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DE102022209436A1 - Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart - Google Patents

Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart Download PDF

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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
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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
Application number
DE102022209436.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Florian Dolde
Frederik Schaal
Timo Weggler
Florian Krist
Riccardo Cipolletti
Simon David Binder
Eckhard Wehrse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2023/072836 priority patent/WO2024052087A1/en
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • A61B5/346Analysis of electrocardiograms
    • A61B5/349Detecting specific parameters of the electrocardiograph cycle
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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 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.In order to measure very small magnetic field strengths, optically pumped quantum sensors or quantum sensors based on NV centers in diamond are particularly suitable sensors. In the DE 10 2022 204 526.2 A magnetometer is described 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.

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 DE 102022201690.4 offenbart, und sollen hier einbezogen sein.By using a number of vector magnetometer units in a geometric arrangement and gradiometer circuit, these magnetometer units have a different orientation to the heart's magnetic field. The position and strength of the magnetic field exciter (heart) can be determined by the gradiometer connection, ie essentially vector arithmetic of what is measured. Since the much stronger background field is essentially the same in both magnetometer units (same strength and orientation), it can be eliminated. This eliminates the need for magnetic shielding, making magnetic field measurement possible in everyday environments. Another advantage over classic gradiometer arrangements with one-dimensional magnetometers is the compact design this enables, as no distant reference magnetometer is required. The invention is particularly suitable for unshielded measurement of weak magnetic fields. Technical details of gradiometer solutions that can also be used within the scope of the present invention are in DE 102022201690.4 disclosed, and should be included here.

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

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. 1 shows schematically the essential components of a NV center magnetometer. Initially, 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. For example, a frequency-doubled Nd:YAG laser or semiconductor laser in the green range of around 510-532nm, for example at 532nm, is suitable for off-resonance excitation. Alternatively, LEDs in suitable wavelength ranges can also be used. Depending on the arrangement, 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. In addition, 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.

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 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. To enable vector magnetometry, an additional static bias magnetic field 140 is generated. 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.

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 diamond 110 can in turn be guided via suitable optical elements 134 such as optical filters, beam splitters, lenses, and / or fiber-optic elements 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. Finally, 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 advantageously be integrated into an ASIC or FPGA.

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 2 eine Sensoreinheit beschrieben, die zwei oder mehr NV-Zentren-Magnetometer in einer Gradiometeranordnung verwendet.For this purpose, at least two individual magnetometer units S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm are used, which are arranged at spatially different locations. As an example, the following is used in conjunction with 2 describes a sensor unit that uses two or more NV center magnetometers in a gradiometer arrangement.

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, S2, ..., Sn in einer beliebigen Anordnung zueinander in einer Ebene (senkrecht zur Zeichenebene; d.h. es ist nur die erste Reihe sichtbar). Abbildung b) zeigt in einer Seitenansicht zwei NV-Magnetometereinheiten S1, S2, deren Sensormedien Abschnitt desselben Diamantkristalls 110 sind. ) zeigt in einer Seitenansicht eine Anzahl (n mal m) von NV-Magnetometereinheiten S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm in einer beliebigen dreidimensionalen Anordnung. Dabei schließen sich weitere (nicht gezeigte) Schichten hinter der Zeichenebene an, so dass insgesamt eine Art kubisches Gitter gebildet wird. Dabei ist wenigstens eine NV-Magnetometereinheit (nicht gezeigt), die z.B. in einer der hinteren Schichten liegt, nicht in der Ebene (Zeichenebene) angeordnet ist, in der andere NV-Magnetometereinheiten angeordnet sind. 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, S2, ..., Sn in any arrangement relative to one another in a plane (perpendicular to the plane of the drawing; ie only the first row is visible). Figure b) shows a side view of two NV magnetometer units S1, S2, whose sensor media are sections of the same diamond crystal 110. ) shows a side view of a number (n by m) of NV magnetometer units S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm in any three-dimensional arrangement. Additional layers (not shown) follow the drawing plane, so that overall a kind of cubic grid is formed. At least one NV magnetometer unit (not shown), which lies, for example, in one of the rear layers, is not arranged in the plane (drawing plane) in which other NV magnetometer units are arranged.

