NISTら、小型の原子磁気センサを使った脳波測定に成功。SQUID並み超高感度センサの低コスト実用化めざす

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米国立標準技術研究所(NIST)らが、小型の原子磁気センサによるヒトの脳波測定に成功したとのこと。心的プロセスの研究や神経疾患の病理解明など、バイオ医療分野への原子磁気センサの応用に道を開く成果として注目されます。

脳波測定用の小型原子磁気センサ (Image courtesy of NIST)

今回、NISTとドイツの共同研究チームは、NISTが開発した原子磁気センサを使って、ヒトのまばたきや手からの刺激信号などに関連する脳内アルファ波の測定を実施。測定結果は、超伝導量子干渉素子(SQUID: superconducting quantum interference device)によって記録された信号と比較することによって裏付けられたとします。

SQUIDは、世界最高感度の磁力計として実用化されており、この種の実験では究極の評価基準として用いられるもの。NISTの原子磁気センサはSQUIDと比べると今のところやや感度が低いものの、今後SQUIDに並ぶ性能が出せる可能性があり、同時に小型で持ち運び可能、低コストといった優位性があると考えられています。

上段:フレキシブル光ファイバを用いた磁力計システムの概要。中段:小型原子磁気センサの略図。下段:同センサのヘッド部 (S.Knappe et al.(2012) Biomedical Optics Express / DOI:10.1364/BOE.3.000981)

研究成果が示しているのは、原子磁気センサが、脳磁図(MEG: magnetoencephalography)用途に利用できる可能性があるということ。MEGは脳内の電気的活動で生成される磁場を測定できる非侵襲的方法であり、ヒトの知覚・認識プロセスに関する基礎研究や、新生児の視覚検査、腫瘍切除やてんかん治療のための脳外科手術前に行われる脳内活動マッピングなどに利用されています。また、脳とコンピュータを結ぶインターフェースとしても、MEGが使える可能性があるといいます。

SQUIDを利用する既存のMEGでは、SQUIDを良好に機能させるために絶対零度近いマイナス269℃の極低温環境が必要であり、極低温冷却剤が入った重たいヘルメットの中にSQUIDの配列が実装されます。一方、NISTの原子磁気センサは角砂糖1個程度のサイズであり、室温で動作するため、MEG用ヘルメットの軽量化・フレキシブル化が可能。また、大型で製造・組立が難しい従来の原子磁力計と比べ、低コストでの量産が可能になるとみられています。

「この研究の主要テーマは、センサを小型化し、信号の発生源に接近させること。また、センサの生産技術の開発と低コスト化にも取り組んでいる」と研究チームのSvenja Knappe氏。「低コストなシステムを作ることによって、外傷性脳損傷の検査用にどの病院にも1台MEGを導入できるようになる。フットボールチームが1チーム1台MEGを備える日が来るかもしれない」と話します。

小型原子磁気センサによる脳波測定のスケッチ。まばたきに関連する脳波は領域O1、手の刺激に関連する脳波は領域C3で測定される。センサ中央と頭蓋の距離は4mm未満 (S.Knappe et al.(2012) Biomedical Optics Express / DOI:10.1364/BOE.3.000981)

原子磁気センサを構成するのは、気体のルビジウム原子約1000億個を収めた容器と低出力赤外レーザー、磁場強度を記録する光源の検出用光ファイバーなど。磁場の増加にともなってルビジウム原子がより多くの光を吸収するようになる性質を利用して磁場測定を行います。2010年にはヒトの心電図測定に原子磁気センサが用いられており、今回の研究ではそこからさらに、ルビジウム原子を気化するヒーターを再設計したり、光ファイバーの種類を変更して信号の鮮明性を高めるといった改良が加えられているとのこと。

脳波測定実験は、ベルリンにあるドイツ物理技術研究所(PTB)の磁気遮蔽施設で実施。NISTの原子磁気センサが測定する磁気信号は1ピコテスラ(1兆分の1テスラ)程度しかなく、地球の磁場はこの5000万倍の強さがあるため、実験には地磁気の遮蔽が必要になるためです。

NISTの研究チームは、光の検出量を増やすことでセンサの性能を10倍程度向上できると予想。計算では、これによってセンサの感度がSQUIDに並ぶようになるとのこと。また、マルチセンサ型磁気イメージングシステムの開発も行われており、医療検査用途への応用をめざすとしています。


発表資料

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