eine weitere Sensor verbunden sind, aufweist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mittels der Signalverarbeitungseinheit wenigstens eine effektive magnetische Feldstärke und/oder wenigstens eine effektive Feldrichtung aus den Signalen der wenigstens einen NV-Magnetometereinheit und des wenigstens einen weiteren Sensors zu bestimmen. Sowohl eine drahtlose als auch drahtgebundene Anbindung zwischen Sensorik und Signalverarbeitungseinheit ist vorgesehen. Eine solche Vorrichtung kann auch als Magnetokardiograf bezeichnet werden.
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Die Erfindung befasst sich mit einer Signalverarbeitung für Magnetokardiografen, insbesondere aber nicht ausschließlich bezogen auf Anwendungen in Haushaltsumgebungen. Die Signalverarbeitung für diesen Fall hat insbesondere die Aufgabe, von externen Magnetfeldstörgrößen unabhängig zu machen. Überall, wo sich elektrische Ladungen bewegen oder wo magnetische bzw. magnetisierbare Materialien bewegt werden, verändert sich das Umgebungsmagnetfeld, was vom Signal durch entsprechende Signalverarbeitung getrennt werden muss, um dieses messbar zu machen. Eine besonders gute Signalverarbeitung ermöglicht außerdem die Verbesserung der Signalauflösung und somit die Detektion von selteneren und schwerer detektierbaren Artefakten im Zeitverlauf des Herzsignals bzw. anderen biomedizinischen Signalen und damit verbundenen Krankheitsbildern. In dieser Offenbarung wird insbesondere auf die Vorteile durch die Kopplung mit anderen Sensoren und Technologien eingegangen. Der wenigstens eine weitere Sensor kann vorteilhaft für die Signalverarbeitung, insbesondere eine Triggerung von Mittelungen, Referenzierungs- und Vergleichsalgorithmen, verwendet werden.
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Ein besonderer Vorteil der NV-Sensorik ist deren Größe, speziell des Sensormediums. Für die Anwendung sollte das aktive Messvolumen klein gegenüber dem zu messenden Objekt (Herz) sein, da ansonsten durch die Flächenabdeckung über große Teile des Signals integriert wird und somit das Signal ggf. verschwindet, da das Integral null ist. Je kleiner das aktive Messvolumen im Vergleich zum Herz, desto besser ist die Signaldetektion. NV-Sensorik hat ein sehr kleines aktives Sensorvolumen. Diese Kleinbaubarkeit ermöglicht zudem die Verwendung der Sensoren in einer geometrischen Anordnung. Insbesondere sind sehr hochauflösende Anordnungen durch das sehr kleine aktive Sensorvolumen möglich. Dies ermöglicht auch die einfache Integration in Gebäudeteile (Wände, Decken usw.) oder Einrichtungsgegenstände (Möbel usw.), Textilien (Kleidung, Decken usw.) oder andere Alltagsgegenstände, wobei zahlreiche Optionen angedacht sind.
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Diamant-NV-Magnetometer beruhen auf dem Auslesen der Magnetresonanzen von speziellen Defektzentren in Diamant, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen (NV, nitrogen vacancy), die als Verunreinigungen des Kohlenstoffgitters von Diamant auftreten und auch gezielt eingebracht werden können. Wird das NV-Zentrum im Grundzustand optisch angeregt, indem z.B. ein Pumplaserstrahl mit geeigneter Wellenlänge (in diesem Fall im grünen Wellenlängenbereich, z.B. bei 532nm für eine off-resonance-Anregung) eingestrahlt wird, werden die Elektronen vom Triplett-Grundzustand in den angeregten Triplett-Zustand gehoben und relaxieren unter Emission von Fluoreszenzlicht im roten Wellenlängenbereich bei 650 - 800 nm (637nm = zero phonon line). Da die Wahrscheinlichkeit für nicht spinerhaltende Übergänge aus dem Spinzustand mit der Spinquantenzahl ms=±1 größer ist, sorgt ein fortlaufendes Anregungspumpen dafür, dass die NV-Zentren größtenteils im Spinzustand ms=0 hyperpolarisiert werden.
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Zwischen den ms = 0 und ms=±1 Spinzuständen im Grundzustand besteht eine Energiedifferenz, die in diesem Fall bei etwa 2,87 GHz liegt. Strahlt man also neben der optischen Anregung noch Mikrowellenstrahlung in den Diamanten ein, kommt es bei dieser Resonanzfrequenz von 2,87 GHz zu einem Einbruch der roten Fluoreszenz, da die spinpolarisierten Elektronen durch das Mikrowellenfeld vom ms = 0 in den ms=±1 -Grundzustand gehoben werden und von dort durch das Pumplicht in den ms=±1 angeregten Zustand angeregt werden. Von dort treten jedoch vor allem nichtstrahlende Übergänge und schwach infrarote Fluoreszenzübergänge über den Singulett-Zustand auf, während die Fluoreszenz im roten Bereich wegfällt.
