WO2024052082A1 - Vorrichtung zum erfassen von magnetischen signalen, die von einem schlagenden herz erzeugt werden - Google Patents

Vorrichtung zum erfassen von magnetischen signalen, die von einem schlagenden herz erzeugt werden Download PDF

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WO2024052082A1
WO2024052082A1 PCT/EP2023/072813 EP2023072813W WO2024052082A1 WO 2024052082 A1 WO2024052082 A1 WO 2024052082A1 EP 2023072813 W EP2023072813 W EP 2023072813W WO 2024052082 A1 WO2024052082 A1 WO 2024052082A1
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WO
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arrangement
main extension
extension plane
magnetometer
snm
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Application number
PCT/EP2023/072813
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Inventor
Florian DOLDE
Frederik SCHAAL
Florian KRIST
Riccardo Cipolletti
Eckhard Wehrse
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/242—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents
    • A61B5/243—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents specially adapted for magnetocardiographic [MCG] signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0223—Magnetic field sensors

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting magnetic signals generated by a beating heart
  • optically pumped quantum sensors or quantum sensors based on NV centers in diamond are particularly suitable sensors.
  • DE 10 2022 204 526.2 describes a magnetometer that uses optically pumped and optically detected magnetic resonances (ODMR). This takes advantage of the fact that the energy levels of certain spin states of unpaired electrons split under the influence of an external magnetic field, the so-called Zeeman effect.
  • the splitting of the energy levels results in changed transitions during relaxation from excited states, which can then be measured, for example, by optical excitation and frequency-dependent detection of the resulting fluorescent radiation or by observing optical properties such as the absorption of light.
  • the magnetic field strength can then be deduced from the measured optical parameters.
  • a device for detecting magnetic signals generated by a beating heart is provided with the features of Claim 1 proposed.
  • Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.
  • a magnetocardiogram (abbreviated MKG) is the recording and display of the heart's magnetic field, which is created by the electrophysiological activity of the heart muscle cells.
  • MKG magnetocardiogram
  • NV magnetometers nitrogen vacancy magnetometers
  • a device for detecting magnetic signals generated by a beating heart which has a first arrangement of at least two NV magnetometer units, which has a first main extension plane, and a second arrangement of at least two NV magnetometer units, which has a second main extension plane, wherein the first main extension plane is not parallel to the second main extension plane.
  • a magnetocardiograph Such a device can also be referred to as a magnetocardiograph. This allows different directional components of the magnetic signals to be better resolved. This has technical advantages because magnetic field lines are always distributed circularly around a flowing current. This means that coverage through spatially distributed sensors is greatly improved. This expands the possibilities of signal processing, for example through integration in particular. This also means that measurement can continue to take place, even if a user is moving.
  • the first main extension plane and the second main extension plane in one exemplary embodiment enclose an angle of at least 25°, at least 30°, at least 45° or at least 60°. In one exemplary embodiment, the first main extension plane and the second main extension plane enclose an angle of 80° - 90°. This allows magnetic signals to be recorded for any rotational position of the heart around an axis of rotation, for example when the user is standing or lying down.
  • the main extension plane of an arrangement results in particular as the plane into which a projection of the arrangement includes the largest area.
  • the device has a third arrangement of at least two NV magnetometer units, which has a third main extension plane, wherein the third main extension plane is not parallel to the first and not parallel to the second main extension plane.
  • This allows magnetic signals to be recorded for any orientation of the heart in space.
  • there is an angle between two of the first, second and third main extension planes which is selected from at least 25°, at least 30°, at least 45°, at least 60° or from 80°-90°.
  • the device has a further arrangement of at least one NV magnetometer unit, which serves to detect a background magnetic field.
  • the NV magnetometer unit serves to detect a background magnetic field.
  • the first and/or second and/or third and/or further arrangement is embedded in a body selected from a building wall, a building ceiling, a building floor and a furnishing item.
  • a body selected from a building wall, a building ceiling, a building floor and a furnishing item.
  • existing conditions can be used in particular, for example adjacent apartment walls or sloping roofs.
  • arrangements can be placed on those sides of the apartment where the highest level of magnetic noise can be detected, for example in the direction of busy streets or power lines.
  • NV sensors are their size, especially the sensor medium.
  • the active measuring volume should be small compared to the object to be measured (heart), otherwise the area will be covered is integrated over large parts of the signal and the signal may therefore disappear because the integral is zero.
