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超伝導バルクを用いた NMR/MRI 応用

第 12 回　高温超電導バルク材 「夏の学校」 in 岩手. 超伝導バルクを用いた NMR/MRI 応用. 2013.08.23 理研　連携支援ユニット 仲村髙志. Outline . NMR/MRI の説明 バルク磁石でできないかな 変わり種の NMR 計測法　小型 NMR スキャナー 我々の研究の進捗状況. NMR/MRI 磁石に必要なこと. 磁場安定性 （永久電流モード） - 長時間測定の保証 　磁場を高安定に保たないとピーク (ex. 1Hz FWHM) の分解能が劣化する 均一磁場 - 分解能の決定

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超伝導バルクを用いた NMR/MRI 応用

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Presentation Transcript

  1. 第12回　高温超電導バルク材 「夏の学校」in 岩手 超伝導バルクを用いたNMR/MRI応用 2013.08.23 理研　連携支援ユニット 仲村髙志

  2. Outline • NMR/MRIの説明 • バルク磁石でできないかな • 変わり種のNMR計測法　小型NMRスキャナー • 我々の研究の進捗状況

  3. NMR/MRI磁石に必要なこと • 磁場安定性（永久電流モード） - 長時間測定の保証 • 　磁場を高安定に保たないとピーク(ex. 1Hz FWHM)の分解能が劣化する • 均一磁場- 分解能の決定 • 　試料の空間での磁場分布を10-10~11レベルで均一にする必要がある • 強力な磁場 - 感度の上昇、分離能の向上 • 4.7T以上で可能なだけ強力にしたい

  4. NMR/MRIの原理 • 磁場H０中に、ぞれぞれの原子の持つ核磁気回転比γを持つ原子が存在すると角速度ω０で共鳴する ω０=γ・H０ 　したがって、共鳴周波数はν0となる ν０=ω０/2π

  5. 化学や生物での応用 • 化合物の構造決定 • 代謝物（汗、尿）を測定し、代謝物に含まれる物質から診断を行う（メタボノミクス）

  6. MRI 生体中に含まれる水の密度分布を画像化する技術 1Hの感度が一番高い

  7. 磁場中にあるほとんどの原子が磁気共鳴する

  8. 小型NMRスキャナー SCIENTIFIC AMERICANNovember 2008日経サイエンス　2009年2月号

  9. NMR-MOUSE 驚きの小型NMRスキャナー

  10. NMR-MOUSEの原理

  11. 磁場均一度の変化によるNMR応用 Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 52 (2008) 197–269 “Mobile single-sided NMR”B. Bluemich *, J. Perlo, F. Casanova

  12. Well-logging sensors

  13. 非破壊検査やMRIへの展開 対向型 バルクを大型化し対向させた面間に均一磁場空間を形成する 独立行政法人産業技術総合研究所　地圏資源環境研究部門　物理探査研究グループ　中島善人 http://staff.aist.go.jp/nakashima.yoshito/myhome.htm シングルサイド型 バルク表面の磁場空間を利用した非破壊検査 株式会社日立メディコ　オープンMRIのひみつ http://www.hitachi.co.jp/inspire/group/life/life6_1.html

  14. 我々の開発目標 従来の装置　270MHz(~6T) バルク磁石　200MHz(~4.7T) ~270MHz (6T)

  15. Bulk Superconductor (EuBCO) • YBCO-type superconductor • EuBa2Cu3Oy Eu2BaCuO7 • Tc about 90K • 60 mm outer diameter • 28 mm inner diameter • 20 mm thickness • 6 pieces stacked 28 mm 60 mm

  16. Room Temperature Region NMR用の均一な磁場を発生させる HTS Bulk Vacuum Chamber Cold Head Valve Unit Compressor GM-type Pulse-Tube Refrigerator 1200VA Schematic view of a Bulk Magnet

  17. All of the view of our MRI system Ogawa K, Nakamura T, Terada Y, Kose K, Haishi T “Development of a magnetic resonance microscope using a high T-c bulk superconducting magnet” APPLIED PHYSICS LETTERS98 (2011) 234101

  18. RF Coil Gradient Coil Cold Head MRI装置の仕組み

  19. 静磁場着磁 4.74 T SCM 4.74 T Bulk SCM 具体的な着磁の手順 着磁用超伝導磁石(SCM)の磁場強度を目標とする磁場強度4.74T(202MHz)にする。 SCMの磁場中心にバルク磁石をセットする。 冷凍機を用いてバルク磁石を臨界温度(92K)以下の50Kに冷却する。 着磁用超伝導磁石の磁場を4.74Tから徐々に消磁し、消磁後バルク磁石を冷凍機の最低温度（40K）で安定させる。 消磁したバルク磁石をSCMから取り出す。以上でバルク磁石の着磁が完了。

  20. 100K Y X Z

  21. 77K Y X Z

  22. 撮像画像が縮小する Ly LX LZ

  23. Magnet A Magnet B Φ60 mm Φ60 mm Φ28 mm Φ28 mm 74mm 120 mm Φ36 mm

  24. バルク体が完全反磁性になるため勾配磁場の実効値が変化するバルク体が完全反磁性になるため勾配磁場の実効値が変化する Magnet B Magnet A

  25. マイクロコイルを用いた磁場分布測定 EuBCO : H 120 mm Magnet A Magnet B

  26. Z軸方向の磁場分布 Magnet A Magnet B Field Strength (ppm) Z Axis Position (mm)

  27. リンゴの種の撮像実験 3DGE sequence TR/TE = 70/10 ms Matrix size = (256)3 Voxel Size = (32 m)3 Scan Time = 1.3 hours NEX = 5 断面MR画像 最大値投影画像 (MIP) • 種子内部の維管束の構造を(32 m)3の高分解能で取得することに成功した • 磁石内径を広げることで，マイスナー効果の影響が小さくなり，高い勾配磁場効率実現することを示した

  28. 600 MHz High-Resolution NMR 14.1 T / Φ23 mm 強磁場化 400 MHz High-Resolution NMR 9.4 T / Φ23 mm 270 MHz High-Resolution NMR 6.3 T / Φ23 mm 300 MHz High-Resolution NMR 7.4 T / Φ36 mm 200 MHz High-Resolution NMR 4.7 T / Φ23 mm 200 MHz Micro MRI 4.7 T / Φ36 mm 大口径化 2015 ------ 2016 ------------- 2019 --------------- 2025 ---------------->

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