DE102022209436A1 - Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart - Google Patents
Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart Download PDFInfo
- Publication number
- DE102022209436A1 DE102022209436A1 DE102022209436.0A DE102022209436A DE102022209436A1 DE 102022209436 A1 DE102022209436 A1 DE 102022209436A1 DE 102022209436 A DE102022209436 A DE 102022209436A DE 102022209436 A1 DE102022209436 A1 DE 102022209436A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- magnetometer
- snm
- units
- magnetic field
- magnetometer units
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- 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
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
- A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
-
- 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
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
- A61B5/339—Displays specially adapted therefor
- A61B5/341—Vectorcardiography [VCG]
-
- 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
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
- A61B5/346—Analysis of electrocardiograms
- A61B5/349—Detecting specific parameters of the electrocardiograph cycle
- A61B5/361—Detecting fibrillation
-
- 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
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
- A61B5/346—Analysis of electrocardiograms
- A61B5/349—Detecting specific parameters of the electrocardiograph cycle
- A61B5/363—Detecting tachycardia or bradycardia
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
- A61B5/7203—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz (M) erzeugt werden, aufweisend wenigstens zwei Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-, NV-, Magnetometereinheiten (S1, S2), die in einer geometrischen, insbesondere im Wesentlichen ebenen Anordnung zueinander angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit (170, 200) verbunden sind, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mittels jeder der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2) eine magnetische Feldstärke (R1, R2) und Feldrichtung (R1, R2) zu erfassen, und mittels der Signalverarbeitungseinheit (170, 200) eine effektive magnetische Feldstärke und Feldrichtung aus der mittels der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2) erfassten magnetischen Feldstärke und Feldrichtung zu bestimmen.The invention relates to a device for detecting magnetic signals that are generated by a beating heart (M), comprising at least two nitrogen vacancy centers, NV, magnetometer units (S1, S2), which are in a geometric, in particular substantially are arranged in a flat arrangement relative to one another and are connected to a signal processing unit (170, 200), the device being set up to determine a magnetic field strength (R1, R2) and field direction (R1, R2) by means of each of the at least two NV magnetometer units (S1, S2). ) to detect, and by means of the signal processing unit (170, 200) to determine an effective magnetic field strength and field direction from the magnetic field strength and field direction detected by means of the at least two NV magnetometer units (S1, S2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werdenThe present invention relates to a device for detecting magnetic signals generated by a beating heart
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbesondere optisch gepumpte oder auf NV-Zentren in Diamant basierende Quantensensoren. In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.According to the invention, a device for detecting magnetic signals generated by a beating heart is proposed with the features of claim 1. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.
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 zur Vektor-Gradiometrie realisiert.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. As part of the invention, a contactless, passive option for long-term monitoring of the human heart with high resolution is presented. This is achieved using nitrogen vacancy magnetometers (so-called NV magnetometers) in a geometric arrangement for vector gradiometry.
Im Einzelnen wird nun eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden, vorgestellt, welche wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten, die in einer geometrischen, insbesondere im Wesentlichen ebenen, Anordnung zueinander angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden sind, aufweist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mittels jeder der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten eine magnetische Feldstärke und Feldrichtung zu erfassen, und mittels der Signalverarbeitungseinheit eine effektive magnetische Feldstärke und Feldrichtung aus der mittels der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten erfassten magnetischen Feldstärke und Feldrichtung zu bestimmen. Sowohl eine drahtlose als auch drahtgebundene Anbindung zwischen Sensorik und Signalverarbeitungseinheit ist vorgesehen. Eine solche Vorrichtung kann auch als Magnetokardiograf bezeichnet werden.In detail, a device for detecting magnetic signals generated by a beating heart is now presented, which has at least two NV magnetometer units, which are arranged in a geometric, in particular essentially flat, arrangement relative to one another and are connected to a signal processing unit , wherein the device is set up to detect a magnetic field strength and field direction by means of each of the at least two NV magnetometer units, and to determine an effective magnetic field strength and field direction from the magnetic field strength and field direction detected by means of the at least two NV magnetometer units by means of the signal processing unit . Both a wireless and wired connection between the sensor system and the signal processing unit is provided. Such a device can also be called a magnetocardiograph.
