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2018 年度 実績報告書

高感度原子磁気センサモジュールをコアとする超低磁場マルチモダリティMRIの実現

研究課題

研究課題/領域番号 15H01813
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) 2015-04-01 – 2020-03-31
キーワード原子磁気センサ / 光ポンピング / MEG / MRI
研究実績の概要

本年度は、光ポンピング原子磁気センサモジュールに関して、高感度を保持したまま小型化を図ることを目的として新たな小型ガラスセルの開発を行った。さらに、この小型ガラスセルを組み込んだコンパクトな光ポンピング原子磁気センサモジュールの設計を行い、そのプロトタイプの試作を行った。一方、大型ガラスセル(5cmx5cmx5cm)を用いた多チャネル生体磁気計測に関しては、ヒトの開眼・閉眼に伴って後頭葉の視覚野近傍において8~13Hz帯の自発脳磁界律動である(α波)のパワーが変動する事象関連脱同期の8チャンル同時計測に成功しその多チャネル計測の実証とその有効性を示す事ができた。
また、生体磁気計測に向けたK原子とRb原子を混合してガラスセルに封入する我々のオリジナル技術であるハイブリッド型光ポンピング原子磁気センサについては、両アルカリ金属原子の密度ならびに密度比に伴って感度や帯域幅といったセンサ特性が如何に変化するのかについて、実験ならびにシミュレーションにより詳細に検討し、セルサイズやセル温度に応じた最適な密度比を決定することによりさらなる高感度化が達成できることを世界に先駆けて報告した。
光ポンピング原子磁気センサモジュールを用いた超低磁場MRIに関しては、まずシミュレーションによってフラックストランスフォーマを用いた遠隔計測と誘導コイルを用いた撮像に対する詳細な比較・検討を行った後、超低磁場における超偏極XeのMRI撮像のためのパルスシーケンスの開発を進めた。その後、実際に円筒形の容器に封入した超偏極Xeの撮像を行い、遠隔計測したNMR信号から画像の再構成に成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

K-Rbハイブリッド型光ポンピング原子磁気センサを用いた8チャネルのMEG同時計測(事象関連脱同期計測)に成功したことは大きな成果である。また、超低磁場マルチモダリティの実現に向けて超偏極Xeを対象としてNMR信号をフラックストランスフォーマと組み合わせた遠隔計測によってMR画像の再構成に成功したことは世界を先導する画期的な成果であり、順調に計画した研究内容が達成できていると言う事ができる。

今後の研究の推進方策

最終年度は、前年度試作した小型ガラスセルを組み込んだ1チャネル光ポンピング原子磁気センサ(OPAM)モジュールのプロトタイプのさらなる高感度化と小型化を行う。ここで、高感度化については、K原子とRb原子のハイブリッド型OPAMモジュールを対象に,二つの原子を封入するガラスセルの温度ならびに原子密度比を最適に設定したセルを試作し、シミュレーションで予測される最高感度に到達させる。一方、大型ガラスセルを用いた多チャネルOPAMでの計測に関しては、計測チャネル数を前年の8チャネルから大幅に増加させ,各チャネルで計測される磁気信号の差分を得る一次微分型のグラジオメータをハードウェア的に構成しノイズの低減を行う.加えて,多チャネルOPAMの出力信号をAD変換後にフィルタリングすることや,多変量解析を含む各種信号処理を行うことで、さらなるノイズの低減とS/Nの向上を図る.その後、これらのOPAMを用いてヒトを対象として視覚誘発脳磁界(VEF)を中心とした誘発磁場応答の計測と,数Hz~100Hzで観測される複数の自発律動に基づく事象関連同期・脱同期に基づく脳機能計測を行う。
OPAMモジュールを用いた超低磁場MRI(ULF-MRI)に関しては、上記の新たな小型OPAMモジュールを受信センサとする遠隔ULF-MRIを、MEG計測との同時計測が行えるマルチモダリティシステムとして,そのプロトタイプ機を試作する。その後,この新たなULFマルチモダリティMRIシステムを用いたMRI撮像に向けて,高速撮像パルスシーケンスの開発ならびに超偏極XeとプロトンのMR用ファントムを対象にした画像化を行う。
なお,以上の研究成果については、そのつど論文や国際会議等での発表などにより公表すると共に、最後に研究全体の総括を行って研究を完結させる。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 11件、 招待講演 3件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Temperature characteristics of K-Rb hybrid optically pumped magnetometers with different density ratios2019

    • 著者名/発表者名
      Sho Ito, Yosuke Ito, Tetsuo Kobayashi
    • 雑誌名

      Optic Express

      巻: 27 ページ: 8037~8047

    • DOI

      https://doi.org/10.1364/OE.27.008055

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamics of magnetization under stimulus-induced rotary saturation sequence2018

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

      Journal of Magnetic Resonance

      巻: 295 ページ: 38~44

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jmr.2018.07.004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 初等連載講座(第5回)SQUID & 光ポンピング原子磁気センサ2018

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 雑誌名

      日本磁気学会誌まぐね

      巻: 13(3) ページ: 135-143

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 低磁場MRIによる神経活動の直接計測に向けたスピンロック撮像法:SIRS法におけるスポイラーとバンドアーティファクトに関する検討2018

    • 著者名/発表者名
      上田博之、伊藤陽介、笈田武範、谷口陽,小林哲生
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 118(106) ページ: 13-18

  • [雑誌論文] ハイブリッド型光ポンピング原子磁気センサの原子密度における原子密度に応じ た出力信号特性の検討2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤 笙, 伊藤陽介, 小林哲生
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 118(321) ページ: 9-14

  • [雑誌論文] 原子磁気センサとフラックストランスフォーマを用いた遠隔超低磁場NMR信号計測の感度向上2018

    • 著者名/発表者名
      森口 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: 118(321) ページ: 15-20

  • [雑誌論文] 光ポンピング原子磁気センサを用いた超低磁場MRIにおける超偏極Xe画像化2018

    • 著者名/発表者名
      長谷川直樹, 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: 118(321) ページ: 21-24

  • [雑誌論文] 光ポンピング原子磁気センサを用いた超低磁場MRIにおける超偏極Xe画像化2018

    • 著者名/発表者名
      喜多謹仁, 笈田武範, 長谷川直樹, 小林哲生
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 118(321) ページ: 25-29

  • [雑誌論文] 神経磁場を捉える新原理の機能的MRI ~低磁場MRIによる機能的結合計測の試み~2018

    • 著者名/発表者名
      上田博之、伊藤陽介、笈田武範、谷口陽,小林哲生
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 118(493) ページ: 13-18

  • [学会発表] 超高感度光ポンピング原子磁気センサと次世代の脳機能イメージング2019

    • 著者名/発表者名
      小林哲生
    • 学会等名
      豊田工業大学第1回スマート光・物質研究センターシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Towards identification of neural circuits associated with neuropsychiatric disorders: Diffusion profiling analyses to evaluate local disruptions along automated clustered nerve fiber tracts2019

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi, Shiho Okuhata, Ryosuke Nakai
    • 学会等名
      International Symposium of Brain Projects: From Structure to Function
    • 国際学会
  • [学会発表] A simultaneous three-axis measurement method of magnetic fields using optically pumped magnetometers2019

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Namita, Yosuke Ito and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      Symposium on creation of advanced photonic and electronic devices 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Toward direct imaging of neural activities using MRI: Phantom and simulation studies on a new spin-loch preparation sequence2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Yosuke Ito, Takenori Oida, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      Symposium on creation of advanced photonic and electronic devices 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] 低磁場MRIによる脳機能計測に向けたスピンロック撮像法により取得されるMR信号特性の検討2019

    • 著者名/発表者名
      曽我部智之, 上田博之, 伊藤陽介, 谷口 陽、小林哲生
    • 学会等名
      第21回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • [学会発表] Towards Next Generation Biomagnetic Imaging: Development of Ultra-sensitive Optically Pumped Magnetometer2018

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      Biomag2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optically pumped atomic magnetometers: Perspectives for new optical biomagnetic imaging systems2018

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      第42回日本磁気学会学術講演会Symposium ” Perspective of ultra-high-sensitive magnetic sensors”,
    • 招待講演
  • [学会発表] Measurements of magnetic nanoparticle signals with a compact OPM towards MRI-MPI hybrid systems2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Kato, Tekenori Oida, Yosuke Ito and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      6th Workshop on Optically Pumped Magnetometer 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] A 20-channel probe-beam detector for optically pumped K-Rb hybrid magnetometers and MEG measurements2018

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Ito, Kazumasa Nishi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      Biomag2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of a novel glass cell for compact and portable optically pumped magnetometers towards biomagnetic applications2018

    • 著者名/発表者名
      Norihisa Kato, Yosuke Ito, Motohiro Suyama and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      Biomag2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Biomagnetic-field measurements with optically pumped magnetometers using K-Rb hybrid cells2018

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Ito, Kazumasa Nishi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Complex Medical Engineering CME2018
    • 国際学会
  • [学会発表] A novel spin-lock MR sequence towards direct imaging of functional connectivity with low-field MR2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Hiroaki Seki, Yosuke Ito, Takenori Oida, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Complex Medical Engineering CME2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Automatic white matter analysis to evaluate local disruptions along nerve fiber tracts towards identification of neural circuits associated with neuropsychiatric disorders2018

    • 著者名/発表者名
      Tetsuo Kobayashi, Kazuki Ida, Shiho Okuhata, Ryosuke Nakai, Naoya Furuhashi and Koma Suzuki
    • 学会等名
      Sixth Biennial Conference on Resting State and Brain Connectivity
    • 国際学会
  • [学会発表] A new spin-loch preparation toward direct imgaging of functional connectivity2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ueda, Hiroaki Seki, Yosuke Ito, Takenori Oida, Yo Taniguchi and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      The 3rd Annual Science Meeting of Japanese Chapter of ISMRM
    • 国際学会
  • [学会発表] 光ポンピング原子磁気センサを用いた超低磁場における超偏極XeのNMR計測2018

    • 著者名/発表者名
      長谷川直樹, 笈田武範, 小林哲生
    • 学会等名
      第33回日本生体磁気学会大会
  • [学会発表] 超低磁場NMR信号の原子磁気センサとフラックストランスフォーマを用いた検出の有用性に関する検討2018

    • 著者名/発表者名
      森口 司, 笈田武範, 小林哲生
    • 学会等名
      第33回日本生体磁気学会大会
  • [学会発表] 生体磁気計測に向けたハイブリッド型光ポンピング原子磁気センサのアルカリ金属原子密度比の検討2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤 笙, 伊藤陽介, 小林哲生
    • 学会等名
      第33回日本生体磁気学会大会
  • [学会発表] 原子磁気センサを用いたMPI に向けたハーもニック型計測の高速化2018

    • 著者名/発表者名
      笈田武範、加藤健太郎、伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      第33回日本生体磁気学会大会
  • [学会発表] 20チャネル光ポンピング原子磁気センサの開発とヒト脳磁図計測2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤陽介、西和将、小林哲生
    • 学会等名
      第33回日本生体磁気学会大会
  • [学会発表] ODF-based automatic fiber clustering for anatomically constrained reconstructed whole-brain fibers2018

    • 著者名/発表者名
      Shiho Okuhata, Ryusuke Nakai and Tetsuo Kobayashi
    • 学会等名
      第41回日本神経科学会大会
  • [学会発表] 位相補償回路を用いた光ポンピング原子磁気センサの過渡特性の改善2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤陽介、小林哲生
    • 学会等名
      電気学会平成30年度基礎・材料・共通部門大会
  • [学会発表] 超低磁場MRIにおける強帯域SWIFT法による超偏極Xeの画像化2018

    • 著者名/発表者名
      笈田武範、長谷川直樹、小林哲生
    • 学会等名
      第46回日本磁気共鳴医学会大会
  • [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

      http://bfe.kuee.kyoto-u.ac.jp/

  • [産業財産権] 光励起磁気センサ用セル2018

    • 発明者名
      小林哲生, 加藤統久, 須山本比呂
    • 権利者名
      小林哲生, 加藤統久, 須山本比呂
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2018-0848
  • [産業財産権] 光励起磁気センサ2018

    • 発明者名
      小林哲生, 加藤統久, 山田将来、須山本比呂
    • 権利者名
      小林哲生, 加藤統久, 山田将来、須山本比呂
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2018-0849

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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