Digitale Signalverarbeitung in Echtzeit für magnetoelektrische Sensorsysteme

• Antragsteller: Professor Dr. Günther Deuschl; Professor Dr.-Ing. Gerhard Schmidt; Professor Dr. Michael Siniatchkin
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269991101

Das hier beschriebene Forschungsvorhaben befasst sich mit der Echtzeitsignalverarbeitung für neuartige magnetoelektrische (ME) Sensorsysteme, die auch bei Raumtemperatur für medizinisch-relevante Fragestellungen im Bereich der Neurologie eingesetzt werden können. Das Ziel dieses Antrags ist es, sowohl bereits eingeführte Signalverarbeitungsansätze weiter zu erforschen, als auch neue Signalverarbeitungsalgorithmen in verschiedener Hinsicht zu untersuchen. Dabei soll besonders die Eigenschaft der Echtzeitfähigkeit im Mittelpunkt stehen. Das Forschungsvorhaben ist als dreistufiger Ansatz strukturiert: 1. Es soll ein mehrkanaliges, echtzeitfähiges System aufgebaut werden, an welches magneto-elektrische, elektrische und auch akustische Sensoren sowie Beschleunigungssensoren angeschlossen werden können. In diesem System sollen alle Sensoren optimal entzerrt, mit Methoden aus der statistischen Signaltheorie eine merkliche Minderung des Messrauschens durchgeführt und nun auch erstmals exogene magnetische Störungen durch einen kombinierten Ansatz aus Beamforming und Störungskompensation erforscht und in Echtzeit realisiert werden. 2. Weiterhin sollen die so erhaltenen Signale der ME Sensoren dann von endogenen Artefakten, die beispielsweise durch Herzschlag, Augenzwinkern oder Muskelaktivität hervorgerufen werden, befreit werden. Hier sollen auf Zustandsraummodellierung bestehende Ansätze zum Einsatz kommen. 3. Mit den optimierten Sensorsignalen soll anschließend eine neuartige Quellenlokalisation in Echtzeit auf der Basis des DICS-Verfahrens (DICS kürzt Dynamic Imaging of Coherent Sources ab) entwickelt werden.Die Ergebnisse aller drei Teile des hier vorgeschlagenen Ansatzes haben jeweils Auswirkungen aufeinander. Sollte beispielsweise bei der Kohärenzanalyse und Quellenortung festgestellt werden, dass in einem bestimmten Bereich des Gehirns der Ursprung eines neurologischen Netzwerkes liegt, so können die ME Sensoren nach einer kurzen Vormessung neu ausgerichtet bzw. positioniert werden. Damit kann dann dieser Bereich des Gehirns mit einer besseren räumlichen Auflösung untersucht werden. Ähnliches gilt für die optimale Nutzung der Bandbreite der magneto-elektrischen Sensoren. Diese ist noch nicht vergleichbar mit konventionellen (SQUID-basierten) Sensoren und beträgt derzeit lediglich ca. 10 bis 30 Hz. Durch einen Frequenzversatzansatz kann aber die maximale Sensorempfindlichkeit über der Frequenz adaptiv eingestellt werden. Sobald der interessierende Frequenzbereich einer Zielfragestellung durch Voranalysen bestimmt wurde, kann die Sensordemodulation des Echtzeitsystems entsprechend angepasst werden. Der interessierende Frequenzbereich wird nun mit bestmöglichem Signal-zu-Geräusch-Verhältnis untersucht. Es entsteht somit ein geschlossener Wirkungs- bzw. Regelkreis, der auch die Echtzeitanforderungen dieses Forschungsantrags begründet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen