京都大学 大学院工学研究科 電気工学専攻 生体医工学講座 生体機能工学分野 小林研究室

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研究紹介

超高感度光ポンピング原子磁気センサの開発と医用イメージング

ヒトの脳神経活動を非侵襲的に調べる手法の中で,大脳皮質のニューロンから発生する極微弱な磁場 (fT オーダ) を計測する脳磁図(MEG)は、その時空間分解能の高さから大変重要な役割を果たしている。現在、このMEG計測には磁気センサとして1 fT/Hz1/2オーダの感度を有するSQUID (超伝導量子干渉素子) が広く使用されてきている。SQUIDを用いることで,脳から生じる磁場のマッピングや,生体内の基礎的な電気的活動に関する知見を得ることが可能となっている。しかし,SQUID は超伝導量子干渉効果を用いるため,液体ヘリウムにより極低温状態にして動作させる必要があり,装置や維持費が高くなるという問題があることは否めない。

一方,近年光ポンピング法により生成したアルカリ金属原子のスピン偏極を用いて磁場を測定する光ポンピング原子磁気センサ (optically pumped atomic magnetometer)に注目が集まっている。光ポンピングとは近接した2つのエネルギー準位における原子の占拠数に光を用いて大きな差を作る方法である。光ポンピングされたアルカリ金属原子はスピン偏極し、そこに印加される磁場が直線偏光の偏光面を回転させるため,この回転角により磁場を検出でき、光ポンピング原子磁気センサ(磁力計)として知られている。近年,スピン偏極の緩和レートが小さくなる状態(SERF) を利用すれば,センサの感度が subfT/Hz1/2オーダまで到達可能であるという報告がなされ ,SERF 状態で動作する光ポンピング原子磁気センサに期待が寄せられている。原子磁気センサは測定体積が小さくても十分な感度を保つことが期待でき,多チャンネル化により高い空間分解能を持った磁場計測が可能になると予想される。光ポンピング原子磁気センサはこのSERF条件を利用することで原理的にSQUIDを凌ぐ測定感度 (〜0.01 fT/Hz1/2) を有し,冷却装置を必要としないことから,新たなMEG用のセンサとして期待されている。光ポンピング原子磁気センサを利用したMEG計測装置は,小型化や低コスト化を可能にし,超高感度な計測によって脳機能研究に更なる発展をもたらすことが期待される。

図1 光ポンピング原子磁気センサ
を利用したヒト心磁図計測の例

関連する解説と最近の論文

  • 小林哲生:”脳神経磁場イメージングの新たな試み”,シミュレーション、Vol.33, No.2, pp.18-23 (2014)
  • 小林哲生:”高感度光ポンピング原子磁気センサ”,応用物理学会誌、Vol.80, No.3, pp.211-215 (2011)
  • T. Oida, Y. Ito, K. Kamada, T. Kobayashi : "Detecting rotating magnetic fields using optically pumped atomic magnetometers for measuring ultra-low-field magnetic resonance signals", Journal of Magnetic Resonance, Vol.217 pp.6-9 (2012)