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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit zumindest einem Sensor zum Erfassen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn und ein Verfahren zum Messen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn.
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Stand der Technik
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Eine Erfassung und Lokalisierung von Schmerzen durch Sensoren birgt ein hohes Potential an diagnostischem Nutzen und als Hilfsmittel zu bestehenden Methoden in der Schmerztherapie. Insbesondere bei verringerter Artikulationsfähigkeit (Säuglinge, Kleinkinder, demente Patienten) könnte eine Schmerzsensorik zu verbesserten und gezielteren Behandlungsmethoden führen. Zudem würde ein solches System auch neue Fortschritte in der medizinischen Erforschung von Schmerz und deren Ursachen ermöglichen. Da Reize, die im Gehirn zu der Empfindung Schmerz interpretiert werden, über Rezeptoren detektiert und über Nervenbahnen ans Gehirn weitergeleitet werden, erweist sich eine Schmerzerkennung mit lokal aufgelöster Messung neuronaler Signale von Schmerzrezeptoren und deren Verlauf vom Ursprung am Rezeptor bis zum Gehirn als äußerst vorteilhaft. Zur Messung neuronaler Signale werden aktuell verschiedene Konzepte verfolg, etwa die Messung von Oberflächenpotenzialen auf der Haut, oder die direkte in vivo Messung von Nervenpotenzialen durch Kontaktierung mit Elektroden, oder die Messung neuronaler Signale durch deren induziertes Magnetfeld über einen Magnetfeldsensor. Dabei wird ein Auflösungsvermögen der Magnetsensoren von
wenigen pico Tesla (pT) benötigt. Für die letztgenannte Art der Messung von Nervenaktivitäten werden derzeit supraleitende Quanteninterferenz-Bauelemente (SQUIDS) verwendet, mit denen einzelne magnetische Flussquanten aufgelöst werden können.
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Um vor allem auf die Notwendigkeit einer Kühlung auf niedrige Temperaturen (unterhalb der supraleitenden Sprungtemperatur) verzichten zu können, oder den Signalursprung besser und mit einfacheren Sensoren verfolgen zu können, ist es notwendig die bestehenden Sensorlösungen weiter zu vereinfachen.
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In der
US 2015/0374250 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, welche auf Stickstoff-Vakanz-zentren basiert und für ein Detektieren von Magnetfeldern, etwa von Neuronen, eingerichtet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit zumindest einem Sensor zum Erfassen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Messen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn anzugeben, wobei auch eine Nachverfolgung und Lokalisierung von Schmerzen am Körper ermöglicht wird. Es wird vorteilhaft ein kompakter, leicht platzierbarer und ohne großen Aufwand betreibbarer Sensor angegeben, welcher vorteilhaft (kombinierte) Stickstoff-Kohlenstofffehlstellen Defektzentrum in Diamant (Nitrogen-Vacancies in Diamond, NV-Zentren) für die hochempfindliche Magnetfeldsensorik und damit für die Erfassung und Verfolgung der durch Nervenimpulse verursachten Magnetfelder nutzt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Sensorvorrichtung zumindest einem Sensor zum Erfassen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn, wobei der Sensor eine lumineszierende Probe umfasst, welche in einem Messbereich des Sensors angeordnet ist, wobei die lumineszierende Probe zum Abstrahlen eines Lichts mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum anregbar ist, wobei das charakteristische Wellenlängenspektrum durch ein externes Magnetfeld an der lumineszierenden Probe veränderbar ist. Des Weiteren umfasst der Sensor eine Strahlungsquelleneinrichtung, mittels welcher eine Lichtstrahlung und/oder eine Mikrowellenstrahlung erzeugbar ist, und mittels welcher die lumineszierende Probe bestrahlbar und anregbar ist sowie eine Photodetektoreinrichtung, welche zum Empfangen des Lichts mit dem charakteristischen Wellenlängenspektrum eingerichtet ist.