Die effektive magnetische Feldstärke und Feldrichtung ergeben sich insbesondere durch Vektorarithmetik. Im Wesentlichen eben soll bedeuten, dass gewisse Abweichungen innerhalb üblicher Toleranzen in der Praxis unvermeidlich sind. Jedoch soll der Abstand von zwei NV-Magnetometereinheiten in der Ebene (projiziert auf eine x/y-Ebene) deutlich größer sein als ein ggf. vorhandener Unterschied in einer Höhe (z-Achse), z.B. mindestens zwei-, fünf- oder zehnmal so groß. Durch eine gezielte Anordnung der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten nahe am Herz, z.B. in einer Linie, an den Ecken und/oder Kanten eines Polygons, auf dem Umfang und ggf. auf dem Mittelpunkt eines Kreises, kann die Anzahl an benötigten Sensoren minimiert werden.The effective magnetic field strength and field direction are determined in particular by vector arithmetic. Essentially this means that certain deviations within normal tolerances are unavoidable in practice. However, the distance between two NV magnetometer units in the plane (projected on an x/y plane) should be significantly larger than any difference in height (z-axis), e.g. at least two, five or ten times as much large. By specifically arranging the at least two NV magnetometer units close to the heart, e.g. in a line, at the corners and/or edges of a polygon, on the circumference and possibly on the center of a circle, the number of sensors required can be minimized.
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.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. If the NV center is optically excited in the ground state, for example by irradiating a pump laser beam with a suitable wavelength (in this case in the green wavelength range, e.g. at 532 nm for off-resonance excitation), the electrons are converted from the triplet ground state into the excited triplet -State raised and relaxed with emission of fluorescent light in the red wavelength range at 650 - 800 nm (637nm = zero phonon line). Since the probability of non-spin-conserving transitions from the spin state with the spin quantum number m s =±1 is greater, continuous excitation pumping ensures that the NV centers are largely hyperpolarized in the spin state m s =0.
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.There is an energy difference between the m s = 0 and m s = ±1 spin states in the ground state, which in this case is around 2.87 GHz. If, in addition to the optical excitation, microwave radiation is irradiated into the diamond, the red fluorescence drops at this resonance frequency of 2.87 GHz, since the spin-polarized electrons move through the microwave field from m s = 0 to m s = ±1 -Basic state can be raised and from there excited by the pump light into the m s =±1 excited state. From there, however, mainly non-radiative transitions and weakly infrared fluorescence transitions occur over the singlet state, while the fluorescence in the red range disappears.
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 pT/√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 also vektorielle Magnetfeldmessungen zu ermöglichen, weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen Bias-Magnetfelds im Bereich der Magnetometereinheiten bzw. deren Sensormedien auf wobei die Bias-Magnetfelder von unterschiedlichen NV-Magnetometereinheiten zweckmäßigerweise unterschiedlich sind. Es kann sich dabei um eine Helmholtz-Spulenanordnung handeln, wobei mindestens das Sensormedium innerhalb der Helmholtz-Spulenanordnung angeordnet ist (jede Magnetometereinheit hat zweckmäßiger ihr eigenes Bias-Feld, was die Feldbestimmung verbessert). Es kann sich ebenso um andere Einrichtungen handeln wie z.B. eine einfache Spule, eine langgezogene Spule, Permanentmagnetlösungen wie z.B. in einem Hallbacharray usw.If an external magnetic field is present, the so-called Zeeman effect causes the otherwise equal-energy m s = ±1 triplet levels to split into energetically equidistant Zeeman levels. When the fluorescence is plotted against a frequency spectrum of the microwave excitation, two dips appear in the fluorescence spectrum, the frequency spacing of which is proportional to the magnetic field strength of the external magnetic field. The magnetic field sensitivity is defined primarily by the minimally resolvable frequency shift and can reach up to 1 pT/√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. In order to enable vector magnetic field measurements, the device has a device for generating a substantially homogeneous bias magnetic field in the area of the magnetometer units or their sensor media, the bias magnetic fields of different NV magnetometer units expediently being different. This can be a Helmholtz coil arrangement, with at least the sensor medium being arranged within the Helmholtz coil arrangement (each magnetometer unit more conveniently has its own bias field, which improves the field determination). It can also be other devices such as a simple coil, an elongated coil, permanent magnet solutions such as in a Hallbach array, etc.
Indem eine Anzahl von Vektor-Magnetometereinheiten in einer geometrischen Anordnung und Gradiometerverschaltung verwendet wird, haben diese Magnetometereinheiten eine unterschiedliche Ausrichtung zum Magnetfeld des Herzes. Durch die Gradiometerverschaltung, d.h. im Wesentlichen Vektorarithmetik des Gemessenen, können die Position und die Stärke des Magnetfelderregers (Herz) bestimmt werden. Da das wesentlich stärkere Hintergrundfeld in beiden Magnetometereinheiten im Wesentlichen gleich ist (gleiche Stärke und Orientierung), kann es eliminiert werden. Damit entfällt die Notwendigkeit einer magnetischen Abschirmung, so dass die Magnetfeldmessung in Alltagsumgebungen möglich wird. Ein weitere Vorteil gegenüber klassischen Gradiometeranordnungen mit eindimensionalen Magnetometern ist die so ermöglichte kompakte Bauform, da kein weit entferntes Referenzmagnetometer benötigt 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
Herzsignale haben in einigen cm Abstand eine magnetische Signatur mit einer Amplitude von (nur noch) Picotesla (pT), wohingegen z.B. das Erdmagnetfeld in Mitteleuropa ca. 50 µT (Mikrotesla) beträgt, also um einen Faktor 106 stärker ist. Selbst so kleine Feldstärken sind jedoch mit der vorgeschlagenen Technologie langzeitig hochgenau auflösbar.Heart signals have a magnetic signature at a distance of a few cm with an amplitude of (only) picotesla (pT), whereas, for example, the earth's magnetic field in Central Europe is approx. 50 µT (microtesla), i.e. stronger by a factor of 10 6 . However, even such small field strengths can be resolved with high precision over the long term using the proposed technology.
