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QHMI — Mensch-Maschine-Schnittstelle

QHMI2 — Neue Technolo­gie zur Erfas­sung von Körpersig­nalen des Menschen

Ziel des Verbun­des ist es eine neuar­tige Technolo­gie auf Basis von Quanten­sensoren zu erforschen, die als eine alltagstaugliche Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine genutzt werden kann. Mensch-Maschine-Schnittstellen sind ein hochfre­quen­tierter Bestandteil unseres täglichen Lebens sowohl im Privaten sowie im Arbeit­sum­feld und der Medizin gewor­den. Quantensen­sortech­nolo­gie birgt das Poten­tial, sehr schwache Magnet­felder, die durch elektrische Zellphänomene im Körper erzeugt werden, zu erfassen und zu nutzen. 

Ziel des QSens-Clusters ist die nachhaltige wissenschaftliche, wirtschaftliche und gesellschaftliche Standort­stärkung mit einzi­gar­ti­gen Technolo­gien und Knowhow. QHMI ist der Mensch-Maschine-Forschungsverbund im Cluster. An Hand eines Gehirn-Computer-Demonstrators und eines Muskel-Prothesen-Demonstrators wird eine erstma­lige Minia­tur­isierung des neuar­ti­gen Sensorsys­tems gezeigt.

Die Minia­tur­isierung eines neuar­ti­gen diamant­basierten Quantensensors 

Im Verbund QHMI wird erstma­lig diese neuar­tige Sensortech­nolo­gie für menschbe­zo­gene Anwen­dun­gen analysiert und demon­stri­ert. Unter­schieden wird hier eine Konfig­u­ra­tion für die Erfas­sung von Nerve­nak­tiv­itäten am Gehirn und für Muske­lak­tiv­itäten am Arm. Die neu erforscht und entwick­el­ten, hochempfind­lichen Sensoren basieren auf Diamant.

Das Ziel: Prothe­sen ohne Kontakt durch die Messung von Magnet­feldern, die durch Muskeln gener­iert werden, zu steuern

Diese Magnet­feldtech­nolo­gie ermöglicht neu die Verwen­dung dieser empfind­lichen Messtech­nik unter Alltags­be­din­gun­gen, so dass keine abgeschirmte Laborumge­bung mehr notwendig ist. Das erwart­bar große Knowhow und wirtschaftliche Poten­tial für Life-Science und Consumer­pro­dukte wird durch die Forschung­sex­per­tisen der Univer­sität Stuttgart, der Hahn Schickard–Gesellschaft, der Fraunhofer-Gesellschaft im engen Verbund mit den Technolo­gie­un­ternehmen Bosch, Q.ANT und Ottobock zusam­men mit der Univer­sitätsmedi­zin der Charité geprägt und regional in Querschnittsak­tiv­itäten des Verbun­des QSens verankert.

DAS TEAM

Univer­sity of Stuttgart 

Prof. Dr. Jens Anders 

Direc­tor of the Insti­tute of Smart Sensors
Spokesman for QSens 

Fraun­hofer IPA

Dr. Med. Urs Schneider

Scien­tific Direc­tor for Biopro­duc­tio and Biomed­ical Engineering

Fraun­hofer IPA

Dr. LEonardo Gizzi

Head of Research for Applied Biome­chan­ics and Biosig­nals Sensing

Ottobock

Dr.-Ing. Jose González 

Head of Research Hub Germany 

Univer­sity of Stuttgart 

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup 

Head of Department
(3rd Physic Institute) 

Q.ANT GmbH

Dr. rer. nat. Michael Förtsch 

Chief Execu­tive Officer (CEO)

Hertie Insti­tute

Nadja Knoke

Bache­lor Student & Accident Patient 

Univer­sity of Tübingen 

Prof. Dr. Markus Siegel 

Direc­tor, Dept. of Neural Dynam­ics & MEG
Hertie Insti­tute for Clini­cal Brain Research (HIH)

QFOR — Forschung – NV-basierte Messung des Vektor­felds der magnetis­chen Fluss­dichte in Magnetresonanz-Systemen