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Das charakteristische Wellenlängenspektrum, welches vorteilhaft von einer Abstrahlung von Strahlung nach einer Anregung der lumineszierenden Probe herrührt, ist vorteilhaft für das Material der lumineszierenden Probe bekannt. Wird das Material der lumineszierenden Probe nun einem externen Magnetfeld ausgesetzt, so verändert sich vorteilhaft das charakteristische Wellenlängenspektrum der Strahlung von der lumineszierenden Probe (Zeeman-Effekt). Durch eine Anordnung der Strahlungsquelleneinrichtung, vorteilhaft einem Laser oder einer LED und einem Mikrowellenstrahler, in dem Sensor selbst, kann vorteilhaft ein kompakter und leicht tragbarer und einfach positionierbarer kleiner Sensor bereitgestellt werden. Durch eine leichte Beweglichkeit des Sensors kann vorteilhaft ein Magnetfeld von einer Nervenbahn an einer Oberfläche der Haut eines Lebewesens oder an der Körperoberfläche gemessen werden. Der Messbereich ist vorteilhaft der Oberfläche der Haut oder der Körperoberfläche zugewandt, in einem geringen Abstand dazu positioniert oder direkt anliegend. Die Photodetektoreinrichtung und die Strahlungsquelleneinrichtung können vorteilhaft als ein gemeinsames elektronisches Modul in dem Sensor umfasst sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, umfasst die lumineszierende Probe eine Diamantstruktur mit Stickstoff-Vakanz-Zentren.
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Wie Grundlagenexperimente gezeigt haben, reagieren NV-Zentren extrem empfindlich auf äußere Magnetfelder. Im Labor konnten bereits Empfindlichkeiten von 1 pT/√Hz nachgewiesen werden und können vorteilhaft damit in den Bereich vordringen, der sich bis heute nur mit Stickstoff gekühlten, supraleitenden SQUIDS erreichen lässt. Weiterhin ist es derzeit schwierig mit Magnetfeldsensortechnologie auch bei hohen (Stör)-Magnetfeldern noch kleinste Feldänderungen zu erfassen oder Magnetfeldvektorbestimmung mit einem einzelnen Sensorelement durchzuführen. Hierfür sind meist mindestens drei Sensoren für jeweils eine Raumrichtung notwendig. Schließlich bietet die magnetische Erfassung neuronaler Signale im Vergleich zum EEG oder zur direkten in vivo Kontaktierung von Nervenbahnen den Vorteil der berührungslosen Messung der Nervenaktivität, es werden also keine Elektroden benötigt, die auf die Haut aufgeklebt oder in den Körper implantiert werden müssen.
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Die Verwendung von Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) in Diamant ist vorteilhaft für die lokalisierte Messung von Nervenaktivität im menschlichen Körper. Der Vorteil von NV-Zentren gegenüber allen anderen verfügbaren Sensortechnologien ist, dass auf eine Kühlung des Sensormaterials (der lumieszierenden Probe) verzichtet werden kann, da NV-Sensoren bei Raumtemperatur betrieben werden können und der magnetfeldsensitive Diamant selbst bei Temperaturen bis 500 K ein optisches Auslesen der magnetfeldabhängigen Elektron-Spin-Resonanz zulässt und dabei vorteilhaft keine Einbußen in der Empfindlichkeit zeigt. Weiterhin lassen sich mit NV-Zentren kleinste Magnetfeldänderungen auch bei der Anwesenheit von hohen Störfeldern messen. Bei Feldstärken von 1 T können vorteilhaft noch Magnetfeldänderungen im pT-Bereich nachgewiesen werden.
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Die lumineszierende Probe mit NV-Zentren zeigt in Abwesenheit von einer Bestrahlung mit Mikrowellen und ohne ein externes Magnetfeld eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich. Wird die Probe zusätzlich zur optischen Anregung noch mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt, kommt es bei 2,87 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall vom m+-1 Niveau des 3A-Zustandes auf das m+-1Niveau des 3E-Zustands gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem anwesenden externen Magnetfeld kommt es zur Aufspaltung des m+-1 Niveaus (Zeeman Splitting), und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Intensitätsminima (Absorption) im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke des externen Magnetfeldes ist. Die Magnetfeldsensitivität des Sensors wird dabei durch eine minimal-auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann vorteilhaft bis 1 pT/√Hz erreichen.
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Der Sensor und insbesondere der Messbereich können vorteilhaft lokal in einem sehr kleinen Volumen, bespielsweise auf einer Fläche von 100 µm × 100 µm, untergebracht werden, wodurch sich vorteilhaft eine sehr hohe Packungsdichte pro Flächeneinheit, vorteilhaft bei einer Arrayanwendung von Sensoren, ergeben kann.