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 eins S-T-Hebungsinfarkts, andersartigen Hebungsinfarkts, einer Lungenembolie, einer AV-Knoten-Rentry-Tachykardie, von ventrikuläre Extrasystolen, aber auch sehr seltene pathogene Erkrankungen wie z.B. einer arrhythmogenen rechtsventrikulären Tachykardie, die sonst nur durch eine Gensequenzierung erkannt werden können.Through the high-resolution detection of the precise heart signal, a variety of diseases can be detected, such as permanent atrial fibrillation and paroxysmal atrial fibrillation. This can prevent a heart attack and, as a result, a stroke (especially after an undetected heart attack). Furthermore, the invention is suitable for the early detection of an S-T elevation myocardial infarction, other types of elevation myocardial 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 identified through gene sequencing can be recognized.
Ein besonderer Vorteil der NV-Sensorik ist die Richtungs- bzw. Vektorinformation. Im Gegensatz zu weiteren Technologien ist diese bei NV-Sensorik intrinsisch gegeben. Es müssen also weder durch Modulationstechniken Störungen eingeführt bzw. ungünstigere Projektionen genutzt werden, noch mehrere separate Sensoren verwendet werden. Man hat somit die Vektor- und Gradiometrieinformation am exakt selben Ort (Diamantgröße, also einstellige mm^3 und darunter) und nicht einige cm bis viele cm separiert wie bei anderen Technologien. Mit NV-Magnetometer-Einheiten, die nicht nur die Feldstärke, sondern auch die Richtung des Magnetfeldes bestimmen können, wird eine verbesserte Unterdrückung eines Hintergrundfeldes und somit die bessere Detektion von Signalen, die stark von Störsignalen überlagert werden, ermöglicht. 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 1D-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.A particular advantage of NV sensors is the direction or vector information. In contrast to other technologies, this is intrinsic to NV sensors. This means that there is no need to introduce interference through modulation techniques, use less favorable projections, or use several separate sensors. This means you have the vector and gradiometry information in exactly the same place (diamond size, i.e. single-digit mm^3 and below) and not separated from a few cm to many cm as with other technologies. With NV magnetometer units that not only measure the field strength but also the direction of the magnetic field, improved suppression of a background field and thus better detection of signals that are heavily superimposed by interference signals are made possible. This is based on two mechanisms of action: firstly, the signal is not as susceptible to tilting between the sensors (in a standard gradiometer application, tilting the 1D magnetomer leads to a different projection of the measuring or interference field) and this can be compensated for, which is particularly important is relevant for non-rigid installation combined with localization, e.g. in a mattress. Secondly, 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.
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 Fehlalarmen führen kann.Only precise resolution of the heart signal enables this detection of the clinical pictures. In the case of very noisy or poorly resolved signals, the shifts of the various PQRST complexes of the heart relative to one another or over time, fluctuations in their amplitude, deformations or small disturbances cannot be detected. However, this resolution of these criteria are important factors, as the problems mentioned above can lead to mix-ups of complexes (e.g. interpretation of an elevated and shifted T wave as an R wave, which, however, often occurs in a “healthy” heart) and false alarms.
Ein weiterer 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.Another advantage of NV sensors is their size, especially of the sensor medium. For the application, the active measuring volume should be small compared to the object to be measured (heart), otherwise the surface coverage will result in large parts of the signal being integrated and the signal may therefore disappear because the integral is zero. The smaller the active measurement volume compared to the heart, the better the signal detection. 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.
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 200Hz bis 400 Hz als besonders vorteilhaft erachtet. Höher ist für die Auflösung immer besser, verschärft aber die Anforderungen an die Sensitivität.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 200Hz to 400 Hz is considered particularly advantageous. Higher is always better for resolution, but increases the sensitivity requirements.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
-
1 zeigt in einer schematischen Blockansicht die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren-Magnetometers, wie es im Rahmen der Erfindung Anwendung finden kann.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. -
2 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) jeweils in einer schematischen Blockansicht mögliche geometrische Anordnungen von NV-Magnetometereinheiten einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung.2 shows in various figures a) to c), each in a schematic block view, possible geometric arrangements of NV magnetometer units of a device for detecting magnetic signals according to one embodiment. -
3 zeigt in einer schematischen Blockansicht ein Messprinzip der NV-Vektorgradiometrie, wie es in einer Ausgestaltung der Erfindung zur Anwendung kommen kann.3 shows a schematic block view of a measuring principle of NV vector gradiometry, as can be used in an embodiment of the invention. -
4 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) jeweils eine Draufsicht auf mögliche geometrische Anordnungen von NV-Magnetometereinheiten in einer Ebene einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung.4 shows in various figures a) to c) a top view of possible geometric arrangements of NV magnetometer units in a plane of a device for detecting magnetic signals according to one embodiment.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment(s) of the invention
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. 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.Further, the magnetometer may include a
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. Eine solche Vorrichtung kann auch vorteilhaft in ein ASIC oder FPGA integriert sein.The resulting fluorescent light 112 from the
Um in einer Alltagsumgebung einsetzbar zu sein, sollen Magnetfelder, die nicht von gewünschten schwachen Quellen stammen, aus der Messung möglichst eliminiert werden, insbesondere das Erdmagnetfeld im Bereich von 10-5 Tesla (einige Mikrotesla). Dagegen bewegen sich Herzmagnetfelder im Bereich von 10-12 Tesla (Picotesla).In order to be usable in an everyday environment, magnetic fields that do not come from desired weak sources should be eliminated from the measurement as far as possible, in particular the earth's magnetic field in the range of 10 -5 Tesla (a few microteslas). In contrast, cardiac magnetic fields are in the range of 10 -12 Tesla (Picotesla).
Die Elimination der Hintergrundmagnetfelder kann 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.The elimination of the background magnetic fields can be achieved by a gradiometer arrangement during magnetic field measurement according to exemplary embodiments. 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.
Dazu können mindestens zwei einzelne Magnetometereinheiten S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm verwendet werden, die an räumlich unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Als Beispiel wird im Folgenden in Verbindung mit
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.Furthermore, M denotes a signal source, here a heart, and O denotes an optional surface (in particular body skin), which limits the accessibility to the magnetic field source M.
In Ausgestaltungen der Erfindungen können mehr als zwei NV-Magnetometereinheiten insgesamt ein Gradiometer bilden (jedoch mindestens zwei). Mit jeder zusätzlichen NV-Magnetometereinheit kann das HintergrundFeld besser bestimmt werden und Ort und Stärke des Erregers können besser vom Hintergrund getrennt werden.In embodiments of the invention, 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 exciter can be better separated from the background.
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.In other embodiments of the invention, 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.
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.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. As long as the distance between the measurement locations is relatively small, it can be assumed that the strength of an additional background magnetic field B env is approximately the same at both locations. In contrast, the weak magnetic field B of interest will decrease significantly with increasing distance from the magnetic field source M. Furthermore, the different orientation of the magnetic field of the pathogen (e.g. heart) allows a clear separation from the background field even at small distances.
Indem also zwei NV-Magnetometereinheiten in unterschiedlichen Abständen und Winkeln von der Quelle bzw. vom Herz angeordnet werden, kann das Hintergrundfeld durch Vektorarithmetik eliminiert bzw. bestimmt werden und damit das interessierende kleine Magnetfeld bestimmt sowie dessen Quelle charakterisiert werden (Ort und Orientierung). Dies kann durch ein entferntes Magnetometer, das so weit entfernt ist, dass das interessante schwache Magnetfeld unterhalb der Detektionsschwelle abgefallen ist, weiter verbessert werden. Mit so einer Konfiguration können lokale Änderungen im Hintergrundfeld durch die mindestens zwei nahen Magnetometer ausgeglichen werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise zwei NV-Magnetometereinheiten übereinander in einer axialen Gradiometerkonfiguration angeordnet werden, so dass jeweils ein NV-Magnetometereinheit einer ersten Schicht mit einer darunterliegenden NV-Magnetometereinheit einer zweiten, darunterliegenden Schicht, ein Gradiometer bildet. Durch eine weitere NV-Magnetometereinheit in einem großen Abstand, z.B. mindestens 1 m, zu den zwei NV-Magnetometereinheiten kann ebenfalls das Hintergrundfeld bestimmt werden.By arranging two NV magnetometer units at different distances and angles from the source or from the 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). This can be further improved by a remote magnetometer so far away that the weak magnetic field of interest has fallen below the detection threshold. With such a configuration, local changes in the background field can be compensated for by the at least two nearby magnetometers. For this purpose, for example, two NV magnetometer units can be arranged one above the other in an axial gradiometer configuration, so that in each case a NV magnetometer unit of a first layer forms a gradiometer with an underlying NV magnetometer unit of a second, underlying layer. The background field can also be determined by placing another LV magnetometer unit at a large distance, e.g. at least 1 m, from the two LV magnetometer units.