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Wenn nun ein externes Magnetfeld vorhanden ist, kommt es durch den sogenannten Zeeman-Effekt zur Aufspaltung der ansonsten gleichenergetischen ms=±1 Triplett-Niveaus in energetisch äquidistante Zeeman-Niveaus. Bei Auftragung der Fluoreszenz gegen ein Frequenzspektrum der Mikrowellenanregung zeigen sich dann zwei Dips im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke des externen Magnetfelds ist. Die Magnetfeldsensitivität wird dabei vor allem durch die minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis 1 pTA/Hz oder weniger erreichen. Da das NV-Zentrum im einkristallinen Diamanten vier Möglichkeiten besitzt, sich im Kristallgitter anzuordnen, kommt es bei Anwesenheit eines gerichteten Magnetfelds dazu, dass die im Kristall vorhandenen NV-Zentren je nach Lage im Kristall unterschiedlich stark auf das äußere Magnetfeld reagieren. Dadurch können im Idealfall vier Paare von Fluoreszenz-Minima im Spektrum auftauchen, aus deren Form und Lage zueinander sowohl die Magnetfeldstärke als Betrag als auch die Richtung des externen Magnetfelds eindeutig bestimmbar sind.
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Um vektorielle Magnetfeldmessungen zu ermöglichen, weist die Vorrichtung in einer Ausgestaltung eine Einrichtung zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen Bias-Magnetfelds im Bereich der Magnetometereinheiten bzw. deren Sensormedien auf, wobei die Bias-Magnetfelder von unterschiedlichen NV-Magnetometereinheiten zweckmäßigerweise unterschiedlich sind. Es kann sich dabei um eine Helmholtz-Spulenanordnung handeln, wobei mindestens das Sensormedium innerhalb der Helmholtz-Spulenanordnung angeordnet ist (jede Magnetometereinheit hat zweckmäßiger ihr eigenes Bias-Feld, was die Feldbestimmung verbessert). Es kann sich ebenso um andere Einrichtungen handeln wie z.B. eine einfache Spule, eine langgezogene Spule, Permanentmagnetlösungen wie z.B. in einem Hallbacharray usw.
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Herzsignale haben in einigen cm Abstand eine magnetische Signatur mit einer Amplitude von (nur noch) Picotesla (pT), wohingegen z.B. das Erdmagnetfeld in Mitteleuropa ca. 50 µT (Mikrotesla) beträgt, also um einen Faktor 106 stärker ist. Selbst so kleine Feldstärken sind jedoch mit der vorgeschlagenen Technologie langzeitig hochgenau auflösbar. Beispielsweise kann dazu eine magnetische Abschirmung oder eine Gradiometerverschaltung verwendet werden.
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Durch die hochauflösende Detektion des genauen Herzsignals kann eine Vielzahl an Krankheiten detektiert werden, wie beispielsweise permanentes Vorhofflimmern und anfallsweises („Paroxysmales“) Vorhofflimmern. Somit kann einem Herzinfarkt und in der Folge einem Schlaganfall (insbesondere nach unerkanntem Herzinfarkt) vorgebeugt werden. Ferner eignet sich die Erfindung zur Früherkennung eines S-T-Hebungsinfarkts, andersartigen Hebungsinfarkts, einer Lungenembolie, einer AV-Knoten-Rentry-Tachykardie, von ventrikuläre Extrasystolen, aber auch sehr seltene pathogene Erkrankungen wie z.B. einer arrhythmogenen rechtsventrikulären Tachykardie, die sonst nur durch eine Gensequenzierung erkannt werden können.
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Erst eine genaue Auflösung des Herzsignals ermöglicht diese Detektion der Krankheitsbilder. Im Fall stark verrauschter oder schlecht aufgelöster Signale sind nämlich die Verschiebungen der verschiedenen PQRST-Komplexe des Herzes gegeneinander bzw. über die Zeit, Schwankungen in deren Amplitude, Verformungen oder kleine Störungen nicht detektierbar. Diese Auflösung dieser Kriterien sind allerdings wichtige Faktoren, da die oben genannten Problematiken zu Vertauschungen von Komplexen (z.B. Interpretation von erhöhter und verschobener T-Welle als R-Welle, was allerdings bei einem „gesunden“ Herz häufig vorkommt) und zu Fehlalarmen führen kann.
