2015 Fiscal Year Annual Research Report
超偏極3He-MRIのための高偏極３Heガス生成法の確立
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26287050
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| Research Institution | Kobe Tokiwa University |
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Principal Investigator |
田中 正義 神戸常盤大学, 保健科学部, その他 (70071397)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上田 国寛 神戸常盤大学, 保健科学部, 教授 (00027070)
藤原 守 大阪大学, 核物理研究センター, その他 (00030031)
太田 岳史 大阪大学, 核物理研究センター, 研究員 (20727408)
牧野 誠司 和歌山県立医科大学, 医学部, 教授 (70222289)
與曽井 優 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (80183995)
藤村 寿子 和歌山県立医科大学, 医学部, 准教授 (90378589)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 極低温物理学 / 強制核偏極法 / 核スピンイメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究実績は、その「具体的内容」、「意義と重要性」、及び、「今後の研究の展開」に従って、述べる。平成27年度は、当初の「実施計画書」通りに研究実績は上げられなかった。
１）具体的内容：本研究心臓部の冷却素子のエポキシ・タイプのポメランチュクセルの構造上の問題を解決した。その改良点は、3He室と4He室の両方に2系統のキャピラリーチューブを取り付け、希釈冷凍機 (DRS2500)の外部（常温）に圧力計を取り付け、3He、4Heガスの充てんをモニターできるようにした。これは前年度に発生した問題「3He室、4He室にガスが本当に充てんされているのか」を解決するのに役だった。次に、大きな問題だったのは、希釈冷凍機（DRS2500)使用上の問題であった。DRS2500を本研究では主冷凍機として用いているが、偏極HD（水素重水素）標的生成にも用いてきた。平成27年度は偏極HD標的生成に使用される頻度が高く、本研究に使用することができなかった。そのため我々は新たに、無冷媒型希釈冷凍機 (KOBE10μ)を導入した。これは、冷媒として、液体ヘリウムを必要とせず、かつ、ポメランチュクセル部の性能を調べ、改良する上で、極めて便利な装置である。大阪市大の協力で、KOBE10μの最適化を行い、到達温度133 mKを達成した。最後に、3Heの偏極度を17 Tで測定するために、デジタルNMR装置を開発して、陽子NMRスペクトル観測に成功した。
２）意義と重要性：わが国では、小熱容量エポキシ・ポメランチュクセルの経験がないが、本研究にとっては、冷却能力が比較的低い希釈冷凍機でも使えることを目指す意義は大きい。また、17 T用のデジタルNMR装置はPC，PXI系の構成で、Labviewで制御されるコンパクトな装置で、多くの分野でも応用される。
３）今後の研究展開：KOBE10μからDRS2500へと進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
希釈冷凍機（DRS2500)と17 T超電導ソレノイドコイルは、本研究と偏極HD標的開発で共用されていて、両研究に不可欠な装置である。平成27年度は主として偏極HD開発に使われ、本研究では使うチャンスが殆ど無かった。この深刻な問題解決のため、新たに無冷媒希釈冷凍機（KOBE10μ)を導入して、本研究開発に特化した実験に使えるようにした。本年度は、KOBE10μの最適化、特性測定等に多くの時間が費やされた。
また、予期出来なかった問題としては、ポメランチュク冷却は低温で34気圧以上に3Heを加圧する必要があったが、3He室と4He室を仕切るカプトン膜がこの条件に耐えられず破壊してしまったことが挙げられる。
更に、低温でのガス導入用キャピラリーチューブの不純物による詰まりや、エポキシ接合部の4He超流動による漏れ等、低温実験物理上の基本的問題も解決しなければならなかった。
まとめると、本研究が遅れた主たる理由は、１）希釈冷凍機を共用せざるを得なかったこと、２）ポメランチュクセルの設計の不完全さ（極低温、高圧を十分考慮していなかった）で破壊され再生に多大の時間を要したこと、３）3He、4Heガス導入がモニターが不完全だったので、セルに投入されたかどうかの確証が得られず、多大の時間を要したこと等である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策について、「研究計画の変更」、「研究遂行上の課題とその対応策」及び「今後の推進方策」を述べる。
１）研究計画の変更：無冷媒希釈冷凍機(KOBEμ)の導入によるポメランチュク、冷却テストとNMRによる液体、固体3He核偏極度測定を独占的に可能にする。これにより、常時、装置の開発、改良、性能測定が行われ、研究スピードが劇的に上がると期待される。
２）研究遂行上の課題とその対応策：KOBEμの導入は予定していなかった課題なので、科研費助成金の範囲内で工面する必要がある。また、次年度は科研費助成の最終年にあたっており、その期限内にDRS2500と17-T超電導ソレノイドコイルによる最終実験を行わなければならないが、期限内達成が無理な場合は助成期間の1年の延長も視野に入れる必要がある。
３）今後の推進方策：希釈冷凍機は基礎開発にKOBEμと1-T超電導ソレノイドコイルを用い、最終実験はDRS2500と17-Tを用いる2本立てとする。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は、以下の通りである。
既述したように、平成27年度は、希釈冷凍機（DRS2500）と17 Tによる強制偏極法による超偏極3He生成の実証実験までには至らなかった。また、ポメランチュクセル自身に多くの改善の余地があることが分かった。更に、DRS2500を用いた本番実験に入る前に、無冷媒希釈冷凍機（KOBE10μ）での、総合テストを行う必要が生じた。以上のことから、平成27年度では、本来スケジュールされていた実験が遂行できず、次年度使用額が生じてしまった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
翌年度分として請求した研究費と残余使用額を合併した次年度の使用計画は以下の通りとする。１）無冷媒希釈冷凍機（KOBE10μ)を用いた研究：KOBE10μのミクシング・チェンバー（Mixing chamber）に,高純度銅ロッドを介してエポキシ(PEI)製のNMRセルを取り付け、超電導ソレノイドコイルによって発生した1 T磁場を用いて、陽子、フッ素のNMRスペクトルを取る。ポメランチュクセルに取り換え、液体3Heのポメランチュク冷却を行い、液体3Heに比べ、核偏極度の増大が見られることを確認する。２）希釈冷凍機（DRS2500）を用いた研究：DRS2500を用いて最終段階の研究に入る。NMR法によって3Heの核偏極度を測定して、磁場17 T、到達温度10 mKで3He核偏極がKOBEμに比べ、向上することを確認する。高速融解法で室温の偏極3Heガスを生成し、偏極度を測定し、MRIイメージング実験へと向かう。
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[Journal Article] Production of Hyperpolarized 3He Gas for Medical Imaging2016
Author(s)
M. Tanaka, S. Makino, H. Fujimura, T. Ohta, M. Yosoi, M. Fujiwara, Y. Kasamatsu, K. Ueda, G. Rouille, G. Frossati, and A. de Waard
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Journal Title
PoS (Proceedings of Science), Italy
Volume: PSTP2015
Pages: 1-6
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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