Ein Konzept der Erfindung ist es, das Feld mit mehreren NV-Magnetometereinheiten vektoriell und gleichzeitig von verschieden Positionen aus zu messen. Solange diese Anordnung sich in der Nähe der Signalquelle M, die gemessen werden soll, befindet, wird das Feld der Signalquelle in unterschiedlichen Richtungen mit den einzelnen Vektor-Sensoren gemessen. Diese Verteilung der gemessen Feldvektoren ist charakteristisch und erlaubt, auf die Quelle Rückschlüsse bezüglich Stärke, Position und Ausrichtung zu ziehen. Um schwache Signale im Vergleich zum Hintergrund zu erfassen, erlaubt die Annahme eines homogenen Hintergrundfelds über die geometrische Anordnung aus NV-Magnetometereinheiten (dies ist hier in der Regel anzunehmen, da der Abstand zwischen Quelle der Störung und Sensormedium als sehr viel größer anzunehmen ist als derjenige des zu messenden Signals zum Sensormedium) die individuellen Feldvektoren zu berechnen, da der Vektor des Störfeldes als gleich angenommen werden kann und somit eine einfache Vektorarithmetik ausreicht, um den Signalvektor zu extrahieren. Wird eine geometrische Anordnung benutzt, können auch noch Inhomogenitäten im Hintergrund ausgeglichen werden.One concept of the invention is to measure the field vectorially and simultaneously from different positions using several NV magnetometer units. As long as this arrangement is in the vicinity of the signal source M that is to be measured, the field of the signal source is measured in different directions with the individual vector sensors. This distribution of the measured field vectors is characteristic and allows conclusions to be drawn about the source regarding strength, position and orientation. In order to detect weak signals compared to the background, it is possible to assume a homogeneous background field across the geometric arrangement of NV magnetometer units (this is usually assumed here because the distance between the source of the interference and the sensor medium can be assumed to be much larger than that). of the signal to be measured to the sensor medium) to calculate the individual field vectors, since the vector of the interference field can be assumed to be the same and therefore simple vector arithmetic is sufficient to extract the signal vector. If a geometric arrangement is used, inhomogeneities in the background can also be compensated for.
Wie in
Eine Auswertung am Beispiel von zwei NV-Magnetometereinheiten S1 und S2 wie in
- Gemessen werden zwei vektorwertige Signale R1 und R2. Diese enthalten Signalanteile M1 und M1' sowie Störanteile Z1 und Z2=Z1, welche insbesondere gleich für die Messbereiche sind. Das Gradiometermesssignal ergibt sich dann nach:
- Two vector-valued signals R1 and R2 are measured. These contain signal components M1 and M1' as well as interference components Z1 and Z2=Z1, which are in particular the same for the measuring ranges. The gradiometer measurement signal then results from:
Wie Gleichung (1) beschreibt, enthält das Signal keine Störkomponenten mehr, sofern diese gleichförmig für die Messbereiche sind. Des Weiteren ist das Messignal vektoriell, es lässt also z.B. die Zuordnung der Richtung („Wo kommt das Signal her“?), die Unterscheidung von verschiedenen Signalen, sowie die Korrelation mehrerer Signale unterschiedlicher Sensoren in einer Anordnung (bildgebendes Verfahren) zu.As equation (1) describes, the signal no longer contains any interference components as long as they are uniform across the measuring ranges. Furthermore, the measurement signal is vectorial, so it allows, for example, the assignment of the direction (“Where does the signal come from?”), the differentiation of different signals, and the correlation of several signals from different sensors in an arrangement (imaging process).
Man kann das Ergebnis in Gleichung 1 durch einen Betrag und eine Richtung ausdrücken. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die Quelle zwischen den Magnetometereinheiten liegt und somit das Magnetfeld entgegengesetzt ist. Durch das Nutzen von drei und mehr Magnetometereinheiten (geometrische Anordnung) kann ein Gleichungssystem aufgestellt werden, das es erlaubt, die einzelnen Magnetfelder an den Magnetometereinheiten zu bestimmen.The result in Equation 1 can be expressed in terms of a magnitude and a direction. This is particularly advantageous if the source is between the magnetometer units and the magnetic field is therefore opposite. By using three or more magnetometer units (geometric arrangement), a system of equations can be set up that allows the individual magnetic fields on the magnetometer units to be determined.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei herkömmlichen Gradiometern die Differenz aus zwei Skalar-Sensoren gemessen wird, welche in Reihe geschaltet sind. Dabei ist die Performance davon abhängig, dass ein Sensor nur das Hintergrundfeld misst (Messwerte (Skalar) werden nur voneinander abgezogen). Des Weiteren ist in diesem Fall die Differenz der Sensoren immer kleiner als die tatsächliche Messgröße (< M). Der vorliegend beschriebene Ansatz kann durch die Anordnung in verschiedenen Raumwinkeln (auch auf eine Ebene projiziert) das Messsignal in verschieden Winkeln zum Hintergrundsignal bestimmen. So werden also das Signal- zu Rauschverhältnis und somit die Sensitivität erhöht (im symmetrischen Idealfall ist bei zwei Sensoren das Magnetfeld genau entgegengesetzt).Another advantage is that with conventional gradiometers the difference is measured from two scalar sensors that are connected in series. The performance depends on the fact that a sensor only measures the background field (measured values (scalar) are only subtracted from each other). Furthermore, in this case the difference between the sensors is always smaller than the actual measured value (< M). The approach described here can determine the measurement signal at different angles to the background signal by arranging it at different solid angles (also projected onto a plane). This increases the signal-to-noise ratio and thus the sensitivity (in the symmetrical ideal case, with two sensors, the magnetic field is exactly opposite).