  • NV sensor technology has a very small active sensor volume. This small design also enables the sensors to be used in a geometric arrangement. In particular, very high-resolution arrangements are possible due to the very small active sensor volume. This also enables easy integration into bodies or objects.
  • Diamond NV magnetometers are based on reading out the magnetic resonances of special defect centers in diamond, in particular nitrogen vacancies (NV), which occur as impurities in the carbon lattice of diamond and can also be introduced in a targeted manner.
  • NV nitrogen vacancies
  • the magnetic field sensitivity is defined primarily by the minimally resolvable frequency shift and can reach up to 1 pTA/Hz or less. Since the NV center in single-crystalline diamond has four ways of arranging itself in the crystal lattice, in the presence of a directed magnetic field, the NV centers present in the crystal react to the external magnetic field with different strengths depending on their location in the crystal. This means that, ideally, four pairs of fluorescence minima can appear in the spectrum, from whose shape and position relative to each other both the magnetic field strength as an amount and the direction of the external magnetic field can be clearly determined.
  • the device has a device for generating a substantially homogeneous bias magnetic field in the area of the magnetometer units or their sensor media, wherein the bias magnetic fields of different NV magnetometer units are expediently different.
  • the device can also be integrated into the body. This can be a Helmholtz coil arrangement, with at least the sensor medium being arranged within the Helmholtz coil arrangement. It can also be other devices such as a simple coil, an elongated coil, permanent magnet solutions such as in a Hallbach array, etc.
  • Heart signals have a magnetic signature at a distance of a few cm with an amplitude of (only) 1 to 2-digit picotesla (pT), whereas, for example, the earth's magnetic field in Central Europe is approx. 50 pT (microtesla), i.e. stronger by a factor of 10 6 .
  • pT picotesla
  • a magnetic shield or a gradiometer circuit can be used for this purpose.
  • the invention is suitable for the early detection of an ST-elevation infarction, other types of elevation infarction, a pulmonary embolism, an AV nodal renttry tachycardia, ventricular extrasystoles, but also very rare pathogenic diseases such as arrhythmogenic right ventricular tachycardia, which can otherwise only be caused by can be detected by gene sequencing.
  • a gradiometer connection of the at least two NV magnetometer units of an arrangement is used, one magnetometer unit is always at a greater distance from the heart (as a relatively weak magnetic field source) than another magnetometer unit.
  • the magnetic field gradient approximately corresponds to the field emanating from the weak source, while significantly stronger background fields (which are essentially the same in both magnetometer units) are eliminated. This eliminates the need for magnetic shielding, making magnetic field measurement possible in everyday environments.
  • the invention is particularly suitable for unshielded measurement of weak magnetic fields.
  • Technical details about gradiometer solutions, which are also included in the The present invention can be applied are disclosed in DE 102022201690.4 and are intended to be included here.
  • the device is set up to detect a magnetic field strength and field direction using each of the NV magnetometer units of the first and/or second and/or third and/or further arrangement.
  • Another advantage of NV sensors is the direction or vector information.
  • the signal is not as susceptible to tilting of the sensors with one another (in a standard gradiometer application, tilting of the 1 D magnetomer leads to a different projection of the measuring or interference field) and this can be compensated for is particularly relevant for non-rigid installation combined with localization, e.g. in a mattress.
  • the interference field can have a different spatial direction than the field to be measured. This makes it easier to separate the signal from the background.
  • the device has a signal processing unit to which the NV magnetometer units of the first and/or second and/or third and/or further arrangement are connected, the device being set up to determine an effective magnetic field strength and/or by means of the signal processing unit. or to determine an effective magnetic field direction as the difference between the magnetic field strength or field direction detected by the at least two NV magnetometer units. Both a wireless and Wired connection between sensors and signal processing unit is provided.
  • the application requires a sampling rate that is higher than the heart signal in order to resolve it, in particular greater than 50Hz.
  • a range from 200 Hz to 400 Hz is considered particularly advantageous. Higher is always better for resolution, but it increases the sensitivity requirements.
  • Figure 1 shows a schematic block view of the essential components of a NV center magnetometer, as it can be used within the scope of the invention.
  • Figure 2 shows in various figures a) to c), each in a schematic block view, possible arrangements of NV magnetometer units of a device for detecting magnetic signals according to one embodiment.
