2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a portable digital EPR imaging system for biological applications
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21H01341
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
赤羽 英夫 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00552077)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | EPRイメージング装置 / デジタルEPR / 分子イメージング / In vivo 生体イメージング / アレイ型マグネット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
小動物を対象としたフリーラジカル分子イメージングを可能にする可搬型電子常磁性共鳴イメージングシステムを開発することを目的として、今年度は、デジタルEPR分光技術を駆使した操作性に優れたイメージング用コンソールと高周波生成部の出力可変機構の開発を行なった。これまで、反射波からEPR信号の吸収成分を摘出する場合、ベースバンド信号に変換したのち、手動で位相調整を行う必要があった。その調整には、EPR励起波の位相ノイズにより共振器で発生する振幅ノイズが最小となるようにベースバンド信号の位相をシフトする方法を用いている。しかし、位相ノイズに由来するノイズが他の要因によるノイズに比べ相対的に小さくなると、手動での調整が難しくなる。また、専門的な知識がなくても操作可能なコンソールの開発を目指していることから、自動制御での調整が望ましい。そこで、EPR励起に用いる高周波を周波数変調し、共振器から反射される高周波のAM変調成分が最小となるように、その成分を位相シフトに負帰還する制御方法を考案した。まず、電圧制御発振器の制御電圧に約50kHzの正弦波を加えることで、周波数変調された高周波を生成しEPR励起波として用いた。FPコンソール上のデジタル信号処理によりベースバンド信号に変換された反射波波形をPCに転送し、計算により50kHzの成分をさらに摘出した。その成分とゼロとの差をエラー信号してベースバンド信号の位相に負帰還するシステムを構築した。その結果、手動による位相調整を省くことに成功した。送信出力可変機構の開発では、EPR励起に必要な高周波の出力を電圧で調整可能にするためRF増幅器に供給する電圧強度をデジタル制御可能な回路を製作した。RF増幅器に供給する駆動電圧の違いにより送信波の位相変動が発生するものの、位相の自動制御により安定化されるため送信出力の可変に一般的に用いらる減衰器が不要な構造を採用することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初予定通りに進展しているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き、操作性に優れたイメージング用コンソールの開発を実施する。測定対象であるマウスなどの小動物の動きにより、小動物を挿入した共振器において反射波が発生し、受信部を飽和させる問題がある。この現象を軽減するために、コンソールに反射波抑制制御機構を実装している。自動制御の安定動作には、反射波の位相調整が必要であり、現在は手動で入力している。しかし、操作性に優れたコンソールを目指すことから、自動調整が望ましい。反射波の位相シフトを最適化する方法として、位相シフト値を変調し、その時の反射波の増減から最適な位相シフト値をフィードバック制御で最適化することを考えている。次に生体イメージングの応用範囲を広げるため、現在進めているマウス頭部のイメージング以外に、腹部のイメジングを可能にする磁気共鳴用のマグネットや共振器を制作する。マウスの腹部イメージングを行うには、さらにサンプル領域をφ30×40 mmまで広げる必要がある。そのため、3次元上に磁石片を配置し、EPRイメージングに必要な磁場均質性を実現できるか電磁界シミュレータを用いて検討する。平面上に配置する場合は、CNCフライス盤を用いて磁石片を保持する構造をプラスチック板から掘削して作製し、3次元上に配置する場合は、3Dプリンタ等により磁石片を保持する構造を作製する予定である。3次元配置によりサンプル領域の拡大が見られない場合は、磁場勾配補正用コイルを付加することも検討する。
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