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Wenn eine Gradiometerverschaltung von wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten verwendet wird, somit eine geometrischen Anordnung von wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten, hat immer eine Magnetometereinheit einen größeren Abstand zum Herz (als relativ schwache Magnetfeldquelle) als eine andere Magnetometereinheit. Durch die Gradiometerverschaltung, d.h. im Wesentlichen (vektorielle) Subtraktion des Gemessenen, entspricht der Magnetfeldgradient näherungsweise dem Feld, das von der schwachen Quelle ausgeht, während wesentlich stärkere Hintergrundfelder (die in beiden Magnetometereinheiten im Wesentlichen gleich sind) eliminiert werden. Damit entfällt die Notwendigkeit einer magnetischen Abschirmung, so dass die Magnetfeldmessung in Alltagsumgebungen möglich wird. Die Erfindung eignet sich entsprechend insbesondere zur nichtabgeschirmten Messung schwacher Magnetfelder. Technische Details zu Gradiometerlösungen, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, sind in der
DE 102022201690.4 offenbart, und sollen hier einbezogen sein.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, mittels der wenigstens einen NV-Magnetometereinheit eine magnetische Feldstärke und Feldrichtung zu erfassen. Ein weiterer Vorteil der NV-Sensorik ist die Richtungs- bzw. Vektorinformation. Im Gegensatz zu weiteren Technologien ist diese bei NV-Sensorik intrinsisch gegeben. Es müssen also weder durch Modulationstechniken Störungen eingeführt bzw. ungünstigere Projektionen genutzt werden, noch mehrere separate Sensoren verwendet werden. Man hat somit die Vektor- und Gradiometrieinformation am exakt selben Ort (Diamantgröße, also einstellige mm^3 und darunter) und nicht einige cm bis viele cm separiert wie bei anderen Technologien. Mit NV-Magnetometer-Einheiten, die nicht nur die Feldstärke, sondern auch die Richtung des Magnetfeldes bestimmen können, wird eine verbesserte Unterdrückung eines Hintergrundfeldes und somit die bessere Detektion von Signalen, die stark von Störsignalen überlagert werden, ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, mittels des wenigstens einen weiteren Sensors einen sich wiederholenden Referenzpunkt in den Signalen der wenigstens einen NV-Magnetometereinheit zu bestimmen, die Signale der wenigstens einen NV-Magnetometereinheit anhand des Referenzpunkts in einzelne Signalabschnitte zu unterteilen und aus den Signalabschnitten einen effektiven Signalabschnitt zu bestimmen. Somit kann insbesondere über mehrere Herzschläge gemittelt werden. Um Herzsignale hochgenau auflösen zu können, kann über mehrere Herzschläge gemittelt werden, um das Rauschen zu reduzieren. Da ein typischer Herzschlag leicht unregelmäßig ist, wird dazu die Triggerung durch einen weiteren Sensor, z.B. durch einen Drucksensor oder ein Pulsoxymeter vorgeschlagen. Dabei ist kurzes Mitteln (z.B. 5-10 Zyklen) und langes Mitteln (z.B. 100-200 Zyklen) möglich, um unterschiedliche Informationen zu erhalten.
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Auch insbesondere die gemeinsame Betrachtung der ursprünglichen Signale der wenigstens einen NV-Magnetometereinheit, des wenigstens einen weiteren Sensors und/oder des effektiven Signalabschnitts kann zur Analyse verwendet werden. Der wenigstens eine weitere Sensor kann auch ein Vergleichssignal bzw. zusätzliches Signal zur direkten Unterscheidung von Artefakten bereitstellen. Weiter kann der wenigstens eine weitere Sensor auch verwendet werden, um zusätzliche Peaks zu identifizieren, z.B. um eine erhöhte T-Welle von einem R-Peak zu unterscheiden. Dabei kann insbesondere die NV-Magnetometereinheit den Signalverlauf genau auflösen, sodass die einzelnen Wellen klar identifizierbar sind, und der wenigstens eine weitere Sensor z.B. starke Ausschläge erfassen. Ist ein zusätzlicher „starker Ausschlag“ vorhanden, so würde ein Referenzsensor einfach einen etwas höheren Puls vermuten, was nicht auffällig wäre. Durch den Vergleich der Signale der NV-Magnetometereinheit und des zusätzlichen Sensors kann z.B. eine erhöhte T-Welle (Indikator Herzinfarkt) klar erkannt werden. Weiterhin fallen Signale in der magnetischen Signatur teilweise, insbesondere in unterschiedlichen Messkanälen (Vektometrie), unterschiedlich als anders detektierte Peaks aus. Auch hier können durch einen entsprechenden Vergleich sehr einfach zusätzliche Features erkannt werden. Weiterhin kann, wenn auf einen externen Trigger, welcher eben keinen zusätzlichen Peak erkennt, gemittelt wird, der zusätzliche Peak als deutliche Signalerhöhung einer bestimmten Welle, auch bei langen Mittelungszeiten, identifiziert werden, da der Peak nur in einem der Signale auftaucht.