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Da die Stärke neuronaler Reize, und auch solcher von Schmerzrezeptoren in den Nervenbahnen, nicht über die Stromstärke des übertragenen Signals, sondern in der Frequenz der Nervenpulse kodiert wird, kann es hilfreich sein, durch bestimmte Anrege- und Abfragesequenzen bestimmte Frequenzen des entstehenden Wechselfeldes abzutasten. Dies kann beispielsweise effizient über die Methode der Quantum-Heterodyne-Detektion geschehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, umfasst der Sensor einen ersten Lichtleiter und/oder einen Mikrowellenleiter, mittels welchem die Lichtstrahlung und eine Mikrowellenstrahlung von der Strahlungsquelleneinrichtung zur lumineszierenden Probe leitbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, umfasst der Sensor einen zweiten Lichtleiter, mittels welchem das Licht mit dem charakteristischen Wellenlängenspektrum zur Photodetektoreinrichtung leitbar ist.
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Die zum Anregen der lumineszierenden Probe benötigte Strahlung kann alternativ zur Bestrahlung der Probe von einer Distanz aus (Freistrahl) auch mittels eines Lichtleiters oder einer optischen Faser zur lumineszierenden Probe geleitet werden. Dabei ist es möglich, dass der Lichtleiter und/oder der Mikrowellenleiter eine leichte Distanz zur Probe aufweisen, mit deren Ende(n) in direktem Kontakt mit der Probe stehen kann oder zur besseren Einkopplung der Strahlung in das Material der Probe zumindest teilweise entlang einer Oberfläche der lumineszierernden Probe geführt werden kann. Ebenso kann das von der Probe abgestrahlte Licht derart in den zweiten Lichtleiter eingekoppelt werden, dass sich dieser vorteilhaft zumindest entlang eines Teils der Oberfläche der Probe erstreckt oder an einem Ende des zweiten Lichtleiters mit der Probe in direktem Kontakt steht oder von dieser leicht beabstandet ist. Das Licht mit dem charakteristischen Wellenlängenspektrum, welches vorteilhaft die Magnetfeldinformation enthält, kann über einen Lichtleiter zur Photodetektoreinrichtung geleitet werden. Das Licht kann auch an einen dezentralen Detektor mit Auswerteeinheit (beides außerhalb des Sensors) geführt werden.
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Durch die Anordnung des Messbereichs, welcher von der Strahlungsquelleneinrichtung und der Photodetektoreinrichtung vorteilhaft distanziert ist, ergibt sich vorteilhaft eine geometrische Trennung von stromführenden Teilen des Sensors, welche selbst magnetische Störfelder induzieren, und den sensitiven Diamantkristallen der lumineszierenden Probe. Dies kann über optische Glasfasern, den Lichtleiter und den (integrierten) Mikrowellenleiter erfolgen. Alternativ dazu kann das Licht und die Mikrowellenstrahlung auch freistrahlend über eine Mikrowellenleitung und eine Antenne in die lumineszierende Probe eingestrahlt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, umfasst der Sensor eine weitere lumineszierende Probe, welche in einem weiteren Messbereich angeordnet ist, wobei der weitere Messbereich gegenüber dem ersten Messbereich um einen Abstand von der Nervenbahn versetzt ist.
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Durch die versetzten Messbereiche wird vorteilhaft eine Gradientenmessung des externen Magnetfelds ermöglicht. Hierbei können Magnetfelder von Nervenbahnen vorteilhaft gegenüber Störfeldern (aus anderen Richtungen) unterschieden werden, deren Quelle meist deutlich weiter entfernt ist als das zu analysierende neuronale Schmerzsignal. Anhand ihrer deutlich kleineren Gradienten können die Störfelder vorteilhaft von neuronalen Schmerzsignalen und deren induzierten Magnetfeldern unterschieden werden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den Einfluss externer Magnetfelder, insbesondere von Gleichtaktsignalen, durch Differenz- bzw. Korrelationsmessverfahren zwischen den einzelnen Sensoren zu kompensieren.