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 3 gezeigt, bestimmen die unterschiedlichen Messpositionen der NV-Magnetometereinheiten S1, S2 den Feldvektor in unterschiedliche Richtungen. Da das Hintergrundfeld Z1 für beide NV-Magnetometereinheiten gleich ist, erlaubt dies eine Rückrechnung auf Stärke und Orientierung der Quelle. Durch das Messen des Signals/Feldes in unterschiedlichen Richtungen (Feld der Quelle ist in Amplitude und Orientierung abhängig von der Position des Einzelsensors zu der Quelle) kann hiermit Rauschen im Hintergrundfeld weiter unterdrückt werden (Fluktuationen orthogonal zum Messsignal werden unterdrückt). Dies erlaubt eine dem herkömmlichen Gradiometeransatz überlegene Rauschunterdrückung.As in 3 shown, the different measuring positions of the NV magnetometer units S1, S2 determine the field vector in different directions. Since the background field Z1 is the same for both NV magnetometer units, this allows a back calculation of the strength and orientation of the source. By measuring the signal/field in different directions (the source's field depends on the position of the individual sensor in relation to the source in terms of amplitude and orientation), noise in the background field can be further suppressed (fluctuations orthogonal to the measurement signal are suppressed). This allows for noise reduction that is superior to the traditional gradiometer approach.

3 zeigt in einer schematischen Blockansicht ein Messprinzip der NV-Vektorgradiometrie, wie es in einer Ausgestaltung der Erfindung zur Anwendung kommen kann. Dabei sind M1 bis Mn mindestens eine Magnetfeldkomponente und Z1 bis Zn mindestens eine Störkomponente (z.B. Erdmagnetfeld), welche statisch oder zeitlich veränderlich sein können. Da beide NV-Magnetometereinheiten S1 und S2 (erweiterbar nach ) resultierende Komponenten R1 bis Rn messen, die das Störsignal beinhalten, kann durch Suptraktion ein gegenüber den Störkomponenten insensitives Signal bestimmt werden. Dabei misst NV-Magnetometereinheit S1 die Komponente R1 bestehend aus der ersten Störung Z1 und dem Signal M1 am Ort von S1 und NV-Magnetometereinheit S2 die Komponente R2 bestehend aus der ersten Störung Z1 und dem Signal M1' am Ort von S2. 3 shows a schematic block view of a measuring principle of NV vector gradiometry, as can be used in an embodiment of the invention. M1 to Mn are at least one magnetic field component and Z1 to Zn are at least one interference component (e.g. earth's magnetic field), which sta can change over time or table. Since both NV magnetometer units S1 and S2 (expandable to ) measure resulting components R1 to Rn, which contain the interference signal, a signal that is insensitive to the interference components can be determined by suppression. The NV magnetometer unit S1 measures the component R1 consisting of the first disturbance Z1 and the signal M1 at the location of S1 and the NV magnetometer unit S2 measures the component R2 consisting of the first disturbance Z1 and the signal M1 'at the location of S2.

Eine Auswertung am Beispiel von zwei NV-Magnetometereinheiten S1 und S2 wie in 3 gezeigt kann wie folgt ablaufen:

  • 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: S = R 1 R 2 = ( R 1, x R 1, y R 1, z ) ( R 2, x R 2, y R 2, z ) = ( M 1, x + Z 1, x M 1, y + Z 1, y M 1, z + Z 1, z ) ( M ' 1, x + Z 1, x M ' 1, y + Z 1, y M ' 1, z + Z 1, z ) = ( M 1, x + M ' 1, x M 1, y + M ' 1, y M 1, z + M ' 1, z )
    Figure DE102022209436A1_0001
An evaluation using the example of two NV magnetometer units S1 and S2 as in 3 shown can proceed as follows:
  • 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: S = R 1 R 2 = ( R 1, x R 1, y R 1, e.g ) ( R 2, x R 2, y R 2, e.g ) = ( M 1, x + Z 1, x M 1, y + Z 1, y M 1, e.g + Z 1, e.g ) ( M ' 1, x + Z 1, x M ' 1, y + Z 1, y M ' 1, e.g + Z 1, e.g ) = ( M 1, x + M ' 1, x M 1, y + M ' 1, y M 1, e.g + M ' 1, e.g )
    Figure DE102022209436A1_0001

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.