  • Figure 3 shows a schematic side view of a user with a device according to an embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows schematically in a perspective view a number of arrangements in a living space, which are embedded in different bodies, according to embodiments of the invention.
  • Embodiment(s) of the invention are schematically in a perspective view a number of arrangements in a living space, which are embedded in different bodies, according to embodiments of the invention.
  • Figure 1 shows schematically the essential components of a NV center magnetometer.
  • a diamond 110 with nitrogen vacancies (NV) is present as a sensor medium.
  • the optical excitation of the NV centers can be achieved by a suitable light source 120 such as an LED or a pump laser.
  • a suitable light source 120 such as an LED or a pump laser.
  • a frequency-doubled Nd:YAG laser or semiconductor laser in the green range of around 510-532nm is suitable here, e.g. at 532nm for off-resonance excitation.
  • LEDs in suitable wavelength ranges can also be used.
  • the light from the light source 120 can be irradiated into the diamond 110 via suitable optical elements 122 such as mirrors, beam splitters, focusing optics such as lenses and, if necessary, via fiber optic elements.
  • suitable optical elements 122 such as mirrors, beam splitters, focusing optics such as lenses and, if necessary, via fiber optic elements.
  • the excitation light can be irradiated by the laser continuously or in pulses, so that, for example, time windows are kept free for interference-free fluorescent light measurement.
  • the magnetometer may include a microwave source 150 capable of generating an electromagnetic field across a bandwidth covering the desired resonant frequency in the sensor medium, i.e. in the area of the NV centers of the diamond 110.
  • a microwave resonator structure may can be used to homogeneously distribute the generated microwaves over the volume of the measuring area in the diamond.
  • the resonator structure or the microwave source 150 is preferably tuned to the frequency of the electron spin resonances.
  • an additional static bias magnetic field 140 is generated. This makes the measurement intrinsically vectorial. For this purpose, different spatial directions are used in the crystal structure.
  • a Helmholtz coil for example, is suitable for generating such a magnetic field 140, in which a substantially homogeneous magnetic field can be generated in a limited area by means of a pair of coils.
  • the resulting fluorescent light 112 from the diamond 110 can in turn be used via suitable optical elements 134 such as optical filters, beam splitters, Lenses and / or fiber-optic elements are guided to a first photodetector 130, which is sensitive at least in the range of the fluorescence wavelength.
  • the first photodetector 130 can also be arranged directly on the diamond 110.
  • a second photodetector 132 is arranged so that it can detect at least part of the excitation light from the light source 120, which can be coupled out, for example, through a beam splitter, a filter or a partially transparent element.
  • This detector signal 132 of the excitation light can be used as a reference signal in order to eliminate background signals and highlight the resonance signal of interest, for example by modulating the excitation light using a lock-in amplifier. Additionally or alternatively, this reference signal can be used to take fluctuations in the excitation light into account.
  • Corresponding circuits 160 such as a preamplifier, a logarithmic amplifier, a lock-in amplifier, signal filters or others are therefore provided in order to receive the signals from the first and second photodetectors and to preprocess the signals in a suitable manner for further evaluation.
  • the preprocessed fluorescence signal can be evaluated by a signal processing unit 170, for example with a suitable microcontroller or processor, in order to obtain the desired parameters of the detected magnetic field from the signal, in particular the magnetic field strength and the direction of the magnetic field.
  • Such a device can also have further units, not shown, such as communication units or interfaces for outputting the measurement results.
  • Such a device can also advantageously be integrated into an ASIC or FPGA.
  • the background magnetic fields can be eliminated by shielding or by a gradiometer arrangement when measuring the magnetic field exemplary embodiments can be achieved.
  • Sensor units that are able to record not only the field strength but also the gradient of the field are generally referred to as gradiometers.
  • At least two individual magnetometer units can be used, which are arranged at spatially different locations.
  • a sensor unit that uses two or more NV center magnetometers in a gradiometer arrangement is described below in conjunction with FIG.
  • Figure 2 shows in various figures a) to c) possible geometric arrangements of NV magnetometer units of a device for detecting magnetic signals according to one embodiment.
  • Figure a) shows a side view of an arrangement of at least two NV magnetometer units S1, ..., Sn in any arrangement relative to one another in a plane (perpendicular to the plane of the drawing, i.e. only the first row is visible). The main extension plane is therefore perpendicular to the drawing plane.
