２．Appendix：量子磁気計測センサ応用ME機器の実用化の展望（私見）

2.1　脳磁計（MEG）

脳磁計（MEG）は超電導量子干渉素子（SQUID）を用いたものが商品化されたが、液体ヘリウム冷却を必要とし、有用性もあまり確認されていない。新しいMEGは室温で動作し、取扱いが容易で、多くの医療関係の研究者に使用してもらい、診断等に活用してもらうことが必要である。多チャンネルの最高性能の光ポンピング原子磁気センサ[A1]が期待される。

2.2　磁気共鳴イメージング装置（MRI）

本文では0.15Tの小型の常電導磁石で十分な画質と速度の試作品を報告したが、現在実用化されているのは超電導磁石を用いた製品で、装置が大型で設置も大変である。信号検出感度が向上すれば、低磁場でも十分な画質が得られる。光ポンピング原子磁気センサ[A1]、ダイヤモンドNVセンター[A2]、などが提案されている。MRIは既に確立された市場もあり、更に低磁場で小型の製品が開発されれば、世界中に市場が広がる可能性がある。正に新しい産業に育つことになる。企業でも適切な磁場を設定して汎用のMRI装置を開発することは可能である。

2.3　心磁計（MCG）

最近MCGの必要性が報告されている。（筑波大学、日立製作所2019）[A3] 。室温動作のMR素子を用いたMCGも発表されている。2015年：東北大学-コニカミノルタ[A4]、2019年：TDK-東京医科歯科大学大学院）[A5]。これらの中でもMCGの重要性が記載されている。
MCGは日本ではSQUIDを用いたものが２台設置されているに過ぎない（国⽴循環器病研究センター病院、筑波大学附属病院）。検査に使用され、保険適用されているが利用は限られている。
筆者は不整脈で薬による治療を行っているが、薬の変更が必要となり、専門医に相談した。カテーテルアブレーション手術を勧められたが、危険を伴うので、薬の変更で対処してもらっている。不整脈の発生部位と状況を正しく把握できれば、最適な薬の選択や安全な手術が可能になるものと考える。
早急にマルチチャンネル化した高性能磁気センサのMCGを開発し、全国の不整脈専門医に普及させる必要がある。光ポンピング原子磁気センサ[A1]、MR素子[A4] [A5]などの常温動作の機器が候補になる。

【著者紹介】
大手　明 （おおて　あきら）
大手計測センサ技術事務所
（元 横河電機（株） 取締役中央研究所長）

■略歴
1961東京大学工学部応用物理学科卒業（計測工学専修）、横河電機製作所（現横河電機株式会社）入社
工計研究部、研究開発部などにて
1961-76 主としてプロセス制御用計測器及び温度計測関係の研究開発に従事
差動容量式変位変換器／磁気式変位伝送器／アナログ式プロセス制御システム（I-Series）／トランジスタ温度センサ／ＮＱＲ（四重極共鳴）標準温度計
1976- 研究開発部 室長・部長として研究開発の企画推進
超音波診断装置／NMRイメージング装置（MRI）／コヒーレント光通信用計測技術／高速電子計測技術
1990 電子デバイス本部長、計測制御機器用センサ及びＩＣの開発、設計、生産を担当
1996 取締役中央研究所長、
1998 同社顧問兼横河総合研究所副社長
2003 横河電機技術開発本部技術コンサルタント。
現在 株式会社イーエス技研 監査役、技術顧問
　　（大手計測センサ技術事務所）
（次世代センサ協議会元理事、海洋計測センサ部会元代表）

■受賞等
工学博士（1980年東京大学）、IEEE Life Fellow、計測自動制御学会フェロー
1975年 科学技術庁 第１回研究功績者表彰 「ＮＱＲ標準温度計」

４. 　小型OPMモジュールの開発とMEG計測

我々は、これまで多チャネルMEG計測に向けた小型OPMモジュールの開発を行ってきており、2012年に最初のOPMモジュールを報告した。その後、小型・高感度化を進め2015年に報告した¹⁰⁾第二世代のOPMモジュールを（図５）に示す。このOPMモジュールでは、底面積64cm²、高さ19cm程度の円筒型であり、内部にセンサ本体となるカリウムを封入した一辺2cmの立方体ガラスセルを有している。

図６に、この小型OPMモジュールを用いた視覚誘発脳磁界（VEF）の計測例を示す。この例では、上部に示したチェッカーボードパターン用い、左右視野に分けてパターンリバーサル刺激を呈示した際の結果を示している。上段がOPM、下段が全頭型SQUID-MEGシステム（Neuromag社製）を用いたVEFである。両者は共通の応答と捉えていることが分かる。また、このOPMモジュールを用いて、自発律動の計測にも成功している¹⁰⁾。なお、小型OPMモジュールについては、実用化を目指した産学共同研究を現在も継続している。

５. 　OPMを用いたULF-MRI

我々はOPMモジュールをセンサとし、前節で紹介したMEGなどの生体磁気信号の同時計測も可能なマルチモーダルな超低磁場MRIシステムの実現を目指して研究・開発を進めてきた。OPMのように低周波数帯域で超高感度な磁気センサを用いれば静磁場強度が1μT〜10mTでMRIを撮像可能な超低磁場MRIの実現も可能であり、形態と機能の同時計測可能な高次生体磁気イメージングシステムの実現へと繋がる基盤技術としてその開発・実用化に大きな期待が集まっている。
我々は、小型のOPMモジュールをMR信号の受信に用いる超低磁場MRIに関して、水冷型のpre-polarizedコイル、２次微分型の入力側コイルを備えたフラックストランスフォーマ、OPMモジュールを組み合わせて遠隔計測するシステムのプロトタイプを設計・試作し、合わせてこのMRIシステム用のパルスシーケンスの開発を行った。本マルチモダリティULF-MRIのプロトタイプでは、フラックストランスフォーマの入力コイルを２次微分型とすることによりS/Nを向上させ、さらに独自の水冷のプリポーラライズ磁場コイルを製作し、2016年にはラーモア周波数が5kHzという低周波数において初めてOPMによる磁気共鳴信号ならびにMRIの撮像に成功した¹¹⁾。OPMをセンサとする超低磁場MRIは、装置の小型・低価格が図れるメリットがあることから、近所のクリニックなどへの普及が容易で、さらに検診車に搭載することも可能であり、その実用化によって各種疾患のスクリーニングや早期発見に寄与することが期待される。
さらに、我々はこのMRI撮像に用いたものと同一のOPMモジュールを用いた磁気粒子イメージング(MPI)に向けて、超常磁性酸化鉄ナノ粒子を対象とした微弱磁気信号の遠隔計測を試み、0.01μmolの磁気粒子（Resovist）からの磁気信号の検出にも成功した¹²⁾。

６. 　まとめと展望

我々は、上記のULF-MRIにより解剖画像だけではなく機能的MRI計測を行うことを目指している。そこで、神経活動の直接計測が期待されているスピンロック撮像法に着目した基礎実験を行なってきた^13-15)。スピンロック撮像シーケンスはスピンロックとそれに引き続く撮像シーケンスであり、磁化が計測対象となる振動磁場と2次回転座標系において核磁気共鳴を起こし、MR信号強度が減衰することを利用している。この新たなfMRIの原理はULF-MRIにも適用可能であることから、OPMを共通のセンサとしたMEGとfMRIを融合した次世代の脳機能計測の実現が期待でき、多くの謎に包まれているヒトの高次脳機能のメカニズム解明と臨床応用に繋がるものである。
OPMは、その感度の高さから脳機能計測に留まらず磁気計測に関連する様々な分野にイノベーションやパラダイムシフトを起こす大きな可能性を有している。今後、OPMのさらなる高感度化・小型化・低価格化により、OPMをコア技術とする次世代の脳機能計測の実用化が早期に実現し、脳機能の謎の解明と医療分野への応用が進むことが期待される。

【著者紹介】
小林　哲生（こばやし　てつお）
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 教授

■略歴
1984年　北海道大学大学院工学研究科 電子工学専攻 博士後期課程修了（工学博士）
1984年〜1992年　北海道科学大学講師・助教授
1987年〜1992年　University of Rochester, USA, Visiting Scholar
1992年〜2004年　北海道大学電子科学研究所講師・助教授
1996年〜1997年　Simon Fraser University, Canada, Visiting Associate Professor
2004年3月より現職

専門分野は、脳計測科学、電気電子工学、認知神経科学、ニューロイメージングなど。現在、国際複合医工学会副理事長，国際磁気共鳴医学会日本支部 (ISMRM-JPC) Past-Chair, 国際脳電磁図トポググラフィ学会 (ISBET) 理事，日本生体磁気学会理事・監事・第36回大会長、International Journal of Magnetic Particle ImagingのEditorなどを務めている。医用生体工学分野の国際賞James Zimmerman Prize (IFMBE, 2018年)などを受賞。

3.国産の走査型SQUID顕微鏡の開発

ヴァンダービルト大学での成功により、SQUID顕微鏡による鉄マンガンクラストのサブミリメータ古地磁気層序による年代推定の道が開けたが、米国での実験には制約条件や問題も多かった。十分なマシンタイムを確保し、自由な発想で様々な実験を行うには、自ら装置を持つ必要があると考え、日本でSQUID顕微鏡を準備することとなった。金沢工業大学の河合淳教授が脳磁計用のSQUID素子を開発していることを知り、連絡を取って事情を話したところ、「やってみましょう」との返答をいただき、科研費申請に協力いただくことになった。科研費は、最初の申請から5年目の2013年に「SQUID顕微鏡による惑星古磁場の先端的研究の開拓」として採択された。

