德思特应用 | 假肢控制新突破：高速数字化仪+任意波形发生器精准探测神经信号

导语

目前，通过植入电极的方式控制假肢是最为普遍的技术。然而，这种侵入式方法很可能导致电极的退化或移位。

位于德国斯图加特的多学科联合体 QHMI 研发了一种全新的方法，他们通过量子传感器检测微小且快速的神经信号。灵敏的量子磁力计被置于体外，通过皮肤实现神经信号的测量。

目前，科学家们正在使用德思特优质合作伙伴Spectrum高速数字化仪以及任意波形发生器对信号进行建模，并最终设计出所需的专用集成电路（ASIC）和光子集成电路（PIC）。

一、传统假肢控制方案痛点

对于截肢患者而言，通过意念控制假肢动作是长期以来的技术愿景。目前，主流的假肢控制方案依赖植入式电极——通过手术将微电极阵列插入残肢的肌肉或神经束中，采集生物电信号并映射为动作指令。

然而，这种侵入式方法面临三大系统性瓶颈：电极在体内会发生退化（纤维包囊导致信号衰减）、机械移位（偏离最佳采集点）、以及失效后二次手术成本极高。这些限制使假肢控制长期停留在“实验室可行”阶段，难以实现日常可靠的“全天候”使用。

二、基于量子传感器的解决方案

1.方案原理

这项技术的核心是一个由钻石薄片制成的光学检测磁共振（ODMR）装置。钻石中掺入了含有净电子自旋的氮空位中心（NV 中心）。因此，其作用就如同微小的条形磁铁。当绿色激光照上时，就会发出红色荧光信号。通过加入适当的微波磁场，这种荧光信号就会对外部磁场表现得非常敏感，可以用来精准测量神经信号。

控制氮空位中心自旋所需的微波磁场是由合适的线圈产生，并由微波发射器驱动。这个发射器的基带信号由任意波形发生器产生，以提供所需的载波信号相位和幅度调制，使激发信号在理想的实验条件下更加稳定。随后，带有神经磁场信息的荧光信号会由光电二极管捕获、放大、滤波和数字化，以便进行高级信号处理。

斯图加特大学“Cluster4Future QSens”项目负责人兼QHMI联盟资深科学家Jens Anders表示：“这是量子传感器探针在现实生活中的首次应用。因为肌肉在10至100皮特（picoTeslas）之间的磁场比地球磁场小6个数量级。迄今为止，还没有任何方法能够以非侵入性的方式检测出肌肉中如此微小的磁变化。测试表明，我们传感器的灵敏度，足以通过皮肤检测到肌肉中的神经信号。理论上来说，诸如神经信号较少的上臂肌肉也同样适用。目前，我们正在努力提升传感器对fT级别磁场变化的灵敏度，从而在不破坏皮肤的情况下探测到大脑中的信号。”

2.方案构成

德思特优质合作伙伴Spectrum高速数字化仪与任意波形发生器，为量子传感提供了从激励到采集的完整高速信号链路。

（1）高速数字化仪（M5i.3357）

高速数字化仪不仅负责荧光信号的高速采集，其超宽带与高动态特性构成了微弱神经磁场检测的独特优势。系统能够以最高10 GS/s（单通道模式）的采样率和3 GHz模拟带宽，实时捕获光电二极管输出的快速荧光瞬态信号，并为每个采样点提供12 bit分辨率的量化精度。这使研究人员能够从极低本底噪声中有效提取磁场变化信息，建立可靠的数据基础。

（2）任意波形发生器（M4x.6631）

任意波形发生器不仅负责生成微波发射器的基带激励信号，其对相位与幅度的精密调制能力构成了量子态操控的独特优势。系统能够以1.25 GS/s的输出采样率和16 bit垂直分辨率，灵活产生任意形状的微波脉冲序列，为NV中心自旋提供高度稳定的载波调制。这使研究团队能够在复杂实验条件下精确控制激发信号的时序与频谱，从而有效提升量子传感器对外部磁场变化的响应灵敏度。

三、方案优势

• 高动态范围与极低噪声：产品具备极高的动态范围与卓越的噪声性能，为捕捉微弱信号提供了关键保障。
• 高速采集与宽带支持：其高速采集能力可完整捕获与高级脉冲激励方案相关的快速瞬态信号，系统带宽远超100 MHz的应用门槛。
• 高性价比：在同等性能指标下，Spectrum仪器展现出显著的成本效益优势，有效降低了研发与测试投入。
• 五年质保，降低长期风险：高于行业基准的五年质保期限，大幅降低了前沿科研项目中的设备持有风险。