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Die Gradientenmessung kann vorteilhaft über die zwei Messbereiche mit einem definiertem Abstand zueinander realisiert werden. Grundlage dieser Ausführungsform ist die Tatsache, dass Magnetfelder vom Punkt ihrer Entstehung aus mit einer Relation zum Abstand 1/r abnehmen und die größte Änderung der Magnetfeldstärke bezogen auf den Ort der Quelle in direkter Nähe der Quelle erfolgt. Solche Störfelder, deren Quelle einen größeren Abstand vom Sensor hat als die neuronale Signalquelle, sollten also dann in beiden Messbereichen die gleiche Feldstärke aufweisen, wobei die Stärke neuronaler Magnetfelder auch schon bei Abstandsänderungen im Millimeterbereich signifikant abnehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst diese mehrere Sensoren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, umfasst diese eine graphische Wiedergabeeinrichtung, mittels welcher Nervensignale und deren Position an einem Körper visuell darstellbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, sind mehrere Sensoren in einem Gürtel oder einer Manschette angeordnet.
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Durch eine Verwendung von mehreren Sensoren, welche vorteilhaft entlang des Körpers vom vermuteten Ursprung des Schmerzes über den Körper verteilt bis zum Kopf platziert werden können, kann vorteilhaft eine Schmerzverfolgung erfolgen.
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Alternativ dazu ist es auch möglich eine Scaneinheit (Gürtel/Manschette) zu verwenden. Diese umfasst eine Vielzahl von räumlich getrennten Sensoren, und wird vorteilhaft nacheinander an verschiedenen Stellen des Körpers platziert, wodurch ein Schmerzsignal vorteilhaft auch verfolgt werden kann.
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Durch die graphische Wiedergabeeinrichtung aus der Vielzahl von Sensoren und/oder aus einer zeitlich aufeinanderfolgenden Messung, an einem oder mehreren Sensoren, an verschiedenen Körperstellen erfassten Daten, kann vorteilhaft eine bildgebende Diagnostik bereitgestellt werden. Dazu ist es vorteilhaft möglich, dass vor der Messung automatisiert, vorteilhaft mit Hilfe einer Videokamera, oder manuell erfasst wird, an welcher Stelle der Sensor, der Gürtel oder die Manschette gerade angebracht ist.
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Des Weiteren ist es möglich, dass den Sensoren im Gürtel oder der Manschette eine feste Adressierung über deren Typ und deren Position zugeteilt ist, etwa mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung, welche beispielsweise in der Sensorvorrichtung umfasst ist. Somit kann vorteilhaft eine verbesserte visuelle Ausgabe und Darstellung der gemessenen Nervensignale ermöglicht werden. Die Magnetfelder, die durch neuronale Aktivität erzeugt werden liegen zwischen 100 fT und 100 pT und haben je nach Stärke des Schmerzes eine Frequenz von ca. 10 - 500 Hz. Störfelder können in ihrer Feldstärke sehr leicht 106 bis 109 x größer sein, wodurch ein Herausfiltern von Hintergrund- bzw. Störfeldern aus dem Messsignal vorteilhaft sehr wichtig ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Messen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn in einem Verfahrensschritt S1 ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit zumindest einem Sensor an einem Körper mit der Nervenbahn. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Bestrahlen und Anregen der lumineszierenden Probe mit einer Lichtstrahlung und mit einer Mikrowellenstrahlung von einer Strahlungsquelleneinrichtung. In einem weiteren Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Messen von Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum mittels einer Photodetektoreinrichtung, welches von der lumineszierenden Probe abgestrahlt wird, wobei ein Frequenzabstand zwischen zwei Intensitätsminima im charakteristischen Wellenlängenspektrum ermittelt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 erfolgt ein Vergleichen des Frequenzabstands mit einem vordefinierten Frequenzabstand zwischen zwei Intensitätsminima, welcher bei Abwesenheit eines externen Magnetfelds bei der lumineszierenden Probe auftritt.
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Bei der Bezeichnung Wellenlängenminimum oder Frequenzminimum ist auch in Folge ein Minimum in der abgestrahlten Intensität von Strahlung von der lumineszierenden Probe bei einer bestimmten Frequenz/Wellenlänge zu verstehen.
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Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit dem System beschriebenen Merkmale aus und umgekehrt.
