- Pour qu’une personne amputée d’un membre puisse contrôler les mouvement de sa prothèse, il faut pouvoir capter les signaux du corps humain. L’implantation d’électrodes est actuellement la technique la plus courante. Elle est toutefois invasive et les électrodes peuvent se détériorer ou se déplacer.
- Le consortium multidisciplinaire QHMI de Stuttgart, en Allemagne, a mis au point une méthode qui met en œuvre des capteurs quantiques non invasifs pour détecter les signaux nerveux qui se caractérisent par leur vitesse et leur très faible amplitude.
- Des magnétomètres quantiques ultrasensibles seront placés à l’extérieur du corps pour mesurer les signaux nerveux à travers la peau.
- Les scientifiques ont opté pour les numériseurs de signaux (M5i.3357) et les générateurs de formes d’ondes arbitraires (M4x.6631) de Spectrum Instrumentation pour caractériser les signaux et concevoir les circuits spécifiques (ASIC) nécessaires ainsi que les circuits intégrés photoniques (PIC) requis.
« Il s’agit de l’une des premières applications réelles des sondes de capteurs quantiques, car il n’existe aucun autre moyen de détecter de manière non invasive des changements magnétiques aussi infimes, de l’ordre de 10 à 100 picoTeslas pour les muscles, soit six ordres de grandeur plus petits que le champ magnétique de la Terre. Nos tests montrent que nos capteurs sont suffisamment sensibles pour détecter les signaux neuronaux transmis aux muscles à travers la peau. En principe, même une petite partie du muscle restant, par exemple le muscle du bras, peut être utilisée à cette fin. Nous travaillons sur une sensibilité encore plus grande pour les changements magnétiques de l’ordre du femtoTesla que nous devons mesurer pour détecter les signaux à l’intérieur du cerveau de maniière non invasive », explique Jens Anders de l’université de Stuttgart, responsable du projet « Cluster4Future QSens » et l’un des principaux scientifiques du consortium QHMI.
La méthode développée repose sur composant à résonance magnétique à détection optique (ODMR) constitué d’une minuscule tranche de diamant. Le diamant est dopé avec des centres de vacance de l’azote (centres NV), qui ont un spin électronique net et se comportent donc comme de minuscules barres aimantées. Lorsqu’ils sont éclairés par un laser vert, ils produisent un signal de fluorescence rouge. En appliquant un champ magnétique micro-ondes approprié, ce signal de fluorescence est très sensible aux champs magnétiques externes, qui peuvent être utilisés pour mesurer les signaux neuronaux avec une extrême précision.
Les champs magnétiques micro-ondes nécessaires pour contrôler les spins centraux NV sont générés à l’aide de bobines appropriées commandées par un émetteur micro-ondes. Les signaux en bande de base de cet émetteur sont générés à l’aide d’un générateur de formes d’ondes arbitraires (AWG) afin de fournir la modulation de phase et d’amplitude requise du signal porteur qui rend le signal d’excitation plus résistant aux non-idéalités expérimentales. Les signaux de fluorescence résultants, qui portent l’information des champs magnétiques neuronaux, sont ensuite capturés par une photodiode, amplifiés, filtrés et numérisés pour un traitement avancé du signal.
L’équipe de recherche a opté pour les cartes de Spectrum, tout d’abord, car elles présentent une plage dynamique élevée et les performances requises en matière de bruit. Ce qui est indispensable compte tenu de la très faible amplitude des signaux à mesurer. Deuxièmement, leur vitesse leur permet de capturer les signaux rapides associés aux schémas d’excitation pulsés, qui peuvent nécessiter une bande passante supérieure à 100 MHz. Enfin, la garantie de cinq ans permet aux chercheurs d’avoir l’esprit tranquille pendant cette période. Il leur est en effet pratiquement impossible d’obtenir un financement pour remplacer un équipement défectueux.
Les sondes des capteurs quantiques sont actuellement de la taille d’une boîte d’allumettes. A l’avenir, elles mesureront environ un centimètre cube et seront reliées à un boîtier de commande de la dimension d’une grande boîte d’allumettes. Ce boîtier abritera l’électronique de traitement et la batterie. L’objectif est de mettre à profit les capacités d’intégration microélectronique et photonique pour réduire encore la taille du boîtier de commande et prolonger la durée de vie de la batterie afin de pouvoir l’utiliser pendant une journée. L’objectif est que de telles prothèses commencent à être disponibles d’ici trois à quatre ans.