4 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) jeweils eine Draufsicht auf mögliche geometrische Anordnungen von NV-Magnetometereinheiten (durch Kreise illustriert) einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung. Die NV-Magnetometereinheiten sind im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet, d.h. der Abstand von zwei NV-Magnetometereinheiten in der (z.B. x/y-) Ebene ist mindestens doppelt so groß wie ein in der Praxis unvermeidbar vorhandener Unterschied in einer Höhenrichtung (z-Achse). 4 shows in various figures a) to c) a top view of possible geometric arrangements of NV magnetometer units (illustrated by circles) of a device for detecting magnetic signals according to one embodiment. The NV magnetometer units are essentially arranged in one plane, that is, the distance between two NV magnetometer units in the (e.g. x/y) plane is at least twice as large as a difference in a height direction (z axis), which is unavoidable in practice ).

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 4a) eine größere Varianz im Schlafbereich erzielt werden. Dies erlaubt einen breiteren Schlafbereich im Vergleich zu einem Band und ist optimal bezüglich der Anzahl Menge an verwendeten NV-Magnetometereinheiten. Zusätzlich wird das MKG-Signal von mindestens drei NV-Magnetometereinheiten gemessen, was eine optimierte Rausch- bzw. Hintergrundunterdrückung ermöglicht (volle Rekonstruktion des magnetischen Dipols des Herzes möglich). Die weiter entfernten NV-Magnetometereinheiten der Anordnung können als Null-Referenz (kein MKG-Signal im gemessenen Signal) verwendet werden.Figure b) shows a number of NV magnetometer units arranged as a polygon on the corners of triangles. Depending on how large a triangle is considered, NV magnetometer units also sit on the edges. This can be done using the example of the mattress 4a) a greater variance in the sleeping area can be achieved. This allows a wider sleeping area compared to a band and is optimal in terms of the number of NV magnetometer units used. In addition, the MKG signal is measured by at least three NV magnetometer units, which enables optimized noise and background suppression (full reconstruction of the heart's magnetic dipole possible). The more distant NV magnetometer units of the arrangement can be used as a zero reference (no MKG signal in the measured signal).

In ) ist eine Anzahl an NV-Magnetometereinheiten gezeigt, die auf dem Umfang und auf dem Mittelpunkt eines Kreises angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, um eine möglichst genaue Auflösung des Herzsignals und eine optimale räumliche Auflösung zu erreichen (z.B. um das Muskelsignal vom Vorhof bestimmen zu können). Der Ring sollte einen Durchmesser haben, der ca. dem Doppelten des Abstands des Herzes zur Sensorebene/Auflagefläche entspricht. Mindestens drei NV-Magnetometereinheiten sollten in der kreisförmigen Anordnung verbaut sein. Ist am Kreismittelpunkt eine NV-Magnetometereinheit vorhanden, sollte diese möglichst zentral unter dem Herz liegen. Optional kann eine Anordnung von weiteren Ringen mit größeren Durchmessern verwendet werden.In ) a number of NV magnetometer units are shown, which are arranged on the circumference and on the center of a circle. This is advantageous in order to achieve the most accurate possible resolution of the cardiac signal and an optimal spatial resolution (e.g. to be able to determine the muscle signal from the atrium). The ring should have a diameter that is approximately twice the distance from the heart to the sensor plane/support surface. At least three NV magnetometer units should be installed in the circular arrangement. If there is a NV magnetometer unit at the center of the circle, it should be located as centrally as possible under the heart. Optionally, an arrangement of additional rings with larger diameters can be used.