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Das charakteristische Wellenlängenspektrum, welches vorteilhaft von einer Abstrahlung von Strahlung nach einer Anregung der lumineszierenden Probe herrührt, ist vorteilhaft für das Material der lumineszierenden Probe bekannt. Somit ist für ein bestimmtes lumineszierendes Material dessen Verhalten bei Anregung, insbesondere ein vordefinierter Frequenzabstand zwischen zwei Intensitätsminima bei NV-Zentren ohne externes Magnetfeld, vorteilhaft bekannt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird eine weitere lumineszierende Probe in einem weiteren Messbereich angeordnet, wobei der weitere Messbereich gegenüber dem ersten Messbereich um einen Abstand von der Nervenbahn versetzt angeordnet wird und die aus beiden lumineszierende Proben ermittelten Frequenzabstände werden miteinander und mit dem vordefinierten Frequenzabstand verglichen.
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Die Messbereiche können vorteilhaft parallel übereinander versetzt sein oder lateral zu einander.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden mehrere Sensoren entlang eines Körpers gleichzeitig oder nacheinander positioniert und Magnetfelder von Nervenbahnen verfolgt.
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Eine räumliche und/oder zeitliche Anordnung und Messung mehrerer Sensoren entlang des Körpers ergibt vorteilhaft eine ortsaufgelöste Darstellung der Signalverläufe vom Schmerzrezeptor zum Gehirn. Des Weiteren kann hierbei die Unterscheidung zwischen einem akutem Schmerz, der über die A8-Fasern des Nervensystems mit ca. 30 m/s übertragen wird und einem dumpfen nachhallenden Schmerz, der über C-Fasern übertragen wird und eine Übertragungsgeschwindigkeit von 1 m/s aufweist, ermöglicht werden. Durch eine zeitliche Verfolgung der Nervenpulse entlang des über den Körper verteilten Sensornetzwerks kann die Übertragungsgeschwindigkeit der Schmerzsignale über eine Phasenverschiebung der Schmerzpulse zwischen den Sensoren ermittelt werden.
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Alternativ dazu ist es auch möglich, mit einem einzigen Sensor die Signale entlang des Körpers zu verfolgen, wobei der einzige Sensor auch zwei in lateraler Richtung räumlich versetzte Messbereiche umfassen kann, mit denen ebenfalls eine Ermittlung der Signalgeschwindigkeit ermöglicht wird.Weiterhin ermöglicht diese Art der Anordnung eine Prüfung, ob Schmerzsignale von den Rezeptoren an den Schaltstellen im Rückenmark tatsächlich bis zum Gehirn weitergeleitet oder bereits dort oder vorher blockiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt der Verfahrensschritt S3 mehrmals hintereinander und gleiche oder unterschiedliche Frequenzabstände und/oder Wellenlängen von Intensitätsminima werden gemessen und frequenzanalysiert.
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Als Frequenzanalyse kann beispielsweise eine Fourier-Transformation durchgeführt werden, etwa von einer Datenverarbeitungseinrichtung in der Sensoreinrichtung, beispielsweise in einer Steuerungseinrichtung.
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Die Stärke von Reizen am jeweiligen Schmerzrezeptor ist vorteilhaft in der Frequenz von sich wiederholenden Nervenimpulsen enthalten und durch diese Frequenz kodiert, wobei durch eine genaue Erfassung der Frequenz eines Schmerzsignals am oder in der Nähe des Rezeptors eine genaue Nachverfolgung eines einzelnen Schmerzsignals bis zum Gehirn ermöglicht ist. Bei einem Sensor in der Nähe des Rezeptors kann eine Frequenzanalyse des neuronalen Signals durchgeführt werden und dabei eine charakteristische Frequenz als eine Trägerfrequenz des Signals des bestimmten Rezeptors ermittelt.
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Die periodische Modulation des Magnetfeldes, induziert durch neuronale Impulse eines Schmerzrezeptors führt im Fluoreszenzspektrum zu periodischen Modulationen der Frequenz, bei denen ein Mimimum im Fluoreszenzspektrum auftritt. Diese Modulation kann durch schnelles Abtasten der Fluoreszenzspektren ermittelt werden, wobei die Abtastfrequenz (also die Frequenz mit der ein neues Spektrum aufgenommen wird) mindestens doppelt so hoch sein muss wie die Frequenz des zu erwartenden neuronalen Schmerzsignals. Alternativ kann die Frequenz des Mikrowellenfeldes während der Messung auf einen festen Wert eingestellt werden, der bei der jeweiligen magnetischen Umgebung des Patienten zu einem Fluoreszenzminimum führt. Die durch die neuronalen Schmerzimpulse verursachten Magnetfeldänderungen führen zu einer Verschiebung des Fluoreszenzminiumums was bei konstanter Mikrowellenfrequenz zu einem Anstieg der Fluoreszenzintensität führt. Die in diesem Fall gemessene periodische Modulation der Lichtintensität ist ein exaktes Abbild der zeitlichen Folge der neuronalen Nervenimpulse, in diesem Fall ausgelöst durch Schmerzrezeptoren.