Ein weiterer Vorteil von einem Vektor-Gradiometer ist, dass man es signifikant kleiner als klassische Gradiometer bauen kann. Hier ist ein Referenz-Sensor so angeordnet, dass dessen Abstand zur Signalquelle so groß ist, dass das Signal beim Referenz-Sensor signifikant kleiner ist. Dies erfordert, dass der Abstand zwischen den Sensoren signifikant größer ist als der Abstand zwischen Quelle und Messsensor. Durch das Nutzen der Vektorinformation können alle Magnetometereinheiten nah an der Quelle angebracht werden und es wird kein weit entfernter Referenzsensor benötigt.Another advantage of a vector gradiometer is that it can be built significantly smaller than classic gradiometers. Here a reference sensor is arranged so that its distance from the signal source is so large that the signal at the reference sensor is significantly smaller. This requires that the distance between the sensors is significantly greater than the distance between the source and the measurement sensor. By using vector information, all magnetometer units can be placed close to the source and no distant reference sensor is required.
Durch eine Kalibrierung, eine Annahme bezüglich der Abstände zum Signalursprung oder einen Referenzsensor weit von der Quelle entfernt, welcher das Hintergrundfeld charakterisiert, kann eine „Karte“ also eine räumliche Auflösung des Messignals (3D) erzeugt werden. Wobei durch ein Sensorarray intrinsisch eine 2D-Auflösung gegeben ist. Verwendet man kein Sensorarray in einer Ebene, kann somit eine 2D-Auflösung realisiert werden.Through calibration, an assumption regarding the distances to the signal origin or a reference sensor far from the source that characterizes the background field, a “map” can be created, i.e. a spatial resolution of the measurement signal (3D). A sensor array intrinsically provides 2D resolution. If you do not use a sensor array in one plane, a 2D resolution can be achieved.
Der Abstand d der Sensorköpfe innerhalb einer Gradiometereinheit, also in diesem Fall der Abstand der beiden Sensor-Diamanten, kann im Bereich von mm bis einigen cm liegen, beispielsweise zwischen 0,5 cm und 2 cm. Für Werte in diesen Größenordnungen konnten etwa für die Messung biomagnetischer Felder, die im Bereich von Picotesla liegen, gute Ergebnisse erreicht werden. Solange eine ausreichende Unabhängigkeit der Signale von den Hintergrundfeldern erreicht wird, können aber auch größere oder kleinere Abstände oder andere Gradiometerkonfigurationen verwendet werden, wie etwa nebeneinander angeordnete Sensoren. Bei einem zu großen Abstand zwischen den einzelnen Sensorköpfen kann insbesondere bei lokalen Hintergrundfeldern (elektrische Leitungen etc.) das Hintergrundfeld nicht mehr an beiden Orten identisch sein; bei einem zu kleinen Abstand zwischen den Sensorköpfen kann dagegen der Unterschied zwischen den Feldstärken des zu messenden Magnetfelds zwischen den beiden Orten zu gering sein. Die Wahl des passenden Abstands zwischen den beiden Sensoren einer Gradiometereinheit ist damit bevorzugt auch abhängig von der Art und Ausrichtung der interessierenden Magnetfeldquelle und von der erwarteten Feldstärke. Der Abstand der Sensoreinheit von der Magnetfeldquelle kann ebenfalls im mm- bis cm-Bereich liegen.The distance d between the sensor heads within a gradiometer unit, i.e. in this case the distance between the two sensor diamonds, can be in the range from mm to a few cm, for example between 0.5 cm and 2 cm. For values of this magnitude, good results could be achieved for measuring biomagnetic fields, which are in the picotesla range. As long as the signals are sufficiently independent of the background fields, larger or smaller distances or other gradiometer configurations can also be used, such as sensors arranged next to one another. If the distance between the individual sensor heads is too large, particularly in the case of local background fields (electrical lines, etc.), the background field can no longer be identical at both locations; However, if the distance between the sensor heads is too small, the difference between the field strengths of the magnetic field to be measured between the two locations may be too low. The choice of the appropriate distance between the two sensors of a gradiometer unit is therefore preferably also dependent on the type and orientation of the magnetic field source of interest and on the expected field strength. The distance of the sensor unit from the magnetic field source can also be in the mm to cm range.