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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102022204526 [0002]DE 102022204526 [0002]
  • DE 102022201690 [0010]DE 102022201690 [0010]

Claims (13)

Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz (M) erzeugt werden, aufweisend wenigstens zwei Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-, NV-, Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm), 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, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) 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, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) erfassten magnetischen Feldstärke und Feldrichtung zu bestimmen.Device for detecting magnetic signals generated by a beating heart (M). at least two nitrogen vacancy centers, NV, magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm), which are arranged in a geometric, in particular essentially flat, arrangement relative to one another and are connected to a signal processing unit (170, 200), wherein the device is set up to a magnetic field strength by means of each of the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm). (R1, R2) and field direction (R1, R2), and by means of the signal processing unit (170, 200) an effective magnetic field strength and field direction from which by means of the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, .. ., Sn2, S1m, ..., Snm) to determine the detected magnetic field strength and field direction. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die geometrische Anordnung eine zweidimensionale Anordnung ist, bei der die wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) in einer Ebene angeordnet sind.Device according to Claim 1 , where the geometric arrangement is a two-dimensional arrangement in which the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m , ..., Snm) are arranged in one plane. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) in einer Linie angeordnet sind.Device according to Claim 2 , whereby the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) in a line are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) auf den Kanten und/oder Ecken eines Polygons angeordnet sind.Device according to Claim 2 , whereby the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) on the edges and/or corners of a polygon are arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) auf dem Umfang und optional auf dem Mittelpunkt eines Kreises angeordnet sind.Device according to one of the Claims 2 until 4 , whereby the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) on the circumference and optionally arranged on the center of a circle. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) als Sensormedium (110) einen Diamantkristall oder einen Abschnitt eines Diamantkristalls mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren aufweist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die magnetische Feldstärke und Feldrichtung durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium (110) zu erfassen.Device according to one of the preceding claims, wherein each of the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, .. ., Snm) as the sensor medium (110) has a diamond crystal or a section of a diamond crystal with nitrogen vacancy centers, the device being set up to determine the magnetic field strength and field direction by reading out a spin resonance in the sensor medium (110) which is dependent on the magnetic field strength ) capture. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend mindestens eine Anregungslichtquelle (120) zum Einstrahlen von Licht (124) in das Sensormedium (110), mindestens eine Mikrowellenquelle (150) zum Erzeugen eines resonanten Felds in dem Sensormedium sowie mindestens einen Photodetektor (130) zum Erfassen von resonanzabhängigem Fluoreszenzlicht (112) aus dem Sensormedium (110).Device according to Claim 6 , further comprising at least one excitation light source (120) for radiating light (124) into the sensor medium (110), at least one microwave source (150) for generating a resonant field in the sensor medium and at least one photodetector (130) for detecting resonance-dependent fluorescent light ( 112) from the sensor medium (110). Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei den wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) dieselbe Anregungslichtquelle (120) und/oder dieselbe Mikrowellenquelle (150) zugeordnet sind.Device according to Claim 7 , whereby the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) have the same excitation light source ( 120) and/or the same microwave source (150) are assigned. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Sensormedium der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) jeweils einen Abschnitt desselben Diamantkristalls (110) aufweist.Device according to one of the Claims 6 until 8th , wherein the sensor medium of the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) respectively has a section of the same diamond crystal (110). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Abstand (d) zwischen den Sensormedien (110) der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) zwischen 1 und 30 Millimetern beträgt, bevorzugt zwischen 5 und 20 Millimetern.Device according to one of the Claims 6 until 9 , wherein the distance (d) between the sensor media (110) of the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) is between 1 and 30 millimeters, preferably between 5 and 20 millimeters. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, weiterhin aufweisend wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen Bias-Magnetfelds am Ort der Sensormedien (110) der wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm), wobei die Bias-Magnetfelder von unterschiedlichen NV-Magnetometereinheiten (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12, S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) unterschiedlich sind.Device according to one of the Claims 6 until 10 , further comprising at least one device for generating a substantially homogeneous bias magnetic field at the location of the sensor media (110) of the at least two NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12 , S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm), where the bias magnetic fields of different NV magnetometer units (S1, S2, ..., Sn; S11, S21, ..., Sn1, S12 , S22, ..., Sn2, S1m, ..., Snm) are different. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine weitere NV-Magnetometereinheit zum Bestimmen eines Hintergrundfelds, die von den wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten mindestens 1 m beabstandet ist.Device according to one of the preceding claims, further comprising 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. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, Informationen über ein Hintergrundfeld von einer weiteren Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zu empfangen.Device according to one of the preceding claims, which is adapted to receive information about a background field from a further device according to one of the preceding claims.
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