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Weiterhin besteht prinzipiell die Möglichkeit einer mikrowellenfreien Detektion. Dabei wird von außen ein Magnetfeld angelegt dessen Stärke so gewählt ist, dass das ms=-1 Niveau und das ms=0 niveau übereinander liegen (Level-Anticrossing). Liegt in diesem Fall ein zusätzliches Magnetfeld z. B. durch neuronale Schmerzaktivität die Fluoreszenzintesnsität an. Auch in diesem Fall kann man aus der gemessenen Modulation der Fluoreszenzintensität direkt auf neuronale Signalmodulation schließen, wobei in diesem Fall im Gegensatz zu der Variante mit konstantem Mikrowellenfeld eine neuronale Aktivität zu einem Anstieg der Lichtintensität führt.
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Ein weiterer Sensor an einer anderen Stelle des Körpers macht danach ebenfalls eine Frequenzanalyse des gemessenen Sensorsignals. Wird im ermittelten Frequenzspektrum des zweiten Sensors ein Signal gefunden, dessen Trägerfrequenz exakt der Trägerfrequenz am ersten Sensor entspricht, so ist es vorteilhaft möglich, dass das am zweiten Sensor gemessene Signal dessen Ursprung am Ort des ersten Sensors hat. Durch Korrelationsalgorithmen, etwa durch eine Fourier-Transformation der Messsignale lassen sich so vorteilhaft individuelle Schmerzsignale auch im Rückenmark aus gebündelten Signalen, anhand ihrer unterschiedlichen Trägerfrequenzen voneinander unterscheiden. Damit kann festgestellt werden, welche neuronalen Signale überhaupt bis zum Gehirn weitergeleitet werden, um so eine Zuordnung zwischen einer Nozizeption und einem Schmerzempfinden zu ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden mehrere Sensoren in einem Gürtel oder einer Manschette an einem Körper angelegt und das Messen im Verfahrensschritt S3 wird über einen Zeitraum wiederholt.
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Die genaue Lokalisierung der Reizquelle von Schmerz und die Verfolgung der Signallaufbahnen, ist hilfreich, wenn der Patient selbst nicht genau sagen kann, wo der Schmerzreiz herkommt, insbesondere bei kommunikationseingeschränkten Patienten wie Babys, kleinen Kindern oder Menschen mit Sprachstörungen, oder falls die Übertragung zum Gehirn beeinträchtigt ist. Des Weiteren ist vorteilhaft eine Qualifizierung des Schmerzes möglich, indem bestimmte zeitlich und räumliche Muster sowie Frequenzanteile im Signal berücksichtigt werden. Die Verfolgung der Signallaufbahnen kann auch genutzt werden, um Störungen in der Übertragung zu identifizieren und diese zu behandeln, etwa durch ein Induzieren von geeigneten Nervenreizen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird aus einer bekannten Anordnung von Stickstoff-Vakanz-Zentren in der Diamantstruktur der lumineszierenden Probe auf eine Richtung eines externen Magnetfeldes an der lumineszierenden Probe rückgeschlossen.
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Vorteilhafterweise ermöglicht eine Bestimmung des Magnetfeldvektors bei bekannter Richtung des zu messenden Magnetfelds eine Unterscheidung von zu messendem Magnetfeld und Störfeldern aus anderen Richtungen.