4.走査型SQUID顕微鏡の詳細と初期成果

SQUID顕微鏡本体の初期動作は、プロジェクト2年目の2014年に確認された⁶⁾。図2aが模式図になるが、真空断熱層の距離（リフトオフ）調整のために、中空構造のクライオスタットを用いた。液体ヘリウムリザーバの中央は中空構造になっており、マイクロメータに接続されたシャフトが貫通している。シャフトはフレクシャー機構を介して冷却用の銅ブロックに接続され、銅ブロックにサファイアロッドが取り付けられている。SQUIDチップ（図2b）はサファイアロッド先端に実装され、メタライズ配線を通して外部と電気接続されている。SQUIDは1mm角のSi基板上にNb系の薄膜技術で作製され、200μm角のワッシャタイプの検出コイルにより磁場の垂直成分を検出する。室温で試料に接触するサファイア窓は直径3mmφ、厚さは40μmである。リフトオフはサファイア窓が取付けられたベローズの伸縮で粗調整し、マイクロメータの回転で微調整する。液体ヘリウムリザーバ容量は約10Lで、1日約3Lの液体ヘリウムが蒸発する。SQUID 素子の動作ノイズは1.1pT/√Hz@1Hzであった。温度変化によるドリフト低減のために、低ドリフトFlux-Locked Loop（FLL; SQUID素子磁場読み取りのための電子回路）を開発し、14μV/℃を実現した。直線電流が作る磁場で計測されるリフトオフの最小値は約120μmで、このときセンサと試料表面の距離は約200μmである。
図2cはSQUID顕微鏡システムの全体像である⁷⁾。SQUID 顕微鏡本体(D)はPCパーマロイ２重磁気シールド(E)の中で上部アルミフレームに保持される。磁気シールドは外部磁場変動を1/100程度に低減する。試料測定部の残留磁場は3nT程度以下である。磁気シールドは下部アルミフレーム（B）で支えられ、アルミフレームにはXYZステージ駆動部が配置される。試料は長い非磁性アクリルパイプ先端に装着して駆動部と距離を離し、磁気ノイズ低減を図っている。XYZステージは専用ソフトウェアでPCから制御され、FLLのアナログ出力はADコンバータでデジタル化してPCに入力される。後に、液体ヘリウムリザーバ内部に挿入したレファレンスセンサにより、地磁気の日変化に起因する変動磁場や実験室周辺のノイズの除去を可能とした⁸⁾。開発されたSQUID顕微鏡を用いて、コバルトリッチクラストが確認されている北西太平洋の拓洋第5海山の薄片試料を分析した。この結果、成長速度3.4mm/百万年のほぼ一定な成長を示す年代値が得られ、ベリリウム同位体による成長速度の推定値（2.9mm/百万年）とも一致することが確認された⁹⁾。

5.野島断層の加熱履歴

鉄マンガンクラストに続き、東北大学との共同研究として、1995年1月の兵庫県南部地震で大きな変位が確認された淡路島の野島断層から薄片試料を作成し、SQUID顕微鏡で分析を行った¹⁰⁾。断層運動にともなって流動化した岩石が波打った構造を示すが（図3a）、1995年以前の断層活動によると推定されている。磁気画像（図3b）で、流動化した部分を中心に帯状に強い磁場が確認できる。これは、断層運動で加熱されて磁性鉱物が生成され、地球磁場中で冷却する際に強く磁化したと考えられる。

6.42億年前の地球磁場

さらに、米国ロチェスター大学との共同研究として、ジルコン粒子の分析により、42臆年前に地球磁場が存在した可能性を示した¹¹⁾。西オーストラリアのジャックヒルズには44億年前の最古のジルコン粒子を含む堆積岩が分布している。本研究では、40-41臆年前のジルコン粒子が現在と同程度の比較的強い地磁気強度を持つこと、40-42億年前の地球磁場強度が信頼できることを示した。ジルコン粒子中のウランは年代推定に用いるが、放射壊変に伴うアルファ粒子は結晶の破壊と変質を引き起こし、変質部に後から生成した磁性鉱物による偽の磁場強度を示す。このため、ジルコン粒子には厳しい選定基準（合格率2%）を課すとともに、信頼性を確認した。信頼性確認には同位体顕微鏡など様々な分析装置が使われたが、SQUID顕微鏡によって、ジルコン粒子に安定磁化を保持する磁鉄鉱が存在すること、周囲の石英には変質による磁性鉱物がないことが示された。本研究成果は、地球創世直後の地球磁場が太陽風荷電粒子を遮ることで、地球大気の宇宙空間への散逸を防いで保持し、生命の進化に貢献したことを示唆する。

7.今後の課題と展望

世界的な液体ヘリウム供給不足によってSQUID顕微鏡の運用が困難となっているため、液体ヘリウム液化循環装置の導入を検討中である。また、サファイアロッドへのSQUIDチップ装着・配線方法の改良による安定性と分解能の向上、ソフトウェアの改良などを計画している。これら改善を進めつつ、地質試料の磁気記録を高精度で読み取り、多くの謎に包まれた地球の歴史を紐解くことが目標である。

【著者紹介】
小田　啓邦（おだ　ひろくに）
産業技術総合研究所
地質情報研究部門
上級主任研究員

■略歴
1995年　京都大学理学部地質学鉱物学専攻 博士課程修了
工業技術院地質調査所 ポスドク、職員を経て
2001年より産業技術総合研究所 職員
2016年より現職


2001年4月〜2002年3月 文部科学省研究開発局海洋地球課併任
2002年3月〜2004年3月 ユトレヒト大学地球科学部在外研究