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Bei Vorrichtungen mit Anordnungen aus wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten ist in der Praxis typischerweise immer eine NV-Magnetometereinheit oder eine (Gradiometer-)Anordnung aus zwei NV-Magnetometereinheiten besonders nah am Herzen. Deren Signal kann vorteilhaft besonders genutzt werden, da davon auszugehen ist, dass dieses das magnetische Signal des Herzes am besten wiedergibt. Dieses Signal kann mit anderen verrechnet werden, um beispielsweise vektorielle Ableitungen (Tensiometrie) zu bilden. Auch kann daraus bestimmt werden, welche anderen NV-Magnetometereinheiten sehr weit entfernt vom Herz sind und daher besser für die Bestimmung des Hintergrunds verwendet werden. Hierbei kann die Position des Benutzers, insbesondere auch eine sich über die Zeit verändernde Position, durch den wenigstens einen weiteren Sensor, z.B. Druck- bzw. Kraftsensoren, (oder durch das Magnetsignal selbst) bestimmt werden, um somit die Signalverarbeitung zeitlich an die veränderte Position anzupassen.
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Das Erfassen der Atmung (und ähnlicher Signale) über den wenigstens einen weiteren Sensor (z.B. Mikrofon oder Drucksensor) erlaubt ebenfalls die Korrektur von Störtermen, da Atmung Bewegung bedeutet, was einer Verschiebung des Körpers gegenüber den NV-Magnetometereinheiten entspricht. Auch zusätzliche Information, wie z.B. der Verlauf der Atmung, können so ermittelt werden, um auf Schlafapnoe oder allgemein den Gesundheitszustand zu schließen.
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Insbesondere kann mittels des wenigstens einen weiteren Sensors eine Berechnungsvorschrift bestimmt werden, gemäß dieser dann die wenigstens eine effektive magnetische Feldstärke und/oder wenigstens eine effektive Feldrichtung aus den Signalen der wenigstens einen NV-Magnetometereinheit bestimmt wird. Insbesondere kann eine solche Berechnungsvorschrift angeben, in welcher Höhe die Signale welcher NV-Magnetometereinheit in das Ergebnis eingehen. Beispielsweise kann hier die Position des Benutzers, wie oben beschrieben, eine Temperatur, z.B. von einzelnen NV-Magnetometereinheiten, eine Stärke oder Varianz eines Hintergrund- bzw. Störfeldes usw. maßgebend sein.
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Eine sich daraus ergebende „zeitlich veränderliche“ Signalverarbeitung ist auch für die Bewertung der Daten und die Qualifizierung, welche Daten ausgewertet werden sollen - und welche als „fehlerhaft“ bewertet werden, hilfreich, beispielsweise weil sich der Benutzer zu häufig und/oder schnell bewegt hat o.ä.
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Eine Temperaturüberwachung kann überdies auch zur Sicherheitserhöhung beitragen, z.B. zum Herbeiführen einer Notabschaltung.
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Auch weitere externe Einflüsse, wie z.B. Temperatur, Druck, Wärme anderer Person im Bett etc. können durch den wenigstens einen weiteren Sensor erfasst und somit korrigiert oder zusätzlich genutzt werden.
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Aus den erhaltenen Daten kann auch eine Empfehlung abgeleitet werden, z.B. „Legen Sie die Matte etwas niedriger“ oder „Für Sie wäre ein anderes Kissen gesünder“ und über eine Schnittstelle z.B. auf einer App ausgegeben werden. Insbesondere kann eine Kopplung auch an andere Technologien, wie z.B. eine Smartwatch und darin integrierte Sensoren als der wenigstens eine weitere Sensor erfolgen.
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Der wenigstens eine weitere Sensor kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Drucksensor, Kraftsensor, Temperatursensor, Beschleunigungssensor, Inertialsensor (IMU), Gyroskop, Pulsoxymeter, Mikrofon, Magnetometereinheit ohne Stickstoff-Fehlstellen-Zentren.
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Für die Anwendung wird eine Samplingrate benötigt, welche höher als das Herzsignal ist, um dieses aufzulösen, insbesondere größer als 50Hz. Dabei wird ein Bereich von 200 Hz bis 400 Hz als besonders vorteilhaft erachtet. Höher ist für die Auflösung immer besser, verschärft aber die Anforderungen an die Sensitivität.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt in einer schematischen Blockansicht die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren-Magnetometers, wie es im Rahmen der Erfindung Anwendung finden kann.