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Das NV-Zentrum besitzt im einkristallinen Diamant vier Möglichkeiten, sich im Kristallgitter Anzuordnen. Daher 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 Maximalfall vier einander zugehörige Paare von Fluoreszenz-Minima im Spektrum erzeugt werden, aus deren Form und Lage zueinander Betrag und Richtung des Magnetfelds eindeutig bestimmbar sind.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine Verwendung eines Magnetfeldsensors zum Erfassen neuronaler Signale.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
- 1 eine schematischen Aufbau eines Sensors in einer Sensorvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2a eine schematische Darstellung einer Diamantstruktur mit einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum;
- 2b ein charakteristisches Wellenlängenspektrum mit Intensitätsminima für unterschiedliche Magnetfeldrichtungen;
- 3 eine Sensorvorrichtung mit mehreren Sensoren in einem Gürtel oder einer Manschette gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 4 ein Blockbild der Verfahrensschritte des Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematischen Aufbau eines Sensors in einer Sensorvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Sensorvorrichtung 10 umfasst zumindest einen Sensor 1 zum Erfassen eines externen Magnetfelds B, vorteilhaft von einer Nervenbahn an einem Lebewesen, an einer Oberfläche der Haut oder an der Körperoberfläche. Der Sensor 1 ist im oberen Bereich der 1 in Miniaturskala und im unteren Bereich der 1 vergrößert dargestellt. Der Sensor 1 umfasst vorteilhaft ein Gehäuse, in welchem eine Strahlungsquelleneinrichtung S angeordnet ist. Die Strahlungsquelleneinrichtung S umfasst beispielsweise einen Laser und einen Mikrowellenstrahler (Mikrowellengenerator). Der Sensor umfasst weiterhin eine Photodetektoreinrichtung 5, welche beispielsweise zusammen mit der Strahlungsquelleneinrichtung S als gemeinsames Modul ausgefertigt im Gehäuse des Sensors 1 kompakt angeordnet sein kann. Der Sensor 1 umfasst weiterhin einen Messbereich 3, in welchem eine lumineszierende Probe 2 angeordnet ist, und einen weiteren Messbereich 3a, in welchem eine weitere lumineszierende Probe 2a angeordnet ist. Die lumineszierenden Proben 2 und 2a umfassen vorteilhaft jeweils eine Diamantstruktur mit Stickstoff-Vakanz-Zentren, in einer kompakten Bauweise, wobei die Messbereiche 3 und 3a beispielsweise planar sind und eine Fläche von beispielsweise 100 µm × 100 µm umfassen. Die beiden Messbereiche 3 und 3a sind vertikal über der zu messenden Oberfläche um einen Abstand d von beispielsweise 5 mm voneinander beabstandet, wodurch eine Gradientenmessung erfolgen kann.
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Von der Strahlungsquelleneinrichtung S ist zu jedem der Messbereiche 3 und 3a jeweils ein Lichtleiter 6a und ein Mikrowellenleiter 7 geführt, der die lumineszierende Probe an dessen Ende direkt berührt und das Licht und die Mikrowellenstrahlung von der Strahlungsquelleneinrichtung S zu den lumineszierenden Probe 2 und 2a transportiert. Um das Licht mit dem charakteristischen Wellenlängenspektrum von den lumineszierenden Proben 2 zur Photodetektoreinrichtung 5 zur weiteren Auswertung (Analyse) zu transportieren, wird jeweils von den Messbereichen 3 und 3a ein zweiter Lichtleiter 6b von der lumineszierenden Probe 2 zu der Photodetektoreinrichtung 5 geführt. Der zweite Lichtleiter 6b sammelt dabei das abgestrahlte Licht mit dem charakteristischen Wellenlängenspektrum auf.
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2a zeigt eine schematische Darstellung einer Diamantstruktur mit einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum. Ein Kohlenstoffatom wurde durch ein StickstoffAtom ersetzt, ein direkt benachbartes Kohlenstoff-Atom fehlt im Diamantgitter (Vacancy)
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In der 2a ist eine Kristall-Einheitszelle des Diamants dargestellt. Wie aus 2a ersichtlich ist, hat jedes Atom vier nächste Nachbarn. Liegt das StickstoffAtom im Zentrum der dargestellten Einheitszelle, so kann die Kohlenstoff-Vakanz (daneben) jede der vier möglichen Kristallgitter-Positionen innerhalb der Kristall-Einheitszelle einnehmen.
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Des Weiteren ist der Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und der Kristallachse a, B, c oder d für jede Kristallachse unterschiedlich. Dadurch kommt es mit einer Kopplung an das externe Magnetfeld zu unterschiedlich starken Frequenzaufspaltungen in den NV-Zentren, abhängig von der jeweiligen Kristallrichtung.