In Abbildung a) ist ein Band an NV-Magnetometereinheiten in linearer Ausrichtung gezeigt, das zweckmäßigerweise quer zu einer Körperlängsachse eines Benutzers verläuft. In einer Ausgestaltung ist es in einem Unterlagekörper zur Aufnahme eines Benutzers angeordnet. Ein solcher Unterlagekörper kann insbesondere eine Matratze sein, wobei das Band dann in einem typischen Abstand des Brust-/Herzbereiches vom Kopfende der Matratze (Abhängig von der Region sowie der Größe der Matratze) platziert werden sollte. Um ein ideales Ergebnis zu erzielen, sollte ein Abstand zwischen zwei benachbarten NV-Magnetometereinheiten einem mittleren Abstand des Herzes zur Matratze entsprechen, also ca. 15-20 cm. Dies erlaubt, dass immer mindestens zwei NV-Magnetometereinheiten das Magnetfeld des Herzes messen und über die unterschiedliche Ausrichtung des Herzmagnetfeldes anhand der Sensorposition das Hintergrundfeld sehr effektiv unterdrückt werden kann. Die weiter entfernten NV-Magnetometereinheiten im Band können als Null-Referenz (kein MKG-Signal im gemessenen Signal) verwendet werden.Figure a) shows a band of NV magnetometer units in a linear orientation, which conveniently runs transversely to a user's longitudinal body axis. In one embodiment, it is arranged in a base body to accommodate a user. Such a base body can in particular be a mattress, whereby the band should then be placed at a typical distance of the chest/heart area from the head end of the mattress (depending on the region and the size of the mattress). To achieve an ideal result, a distance between two adjacent NV magnetometer units should correspond to an average distance from the heart to the mattress, i.e. approx. 15-20 cm. This allows at least two NV magnetometer units to always measure the heart's magnetic field and the background field can be very effectively suppressed by varying the orientation of the heart's magnetic field based on the sensor position. The more distant NV magnetometer units in the band can be used as a zero reference (no MKG signal in the measured signal).
In Abbildung b) ist eine Anzahl an NV-Magnetometereinheiten gezeigt, die auf den Ecken von Dreiecken als Polygon angeordnet sind. Je nachdem, wie groß ein Dreieck betrachtet wird, sitzen NV-Magnetometereinheiten auch auf den Kanten. Dadurch kann am Beispiel der Matratze aus
In
In allen Beispielen kann als zusätzliche Referenz (Null-Signal, bei dem das Herzsignal nicht mehr messbar ist) wenigstens eine weitere NV-Magnetometereinheit z.B. unter dem Bett, an einer Decke, Wand, als zusätzliche Einheit im Raum platziert werden, um als weit entfernte Referenz ein Hintergrundfeld und Rauschen einfacher eliminieren zu lassen. In einem solchen Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung somit weiterhin eine weitere NV-Magnetometereinheit zum Bestimmen eines Hintergrundfelds auf, die von den wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten mindestens 1 m beabstandet ist. Dies erlaubt eine zusätzliche Verbesserung der Rauschunterdrückung. Des Weiteren können mehrere solcher („Referenz-“)NV-Magnetometereinheiten miteinander vernetzt werden, um somit ein Netz aus stabilen Referenzsensoren zu bilden. So können Störfelder, Hintergründe und Rauschen noch besser charakterisiert und vom Signal getrennt werden.In all examples, at least one further NV magnetometer unit can be placed in the room as an additional reference (zero signal, in which the heart signal can no longer be measured), e.g. under the bed, on a ceiling, wall, as an additional unit in order to be considered a distant one Reference to make a background field and noise easier to eliminate. In such an exemplary embodiment, the device therefore further has a further NV magnetometer unit for determining a background field, which is spaced at least 1 m from the at least two NV magnetometer units. This allows an additional improvement in noise reduction. Furthermore, several such (“reference”) NV magnetometer units can be networked with one another in order to form a network of stable reference sensors. In this way, interference fields, backgrounds and noise can be characterized even better and separated from the signal.
