2023 Fiscal Year Annual Research Report
Multimodal cancer therapy and diagnostic system using 256-channel diamond quantum sensor array
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23H03721
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
桑波田 晃弘 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00733049)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
薮上 信 東北大学, 医工学研究科, 教授 (00302232)
増山 雄太 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 主任研究員 (00814790)
小玉 哲也 東北大学, 医工学研究科, 教授 (40271986)
日下部 守昭 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任教授 (60153277)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 固体量子センサ / 磁性ナノ粒子 / 磁気加熱 / がん治療 / 光ファイバ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンド固体量子センサを多チャンネルアレイ化するために，光ファイバーアレイを用いたシステムを開発した．1m程度の光ファイバを複数束してエポキシ樹脂を用いて接着し，ダイヤモンド固体量子センサと結合させることで，ダイヤモンド固体量子センサアレイを開発した．光ファイバアレイの中心の光ファイバへと緑色の励起レーザーを入射することで，固体量子センサ全体を励起させ，励起された固体量子センサからの赤色蛍光強度分布を検出できた．
ダイヤモンドNVからの赤色蛍光強度の微弱な変化を計測するために，光ファイバアレイのならびに光学系を構築した．光学顕微鏡のステージへと固体量子センサアレイを取り付け，拡大率を調整しながら，多チャンネルアレイの情報を2次元配列情報へと変換し，EMCCDカメラによる高感度に計測された光信号を磁場と温度情報へと変換できることを実証した．
センサ性能の評価のために，専用のヘルムホルツコイルならびにマイクロコイルを構築することで，評価システムを開発した．実験計測結果と理論数値モデルを比較検証し，計測された磁場・温度の2次元分布情報の妥当性を評価した．ヘルムホルツコイルの空間的に一様性の高い磁場の検出，ならびにマイクロコイルの局所的磁場の検出に成功した．また，マイクロ波強度依存性，交流磁場強度依存性，NV励起用のレーザ強度依存性，計測時間依存性など，固体量子センサとして駆動するためのパラメータ評価を行った．
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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
光ファイバを複数束した光ファイバーアレイをダイヤモンド固体量子センサと結合させることで，ダイヤモンド固体量子センサアレイを開発する手法を概ね確立した。高感度カメラを用いることで，微弱な赤色蛍光強度の変化を検出できる撮像パラメータを検証するなど，磁場と温度の2次元イメージング計測の実現に向けた研究を実施している．本成果に関連した成果である光ファイバーアレイによる磁場の２次元イメージングならびに専用のコイル開発技術について，国際会議で発表し，査読付き国際論文誌（オリジナル論文）を出版できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
がん治療に関して，磁性ナノ粒子を効率よく加熱させるために、新奇の逆問題解析手法によって、磁気コイル形状を最適化する。ダイヤモンド固体量子センサ技術と磁気加熱がん治療システムを融合することで，がんの治療と診断が同時に可能なシステムの構築を進める．また，開発システムの性能評価のために、生体模擬実験を実施する．2次元磁気イメージングの信号強度が最大となる位置を探索することで、磁性ナノ粒子の位置を同定できることを検証する．同時に、2次元の温度モニタリング精度の検証を行う．温度モニタリング情報をもとに、本研究室で開発したフィードバック技術を用いて磁気加熱のパワーを制御し、安全な治療温度を治療時間維持できることを実証する．
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[Presentation] Development of diamond NV magnetometer with optical fiber array2023
Author(s)
Akihiro Kuwahata, Yuma Murata, Haruki Tanaka, Yuta Masuyama, Keigo Arai, Ryota Katsumi, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Ryuji Igarashi, Takeshi Ohshima, Fedor Jelezko, Takashi Yatsui, Masaki Sekino
Organizer
6th IFQMS Int. Forum on Quantum Metrology and Sensing
Int'l Joint Research