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2b zeigt ein charakteristisches Wellenlängenspektrum mit Frequenzen von Intensitätsminima für unterschiedliche Magnetfeldrichtungen.
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Durch die vier Möglichkeiten der Besetzung der Einheitszelle durch das NV-Zentrum (Atom), ergeben sich für das Licht mit dem charakteristischen Wellenlängenspektrum somit bis zu vier zusammengehörige Paare von Intensitätsminima im Spektrum des Lichts der lumineszierenden Probe. Durch eine Auswertung der Frequenzabstände für jede Kristallrichtung lassen sich Magnetfeldrichtung und Stärke bestimmen. So gehören beispielsweise die beiden inneren Minima zum Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum l1 und einer Ausrichtung des Magnetfelds gegenüber der Kristallachse c, die beiden nach außen hin anliegenden Intensitätsminima zum Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum l2 und einer Ausrichtung des Magnetfelds gegenüber der Kristallachse d, die beiden daran nach außen hin anliegenden Intensitätsminima zum Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum l3 und einer Ausrichtung des Magnetfelds gegenüber der Kristallachse a, und die beiden äußersten Intensitätsminima zum Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum l4 und einer Ausrichtung des Magnetfelds gegenüber der Kristallachse b. Hierbei wurde auf die Bezeichnungen der Kristallachsen aus der 2a Bezug genommen.
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3 zeigt eine Sensorvorrichtung mit mehreren Sensoren in einem Gürtel oder einer Manschette gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Sensoren 1a, 1b, ... ,1n können vorteilhaft in einem Gürtel oder einer Manschette angeordnet sein oder auch über ein Pflaster am Körper angebracht werden. Die Anordnung mehrerer Sensoren 1a, 1b, ... ,1n am Körper ermöglicht vorteilhaft die Erfassung von Schmerzen an mehreren Stellen des Körpers, gleichzeitig oder zeitlich versetzt, vorteilhaft auch entlang des Rückenmarks. Um eine Nachverfolgung der Schmerzsignale im Körper zu gewährleisten (vom Schmerzursprung, über das Rückenmark bis zum Gehirn) können mehrere dieser Manschetten auch an den Extremitäten (Arme, Beine) angebracht werden.
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Jeder einzelne Sensor umfasst vorteilhaft eine von der lumineszierenden Probe 2 oder 2a getrennte Strahlungsquelleneinrichtung S mit der Photodetektoreinrichtung 5.
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Weiterhin kann der Gürtel oder die Manschette mit einer Steuerungseinheit SE verbunden sein, welche die Sensorvorrichtung 10 umfasst, wobei diese Steuerungseinheit SE eine Auswerteeinheit und/oder eine graphische Wiedergabeeinrichtung für die Schmerzsignale (Magnetfeldanalyse und Frequenzanalyse) umfassen kann. Durch die Steuerungseinheit SE kann vorteilhaft auch die Funktionsweise der einzelnen Sensoren 1a, ... , 1n beeinflusst und gesteuert werden, beispielsweise können einzelne Sensoren zu verschiedenen Zeiten aktiviert (ausgelesen) werden.
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4 zeigt ein Blockbild der Verfahrensschritte des Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds an einer Nervenbahn gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Verfahrensschritte S1, S2, S3 und S4 erfolgen vorteilhaft in der angegebenen Reihenfolge, wobei manche der Schritte S1 bis S4 während dem Verfahren auch wiederholt werden können.
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Im Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit zumindest einem Sensor an einem Körper mit der Nervenbahn. Im Schritt S2 erfolgt ein Bestrahlen und Anregen der lumieszierenden Probe mit einer Lichtstrahlung und mit einer Mikrowellenstrahlung von einer Strahlungsquelleneinrichtung, im Schritt S3 erfolgt das Messen von Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum mittels einer Photodetektoreinrichtung, welches von der lumineszierenden Probe abgestrahlt wird, wobei ein Frequenzabstand zwischen zwei Intensitätsminima im charakteristischen Wellenlängenspektrum ermittelt wird. Im Schritt S4 erfolgt ein Vergleichen des Frequenzabstands mit einem vordefinierten Frequenzabstand zwischen zwei Intensitätsminima, welcher bei Abwesenheit eines externen Magnetfelds bei der lumineszierenden Probe auftritt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0374250 A1 [0004]