  • Figure b) shows a side view of two NV magnetometer units S1, S2, whose sensor media are sections of the same diamond crystal 110.
  • Figure c) shows a side view of a number (n times m) of NV magnetometer units S11, S21, ... , Sn1, S12, S22, ... , Sn2, S1m, ... Snm in an arrangement parallel to the drawing plane .
  • the main extension plane is therefore in the drawing plane.
  • M denotes a signal source, here a heart
  • O denotes an optional surface (in particular body skin), which limits the accessibility to the magnetic field source M.
  • more than two NV magnetometer units can form a gradiometer in total (but at least two). With each additional NV magnetometer unit, the background field can be better determined and the location and strength of the pathogen can be better separated from the background.
  • two NV magnetometer units can always form a gradiometer, in which case - depending on the number of NV magnetometer units - a total of several gradiometers are formed and detect the signal of interest. An effective measurement signal can then be formed from this, in particular by the signal processing unit, for example by averaging, summation, etc.
  • a distance d between two NV magnetometer units S1, S2, ... or more precisely their sensor media corresponds to the distance between the locations where magnetic field measurements are carried out at the same time.
  • the strength of an additional background magnetic field B env is approximately the same at both locations.
  • the weak magnetic field B of interest will decrease significantly with increasing distance from the magnetic field source M.
  • the different orientation of the magnetic field of the pathogen e.g. heart
  • the background field can be eliminated or determined using vector arithmetic and thus the small magnetic field of interest can be determined and its source can be characterized (location and orientation).
  • a remote magnetometer unit or another arrangement that is so far away that the weak magnetic field of interest has fallen below the detection threshold.
  • local changes in the background field can be compensated for by the at least two nearby magnetometer units.
  • two NV magnetometer units can be arranged one above the other in an axial gradiometer configuration, so that each NV magnetometer unit of a first layer forms a gradiometer with an underlying NV magnetometer unit of a second, underlying layer.
  • FIGS. 3 and 4 Possible embodiments of the invention are shown schematically in FIGS. 3 and 4 and are described comprehensively below. Same Elements are given the same reference numbers and are not described more than once.
  • a device for detecting magnetic signals which has at least two arrangements 20 made up of at least two NV magnetometer units, each of which has a main extension plane.
  • the device is used to detect magnetic signals that are generated by a beating heart (M), but can in principle detect all magnetic signals, in particular biosignals, i.e. those that emanate from living beings, e.g. signals from a brain (M).
  • M beating heart
  • biosignals i.e. those that emanate from living beings
  • the figures each have a coordinate system at the top left, with the drawing plane representing the x-z plane and the y-axis running into the drawing plane.
  • the device further has a signal processing unit (not shown) to which the NV magnetometer units of the arrangements 20 are connected in order to determine an effective magnetic field strength and/or field direction.
  • a communication unit (not shown) can be provided to connect the device to other devices such as a PC, tablet PC, smartphone for input and output and operation.
  • the communication unit can, for example, have wired and/or wireless interfaces.
  • the signal processing unit and the communication unit can also be integrated in the body or arranged outside of the body, e.g. as a stand-alone device, in a control cabinet, etc.
  • a mattress 1 and a wall 2 are shown as a body, in Figure 4 a mattress 1 in a bed, a wall 2 and a sloping roof 3, in each of which an arrangement 20 is embedded.
  • any furnishings such as furniture, pictures, lamps, wallpaper, etc. is considered.
  • a mattress 1, a mattress topper, a bed or a slatted frame for embedding an arrangement is suitable for recording in the frontal plane of a user.
  • a headboard of a bed, a wall 2, a ceiling or a sloping roof 3 are suitable for recording the vertical component.
  • Exterior walls and interior walls are suitable for recording and accounting, especially if broadband magnetic noise fields flow through them.
  • the signals from different arrangements can be processed and signals close to the heart can be reduced from ambient noise.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz (M) erzeugt werden, aufweisend eine erste Anordnung (20) aus wenigstens zwei Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-, NV, Magnetometereinheiten, wobei die erste Anordnung (20) eine erste Haupterstreckungsebene hat, eine zweite Anordnung (20) aus wenigstens zwei NV- Magnetometereinheiten, wobei die zweite Anordnung (20) eine zweite Haupterstreckungsebene hat, wobei die erste Haupterstreckungsebene nicht parallel zu der zweiten Haupterstreckungsebene ist.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden
Hintergrund der Erfindung
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
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 Stickstoff-Fehlstellen-Magnetometer (sog. NV-Magnetometer) in einer geometrischen Anordnung insbesondere zur Vektor- Gradiometrie realisiert.