In einem Ausführungsbeispiel können mehrere Vorrichtungen vernetzt werden, wie z.B. unterschiedliche Betten, und dieses als Referenzsensor nutzen, wenn eine Vernetzung eingerichtet ist. Das kann bis zu einer richtigen Kartografierung/ Verlaufsbestimmung von Erdmagnetfeldschwankungen oder typischen Rauschereignissen in einem Gebäude führen. In einem solchen Ausführungsbeispiel ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, Informationen über ein Hintergrundfeld von einer weiteren Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu empfangen.In one embodiment, multiple devices can be networked, such as different beds, and use this as a reference sensor when networking is set up. This can lead to correct mapping/determination of the course of geomagnetic field fluctuations or typical noise events in a building. In such an embodiment is an inventive Device set up to receive information about a background field from another device according to an exemplary embodiment of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102022204526 [0002]DE 102022204526 [0002]
- DE 102022201690 [0010]DE 102022201690 [0010]
Claims (13)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022209436.0A DE102022209436A1 (en) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart |
| PCT/EP2023/072836 WO2024052087A1 (en) | 2022-09-09 | 2023-08-18 | Device for detecting magnetic signals which are generated by a beating heart |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022209436.0A DE102022209436A1 (en) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102022209436A1 true DE102022209436A1 (en) | 2024-03-14 |
Family
ID=87797841
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102022209436.0A Pending DE102022209436A1 (en) | 2022-09-09 | 2022-09-09 | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102022209436A1 (en) |
| WO (1) | WO2024052087A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210378569A1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-12-09 | North University Of China | Magnetometer used for cardiac magnetic field measurement and based on nitrogen-vacancy (nv) centers in diamond, and cardiac magnetic field measurement system |
| DE102022201690A1 (en) | 2022-02-18 | 2023-08-24 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Sensor unit for measuring magnetic fields |
| DE102022204526A1 (en) | 2022-05-09 | 2023-11-09 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Magnetic field sensor based on spin resonances |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022056232A1 (en) * | 2020-09-10 | 2022-03-17 | X Development Llc | Magnetometry based on electron spin defects |
| GB202015427D0 (en) * | 2020-09-30 | 2020-11-11 | Univ Nottingham | Magnetoencephalography method and system |
| US11774384B2 (en) * | 2021-01-15 | 2023-10-03 | X Development Llc | Spin defect magnetometry pixel array |
-
2022
- 2022-09-09 DE DE102022209436.0A patent/DE102022209436A1/en active Pending
-
2023
- 2023-08-18 WO PCT/EP2023/072836 patent/WO2024052087A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210378569A1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-12-09 | North University Of China | Magnetometer used for cardiac magnetic field measurement and based on nitrogen-vacancy (nv) centers in diamond, and cardiac magnetic field measurement system |
| DE102022201690A1 (en) | 2022-02-18 | 2023-08-24 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Sensor unit for measuring magnetic fields |
| DE102022204526A1 (en) | 2022-05-09 | 2023-11-09 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Magnetic field sensor based on spin resonances |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MASUYAMA, Yuta, et al. Gradiometer using separated diamond quantum magnetometers. Sensors, 2021, 21. Jg., Nr. 3, S. 977. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024052087A1 (en) | 2024-03-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102022201690A1 (en) | Sensor unit for measuring magnetic fields | |
| EP0359864B1 (en) | Apparatus and method for the measurement of weak magnetic fields dependent upon position and time | |
| DE102010043370B4 (en) | Combination of MR signals with suppression of unwanted signal components | |
| DE2951537A1 (en) | TEMPERATURE METHOD | |
| DE2946847A1 (en) | METHOD AND DEVICE OF THE NUCLEAR RESONANCE SPECTROSCOPY WITH SCANING AND RECORDING | |
| DE19750638A1 (en) | Overlapping multi-slice magnetic resonance imaging data acquisition method | |
| DE102006042998A1 (en) | Measurement sequence for three-dimensional MR imaging and MR device | |
| DE102014215954B4 (en) | Silent Magnetic Resonance Angiography Imaging | |
| DE3233050A1 (en) | PROCESS OF HIGH-RESOLUTION IMPULSE NUCLEAR RESONANCE SPECTROSCOPY | |
| DE102010041191A1 (en) | Method for generating MR image data with parallel slice excitation and correspondingly designed magnetic resonance system | |
| DE102004015796A1 (en) | Method and system for accelerated imaging using parallel MRI | |
| DE69226312T2 (en) | METHOD AND ARRANGEMENT FOR LOCALIZED NUCLEAR RESONANCE SPECTROSCOPY BY MEANS OF AN INTERCONNECTED SPIRAL PATTERN | |
| WO2024052082A1 (en) | Device for detecting magnetic signals which are generated by a beating heart | |
| EP4583781A1 (en) | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart | |
| DE102022209436A1 (en) | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart | |
| DE102022209426A1 (en) | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart | |
| DE102022209430A1 (en) | Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart | |
| WO2024052093A1 (en) | Method for calibrating a sensor unit for measuring magnetic fields | |
| DE102023200849B4 (en) | Magnetic field detection device for detecting magnetic signals emanating from a measuring location | |
| DE102024207796A1 (en) | Method and device for detecting magnetic fields | |
| WO2026037565A1 (en) | Method and device for detecting magnetic fields | |
| DE102024206051A1 (en) | Sensor unit and method for measuring a magnetic field | |
| DE102024205959A1 (en) | Sensor system for detecting a medium | |
| DE3738056A1 (en) | Magnetic resonance imaging system | |
| WO2024052090A1 (en) | System and method for analyzing magnetic signals generated by a human body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified |