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超高感度な光学的磁気センサによる新原理の次世代ニューロイメージングへの挑戦

研究課題

研究課題/領域番号 20K21560
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分51:ブレインサイエンスおよびその関連分野
研究機関京都大学

研究代表者

小林 哲生  京都大学, 工学研究科, 教授 (40175336)

研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
キーワード光ポンピング / 原子磁気センサ / MRI / 神経磁場 / MEG / ニューロイメージング / fMRI / 光ポンピング原子磁気センサ
研究開始時の研究の概要

本研究では、アルカリ金属原子のスピン偏極を用いて磁場を計測する光ポンピング原子磁気センサ(OPM)について、光学系を一体化したコンパクトかつ超高感度なモジュールを開発することによってフレキシブルな脳磁図(MEG)計測を簡易磁気シールド環境化で実現し,さらに神経磁場を直接捉える新原理のfMRIに挑戦する。これによりブレインサイエンス分野のみならず微弱な磁場計測が必要な様々な分野に多大なインパクトとパラダイムシフトをもたらすことが期待できる。センサ開発自体は勿論、それを用いた新原理の次世代ニューロイメージング手法の開発は大変大きなチャレンジ性と意義を有している。

研究成果の概要

本研究では、超高感度かつ長寿命の小型光ポンピング原子磁気センサ(OPM)モジュールを開発に成功し、開眼閉眼に伴うα波帯の事象関連脱同期と視覚誘発脳磁界の多チャネル計測を達成した。さらに、OPMをMR信号計測用受信センサとして用いることにより感度向上させる超低磁場 MRIのプロトタイプを試作しMR画像の取得に成功した。加えて、0.3T低磁場MRI装置を用い、頭部を模したファントムを用いた新原理 fMRIの実験的・理論的検証を行い、新原理 fMRI の実現可能性を示し、MEGとの同時計測を可能とする次世代のニューロイメージングへの実現に道筋をつけ研究を完結した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究によって開発した超高感度の光学的磁気センサを MR信号検出に用いることで脳磁図と機能的MRI情報の同時計測が可能な融合一体化したシステムは、通常の形態画像の取得も可能であることから、従来の別装置間の位置合わせの誤差を低減できるメリットも大きい。本研究が目指したこの次世代のニューロイメージングシステムでは、さらにボクセルベースで磁場の位相情報に基づくfunctional connectivityの直接計測も可能であり、その潜在的な高時空間分解能によって、高次脳機能のメカニズムの解明や精神・神経疾患の診断支援といった臨床応用により健康社会の実現に大きる貢献することがで期待できる。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (53件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (22件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 10件、 招待講演 11件) 備考 (2件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] 補助センサとSSS法を用いた平面型多チャネル光ポンピング磁気センサの環境磁気ノイズ低減に関する検討2021

    • 著者名/発表者名
      中山 貢、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      電気学会論文誌. A

      巻: 141 号: 8 ページ: 446-451

    • DOI

      10.1541/ieejfms.141.446

    • NAID

      130008070581

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
    • 年月日
      2021-08-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vector measurement of pico tesla magnetic fields using an optically pumped magnetometer by varying pump beam direction2021

    • 著者名/発表者名
      Namita K.、Ito Y.、Kobayashi T.
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 号: 7 ページ: 076507-076507

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac0ba6

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Robust and Accurate Deep-learning-based Method for the Segmentation of Subcortical Brain: Cross-dataset Evaluation of Generalization Performance2021

    • 著者名/発表者名
      Naoya Furuhashi, Shiho Okuhata, Tetsuo Kobayashi
    • 雑誌名

      Magnetic Resonance in Medical Sciences

      巻: 20 号: 2 ページ: 166-174

    • DOI

      10.2463/mrms.mp.2019-0199

    • NAID

      130008046943

    • ISSN
      1347-3182, 1880-2206
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 生体磁気計測のための光ポンピング磁気センサモジュールの開発2021

    • 著者名/発表者名
      加藤統久、山田将来、大谷康介、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本磁気学会 第234回研究会資料

      巻: 234 ページ: 1-5

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 複数信号源の再構成シミュレーションに基づく平面型OPM-MEGシステムの検討2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤航太、小林哲生
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 121 ページ: 13-18

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] ハイブリッド型光ポンピング磁気センサによるMEGのガラスセル内多点同時計測2021

    • 著者名/発表者名
      大谷康介、江田大輝、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 129-131

    • NAID

      130008105267

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 低磁場fMRIに向けたスピンロックシーケンスの検討: MR画像のノイズが磁場検出に及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      上田博之、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 156-158

    • NAID

      130008105560

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] ハイブリッドセルを用いた光ポンピング磁気センサのグラジオメータ構成に関する検討2021

    • 著者名/発表者名
      南部康太、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 161-163

    • NAID

      130008105564

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 光ポンピング磁気センサを用いた平面型アレイMEGシステム:センサ数に応じた信号再構成精度の検討2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤航太、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 167-169

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 地磁気環境下におけるスカラー型光ポンピング磁気センサの原子種の違いによる計測感度の比較2021

    • 著者名/発表者名
      後藤達哉、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 179-181

    • NAID

      130008105435

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] RFパルスを用いたスカラー型光ポンピング磁気センサの実証実験と性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      堀 拓真、後藤達哉、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 182-184

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] ポンプ光変調を用いた光ポンピング磁気センサによる平面型多点同時計測2021

    • 著者名/発表者名
      大村剛史、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 185-187

    • NAID

      130008105445

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 光ポンピング磁気センサを用いた超低磁場MRIの開発:受信周波数特性のシミュレーションによる検討2021

    • 著者名/発表者名
      堀壮吾、笈田武範、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 191-193

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] 光ポンピング磁気センサを用いたポンプ光方向操作による磁場方向推定2021

    • 著者名/発表者名
      浪田和樹、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 197-199

    • NAID

      130008105449

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] スピンロックシーケンスを用いたMRIによる脳神経磁場計測:雑音磁場が及ぼす影響に関する検討2021

    • 著者名/発表者名
      遠藤紘矢、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 34 ページ: 200-202

    • NAID

      130008105452

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Magnetic resonance imaging simulation with spin-lock preparations to detect tiny oscillatory magnetic fields2021

    • 著者名/発表者名
      Ueda Hiroyuki、Ito Yosuke、Oida Takenori、Taniguchi Yo、Kobayashi Tetsuo
    • 雑誌名

      Journal of Magnetic Resonance

      巻: 324 ページ: 106910-106910

    • DOI

      10.1016/j.jmr.2020.106910

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Detection of tiny oscillatory magnetic fields using low-field MRI: A combined phantom and simulation study2020

    • 著者名/発表者名
      Ueda Hiroyuki、Ito Yosuke、Oida Takenori、Taniguchi Yo、Kobayashi Tetsuo
    • 雑誌名

      Journal of Magnetic Resonance

      巻: 319 ページ: 106828-106828

    • DOI

      10.1016/j.jmr.2020.106828

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dependence of stimulus-induced rotary saturation on the direction of target oscillating magnetic fields: A phantom and simulation study2020

    • 著者名/発表者名
      Sogabe Tomoyuki、Ueda Hiroyuki、Ito Yosuke、Taniguchi Yo、Kobayashi Tetsuo
    • 雑誌名

      Journal of Magnetic Resonance

      巻: 321 ページ: 106849-106849

    • DOI

      10.1016/j.jmr.2020.106849

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ハイブリッド型光ポンピング磁気センサを用いた脳磁図の他チャネル同時計測2020

    • 著者名/発表者名
      大谷康介、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      電気学会マグネティックス研究会資料

      巻: MAG-120-125 ページ: 47-52

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 地磁気環境下におけるスカラー型光ポンピング磁気センサの計測感度に関する理論的検討2020

    • 著者名/発表者名
      後藤達哉、伊藤陽介、小林哲生
    • 雑誌名

      電気学会マグネティックス研究会資料

      巻: MAG-120-126 ページ: 53-58

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 光ポンピング原子磁気センサとその生体磁気計測・ULF-MRI・MPIへの応用2020

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 雑誌名

      日本生体磁気学会誌

      巻: 33 ページ: 39-41

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 超低磁場MRIの高速撮像に向けた検討 ~深層学習を用いた高分解能画像再構成~2020

    • 著者名/発表者名
      安田卓司、笈田武範、小林哲生
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: MI2020-2 ページ: 5-8

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 光ポンピング原子磁気センサの基礎と研究開発動向2022

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 学会等名
      第24回日本薬物脳波学会 第38回日本脳電磁図トポグラフィ研究会合同開催
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] MEGの基礎と応用2022

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 学会等名
      第24回日本ヒト脳機能マッピング学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Estimation of small magnetic field direction by changing pump and probe beam orientations of optically pumped magnetometer2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Namita, Yosuke Ito and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      International Symposium on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 光ポンピング原子磁気センサ2021

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 学会等名
      応用物理学会固体量子センサ研究会、第2回研究会 ~超高感度磁気センサの最前線~
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of optically pumped atomic magnetometers towards next generation brain imaging2021