Im Einzelnen wird nun eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden, vorgestellt, die eine erste Anordnung aus wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten, die eine erste Haupterstreckungsebene hat, und eine zweite Anordnung aus wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten, die eine zweite Haupterstreckungsebene hat, aufweist, wobei die erste Haupterstreckungsebene nicht parallel zu der zweiten Haupterstreckungsebene ist. Eine solche Vorrichtung kann auch als Magnetokar- diograf bezeichnet werden. Damit lassen sich unterschiedliche Richtungskomponenten der magnetischen Signale besser auflösen. Dies hat technische Vorteile, da Magnetfeldlinien immer zirkular um einen fließenden Strom verteilt sind. Somit ist die Abdeckung durch räumlich verteilte Sensoren stark verbessert. Dies erweitert die Möglichkeiten der Signalverarbeitung z.B. durch insbesondere Integration. Auch kann dadurch eine Messung weiterhin gut stattfinden, auch wenn ein Benutzer sich bewegt.
Für eine möglichst weiträumige Abdeckung schließen die die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene in einem Ausführungsbeispiel einen Winkel von mindestens 25°, mindestens 30°, mindestens 45° oder mindestens 60° ein. In einem Ausführungsbeispiel schließen die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene einen Winkel von 80°- 90° ein. Damit lassen sich magnetische Signale für beliebige Rotationsstellungen des Herzes um eine Rotationsachse, z.B. bei einem stehenden oder liegenden Benutzer, erfassen. Die Haupterstreckungsebene einer Anordnung ergibt sich insbesondere als diejenige Ebene, in die eine Projektion der Anordnung die größte Fläche einschließt.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine dritte Anordnung aus wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten auf, die eine dritte Haupterstreckungsebene hat, wobei die dritte Haupterstreckungsebene nicht parallel zu der ersten und nicht parallel zu der zweiten Haupterstreckungsebene ist. Damit lassen sich magnetische Signale für beliebige Ausrichtungen des Herzes im Raum erfassen. In einem Ausführungsbeispiel besteht zwischen jeweils zwei der ersten, zweiten und dritten Haupterstreckungsebenen ein Winkel, der ausgewählt ist aus mindestens 25°, mindestens 30°, mindestens 45°, mindestens 60° oder von 80°-90°.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine weitere Anordnung aus wenigstens einer NV-Magnetometereinheit auf, die dazu dient, ein Hintergrundmagnetfeld zu erfassen. Durch direkte Messung und Berücksichtigung des Hintergrundmagnetfelds lassen sich die Magnetfelder des Herzes noch genauer messen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder weitere Anordnung in einen Körper eingebettet, der ausgewählt ist aus einer Gebäudewand, einer Gebäudedecke, einem Gebäudeboden und einem Einrichtungsgegenstand. Für die Erfassung des räumlichen Magnetfeldes des Herzens können insbesondere vorhandene Gegebenheiten ausgenutzt werden, bspw. anliegende Wohnungswände oder Dachschrägen. Zu einer optimalen Rauschunterdrückung bzw. Hintergrundfelderfassung hingegen können Anordnungen an denjenigen Wohnungsseiten platziert werden, an denen der größte Pegel magnetischen Rauschens detektiert werden kann, bspw. in Richtung belebter Straßen oder Starkstromleitungen.
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 Körper bzw. Gegenstände.
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.
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. 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.
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. Die Einrichtung kann ebenfalls in dem Körper integriert sein. Es kann sich dabei um eine Helmholtz-Spulenanordnung handeln, wobei mindestens das Sensormedium innerhalb der Helmholtz-Spulenanordnung angeordnet ist. 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.
Herzsignale haben in einigen cm Abstand eine magnetische Signatur mit einer Amplitude von (nur noch) 1 bis 2-stelligen Picotesla (pT), wohingegen z.B. das Erdmagnetfeld in Mitteleuropa ca. 50 pT (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. 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 arrhyth- mogenen rechtsventrikulären Tachykardie, die sonst nur durch eine Gensequenzierung erkannt werden können.
