Titel

Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden

Hintergrund der Erfindung

Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbesondere optisch gepumpte oder auf NV-Zentren in Diamant basierende Quantensensoren. In der DE 10 2022 204 526.2 wird ein Magnetometer beschrieben, das optisch gepumpte und optisch detektierte magnetische Resonanzen (optically detected magnetic resonance, ODMR) nutzt. Dabei wird ausgenutzt, dass unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Energieniveaus bestimmter Spinzustände ungepaarter Elektronen aufspalten, der sogenannte Zeeman-Effekt.

Durch die Aufspaltung der Energieniveaus ergeben sich veränderte Übergänge bei der Relaxation aus angeregten Zuständen, die dann beispielsweise durch optische Anregung und frequenzabhängige Detektion der resultierenden Fluoreszenzstrahlung oder durch Beobachtung optischer Eigenschaften wie der Absorption von Licht gemessen werden können. Aus den gemessenen optischen Parametern kann dann wiederum auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen, die von einem schlagenden Herz erzeugt werden, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Ein Magnetokardiogramm (abgekürzt MKG) ist die Aufnahme und Darstellung des Magnetfeldes des Herzes, das durch die elektrophysiologische Aktivität der Herzmuskelzellen entsteht. Im Rahmen der Erfindung wird eine kontaktlose, passive Möglichkeit der Langzeitüberwachung des menschlichen Herzes mit hoher Auflösung vorgestellt. Dies wird durch Stickstoff-Fehlstellen-Magnetometer (sog. NV-Magnetometer) in einer geometrischen Anordnung zur Vektor-Gradiometrie realisiert.

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.

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.

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 m _s =±1 größer ist, sorgt ein fortlaufendes Anregungspumpen dafür, dass die NV-Zentren größtenteils im Spinzustand m _s =0 hyperpolarisiert werden.

Zwischen den m _s = 0 und m _s =±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 m _s = 0 in den m _s =±1 -Grundzustand gehoben werden und von dort durch das Pumplicht in den m _s =±1 angeregten Zustand angeregt werden. Von dort treten jedoch vor allem nichtstrahlende Übergänge und schwach infrarote Fluoreszenzübergänge über den Singulett-Zustand auf, während die Fluoreszenz im roten Bereich wegfällt.

Wenn nun ein externes Magnetfeld vorhanden ist, kommt es durch den sogenannten Zeeman-Effekt zur Aufspaltung der ansonsten gleichenergetischen m _s =±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.

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.

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 pT (Mikrotesla) beträgt, also um einen Faktor 10 ⁶ stärker ist. Selbst so kleine Feldstärken sind jedoch mit der vorgeschlagenen Technologie langzeitig hochgenau auflösbar.

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 arrhyth- mogenen rechtsventrikulären Tachykardie, die sonst nur durch eine Gensequenzierung erkannt werden können.

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 Gradiometriein- formation am exakt selben Ort (Diamantgröße, also einstellige mm ^A 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 1 D-Magnetomer zu einer unterschiedlichen Projektion des Mess- bzw. Störfeldes) und dieses kann kompensiert werden, was besonders für den nicht starren Verbau mit kombiniert mit einer Lokalisierung, z.B. in einer Matratze von Relevanz ist. Zweitens kann das Störfeld eine andere räumliche Richtung haben als das zu messende Feld. Dies erleichtert die Trennung von Signal und Hintergrund.

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.

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.

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 Sensitivi- tät. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt in einer schematischen Blockansicht die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren-Magnetometers, wie es im Rahmen der Erfindung Anwendung finden kann.

Figur 2 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) jeweils in einer schematischen Blockansicht mögliche geometrische Anordnungen von NV- Magnetometereinheiten einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Blockansicht ein Messprinzip der NV- Vektorgradiometrie, wie es in einer Ausgestaltung der Erfindung zur Anwendung kommen kann.

Figur 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.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren- Magnetometers. Dabei ist zunächst ein Diamant 110 mit Stickstoff-Fehlstellen (NV) als Sensormedium vorhanden. Die optische Anregung der NV-Zentren kann durch eine geeignete Lichtquelle 120 wie etwa eine LED oder einen Pumplaser erreicht werden. Hier eignet sich beispielsweise ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser oder Halbleiterlaser im grünen Bereich von etwa 510-532nm, z.B. bei 532nm für eine off-resonance-Anregung. Alternativ können auch LEDs in geeigneten Wellenlängenbereichen genutzt werden. Je nach Anordnung kann das Licht der Lichtquelle 120 über geeignete optische Elemente 122 wie etwa Spiegel, Strahlteiler, fokussierende Optik wie Linsen und gegebenenfalls über faseroptische Elemente in den Diamanten 110 eingestrahlt werden. Außerdem kann das Anregungslicht durch den Laser kontinuierlich oder gepulst eingestrahlt werden, so dass beispielsweise Zeitfenster zur störungsfreien Fluoreszenzlichtmessung freigehalten werden.

Weiter kann das Magnetometer eine Mikrowellenquelle 150 umfassen, die in der Lage ist, ein elektromagnetisches Feld über eine Bandbreite hinweg, die die erwünschte Resonanzfrequenz abdeckt, im Sensormedium zu erzeugen, d.h. im Bereich der NV-Zentren des Diamanten 110. Eine Mikrowellen-Resonatorstruktur kann verwendet werden, um die erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Messbereichs im Diamanten homogen zu verteilen. Die Resonatorstruktur bzw. die Mikrowellenquelle 150 ist dabei bevorzugt auf die Frequenz der Elektronenspinresonanzen gestimmt. Um Vektormagnetometrie zu ermöglichen, wird ein zusätzliches statisches Bias-Magnetfeld 140 erzeugt. Zur Erzeugung eines solchen Magnetfelds 140 eignet sich beispielsweise eine Helmholtz-Spule, bei der mittels eines Spulenpaars ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld in einem begrenzten Bereich erzeugt werden kann.

Das entstehende Fluoreszenzlicht 112 aus dem Diamanten 110 kann wiederum über geeignete optische Elemente 134 wie etwa optische Filter, Strahlteiler, Linsen, und/oder faseroptische Elemente zu einem ersten Photodetektor 130 geleitet werden, der mindestens im Bereich der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist. Der erste Photodetektor 130 kann auch unmittelbar an dem Diamanten 110 angeordnet sein. Ein zweiter Photodetektor 132 ist so angeordnet, dass er zumindest einen Teil des Anregungslichts der Lichtquelle 120 detektieren kann, welches beispielsweise durch einen Strahlteiler, einen Filter oder ein teildurchlässiges Element ausgekoppelt werden kann. Dieses Detektorsignal 132 des Anregungslichts kann als Referenzsignal verwendet werden, um beispielsweise durch Modulation des Anregungslichts mittels eines Lock-In-Verstärkers Hintergrundsignale zu eliminieren und das interessierende Resonanzsignal herauszustellen. Zusätzlich oder alternativ kann dieses Referenzsignal verwendet werden, um Schwankungen des Anregungslichts zu berücksichtigen. Entsprechende Schaltungen 160 wie ein Vorverstärker, ein logarithmischer Verstärker, ein Lock-In-Verstärker, Signalfilter oder andere sind also vorgesehen, um die Signale des ersten und des zweiten Photodetektors zu erhalten und die Signale auf geeignete Weise für die weitere Auswertung vorzuverarbeiten. Schließlich kann durch eine Signalverarbeitungseinheit 170 das vorverarbeitete Fluoreszenzsignal ausgewertet werden, z.B. mit einem geeigneten Mikrocontroller oder Prozessor, um aus dem Signal die gewünschten Parameter des detektierten Magnetfelds zu erhalten, insbesondere die Magnetfeldstärke und die Richtung des Magnetfelds. Eine solche Vorrichtung kann auch vorteilhaft in ein ASIC oder FPGA integriert sein.

Um in einer Alltagsumgebung einsetzbar zu sein, sollen Magnetfelder, die nicht von gewünschten schwachen Quellen stammen, aus der Messung möglichst eliminiert werden, insbesondere das Erdmagnetfeld im Bereich von 10' ⁵ Tesla (einige Mikrotesla). Dagegen bewegen sich Herzmagnetfelder im Bereich von 10' ¹² Tesla (Picotesla).

Die Elimination der Hintergrundmagnetfelder kann durch eine Gradiometeranord- nung bei der Magnetfeldmessung gemäß beispielhaften Ausführungsformen erreicht werden. Als Gradiometer werden grundsätzlich Sensoreinheiten bezeichnet, die in der Lage sind, nicht nur die Feldstärke, sondern auch den Gradienten des Felds zu erfassen.

