実験室外の一般環境での脳磁図計測を可能にするウェアラブル磁気シールドの開発

• Project/Area Number: 22K18438
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 関野 正樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401036)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伏見 幹史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (50907938)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2025: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 生体計測

Outline of Research at the Start

脳磁図は神経活動を直接的かつ非接触で計測することができ、スカラー計測の脳波と異なりベクトル計測のため脳内活動源の推定精度が高い点も優れている。しかし脳から生じる磁場がサブピコテスラと極めて微弱であるため、大型のシールドルームを必要とし、応用の幅が限定されてきた。本研究では世界初のウェアラブル磁気シールドを開発し、大型のシールドルームを用いずに実験室外での脳磁図計測を実現することを目的とする。代表者らが考案した逆問題解析による複雑曲面上のコイル最適設計手法により、頭部に沿った曲面上に9個のコイル巻線を形成し、均一性および勾配線形性が高い磁場を発生させる。

Outline of Annual Research Achievements

脳磁図は、ニューロンが集団的に発火した際に生じる磁場を、頭部の表面に置いた磁気センサで検出し、脳活動のダイナミクスを捉える手法である。従来は特殊な設備である磁気シールドルームの中で測定する必要があった。本研究では、被験者の頭部にヘルメットのように装着できるウェアラブル磁気シールドを開発し、小型磁気センサと組み合わせて脳磁図を測定できることを示す。従来のシールドとは異なり、シールド装置の中心から外れた位置にもセンサを配置する点に技術的課題があり、逆問題に基づく独自のコイル設計手法と多点同時磁場制御によって、これを解決する。令和4年度に構築したヘルメット型シールド装置に磁気センサを組み込み、センサ信号をフィードバックさせるPID制御法によりコイルの電流を調整し、内部磁場を効果的に遮蔽するシステムを構築した。このシステムを用いて、地磁気環境下で41.3dB、磁気シールドルーム内で14.8dBの遮蔽効果を実現した。また、令和4年度に設計した磁場の0次（均一）成分を補償する3つのコイルに加え、1次の傾斜磁場に対応する5つのコイルを設計した。静磁場に対するマックスウェル方程式と多重極展開に基づき、0次コイルを含む8つのコイルを立方体フレーム上に試作した。また、移動状態でのリアルタイム制御とその遮蔽率評価を行うため、磁気センサの光学トラッキングシステムを導入した。試作した立方体コイルを用いて、地磁気環境下でシールド装置の中心から外れた位置でも、中心と同等の約30dBの磁気遮蔽効果が得られることを確認した。すなわち、ヘルメットの中心から離れた位置にセンサを配置しても遮蔽性能を維持できるようなウェアラブル磁気シールドが実現可能なことを示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度はウェアラブル磁気シールドのコイルの製作と制御手法の設計を計画しており、その計画を概ね順調に遂行することができた。

Strategy for Future Research Activity

今年度に構築した3軸磁気シールドシステムに対する多軸同時制御器を設計し、脳磁図計測システムの構築と評価に取り組む。

Research Products

• [Journal Article] Feasibility study on on-board magnetoencephalography with optically pumped magnetometers (2024)
  • Author(s): X. Cao, M. Fushimi, S. Chikaki, A. Kuwahata, and M. Sekino
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 14 Issue: 1 Pages: 015122-015122
  • DOI: 10.1063/9.0000694
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optimization method of a magnetic field generating a magnetic force field for magnetic nanoparticle control (2024)
  • Author(s): M. Fushimi, H. Yoshioka, M. Sekino
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 14 Issue: 2 Pages: 025109-025109
  • DOI: 10.1063/9.0000746
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Optimum design of coil windings for a given target magnetic field (2024)
  • Author(s): 王博宇, 伏見幹史, 吉岡輝, 隣真一, 関野正樹
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] Multipole-based identification of current sources from visual evoked magnetoencephalography data (2023)
  • Author(s): M. Fushimi, H. Sawamura, Y. Shirota, T. Nara, M. Hatano, and M. Sekino
  • Organizer: 45th Annual International Conference of the IEEE EMBS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An optimization method of magnetic field generating magnetic force field for magnetic nanoparticles control (2023)
  • Author(s): M. Fushimi, H. Yoshioka, and M. Sekino
  • Organizer: 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場の多重極展開に基づく磁性ナノ粒子制御のための磁気力場最適化 (2023)
  • Author(s): 伏見幹史, 関野正樹
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
• [Presentation] 脳磁図用ウェアラブルアクティブ磁気シールドの開発 (2023)
  • Author(s): 志藤創一朗, 長谷川優斗, 伏見幹史, 隣真一, 曹馨雨, 関野正樹
  • Organizer: 日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサを用いたラット心磁図の高分解能計測 (2022)
  • Author(s): 関野正樹, 荒井慧悟, 桑波田晃弘, 西谷大祐, 藤崎伊久哉, 松木亮磨, 西尾有輝, 辛宗浩, 曹馨雨, 波多野雄治, 山﨑正俊, 波多野睦子, 岩﨑孝之
  • Organizer: 心電学関連研究会春季大会
  • Invited