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.
Wenn eine Gradiometerverschaltung der wenigstens zwei NV- Magnetometereinheiten einer Anordnung verwendet wird, 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.
In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, mittels jeder der NV- Magnetometereinheiten der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Anordnung 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 mmA3 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. Dies basiert auf zwei Wirkmechanismen: erstens ist das Signal nicht so anfällig auf Verkippung der Sensoren untereinander (in einer Standard-Gradiometeranwendung führt eine Verkippung der 1 D-Magnetomer zu einer unterschiedlichen Projektion des Mess- bzw. Störfeldes) und dieses kann kompensiert werden, was besonders für den nicht starren Verbau mit kombiniert mit einer Lokalisierung, z.B. in einer Matratze von Relevanz ist. Zweitens kann das Störfeld eine andere räumliche Richtung haben als das zu messende Feld. Dies erleichtert die Trennung von Signal und Hintergrund.
In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Signalverarbeitungseinheit auf, mit der die NV-Magnetometereinheiten der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Anordnung verbunden sind, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mittels der Signalverarbeitungseinheit eine effektive magnetische Feldstärke und/oder eine effektive magnetische Feldrichtung als Differenz der mittels der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten erfassten magnetischen Feldstärke bzw. Feldrichtung zu bestimmen. Sowohl eine drahtlose als auch drahtgebundene Anbindung zwischen Sensorik und Signalverarbeitungseinheit ist vorgesehen.
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 Sensitivi- tät.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt in einer schematischen Blockansicht die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren-Magnetometers, wie es im Rahmen der Erfindung Anwendung finden kann.
Figur 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.
Figur 3 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Benutzer mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht eine Anzahl von Anordnungen in einem Wohnraum, die in unterschiedlichen Körpern eingebettet sind, gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Ausführungsform(en) der Erfindung
Figur 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.
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.
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.
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.
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 bis 100 mal 10'12 Tesla (Picotesla).
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.
Dazu können mindestens zwei einzelne Magnetometereinheiten verwendet werden, die an räumlich unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Als Beispiel wird im Folgenden in Verbindung mit Figur 2 eine Sensoreinheit beschrieben, die zwei oder mehr NV-Zentren-Magnetometer in einer Gradiometeranordnung verwendet.
Figur 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 wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten S1 , ... , Sn in einer beliebigen Anordnung zueinander in einer Ebene (senkrecht zur Zeichenebene, d.h. es ist nur die erste Reihe sichtbar). Die Haupterstreckungsebene steht also senkrecht auf der Zeichenebene. Abbildung b) zeigt in einer Seitenansicht zwei NV-Magnetometereinheiten S1, S2, deren Sensormedien Abschnitt desselben Diamantkristalls 110 sind. Abbildung c) zeigt in einer Seitenansicht eine Anzahl (n mal m) von NV-Magnetometereinheiten S11 , S21, ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1m, ... Snm in einer Anordnung parallel zur Zeichenebene. Die Haupterstreckungsebene liegt also in der Zeichenebene.
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.
In Ausgestaltungen der Erfindungen können mehr als zwei NV- Magnetometereinheiten insgesamt ein Gradiometer bilden (jedoch mindestens zwei). Mit jeder zusätzlichen NV-Magnetometereinheit kann das Hintergrund- Feld besser bestimmt werden und Ort und Stärke des Erregers können besser vom Hintergrund getrennt werden. 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.
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. Des Weiteren erlaubt die unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes des Erregers (z.B. Herz) eine klare Trennung vom Hintergrundfeld auch bei kleinen Abständen.
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 eine entfernte Magnetometereinheit bzw. eine weitere Anordnung, die 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 Magnetometereinheiten ausgeglichen werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise zwei NV- Magnetometereinheiten übereinander in einer axialen Gradiometerkonfiguration angeordnet werden, so dass jeweils eine NV-Magnetometereinheit einer ersten Schicht mit einer darunterliegenden NV-Magnetometereinheit einer zweiten, darunterliegenden Schicht, ein Gradiometer bildet.
In den Figuren 3 und 4 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.
