アモルファスメタル応用のポータブル心磁計開発

文献情報

• 文献番号: 201434022A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: アモルファスメタル応用のポータブル心磁計開発
• 課題番号: -
• 研究年度: 平成26(2014)年度
• 研究代表者(所属機関): 中山 晋介(名古屋大学 大学院医学系研究科)

研究分担者(所属機関)

• 西脇　公俊(名古屋大学・大学院医学系研究科、麻酔科学・集中治療)
• 宮崎　秀樹(フジデノロ・技術開発部、エレクトロニクス)
• 田口　喜崇(フジデノロ・技術開発部、微細加工)
• 加藤　進輔(フジデノロ・技術開発部、生体工学)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 【委託費】 医療機器開発推進研究
• 研究開始年度: 平成26(2014)年度
• 研究終了予定年度: 平成26(2014)年度
• 研究費: 29,500,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

生体磁界は微弱のため高感度の磁気計測器が必要とされた。そのため、超伝導量子干渉デバイス(SQIUD)や光励起原子磁気計測器(OPAM)に代表される大型計測機器がこれまで使用されてきた。
そこで申請者グループは、小規模な医療施設、研究室や在宅において、生体活動に伴うベクトル磁界などの高度な物理量を計測するために、アモルファスメタルを感磁部として含有する磁気センサの応用を提案する。本研究では特に、心臓活動に由来する生体磁界計測が可能なポータブル機器の開発を目的とする。

研究方法

　アモルファスメタル製磁気センサは、SQUIDやOPAMと比べ感度は低いが、地磁気中でも検出素子が飽和しないので、磁気シールドルームを必要としない。また、室温で作動するため冷却コンテナなども必要なく、コンパクトな構成で使用できる。
　２６年度は、アモルファスメタル製磁気検出素子として、数種類の磁気直線性磁気インピーダンス(MI)素子と軸近傍磁化整列(IPA)素子を試作し、そのトランスデューサコイル検出器としてFPGAコントロール高速ADコンバータを搭載したデジタル計測システムを試作した。一方、アモルファスメタル製磁気検出素子が生体計測用として適するか感度チェックのために、アモルファスメタルワイヤの励起とコイル起電力のサンプルホールドタイミングを可変コントロールできる評価用システムを作成した。

結果と考察

　磁気直線性MI素子の感度特性を知るために、検出コイル径と巻き数、及びアモルファスワイヤの比透磁率を変えた素子の試作を行った。コイル巻き数とコイル径を適度に調整することで、50-70 μV/nTの出力を得た。また、比透磁率が３分の２程度のアモルファスワイヤを使用した場合は、地磁気を越える外部磁界でもセンサレスポンスの飽和は起こらなかった。一方、マイクロマニピュレータとインクジェットを使用して、IPA素子も試作した。一本のアモルファスワイヤを励起するために、100 μmの近傍に配置する励起導線の本数を1, 2, 4本と変えたところ、4本の導線で励起した場合は1本に比べ約２倍のコイル起電力が得られた。これはシミュレーション結果と一致した。
　試作されたアモルファスメタル製磁気検出素子の特性を、励起検出用パルスタイミング可変の評価計測システムを用いて調べた。励起パルス電流(振幅100 mA, 幅100-300 ns)を適切な間隔（1-3 μs）で繰り返し与えれば、サンプルホールドタイミングを適切(60-150 ns)に設定することで、いろいろな素子の感度の最適化を行えることが分かった。現在のアモルファスメタル製素子では、常時100 μV/nT程度の変換効率で生体磁界を検出できることが分かった。計測時において、生体試料に特別な反応が誘起されることはなかった。

結論

２６年度は、いろいろなアモルファスメタル製磁気検出素子を試作し、その感度特性を調べることができた。また、アモルファスメタル励起とコイル起電力検出タイミングの適切な設定によりセンサ感度を向上できることも確認できた。今後の開発において、アモルファスメタルと励起用導線の微細な配置を進め、検出システムに高速ADコンバータを組み込むことで、さらに高感度且つ安定的な磁界計測が可能と考えられる。２６年度に分かったアモルファスメタル製検出素子とデジタル検出回路特性を踏まえ、次年度は信号積算により磁界を簡便に計測する機器（ポータブル心磁図など）の製作を行う。

