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Frontier of Quantum Life Science: Study of Emergence of Contrast in Innovative MRI

Research Project

Project/Area Number 19K22957
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
Research InstitutionNiigata University

Principal Investigator

佐々木 進  新潟大学, 自然科学系, 准教授 (80323955)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Keywords量子パルス / MRI / 振動現象 / 液体 / Na核スピン / プロトン核スピン / 核磁気共鳴 / 量子生命科学 / NMR / コントラスト創出 / 所望部位の可視化
Outline of Research at the Start

【背景】医療に欠かせない装置となったMRIであるが,その開発はもっぱら上層技術である画像取得に限られ,根幹技術である核磁気共鳴法NMRは30年前の技術のままである。申請者は,自ら構築したNMR装置に改良を重ね,これまで様々な量子現象を解明するとともに,量子計算の分野で先駆的な報告をしてきた。【目的】近年,量子パルスを照射すると,信号強度が著しく振動するという異常な現象を世界で初めて見出した。さらに,これまで信号強度の区別が困難であった類似のファントムにおいて,量子パルスを使えば,所望物質のNMR信号のみを強化できる事を見出した。本課題では,この現象の解明と量子生命科学の新分野を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

【背景】医療に欠かせない装置となったMRI(磁気共鳴画像法)は,2つの要素技術からなる。一方は,核磁気共鳴法(NMR)と呼ばれ,物理の原理に基づく根幹技術である。つまり,
MRI = NMR(根幹技術)+ 画像化技術(上層技術)
である。現在,MRIの開発は,もっぱら上層技術である画像化技術に限られ,根幹技術であるNMRは40年近く前の技術のままである。これに対し,応募者は,自ら構築したNMR装置に改良を重ね,これまで様々な量子現象を解明してきた。
【目的】2017年度,生体擬似物質に「量子パルス」を照射すると,核スピンからの応答信号が,時間的に激しく振動する現象を世界で初めて見出した。本課題では,量子力学的手法と生命科学的手法を融合させ,この現象が発現する機構を解明し,量子生命科学の新基軸を構築すること を目的とする。
【研究実績】量子パルスによる振動現象について,①100%再現するための実験上の条件を明らかにした。とりわけ,反転パルスを素早く照射するのにともない,スイッチング装置が肝要であることが明らかとなった。②当初は,溶液中のNa核スピンでのみ観察されると想定していたが,プロトン核においても100%の再現性で振動現象が見られることが明らかとなった。③ただし,振動の振幅はNa核スピンがプロトンよりも顕著であることが判明した。④Na核スピンの場合には,振動現象が支配的である一方で,プロトン核スピンでは,パルス照射の初期に振動現象が支配的で,長時間極限では減衰現象が支配的となることが判明した。④食塩水中のNa核スピンに対して,食塩濃度と振動の振幅について,想定通りの訂正的な結果を得た。⑤振動現象に対し,核スピン周辺の局所的な「粘性」を反映しているモデルに基いてシミュレーションを実施した結果,定性的に再現することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

まず,本現象は,世界で初めて見出した現象であるとともに,極めて奇異にも見えるため,常に再現性を問われる。これに対し,自作・改良型のNMR装置の強みを活かして,徹底的に再現性の是非を検討した。その結果,根本要因2点を明らかにしたため,不可思議であるものの確実に信頼にたる現象であることを示せた。これは,本研究課題の根幹となる最重要事項を確立したことを意味する。これをもって,現在,世界的な学術雑誌への投稿を準備中である。
さらに,当初の目的には入っていなかった,プロトン核スピンについても振動現象を見出した。
これらの知見は,本現象の普遍性を明らかにしたことを意味しており,学術的な意義とともに,MRIへの応用の可能性が一気に拡大したことを意味している。
以上から,当初の計画で挙げていた課題は,既に1点を除きすべて解決しており,当初の計画以上に進展していることを示している。

Strategy for Future Research Activity

当初計画以上に進展しているが,①当初計画で上げており未解決の課題,すなわち,生命科学で使われる同一粒径を選択できるメッシュ用いて,粒径と振動現象との関係を系統的に調べる。②振動現象の温度依存性を調べる。高温なら振動が顕著に,低温なら振動は収まってゆくと推定されるが,この仮説を検証する。③磁場強度依存性を,系統的に明らかにする。④シミュレーションにおいて,より現実的なパラメータを導入して,局所的な「粘性」による現象である,との仮説を検証する。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(24 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Remarks (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (6 results) (of which Overseas: 4 results)

  • [Journal Article] 1/f2 spectra of decoherence noise on 75As nuclear spins in bulk GaAs2020

    • Author(s)
      Sasaki Susumu、Miura Takanori、Ikeda Kosuke、Sakai Masahiro、Sekikawa Takuya、Saito Masaki、Yuge Tatsuro、Hirayama Yoshiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10

    • DOI

      10.1038/s41598-020-67636-9

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 23Na-MRIを用いた2型糖尿病モデルマウスの腎臓のNa+濃度の検討2021

    • Author(s)
      中川裕介;忰田亮平;拝師智之;佐々木進;成田一衛
    • Organizer
      第64回日本腎臓学会学術総会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 量子計測技術が創出するMRIの焦点機能2020