QFOR Quanten­sensoren in der Forschung – NV-basierte Messung des Vektor­felds der magnetis­chen Fluss­dichte in Magnetresonanz-Systemen

Ziel des Projek­tes ist die Entwick­lung eines hochge­nauen Quanten-Vektor-Magnetfeldsensors, der in der Lage ist, Magnet­felder mit einer Empfind­lichkeit von wenigen Nanotesla zu messen – also etwa einem Tausend­s­tel des Erdmag­net­feldes – und Magnet­feld­ver­läufe in Magne­tres­o­nanz­to­mo­graphen (MRT) bei laufen­dem Betrieb räumlich aufgelöst zu kalib­ri­eren. Das wissenschaftliche Ziel des Projek­tes ist es, ein hochpräzises Messin­stru­ment basierend auf Stick­stoff­fehlstellen in Diaman­ten (NV-Zentren), welches die dreidi­men­sion­ale Quantifizierung des Vektor­felds der magnetis­chen Fluss­dichte B und dessen räumlicher Ableitung mit höchster Präzi­sion und hoher zeitlicher Auflö­sung ermöglicht, zu erforschen und labor­pro­to­typ­isch zu realisieren. 

Die wissenschaftliche Forschung erfolgt unter beson­derer Berück­sich­ti­gung der Anforderun­gen an eine Integra­tion in Magne­tres­o­nanz (MRT)- und Elektro­nen­spin­res­o­nanz (ESR)-Tomographen, mit dem Ziel, typis­che Störgrößen (Drifts des statis­chen Magnet­felds mit der Temper­atur (), physi­ol­o­gis­che Effekte (Atmung, Herzschlag: ), Schal­tung von Gradi­en­ten (kHz-Bereich) und Hochfre­quen­zfeldern (MHz-Bereich)) des Vektor­felds dynamisch bis mindestens zur dritten Ordnung (16 Sensoren) zu quantifizieren und entsprechende Korrek­tu­ral­go­rith­men zu entwickeln. 

Hinter­grund­info

Das globale Marktvol­u­men von Magne­tres­o­nanz­to­mo­graphen (MRTs) wird 2021 auf etwa 6 Mrd EUR geschätzt. MRT ist für viele diagnos­tis­che Fragestel­lun­gen die Methode der Wahl. In der Magne­tres­o­nanz­to­mo­gra­phie wird keine gewebeschädliche Strahlung verwen­det und der exzel­lente Weichteilkon­trast ermöglicht eine Vielzahl von Anwen­dun­gen in fast allen klinis­chen Bereichen. Ein wesentlicher Nachteil moderner MRTs resul­tiert aus der aufwendi­gen benötigten Kalib­rierung der Geräte, die für die Qualität der Bilder ausschlaggebend ist, und die langen Aufnah­mezeiten. Heute werden MRTs ab Werk mit einfachen klassis­chen Magnet­feld­sen­soren kalib­ri­ert. Wäre es möglich, die Magnet­felder auch bei laufen­dem Betrieb kontinuier­lich zu messen, ließe sich die Bildqual­ität als auch die zeitliche Auflö­sung substantiell verbessern. Mit dem Ziel der Entwick­lung eines hochge­nauen Quanten-Vektor-Magnetfeldsensors soll die Qualität von MRTs drastisch gesteigert werden. Unser Lösungsansatz beruht auf der pinken Tönung von Diaman­ten. Diese stammt von beson­deren Verun­reini­gun­gen des Kristall­git­ters, die sich nach den Geset­zen der Quanten­mechanik verhal­ten und hochempfind­lich auf externe Magnet­felder reagieren. Das beson­dere an den Verun­reini­gun­gen im Diamant ist, dass externe Magnet­felder die Inten­sität der Tönung direkt beein­flussen. Mithilfe trick­re­icher quanten­mech­a­nis­cher Messse­quen­zen, ähnlich jenen, die in Proto­typen von Quanten­com­put­ern zum Einsatz kommen, lassen sich auf diese Weise Magnet­felder sehr schnell und mit hoher Genauigkeit messen. Dies nutzen wir aus, um Magnet­felder von MRTs in Echtzeit zu kalib­ri­eren. Wir wollen die verbesserte MRT Bildge­bung nicht nur als Feature der nächsten Gener­a­tion von MRT Geräten kommerzial­isieren, sondern auch als Upgrade bereits instal­lierter Systeme in Kliniken zum Einsatz bringen. 