公開日・更新日

• 公開日: 2015-06-16
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 201434022C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: 2015年: アモルファスメタルを感磁部とする心臓磁界用のセンサヘッド数種類を製作するとともに、その特性を詳しく評価するためのパルス駆動検出システムを構築した。現在、モデル磁界や生体試料などを計測してデータを蓄積しており、論文発表の準備を進めている。; 2017年: 医療施設を含めヒト胸部磁界データ（心電図同時記録）を蓄積している。アンペール・マックスウェルの式第１,２項をともに考慮して、名古屋大学は研究発表を検討している。
• 臨床的観点からの成果: 2015年: 製作したアモルファスメタル製センサヘッドとパルス駆動検出システムを使用し、地磁気中で、モデル磁界や生体試料の計測に成功した。従って本方式磁界計測装置の高精度化は、小規模医療施設や在宅での生体磁界計測へ繋がると期待できる。; 2015-16年度：高速デジタル処理ボードを導入し、医療施設で胸部磁界と心電図を同時実測した。; 2017年度以降：当初予定の積算機能を含む磁気計測・解析の統合システムは完成に至っていない。
• ガイドライン等の開発: 2015年時点で磁界計測に関してのガイドラインは作成していない。今後、データを蓄積し計測法や計測機器の必要条件などを発表したい。; 2016年度報告：顕著な胸部磁界変化が見られる疾患・異常状態を示唆するデータを記録できた。臨床へ還元できるように、症例を増やす予定であった。; 2017年度以降：当初製作予定の上記・統合システムが完成しておらず、ガイドライン作成に至っていない。
• その他行政的観点からの成果: 2017年時点で、行政には使用されていない。
• その他のインパクト: 2015-2018年度:本アモルファスメタル製磁気センサは、研究者だけでなく、国内外の企業からも興味を示されていようであった。いくつかの企業が、MI, TMR効果を利用した心臓・胸部磁界変動計測用の機器開発を発表した。本研究は、この分野を先導したと考えられる。インパクトについて、さらに調査の予定です。

発表件数

• 原著論文（和文）: 0件
• 原著論文（英文等）: 4件 ; Nakayama S, Uchiyama T. Scientific Reports 5, 8837 (2015)、等
• その他論文(和文): 1件 ; 中山晋介、寺本英巳。日本薬学会誌 2016. 136(10) 1345-1354.
• その他論文(英文等): 0件
• 学会発表(国内学会): 4件 ; 第８８回日本薬理学会 (名古屋、2015-3-20)、および第９２回日本生理学会 (神戸、2015-3-22)、等。
• 学会発表(国際学会等): 4件 ; PIERS2014 (Koshu, 2014-8-26); EMSA2016 (Turin, 2016-7-14) 等。
• その他成果(特許の出願): 0件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 0件

特許

• 特許の名称: 磁気計測装置
• 詳細情報: 分類: ; 特許番号: 特願2015-072160 ; 発明者名: 中山晋介、岩田尚子、田口喜崇、熱田諭志 ; 権利者名: 名古屋大学、フジデノロ株式会社 ; 出願年月日: 20150330 ; 国内外の別: 国内

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: Morishita H, Iwata N, Takai C,; Micro-coordination of pacemaker potentials in the intestine of the mouse; Gastroenterology , 152 , 1831-1833 (2017); doi: 10.1053/j.gastro.2017.04.016. (AMEDへ移管されたので、AMEDの研究費として明記)
• 原著論文2: Iwata N, Fujimura T, Takai C,; Dialysis membrane-enforced microelectrode array measurement of diverse gut electrical activity; Biosensors and Bioelectronics , 94 , 312-320 (2017); doi: 10.1016/j.bios.2017.03.002. (AMEDへ移管されたので、AMEDの研究費として明記)

公開日・更新日

• 公開日: 2015-06-16
• 更新日: 2018-06-11

収支報告書

• 文献番号: 201434022Z
• 報告年月日: 2015年06月09日

収入

• (1)補助金交付額: 38,350,000円
• (2)補助金確定額: 38,350,000円
• 差引額 [(1)-(2)]: 0円

支出

研究費 (内訳)	直接研究費	物品費	23,635,710円
		人件費・謝金	4,900,742円
		旅費	114,240円
		その他	882,836円
	間接経費		8,850,000円
	合計		38,383,528円

備考

備考

実施機関において33,528円の自己充当額があるため

公開日・更新日

• 公開日: 2016-01-28
• 更新日: -