Dazu können mindestens zwei einzelne Magnetometereinheiten S1 , S2, ... , Sn; S11 , S21 , ..., Sn1 , S12, S22, ..., Sn2, S1 m, ..., Snm verwendet werden, die an räumlich unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Als Beispiel wird im Folgenden in Verbindung mit Figur 2 eine Sensoreinheit beschrieben, die zwei oder mehr NV-Zentren-Magnetometer in einer Gradiometeranordnung verwendet.

Figur 2 zeigt in verschiedenen Abbildungen a) bis c) mögliche geometrische Anordnungen von NV-Magnetometereinheiten einer Vorrichtung zum Erfassen von magnetischen Signalen gemäß einer Ausgestaltung. Abbildung a) zeigt in einer Seitenansicht eine Anordnung von wenigstens zwei NV-Magnetometereinheiten S1 , 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. Abbildung c) zeigt in einer Seitenansicht eine Anzahl (n mal m) von NV-Magnetometereinheiten S11 , S21 , ..., Sn1 , S12, S22, ..., Sn2, S1 m, ..., 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.

Weiterhin sind mit M eine Signalquelle, hier ein Herz, und mit O eine optionale Oberfläche (insbesondere Körperhaut), welche die Zugänglichkeit zur bzw. Erreichbarkeit der Magnetfeldquelle M begrenzt, bezeichnet.

In Ausgestaltungen der Erfindungen können mehr als zwei NV- Magnetometereinheiten insgesamt ein Gradiometer bilden (jedoch mindestens zwei). Mit jeder zusätzlichen NV-Magnetometereinheit kann das Hintergrund- Feld besser bestimmt werden und Ort und Stärke des Erregers können besser vom Hintergrund getrennt werden.

In anderen Ausgestaltungen der Erfindung können auch immer zwei NV- Magnetometereinheiten ein Gradiometer bilden, wobei dann - je nach Anzahl der NV-Magnetometereinheiten - insgesamt mehrere Gradiometer gebildet werden und das interessierende Signal erfassen. Daraus kann dann ein effektives Messsignal gebildet werden, insbesondere von der Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise durch Mittelung, Summation usw.

Ein Abstand d zwischen zwei NV-Magnetometereinheiten S1 , S2, ... oder genauer deren Sensormedien entspricht dem Abstand der Orte, an denen gleichzeitig Magnetfeldmessungen durchgeführt werden. Solange der Abstand der Messorte relativ klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Stärke eines zusätzlichen Hintergrundmagnetfeldes B _env an beiden Orten etwa gleich groß ist. Dagegen wird das interessierende schwache Magnetfeld B mit zunehmender Entfernung von der Magnetfeldquelle M deutlich abnehmen. Des Weiteren erlaubt die unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes des Erregers (z.B. Herz) eine klare Trennung vom Hintergrundfeld auch bei kleinen Abständen.

Indem also zwei NV-Magnetometereinheiten in unterschiedlichen Abständen und Winkeln von der Quelle bzw. vom Herz angeordnet werden, kann das Hintergrundfeld durch Vektorarithmetik eliminiert bzw. bestimmt werden und damit das interessierende kleine Magnetfeld bestimmt sowie dessen Quelle charakterisiert werden (Ort und Orientierung). Dies kann durch 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.

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.

Wie in Figur 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.

Figur 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 Abbildung 1) 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 MT am Ort von S2.

Eine Auswertung am Beispiel von zwei NV-Magnetometereinheiten S1 und S2 wie in Figur 3 gezeigt kann wie folgt ablaufen: Gemessen werden zwei vektorwertige Signale R1 und R2. Diese enthalten Signalanteile M1 und MT sowie Störanteile Z1 und Z2=Z1 , welche insbesondere gleich für die Messbereiche sind. Das Gradiometermesssignal ergibt sich dann nach:

Wie Gleichung (1) beschreibt, enthält das Signal keine Störkomponenten mehr, sofern diese gleichförmig für die Messbereiche sind. Des Weiteren ist das Mes- signal 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.

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.

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). 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.

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.

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 Gra- diometerkonfigurationen 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.

Figur 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).

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.

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 Figur 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.

In Abbildung c) 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 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 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.