QMRI

QMRI — Quantum-Enhanced Metabolic MRI

Das Projekt zielt auf die Entwick­lung eines (Ultra-)Niederfeld-MRT-Systems (U(LF)-MRT) ab, das eine quanten­basierte metabolis­che Bildge­bung zur person­al­isierten Diagnose und Thera­piekon­trolle direkt am Point of Care ermöglicht. Ein Demon­stra­tor zur metabolis­chen Gehirn­bildge­bung nach Schla­gan­fall zeigt das Poten­zial für eine frühzeit­ige und gezielte Behand­lung in mobilen Stroke Units.

Der technol­o­gis­che Schwer­punkt liegt auf der quanten­ver­stärk­ten MRT (QuE-MRT) bei Magnet­feld­stärken von etwa 50 mT, der Entwick­lung innov­a­tiver Signal-Kodierungskonzepte sowie der Nutzung NV-basierter Magnet­feld­sen­soren zur präzisen Vektormes­sung. Durch die Kombi­na­tion dieser Ansätze wird die Trans­la­tion der metabolis­chen Bildge­bung auf portable U(LF)-MRT-Systeme für den praktis­chen medizinis­chen Einsatz vorangetrieben. 
Magnet demon­stra­tor
Das Projekt ermöglicht metabolis­che Bildge­bung am Point of Care für person­al­isierte Diagnose und Thera­piekon­trolle und verbessert den Zugang der Patient:innen zu fortschrit­tlichen Diagnos­tik­meth­o­den. Es bietet hohes Markt­poten­zial für mobile, applika­tion­sspez­i­fis­che MRT-Systeme sowie QuE-MRT–basierte Plattfor­men zur longi­tu­di­nalen Überwachung metabolis­cher Prozesse. Die Verwer­tung kann über komplette Systeme oder OEM-Komponenten wie NV-Sensormodule und dedizierte PoC-Geräte erfolgen. 

DAS TEAM

Univer­sity of Stuttgart

Prof. Dr. Jens Anders 

Direc­tor of the Insti­tute of Smart Sensors
Spokesman for QSens

Univer­sity of Ulm

Prof. Dr. rer. nat. Volker Rasche

Spokesper­son Ulm Univer­sity Center for Trans­la­tional Imaging

NVision

Dr. Ilai Schwartz

Co-Founder & CTO

Q.ANT GMBH

Dr. Robert Rölver 

Vice Presi­dent Sesing

QMED-2-PHIP-NMR — biomedi­zinis­che Diagnostik

QMED-2-PHIP-NMR — Quantum NMR for Drug Discovery

Das Projekt QMED-2-PHIP-NMR hat das Ziel, die struk­tur­basierte Wirkstoff­forschung zu beschle­u­ni­gen, indem es die bisheri­gen Grenzen der Empfind­lichkeit und des Durch­satzes in der NMR-Spektroskopie überwindet. Durch den Einsatz quanten­ver­stärk­ter Hyper­po­lar­i­sa­tionsver­fahren und paral­leler Detek­tion soll NMR zu einem schnellen, praxis­na­hen Werkzeug für die pharmazeutis­che Forschung werden.

Im Zentrum steht die Entwick­lung und Integra­tion der Parawasserstoff-induzierten Polar­i­sa­tion über den Nuclear Overhauser Effect (PHIP-NOE), um die NMR-Signalstärke um bis zu das 100-Fache zu erhöhen. Ergänzend werden skalier­bare On-Chip-NMR-Spektrometer zur gleichzeit­i­gen Analyse mehrerer Proben imple­men­tiert – als Grund­lage einer quanten­verbesserten Hochdurchsatz-NMR-Plattform der nächsten Generation.Oberflächenbehandlungen optimiert, um zuver­läs­sige, hochau­flösende Messun­gen für die Materi­al­wis­senschaft zu ermöglichen. 
Accel­er­at­ing fragment-based drug discovery
Die skalier­bare Hochdurchsatz-NMR-Plattform beschle­u­nigt die frühe Phase der Arzneimit­te­len­twick­lung und verringert Zeit- und Ressource­naufwand bei SAR-Studien erheblich. Darüber hinaus eröffnet die Technolo­gie neue Anwen­dungsmöglichkeiten in der biomoleku­laren Forschung und Metabolomik und bietet hohes wirtschaftliches Poten­zial durch Lizen­zierung und den Vertrieb innov­a­tiver NMR-Lösungen. 

