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 2024)
• 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。前年度に開発した磁気シールドシステムの制御技術を発展させ、事前計算されたコイル磁場の多重極展開モデルを用い、移動する磁気センサの位置および向きに基づいてリアルタイムに磁場を補償するフィードバック制御の実装と検証を行った。磁気シールドルーム内に設置した8チャンネル磁場発生コイルとPI制御器を用いたシステムを構築し、並進移動および回転移動によって生じる磁場変動に対し、リアルタイム補償の有効性を検証した。補償なしの場合と補償ありの場合での比較を行った結果、補償を行うことでセンサ位置・姿勢の変化に伴う磁場変動を抑制できることが確認された。本システムは、10ms以下のフィードバック制御更新周期を達成した。評価実験として、センサとドライファントムの相対位置を固定し、コイル内部の異なる位置および向きで繰り返し測定を行った。測定データにバンドパスフィルタと時間加算平均を施した結果、ノイズは50dB低減された。この結果、異なる位置および向きにおいても、測定信号が安定して観測された。

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性能評価を計画しており、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

脳磁図の測定は、磁気シールドルームの内部で試験を実施する。タスクとしては音刺激に対する聴覚誘発反応を取得し、その磁場分布から一次聴覚野に電流源が推定されることを確認する。続いて、座位での軽い作業、さらに軽い運動等の動きのあるタスクにおいて測定を実施する。

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] ヘルメット型ウェアラブルコイルを用いたアクティブ磁気シールドの試作と性能評価 (2024)
  • Author(s): 志藤創一朗, 曹馨雨, 長谷川優斗, 伏見幹史, 隣真一, 関野正樹
  • Organizer: 日本生体磁気学会大会
• [Presentation] ポータブルなアクティブシールドのためのコイルと制御系の設計および試作 (2024)
  • Author(s): 曹馨雨, 伏見幹史, 志藤創一朗, 隣真一, 関野正樹
  • Organizer: 日本生体磁気学会大会
• [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