- 2 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) jeweils in einer schematischen Blockansicht mögliche Anordnungen von NV-Magnetometereinheiten einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung.
- 3 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Benutzer und eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 4 zeigt schematisch in drei Draufsichten a) bis c) mögliche Ausgestaltungen von Anordnungen mit einer oder mehreren NV-Magnetometereinheiten gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
- 5 zeigt schematisch in zwei Seitenansichten a) und b) mögliche Ausgestaltungen von Vorrichtungen mit mehreren Anordnungen mit NV-Magnetometereinheiten und einer Signalverarbeitungseinheit gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren-Magnetometers. Dabei ist zunächst ein Diamant 110 mit Stickstoff-Fehlstellen (NV) als Sensormedium vorhanden. Die optische Anregung der NV-Zentren kann durch eine geeignete Lichtquelle 120 wie etwa eine LED oder einen Pumplaser erreicht werden. Hier eignet sich beispielsweise ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser oder Halbleiterlaser im grünen Bereich von etwa 510-532nm, z.B. bei 532nm für eine off-resonance-Anregung. Alternativ können auch LEDs in geeigneten Wellenlängenbereichen genutzt werden. Je nach Anordnung kann das Licht der Lichtquelle 120 über geeignete optische Elemente 122 wie etwa Spiegel, Strahlteiler, fokussierende Optik wie Linsen und gegebenenfalls über faseroptische Elemente in den Diamanten 110 eingestrahlt werden. Außerdem kann das Anregungslicht durch den Laser kontinuierlich oder gepulst eingestrahlt werden, so dass beispielsweise Zeitfenster zur störungsfreien Fluoreszenzlichtmessung freigehalten werden.
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Weiter kann das Magnetometer eine Mikrowellenquelle 150 umfassen, die in der Lage ist, ein elektromagnetisches Feld über eine Bandbreite hinweg, die die erwünschte Resonanzfrequenz abdeckt, im Sensormedium zu erzeugen, d.h. im Bereich der NV-Zentren des Diamanten 110. Eine Mikrowellen-Resonatorstruktur kann verwendet werden, um die erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Messbereichs im Diamanten homogen zu verteilen. Die Resonatorstruktur bzw. die Mikrowellenquelle 150 ist dabei bevorzugt auf die Frequenz der Elektronenspinresonanzen gestimmt. Um Vektormagnetometrie zu ermöglichen, wird ein zusätzliches statisches Bias-Magnetfeld 140 erzeugt. Dadurch wird die Messung intrinsisch vektoriell. Dazu werden verschiedene Raumrichtungen in der Kristallstruktur verwendet. Zur Erzeugung eines solchen Magnetfelds 140 eignet sich beispielsweise eine Helmholtz-Spule, bei der mittels eines Spulenpaars ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld in einem begrenzten Bereich erzeugt werden kann.
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Das entstehende Fluoreszenzlicht 112 aus dem Diamanten 110 kann wiederum über geeignete optische Elemente 134 wie etwa optische Filter, Strahlteiler, Linsen, und/oder faseroptische Elemente zu einem ersten Photodetektor 130 geleitet werden, der mindestens im Bereich der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist. Der erste Photodetektor 130 kann auch unmittelbar an dem Diamanten 110 angeordnet sein. Ein zweiter Photodetektor 132 ist so angeordnet, dass er zumindest einen Teil des Anregungslichts der Lichtquelle 120 detektieren kann, welches beispielsweise durch einen Strahlteiler, einen Filter oder ein teildurchlässiges Element ausgekoppelt werden kann. Dieses Detektorsignal 132 des Anregungslichts kann als Referenzsignal verwendet werden, um beispielsweise durch Modulation des Anregungslichts mittels eines Lock-In-Verstärkers Hintergrundsignale zu eliminieren und das interessierende Resonanzsignal herauszustellen. Zusätzlich oder alternativ kann dieses Referenzsignal verwendet werden, um Schwankungen des Anregungslichts zu berücksichtigen. Entsprechende Schaltungen 160 wie ein Vorverstärker, ein logarithmischer Verstärker, ein Lock-In-Verstärker, Signalfilter oder andere sind also vorgesehen, um die Signale des ersten und des zweiten Photodetektors zu erhalten und die Signale auf geeignete Weise für die weitere Auswertung vorzuverarbeiten. Schließlich kann durch eine Signalverarbeitungseinheit 170 das vorverarbeitete Fluoreszenzsignal ausgewertet werden, z.B. mit einem geeigneten Mikrocontroller oder Prozessor, um aus dem Signal die gewünschten Parameter des detektierten Magnetfelds zu erhalten, insbesondere die Magnetfeldstärke und die Richtung des Magnetfelds.
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Es versteht sich, dass eine solche Vorrichtung auch weitere, nicht gezeigte Einheiten aufweisen kann, wie Kommunikationseinheiten bzw. Schnittstellen zur Ausgabe der Messergebnisse. Eine solche Vorrichtung kann auch vorteilhaft in ein ASIC oder FPGA integriert sein.
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Um in einer Alltagsumgebung einsetzbar zu sein, sollen Magnetfelder, die nicht von gewünschten schwachen Quellen stammen, aus der Messung möglichst eliminiert werden, insbesondere das Erdmagnetfeld im Bereich von 10-5 Tesla (einige Mikrotesla). Dagegen bewegen sich Herzmagnetfelder im Bereich von 10-12 Tesla (Picotesla).
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Die Elimination der Hintergrundmagnetfelder kann durch eine Abschirmung oder durch eine Gradiometeranordnung bei der Magnetfeldmessung gemäß beispielhaften Ausführungsformen erreicht werden. Als Gradiometer werden grundsätzlich Sensoreinheiten bezeichnet, die in der Lage sind, nicht nur die Feldstärke, sondern auch den Gradienten des Felds zu erfassen.
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Dazu können mindestens zwei einzelne Magnetometereinheiten verwendet werden, die an räumlich unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Als Beispiel wird im Folgenden in Verbindung mit 2 eine Sensoreinheit beschrieben, die zwei oder mehr NV-Zentren-Magnetometer in einer Gradiometeranordnung verwendet.
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2 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) mögliche geometrische Anordnungen von NV-Magnetometereinheiten einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung. Abbildung a) zeigt in einer Seitenansicht eine Anordnung von NV-Magnetometereinheiten S1, S2, ..., Sn in einer beliebigen Anordnung zueinander in einer Ebene (senkrecht zur Zeichenebene, d.h. es ist nur die erste Reihe sichtbar). Abbildung b) zeigt in einer Seitenansicht zwei NV-Magnetometereinheiten S1, S2, deren Sensormedien Abschnitt desselben Diamantkristalls 110 sind. ) zeigt in einer Seitenansicht eine Anzahl (n mal m) von NV-Magnetometereinheiten S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ... Snm in einer beliebigen dreidimensionalen Anordnung. Dabei schließen sich weitere Schichten hinter der Zeichenebene an, so dass insgesamt eine Art kubisches Gitter gebildet wird. Dabei ist wenigstens eine NV-Magnetometereinheit (nicht gezeigt), die z.B. in einer der hinteren Schichten liegt, nicht in der Ebene (Zeichenebene) angeordnet ist, in der andere NV-Magnetometereinheiten S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ... Snm angeordnet sind.
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Weiterhin sind mit M eine Signalquelle, hier ein Herz, und mit O eine optionale Oberfläche (insbesondere Körperhaut), welche die Zugänglichkeit zur bzw. Erreichbarkeit der Magnetfeldquelle M begrenzt, bezeichnet.
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In Ausgestaltungen der Erfindungen können mehr als zwei NV-Magnetometereinheiten insgesamt ein Gradiometer bilden (jedoch mindestens zwei). Mit jeder zusätzlichen NV-Magnetometereinheit kann das HintergrundFeld besser bestimmt werden und Ort und Stärke des Erregers können besser vom Hintergrund getrennt werden.
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In anderen Ausgestaltungen der Erfindung können auch immer zwei NV-Magnetometereinheiten ein Gradiometer bilden, wobei dann - je nach Anzahl der NV-Magnetometereinheiten - insgesamt mehrere Gradiometer gebildet werden und das interessierende Signal erfassen. Daraus kann dann ein effektives Messsignal gebildet werden, insbesondere von der Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise durch Mittelung, Summation usw.
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Ein Abstand d zwischen zwei NV-Magnetometereinheiten S1, S2, ... oder genauer deren Sensormedien 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 eines zusätzlichen Hintergrundmagnetfeldes Benv an beiden Orten etwa gleich groß ist. Dagegen wird das interessierende schwache Magnetfeld B mit zunehmender Entfernung von der Magnetfeldquelle M deutlich abnehmen.
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Indem also zwei NV-Magnetometereinheiten in unterschiedlichen Abständen und Winkeln von der Quelle bzw. vom Herz angeordnet werden, kann das Hintergrundfeld durch Vektorarithmetik eliminiert bzw. bestimmt werden und damit das interessierende kleine Magnetfeld bestimmt sowie dessen Quelle charakterisiert werden (Ort und Orientierung). Dies kann durch ein entferntes Magnetometer, das so weit entfernt ist, dass das interessante schwache Magnetfeld unterhalb der Detektionsschwelle abgefallen ist, weiter verbessert werden. Mit so einer Konfiguration können lokale Änderungen im Hintergrundfeld durch die mindestens zwei nahen Magnetometer ausgeglichen werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise zwei NV-Magnetometereinheiten übereinander in einer axialen Gradiometerkonfiguration angeordnet werden, so dass jeweils ein NV-Magnetometereinheit einer ersten Schicht mit einer darunterliegenden NV-Magnetometereinheit einer zweiten, darunterliegenden Schicht, ein Gradiometer bildet.
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In den 3 bis 5 sind mögliche Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt und werden im Folgenden übergreifend beschrieben. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht mehrfach beschrieben.
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Dabei ist jeweils eine Vorrichtung 2 zum Erfassen von magnetischen Signalen gezeigt, die in den gezeigten Beispielen einen Körper, wie z.B. einen Unterlagekörper 1 mit einer Auflagefläche 1a, und wenigstens eine Anordnung 3 aus wenigstens einer NV-Magnetometereinheit 4 aufweist, wobei die wenigstens eine Anordnung 3 in den Körper eingebettet ist. Die Vorrichtung 2 dient zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz (M) erzeugt werden, kann jedoch grundsätzlich alle magnetischen Signale erfassen, insbesondere Biosignale, also solche, die von Lebewesen ausgehen.
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Zur Veranschaulichung weisen die Figuren jeweils oben links ein Koordinatensystem auf, wobei die Zeichenebene die x-z-Ebene darstellt und die y-Achse in die Zeichenebene hinein verläuft.
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Der Körper ist hier ein Unterlagekörper 1, der dazu eingerichtet ist, einen Benutzer 20 sitzend oder liegend auf der Auflagefläche aufzunehmen. Es kann aber ebenso ein Gebäudeteil, ein Einrichtungsgegenstand oder Textil usw. sein. In 3 ist eine Matratze als Unterlagekörper 1 gezeigt, wie sie auch für eine Langzeitüberwachung insbesondere von magnetischen Herzsignalen eingesetzt werden kann.
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Eine Vorrichtung dabei eine Anordnung oder mehr als eine Anordnung aufweisen. Die Anordnungen können ebenfalls in einer bestimmten geometrischen Anordnung angeordnet sein, beispielsweise ein einer Linie (1D), Ebene (2D) oder im Raum verteilt (3D). Wie erläutert, können dabei immer zwei NV-Magnetometereinheiten ein Gradiometer bilden, wobei dann - je nach Anzahl der NV-Magnetometereinheiten - insgesamt mehrere Gradiometer gebildet werden und das interessierende Signal erfassen. Daraus kann dann ein effektives Messsignal gebildet werden, insbesondere von der Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise durch Mittelung, Summation usw.
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4 zeigt in schematischer Draufsicht in verschiedenen Ansichten a) bis c) Varianten 3.a bis 3.c von Anordnungen 3 mit jeweils einer oder mehreren NV-Magnetometereinheiten 4, jeweils mit einem oder mehreren weiteren Sensoren 5. Bei den Sensoren 5 kann es sich insbesondere um Drucksensoren, Pulsoxymeter, Temperatursensoren, Elektroden usw. handeln. Die NV-Magnetometereinheiten 4 und/oder die Sensoren 5 einer Anordnung 3 können in einer bestimmten geometrischen Anordnung angeordnet sein, beispielsweise ein einer Linie (1D), Ebene (2D) oder im Raum verteilt (3D), wie auch bereits im Zusammenhang mit 2 oder 5 erläutert.
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In 5 sind in zwei Seitenansichten a) und b) verschiedene Varianten 2.d, 2.d' einer Vorrichtung 2 mit zwei Anordnungen 3 im Bereich einer Oberseite und einer Anordnung 3 im Bereich einer Unterseite eines Unterlagekörpers 1 gezeigt. Weiterhin weist die Anordnung eine Signalverarbeitungseinheit 11 auf, mit der die NV-Magnetometereinheiten der Anordnungen 3 verbunden sind, um eine oder mehrere effektive magnetische Feldstärken und/oder Feldrichtungen zu bestimmen. Weiterhin kann eine Kommunikationseinheit 12 vorgesehen sein, um die Vorrichtung 2 mit anderen Geräten wie einem PC, Tablet-PC, Smartphone zur Ein- und Ausgabe und Bedienung zu verbinden. Die Kommunikationseinheit 12 kann z.B. kabelgebundene und/oder drahtlose Schnittstellen aufweisen. Dabei sind in Variante 2.d die Signalverarbeitungseinheit 11 und Kommunikationseinheit 12 ebenfalls in dem Unterlagekörper integriert, und in Variante 2.d' außerhalb vom Unterlagekörper angeordnet.