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      4th International Workshop on Photonics applied Electromagnetic Measurements (PEM2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Biomagnetic neuroimaging with optically pumped atomic magnetometer2021

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 学会等名
      第51回日本臨床神経生理学会学術大会 シンポジウム「室温生体磁気計測の進歩 SQUIDを超えて」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Approaches to noise reduction of optically pumped magnetometers2021

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Ito, Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      第45回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体磁気計測のための光ポンピング磁気センサモジュールの開発2021

    • 著者名/発表者名
      加藤統久、山田将来、大谷康介、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      日本磁気学会 第234回研究会「医療分野での磁気関連技術の新展開
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 地磁気環境下におけるスカラー型光ポンピング磁気センサの原子種の違いによる計測感度の比較2021

    • 著者名/発表者名
      後藤達哉、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ハイブリッド型光ポンピング磁気センサによるMEGのガラスセル内多点同時計測2021

    • 著者名/発表者名
      大谷康介、江田大輝、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 光ポンピング磁気センサを用いた超低磁場MRIの開発:受信周波数特性のシミュレーションによる検討2021

    • 著者名/発表者名
      堀壮吾、笈田武範、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ハイブリッドセルを用いた光ポンピング磁気センサのグラジオメータ構成に関する検討2021

    • 著者名/発表者名
      南部康太、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ポンプ光変調を用いた光ポンピング磁気センサによる平面型多点同時計測2021

    • 著者名/発表者名
      大村剛史、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] スピンロックシーケンスを用いたMRIによる脳神経磁場計測:雑音磁場が及ぼす影響に関する検討2021

    • 著者名/発表者名
      遠藤紘矢、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] RFパルスを用いたスカラー型光ポンピング磁気センサの実証実験と性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      堀 拓真、後藤達哉、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 低磁場fMRIに向けたスピンロックシーケンスの検討: MR画像のノイズが磁場検出に及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      上田博之、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Optically Pumped Magnetometer: Advancements and Perspectives for Biomagnetic Neuroimaging2021

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      OIST Mini-Symposium for Quantum Sensors of Magnetic and Inertial Forces
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Biomagnetic neuroimaging with ultra-sensitive optically atomic magnetometers2021

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      International Joint Meeting 2020 in Kansai
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] On spin-lock preparations to detect neural magnetic fields toward low-field functional MRI2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Yosuke Ito, Takenori Oida, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      International Symposium on Creation of Advanced Photonics and Electronic Devices 2021
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A vector measurement method with optically pumped magnetometers by varying pump beam direction2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Namita, Yosuke Ito and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      International Symposium on Creation of Advanced Photonics and Electronic Devices 2021
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of ultra-sensitive optically pumped magnetometer towards next generation brain imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 11th Asian Pacific Conference on Medical and Biological Engineering
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光ポンピング原子磁気センサの基礎と次世代の脳機能計測2020

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 学会等名
      電子情報技術産業協会(JEITA)感性のセンシング・フィードバック技術分科会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Detection of tiny oscillatory magnetic fields toward low-field fMRI: A phantom and simulation study2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Yosuke Ito, Takenori Oida, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      ISMRM 28th Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spin-lock techniques toward low-field functional MRI2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Yosuke Ito, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 15th International Conference on Complex Medical Engineering CME2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Non-cryogenic magnetoencephalography with optically pumped magnetometers2020

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Ito and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 15th International Conference on Complex Medical Engineering CME2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An MR imaging simulation study on spin-lock preparations2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Yosuke Ito, Takenori Oida, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 5th Annual Science Meeting of Japanese Chapter of ISMRM
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻生体機能工学分野

    • URL

      https://bfe.kuee.kyoto-u.ac.jp/index.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻生体機能工学分野

    • URL

      https://bfe.kuee.kyoto-u.ac.jp/publications.html

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [産業財産権] 脳計測装置および脳計測方法2021

    • 発明者名
      小林哲生, 笈田武範, 森谷隆広, 斉藤右典, 須山本比呂
    • 権利者名
      小林哲生, 笈田武範, 森谷隆広, 斉藤右典, 須山本比呂
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] 脳計測装置2021

    • 発明者名
      小林哲生, 森谷隆広, 笈田武範, 斉藤右典, 須山本比呂
    • 権利者名
      小林哲生, 森谷隆広, 笈田武範, 斉藤右典, 須山本比呂
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-000124
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] 光励起磁気センサ2021

    • 発明者名
      小林哲生, 斉藤右典, 森谷隆広, 笈田武範, 須山本比呂
    • 権利者名
      小林哲生, 斉藤右典, 森谷隆広, 笈田武範, 須山本比呂
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-000146
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2020-08-03   更新日: 2023-01-30  

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