DAS TEAM

Univer­sity of Stuttgart

Prof. Dr. Jens Anders

Direc­tor of the Insti­tute of Smart Sensors
Spokesman for QSens

NVision

Dr. Ilai Schwarz

Co-Founder & CTO

Univer­sity Ulm

Prof. Dr. Martin Plenio

Direc­tor of the Insti­tute of Theoret­i­cal Physics

Boehringer Ingel­heim Pharma

Martin C. Lenter 

Direc­tor of Target Discov­ery Sciences 

QMED2-NVEPR — biomedi­zinis­che Diagnostik

QMED-2-NVEPR — Quantum-Enhanced EPR Spectroscopy

QMED-2-NVEPR entwick­elt Quanten­sensoren auf Basis von Stickstoff-Vakanzzentren (NV-Zentren) in Diamant für ultra­empfind­liche Elektronen-Spinresonanz (EPR)-Spektroskopie in der biomedi­zinis­chen Diagnos­tik. Aufbauend auf QMED‑1 wird ein Demon­stra­tor für bioan­a­lytis­che Anwen­dun­gen erstellt, der Point-of-Care-Diagnostik, Differen­zial­diag­nos­tik und person­al­isierte Medizin durch die Detek­tion neuar­tiger Biomarker ermöglicht.

Die Forschung konzen­tri­ert sich auf NV-Relaxometrie und EPR-Spektroskopie, einschließlich Proben­vor­bere­itung, Funktion­al­isierung und Zuord­nung metabolis­cher Signal­wege. Es werden neuar­tige Diamantsen­sor­chips, Laser- und Schnittstel­lenelek­tronik sowie Mehrkanal-Skalierungskonzepte entwick­elt, um die Empfind­lichkeit zu erhöhen und kompakte, energieef­fiziente Geräte zu realisieren. Die Module fließen in den Demon­stra­tor ein, mit dem Protein- und Genom­se­quen­zen getestet werden. 
QMED-2-NVEPR nutzt NV-basierte EPR-Spektroskopie und Relax­ome­trie, um eine ultra­empfind­liche, kompakte und kosten­ef­fiziente Detek­tion weit über herkömm­liche EPR-Methoden hinaus zu ermöglichen. Die Technolo­gie bietet einen Durch­bruch in der biomedi­zinis­chen und pharmazeutis­chen Diagnos­tik, Qualitätssicherung und person­al­isierten Medizin mit hoher Spezi­fität und Sensi­tiv­ität. Damit wird der Weg für breit einset­zbare Point-of-Care- und indus­trielle Anwen­dun­gen geebnet. 

DAS TEAM

Univer­sity of Stuttgart

Prof. Dr. Jens Anders

Direc­tor of the Insti­tute of Smart Sensors
Spokesman for QSens

Univer­sity of Stuttgart

Prof. Dr. Anke Krüger 

Insti­tute of Organic Chemistry

Univer­sity of Stuttgart

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup

Head of Department
(3rd Physic Institute)

Noxygen Science Trans­fer & Diagnos­tics GmbH

Dr. Bruno Fink 

CEO 

Univer­sity of Ulm

Prof. Dr. Fedor Jelezko

Direk­tor of Insti­tut of Quantum Optik

Q.ANT GmbH

Dr. rer. nat. Michael Förtsch 

Chief Execu­tive Officer (CEO)

NVision

Dr. Ilai Schwartz

Co-Founder & CTO

Robert Bosch GmbH

Eckhard Wehrse

Research Engineer