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Vorzugsweise weist die Kommunikationseinheit 12 eine Schnittstelle auf, um Ergebnisse zu kommunizieren, z.B. an einen Kardiologen oder Angehörigen oder die nutzende Person.
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Eine Schnittstelle kann z.B. eine WiFi-Schnittstelle oder Mobilfunk-Schnittstelle umfassen, um z.B. einen Zugang zum Internet herzustellen. Ein Internetzugang verfügt zweckmäßigerweise über aktuelle Sicherheitsstandards hinsichtlich Verschlüsselung, Authentifizierung, Zugriffsbeschränkung usw. Auch die Kopplung an ein Endgerät über z.B. Bluetooth, z.B. in Verbindung mit einer App ist hier denkbar, um z.B. mittelbar einen Zugang zum Internet herzustellen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist über die Schnittstelle auch ein Update (Softwareerneuerung) und/oder Upgrade (Softwareerweiterung) möglich. Dazu kann beispielsweise Software zum Download zur Verfügung gestellt sein. Die Vorrichtung weist dann entsprechend Festplattenspeicher sowie entsprechende Software auf, um Softwaremodule updaten bzw. ergänzen zu können. Vorteilhaft werden Softwaremodule für spezifische Krankheiten bzw. Softwaremodule für spezifische Funktionen angeboten. Softwaremodule können jeweils einzeln als Medizinprodukt klassifiziert sein, sofern dies von Nöten ist.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle eine Schnittstelle zur (regelmäßigen) Abfrage von Lizensierungsdaten, z.B. der genannten Softwaremodule, sowie zur Deaktivierung nach Lizenzauslaufen umfassen.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle auch zum Absetzen von Notrufen dienen, d.h. eine Notrufschnittstelle sein bzw. darstellen bzw. umfassen. In akuten Fällen ist das automatische Absetzen eines Notrufes angedacht. Neben der Notrufschnittstelle kann die Schnittstelle auch eine Backup-Notrufschnittstelle umfassen.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle eine direkte Schnittstelle zu einem Kommunikationszentrum umfassen, beispielsweise direkt zu einem Arzt/MFA (Kardiologen; Medizinische Fachangestellte/r) zur Übermittlung von auffälligen Datensätzen. Insbesondere zur Telemedizin, ist es wichtig, dass bestimmte Datensätze einem Kardiologen zur Prüfung, über eine sichere Schnittstelle, übermittelt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle eine Schnittstelle zu einer Cloud umfassen. Um Datensätze zu verarbeiten oder auch anhand von Datensätzen zu lernen (Machine Learning auf gesammelten Datensätzen), sollte ein Cloudzugang integriert werden. Dabei kann es wichtig sein, einen Anonymisierungsschritt der Daten vorzuschieben. Auch hier ist ein Sicherheitskonzept vorteilhaft.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Signalverarbeitungseinheit eine Analyseeinheit umfassen. Bei einer üblichen Verwendung der Vorrichtung, z.B. als Langzeit-MKG, können sehr viele Daten anfallen, die kaum manuell gesichtet werden können. Daher ist es vorteilhaft, wenn durch eine Voranalyse ausgewählte auffällige Daten (d.h. Daten mit bestimmten Eigenschaften) übermittelt werden. Es versteht sich, dass eine solche Analyseeinheit auch extern beim Empfänger vorgesehen sein kann, d.h. zunächst werden alle Daten übermittelt und dann erst beim Empfänger die auffälligen ausgewählt.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle eine Schnittstelle zu einer mobilen Plattform wie z.B. zu einer App sein (App des Nutzers, App mehrerer Nutzer z.B. Angehöriger). Insbesondere der Benutzer, aber auch Angehörige, können dann eine mobile Plattform auf ausgewählte Daten, ausgewählte Hinweise, und eine ausgewählte Nutzeroberfläche zugreifen. Dies ist auch für Angehörige oder z.B. Pflegekräfte zur Überwachung wichtig. Die Applikation kann auch als Add-on für die Technologie zubuchbar sein. Auch hier sind ein Sicherheitskonzept und eine Internetschnittstelle vorteilhaft. Damit kann auch eine Lizenzierungsmöglichkeit geschaffen werden, die die Prüfung eines Abo-Modells ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102022204526 [0002]
- DE 102022201690 [0015]