Dabei ist jeweils eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gezeigt, die wenigstens zwei Anordnungen 20 aus wiederum wenigstens zwei NV- Magnetometereinheiten aufweist, die jeweils eine Haupterstreckungsebene haben. Die Vorrichtung 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, z.B. Signale von einem Gehirn (M). 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. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Signalverarbeitungseinheit (nicht gezeigt) auf, mit der die NV-Magnetometereinheiten der Anordnungen 20 verbunden sind, um eine effektive magnetische Feldstärke und/oder Feldrichtung zu bestimmen. Weiterhin kann eine Kommunikationseinheit (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um die Vorrichtung mit anderen Geräten wie einem PC, Tablet-PC, Smartphone zur Ein- und Ausgabe und Bedienung zu verbinden. Die Kommunikationseinheit kann z.B. kabelgebundene und/oder drahtlose Schnittstellen aufweisen. Die Signalverarbeitungseinheit und die Kommunikationseinheit können ebenfalls in dem Körper integriert sein oder außerhalb vom Körper angeordnet sein, z.B. als Standgerät, in einem Schaltschrank usw.
In Figur 3 sind eine Matratze 1 und eine Wand 2 als Körper gezeigt, in Figur 4 eine Matratze 1 in einem Bett, eine Wand 2 und eine Dachschräge 3, in die jeweils eine Anordnung 20 eingebettet ist. Neben den genannten Beispielen ist eine Einbettung in beliebige Einrichtungsgegenstände wie z.B. Möbel, Bilder, Lampen, Tapeten usw. angedacht.
Für die Erfassung in der Frontalebene eines Benutzers eignet sich eine Matratze 1 , ein Matratzen-Topper, ein Bett oder ein Lattenrost zur Einbettung einer Anordnung. Für die Erfassung der senkrechten Komponente eignet sich ein Kopfteil eines Bettes, eine Wand 2, eine Zimmerdecke oder eine Dachschräge 3.
Zahlreiche Quellen magnetischen Umgebungsrauschens (Hintergrundfeld) befin- den sich außerhalb des privaten Wohnbereiches und sind einer Reduzierung somit unzugänglich. Für ihre Erfassung und Verrechnung eigenen sich Außenwände sowie Innenwände, insbesondere wenn diese mit breitbandigen magnetischen Rausch-Feldern durchflossen werden. Durch eine synchronisierte Aufnahme können die Signale verschiedener Anordnungen verrechnet und herz- nahe Signale von Umgebungsrauschen reduziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz (M) erzeugt werden, aufweisend eine erste Anordnung (20) aus wenigstens zwei Stickstoff-Fehlstellen-Zen- tren-, NV, Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm), wobei die erste Anordnung (20) eine erste Haupterstreckungsebene hat, eine zweite Anordnung (20) aus wenigstens zwei NV- Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm), wobei die zweite Anordnung (20) eine zweite Haupterstreckungsebene hat, wobei die erste Haupterstreckungsebene nicht parallel zu der zweiten Haupterstreckungsebene ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene einen Winkel von mindestens 25°, mindestens 30°, mindestens 45° oder mindestens 60° einschließen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Haupterstreckungsebene und die zweite Haupterstreckungsebene einen Winkel von 80°-90° einschließen.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine dritte Anordnung (20) aus wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm), wobei die dritte Anordnung (20) eine dritte Haupterstreckungsebene hat, wobei die dritte Haupterstreckungsebene nicht parallel zu der ersten und nicht parallel zu der zweiten Haupterstreckungsebene ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die dritte Haupterstreckungsebene und die erste und/oder zweite Haupterstreckungsebene einen Winkel einschließen, der ausgewählt ist aus mindestens 25°, mindestens 30°, mindestens 45°, mindestens 60° oder von 80°-90°.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine weitere Anordnung (20) aus wenigstens einer NV-Magnetometereinheit (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm), die zur Erfassung eines Hintergrundmagnetfelds dient.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder weitere Anordnung (20) eingebettet ist in einen Körper ausgewählt aus einer Gebäudewand, einer Gebäudedecke, einem Gebäudeboden und einem Einrichtungsgegenstand.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, mittels jeder der NV-Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm) der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Anordnung (20) eine magnetische Feldstärke und Feldrichtung zu erfassen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, mit einer Signalverarbeitungseinheit (170), mit der die NV-Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm) der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Anordnung (20) verbunden sind, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mittels der Signalverarbeitungseinheit (170) eine effektive magnetische Feldstärke und/oder Feldrichtung als Differenz von mittels der NV-Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm) erfassten magnetischen Feldstärken bzw. Feldrichtungen zu bestimmen.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (20) eine zweidimensionale Anordnung (20) ist, bei der die NV- Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm) der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Anordnung (20) in der jeweiligen Haupterstreckungsebene angeordnet sind.
