Optically detected magnetic resonance imaging

• Project/Area Number: 18H04165
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 武田 和行 京都大学, 理学研究科, 准教授 (20379308)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥35,230,000 (Direct Cost: ¥27,100,000、Indirect Cost: ¥8,130,000); Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2020: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2019: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2018: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
• Keywords: MRI / オプトメカニクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、実施者が最近成功したオプトメカニクスを利用したラジオ波の光変換実験を、磁気共鳴画像診断(Magnetic Resonance Imaging: MRI)に適用することにあった。そのために、従来の手法によるMRI撮像を行うことができる環境を整える作業から着手した。内径70mm・磁場値7テスラの超電導電磁石を用いて300MHz帯域でMRI信号を取得するために、300MHz帯域共振回路の設計と製作・傾斜磁場コイルの設計と製作・傾斜磁場電流駆動回路の開発・MRI実験送受信機の製作した。開発した装置と、従来の手法を用いて、ファントム・標本・果実を対象とするMRI撮像を行うことに成功した。
その後、オプトメカニクスによるラジオ周波数信号の光変換とMRIを融合へと導くための、小型薄膜モジュール、とくにキャパシタモジュールの開発に注力した。モジュールは、超電導電磁石の中で動作させることを想定しているために、てのひらサイズの小型のものを開発する必要があった。そこで、超小型真空チャンバーの設計と製作を行った。また、薄膜に金属を蒸着し、キャパシタの対向電極として用いる基盤もチャンバーに収納できるように、一から設計を見直した。また、電気的損失を極力低減するためにチャンバー内部の電気的配線を最短にすることを目指して、新規に超小型ハーメチックコンタクトプローブを試行錯誤を繰り返しながら開発した。これらの部品を組み立てて、薄膜キャパシタモジュールを完成させ、性能評価を行った。さらに光共振器を組み込んで、超小型ラジオ波-光変換器を完成させた。このモジュールを用いて、ラジオ波信号を光に変換する実験、さらに超電導電磁石を用いた核磁気共鳴実験の信号取得に成功した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] An electro-mechano-optical NMR probe for 1H-13C double resonance in a superconducting magnet (2022)
  • Author(s): Tominaga Yusuke、Takeda Kazuyuki
  • Journal Title: Analyst Volume: - Pages: 1847-1852
  • DOI: 10.1039/d2an00220e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Studies on NMR-signal up-conversion from radio-frequency to optical regimes using a lightweight nanomembrane transducer (2019)
  • Author(s): Tominaga Yusuke、Nagasaka Kentaro、Usami Koji、Takeda Kazuyuki
  • Journal Title: Journal of Magnetic Resonance Volume: 298 Pages: 6-15
  • DOI: 10.1016/j.jmr.2018.11.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electro-Mechano-Optical (EMO) NMRの研究開発 (2018)
  • Author(s): 武田和行
  • Journal Title: BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIETY OF JAPAN Volume: 9 Pages: 14-16
  • NAID: 40021787151
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Exploring NMR through mechanics and optics (2021)
  • Author(s): Kazuyuki Takeda
  • Organizer: Joint Conference of 22nd ISMAR and 9th APNMR
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SWIFT with Magnetic-Field Sweep (2021)
  • Author(s): Haruka Sawada, Yoita Kobayashi, Kazuyuki Takeda
  • Organizer: Joint Conference of 22nd ISMAR and 9th APNMR
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient Optical Detection of NMR through a Membrane Transducer (2021)
  • Author(s): Yusuke Tominaga
  • Organizer: Joint Conference of 22nd ISMAR and 9th APNMR
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electro-mechano-optical NMR through (2,2)-mode characteristic oscillation of a SiN membrane with separated matasurface mirror and capacitor electrode (2021)
  • Author(s): Atsushi Mikami, Yusuke Tominaga, Akiya Iwamura, Koji Usami, Kazuyuki Takeda
  • Organizer: Joint Conference of 22nd ISMAR and 9th APNMR
• [Presentation] ハイブリッド量子技術を用いた高効率なラジオ波－光変換によるNMR信号検出 (2021)
  • Author(s): 冨永雄介, 武田和行
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] オプトメカニクスを利用したNMR信号の高感度検出技術 (2020)
  • Author(s): 武田和行
  • Organizer: 東北・北海道支部/第1回材料研究会合同研究会
  • Invited
• [Presentation] High efficiency rf-to-light conversion through improved electromechanical coupling for NMR detection (2020)
  • Author(s): Y. Tominaga, K. Takeda
  • Organizer: The 3rd International Forum on Quantum Metrology and Sensing (IFQMS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Up-conversion of NMR signals from radio-frequency to optical regimes through a mechanical transducer (2019)
  • Author(s): Kazuyuki Takeda
  • Organizer: EUROISMAR 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In situ solid-state measurements of a magnetically oriented microcrystal suspension / Up-conversion of radio-frequency NMR signals to an optical regime using a membrane transducer (2019)
  • Author(s): Kazuyuki Takeda
  • Organizer: 2nd India-Japan Workshop on Magnetic Resonance
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A compact-rf-to-light transducer for Electro-Mechano-Optical NMR (2019)
  • Author(s): Yusuke Tominaga, Takaaki Matsukawa, Wern Ng, Kazuyuki Takeda
  • Organizer: EUROISMAR 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NMR信号の高効率な光変換のための小型薄膜モジュールの開発 (2019)
  • Author(s): 冨永雄介 松川陽亮 Ng Wern 武田和行
  • Organizer: 第５８回NMR討論会
• [Presentation] 磁場掃引を用いたSWIFT法 (2019)
  • Author(s): 小林洋太 竹腰清乃理 武田和行
  • Organizer: 第５８回NMR討論会
• [Presentation] NMR信号の高感度光検出に向けた超小型オプトメカ・エレクトロメカ結合モジュールの開発 (2019)
  • Author(s): 冨永雄介、仙波佑奈、武田和行
  • Organizer: 第65回 固体NMR・材料フォーラム
• [Presentation] Electro-mechano-optical detection of nuclear magnetic resonance (2018)
  • Author(s): Kazuyuki Takeda
  • Organizer: Spin Cavitronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electro-Mechano-Optical detection of NMR (2018)
  • Author(s): Kazuyuki Takeda
  • Organizer: 1st India-Japan NMR workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] ＮＭＲによる有機材料分析とその試料前処理、データ解釈（第２章１節） (2021)
  • Author(s): 冨永雄介、武田和行
  • Total Pages: 676
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861048609
• [Book] 量子センシングハンドブック（第１章 スピン量子センシング 第９節 ハイブリッド量子技術を用いた磁気共鳴検出） (2021)
  • Author(s): 冨永雄介、武田和行
  • Total Pages: 336
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860436612
• [Book] 第１章 スピン量子センシング 第９節 ハイブリッド量子技術を用いた磁気共鳴検出,「量子センシングハンドブック～量子科学が切り拓く新たな領域～」 (2021)
  • Author(s): 冨永雄介, 武田和行
  • Total Pages: 13
  • Publisher: (株)エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860436612
• [Remarks] 核磁気共鳴のレーザー検出器の小型化に成功―量子技術による化学分析の道を開拓―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-04-27-4