    • Author(s)
      佐々木進
    • Organizer
      第2回量子生命科学会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 23Na-MRIを用いた腎臓内の対向流増幅系の検討2020

    • Author(s)
      忰田亮平;拝師智之;佐々木進;成田一衛
    • Organizer
      第48回日本磁気共鳴医学会大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] Sodium imaging with a 1.5T-MRI by using a new cross-band repeater technique2020

    • Author(s)
      Michiru Kajiwara;Yasuhiko Terada;Ryohei Kaseda;Yusuke Nakagawa;Ichiei Narita;Susumu Sasaki;Tomoyuki Haishi
    • Organizer
      第48回日本磁気共鳴医学会大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] クロスバンドレピータの技術を応用したNaイメージング2020

    • Author(s)
      梶原 成生;寺田 康彦;忰田 亮平;中川 祐介;成田 一衛;佐々木 進;拝師 智之
    • Organizer
      第24回NMRマイクロイメージング研究会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 23Na-MRIを用いた腎臓の病態生理の検討2020

    • Author(s)
      忰田亮平;拝師智之;佐々木進;成田一衛
    • Organizer
      第63回日本腎臓学会学術総会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] いかにして多重スピンエコーから雑音スペクトルを抽出するか?2020

    • Author(s)
      佐々木進,三浦敬典,池田宏輔,坂井祐大,関川卓也,齋藤雅樹,弓削達郎,平山祥郎
    • Organizer
      第67回 応用物理学会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] In-vivo 23Na-MRI of mice toward renal clinical applications2019

    • Author(s)
      Tomoyuki Haishi, Ryohei Kaseda, Ichiei Narita, Susumu Sasaki
    • Organizer
      NMR**2 Spring Meeting
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      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Direct Observation of Spontaneous Polarization in Freestanding GaN Substrate Through Nuclear Magnetic Resonance2019

    • Author(s)
      Susumu Sasaki, Ryo Kusanagi, Kohei Suzuki, Yusuke Mori, Maki Kushimoto, Hiroshi Amano, Kenji Shiraishi
    • Organizer
      SSDM2019
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      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] How should we define the spectral intensity from multiple spin-echo decays?2019

    • Author(s)
      Susumu Sasaki
    • Organizer
      9th Spin Camp
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      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] マウス腎疾患モデルの生体内ナトリウムを可視化する23Na-MRIの開発2019

    • Author(s)
      拝師智之,忰田亮平,成田一衛,佐々木進
    • Organizer
      第47回日本磁気共鳴医学会大会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Direct Observation of Spontaneous Polarization in Freestanding GaN Substrate2019

    • Author(s)
      Susumu Sasaki, Yusuke Mori, Maki Kushimoto, Hiroshi Amano, Kenji Shiraishi
    • Organizer
      第58回NMR討論会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 9.4Tesla-MRIを用いて生体マウス腎臓のナトリウム分布を可視化する2019

    • Author(s)
      拝師智之,忰田亮平,成田一衛,佐々木進
    • Organizer
      第58回NMR討論会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] How should we derive the noise spectrum from multiple spin-echo decays?2019

    • Author(s)
      Susumu Sasaki, Takanori Miura, Kohsuke Ikeda, Masahiro Sakai, Takuya Sekikawa, Masaki Saito, Tatsuro Yuge, Yoshiro Hirayama
    • Organizer
      HQS2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 日本医療研究開発機構 先端計測技術

    • URL

      https://www.amed.go.jp/koubo/02/01/0201C_00008.html

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      2019 Research-status Report
  • [Remarks] 新潟大学での大型資金プロジェクト

    • URL

      https://www.niigata-u.ac.jp/contribution/ability/bigproject

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      2019 Research-status Report
  • [Remarks] 新潟大学工学部機能材料科学プログラム 佐々木研究室

    • URL

      http://fusion.eng.niigata-u.ac.jp/index.html

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      2019 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 核磁気共鳴装置、磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴方法、磁気共鳴イメージング方法、測定条件を決定する方法、及びプログラム2020

    • Inventor(s)
      佐々木進
    • Industrial Property Rights Holder
      佐々木進
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 核磁気共鳴装置、磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴方法、磁気共鳴イメージング方法、測定条件を決定する方法、及びプログラム2020

    • Inventor(s)
      佐々木 進
    • Industrial Property Rights Holder
      佐々木 進
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 核磁気共鳴イメージング装置,核磁気共鳴イメージング方法,及びプログラム2020

    • Inventor(s)
      拝師 智之,忰田 亮平,佐々木 進
    • Industrial Property Rights Holder
      拝師 智之,忰田 亮平,佐々木 進
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 画像処理装置,画像処理方法,およびプログラム2020

    • Inventor(s)
      忰田 亮平,佐々木 進,成田 一衛,拝師 智之
    • Industrial Property Rights Holder
      忰田 亮平,佐々木 進,成田 一衛,拝師 智之
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 核磁気共鳴装置、磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴方法、磁気共鳴イメージング方 法、測定条件を決定する方法、及びプログラム2019

    • Inventor(s)
      佐々木 進
    • Industrial Property Rights Holder
      佐々木 進
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 核磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴イメージング方法、及びプログラム2019

    • Inventor(s)
      佐々木 進
    • Industrial Property Rights Holder
      佐々木 進
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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