11 . Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die NV- Magnetometereinheiten (S1 , S2, Sn; S11 , S21 , Sn1 , S12, S22, Sn2, S1 m, ... Snm) der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Anordnung wenigstens vier NV-Magnetometereinheiten umfassen und wobei die Anordnung (20) eine dreidimensionale Anordnung (20) ist, bei der wenigstens eine der wenigstens vier NV-Magnetometereinheiten nicht in der jeweiligen Haupterstreckungsebene angeordnet ist, in der wenigstens drei andere der wenigstens vier NV-Magnetometereinheiten angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der NV- Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm) der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Anordnung (20) als Sensormedium (110) einen Diamantkristall oder einen Abschnitt eines Diamantkristalls mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren aufweist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine magnetische Feldstärke und/oder Feldrichtung durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium (110) zu erfassen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin aufweisend mindestens eine Anregungslichtquelle (120) zum Einstrahlen von Licht (124) in das Sensormedium (110), mindestens eine Mikrowellenquelle (150) zum Erzeugen eines reso- nanten Felds in dem Sensormedium sowie mindestens einen Photodetektor (130) zum Erfassen von resonanzabhängigem Fluoreszenzlicht (112) aus dem Sensormedium (110).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei den NV-Magnetometereinheiten (S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1 m, ... Snm) einer Anordnung (20) dieselbe Anregungslichtquelle (120) und/oder dieselbe Mikrowellenquelle (140) zugeordnet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Sensormedium von wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, Sn; S11 , S21,
Sn1 , S12, S22, Sn2, S1m, ... Snm) einer Anordnung (20) jeweils einen Abschnitt desselben Diamantkristalls (110) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Abstand (d) zwischen den Sensormedien (110) der wenigstens zwei NV- Magnetometereinheiten (S1, S2, ... , Sn; S11 , S21 , ... , Sn1 , S12, S22, ... , Sn2, S1m, ... Snm) einer Anordnung (20) zwischen 1 und 30 Millimetern be- trägt, bevorzugt zwischen 5 und 20 Millimetern.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9167979B2 (en) * 2007-04-13 2015-10-27 University Of Florida Research Foundation, Inc. Atomic magnetometer sensor array magnetic resonance imaging systems and methods
WO2021067587A1 (en) * 2019-10-02 2021-04-08 X Development Llc Magnetometry based on electron spin defects
US20220146605A1 (en) * 2019-01-30 2022-05-12 The University Of Warwick Defect centre-based sensor
DE102022204526A1 (de) 2022-05-09 2023-11-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Magnetfeldsensor auf Basis von Spinresonanzen

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019515757A (ja) 2016-05-09 2019-06-13 ビオマグネティック パーク ゲーエムベーハー 生体磁場を測定するための装置
CN111568418B (zh) 2020-06-03 2023-05-26 中北大学 一种基于金刚石nv色心用于心磁测量的磁强计及心磁测量***
DE102022201690A1 (de) 2022-02-18 2023-08-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Sensoreinheit zur Messung von Magnetfeldern

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9167979B2 (en) * 2007-04-13 2015-10-27 University Of Florida Research Foundation, Inc. Atomic magnetometer sensor array magnetic resonance imaging systems and methods
US20220146605A1 (en) * 2019-01-30 2022-05-12 The University Of Warwick Defect centre-based sensor
WO2021067587A1 (en) * 2019-10-02 2021-04-08 X Development Llc Magnetometry based on electron spin defects
DE102022204526A1 (de) 2022-05-09 2023-11-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Magnetfeldsensor auf Basis von Spinresonanzen

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BLAKLEY S. M. ET AL: "Room-temperature magnetic gradiometry with fiber-coupled nitrogen-vacancy centers in diamond", OPTICS LETTERS, vol. 40, no. 16, 5 August 2015 (2015-08-05), US, pages 3727, XP055954812, ISSN: 0146-9592, DOI: 10.1364/OL.40.003727 *
GIULIA PETRINI ET AL: "Is a quantum biosensing revolution approaching?", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 1 July 2020 (2020-07-01), XP081711633 *

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