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心臓の微弱な生体磁気情報、磁気シールドルームなしで検出に成功-東北大ほか

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2020年12月15日 AM11:30

大病院でなくても簡便に心臓チェックできる高感度な生体計測機器が望まれる

東北大学は12月14日、ヒトの体内活動から発生する微弱な磁気信号を室温で測定可能な高感度な磁気センサ素子と、外部環境磁場ノイズのキャンセル技術の開発に成功したと発表した。この研究は、同大大学院工学研究科応用物理学専攻の安藤康夫教授のグループが、大学院医学系研究科の中里信和教授のグループ、および、スピンセンシングファクトリー株式会社との共同研究として行ったもの。研究成果は、第44回日本磁気学会学術講演会(12月14日~17日)において発表される。


画像はリリースより

超高齢化が進む中、心臓や脳疾患の早期発見・治療が大きな社会的課題の一つとなっている。しかし、現状では心臓、脳の精密検査が可能な施設は大病院に限られており、診察料も高額だ。今回の研究は、日常環境下において、誰もが心臓や脳のチェックを簡便に行うことができる、非侵襲で高感度な生体計測機器の実現を目指すものだ。心電図や脳波などの生体信号を電気的に計測する技術は、非侵襲的な機能検査として広く用いられている。しかし、測定対象となる電気的活動が生体内の伝導率の異なる領域を伝播するため、電気が流れる過程において、信号が変化してしまうという問題がある。

高価な磁気シールドルームが、生体磁場計測装置が普及しない要因の1つ

この問題を解決するものが、生体信号を磁場で計測する心磁図と脳磁図だ。磁場を用いて計測する場合、心臓、脳、骨、皮膚、空気に至るまで、磁場の透磁率はほぼ一定であるため、精密な生体活動の測定が可能となる。ただし、心磁場は10-10~10-12T、脳磁場は10-12~10-15Tという非常に微小な磁場であるため、現状の心磁計や脳磁計では、超伝導を利用したSQUIDが用いられている。しかし、現行のSQUIDを用いた心磁計や脳磁計ではSQUID素子を低温に保つための高額な液体ヘリウムが必須であることと、液体ヘリウムを貯蔵するための冷却容器によって、センサと測定対象物の距離が離れてしまうことで空間分解能が低下してしまう問題がある。また、SQUID素子は、地磁気や環境磁場等の、生体磁気信号に比べて遥かに大きな磁場が存在する状況で使用すると、素子の出力が飽和してしまう。そのため、SQUID素子は、測定環境内に存在する磁場ノイズを遮蔽するための大型で高価な磁気シールドルームという特別な部屋の中で使用する必要がある。これらの課題が、生体磁場計測装置が、広く一般的に普及していない要因となっている。

一方、研究グループが開発した強磁性トンネル接合(MTJ)素子を利用したセンサは、室温動作が可能であり、密着型、かつ、小型という利点がある。さらに、素子の動作可能磁場範囲()が広いことから、地磁気レベルの環境磁場ノイズが存在する状況であっても使用することができる。研究グループのこれまでの研究では、磁気シールドルーム内で、心磁場を室温下で瞬時に計測すること、さらには、アルファ波由来の脳磁場を検出することに成功した。しかし、従来の大きな課題は広いダイナミックレンジと高い磁場感度を両立させることだった。

広いダイナミックレンジと高い検出磁場分解能を併せ持つ新型磁気センサ素子を開発

今回の研究では、まず、日常環境下で心磁場を計測するために、MTJ素子のダイナミックレンジを維持しながら、感度向上を実現する材料探索・新素子構造の開発を行った。ヒトの心臓から発生する磁場の大きさは数10pT(10-11T)程度と言われており、地磁気の数百万分の一の微小な磁場だ。この微小な磁場をリアルタイムで計測するためには、MTJ素子感度の劇的な改善が必要。研究では、信号出力の向上のために、軟磁気特性に優れた、新規アモルファス磁性材料をMTJ素子に応用し、さらに、フラックスコンセントレータと呼ばれる磁束を収束する磁性材料および構造の最適化を行った。生体磁場は低周波数の信号であるため、低周波領域におけるセンサ性能が重要だが、1Hzにおける検出磁場分解能4.7pT/√Hzを達成した。従来素子に比べて、地磁気以上の広いダイナミックレンジを維持しながら、1桁以上の性能改善を実現した。

開発した高感度な磁気センサ素子を用いて外部環境磁場ノイズのキャンセル技術を開発

微弱な生体磁場の計測は、磁気シールドルーム内で行われることが一般的だが、生体磁場測定を広範に普及させるために、磁気シールドルームを使用しない形での測定が切望されている。しかし、微弱な生体信号を、大きな磁場ノイズが存在する環境で測定するためには、複雑な回路や、高度な信号処理が必要だった。研究では、たった2つのセンサを用い、その差分信号を計測するという、非常に簡便な手法で環境磁場ノイズの低減に成功した。例えば、エアコンおよびエレベータによるノイズが2つのセンサ出力に現れても、その差分をとることで、ノイズレベルをピコテスラオーダーにまでキャンセルできた。

日常的生活環境で心臓の動きから発生する微弱な磁気信号の検出に成功

さらに、普通の会議室において、センサ特性の揃った1組の高感度磁気センサを準備し、片方のセンサを心臓付近に、他方のセンサを体表から約5cm離れた位置に固定して測定を行った。信号センサのみの出力では、外部磁場ノイズの影響により、心臓磁場信号を検出することができないが、参照センサの出力を引き算することで、心臓磁場信号を抽出することに成功した。このような画期的なノイズキャンセルが可能になったのは、MTJセンサの広い動作磁場範囲を維持しつつ、高感度化に成功したことと、センサ特性が極めて揃った素子を歩留まり良く作製する技術によるものであるという。

今回の研究により、MTJ素子を利用した高感度磁気センサを用いることで、微弱な生体磁場信号を日常環境下で測定可能であることが示された。これまで普及が進まなかった、生体磁場測定の大きな課題の1つを解決したものであり、今後、広範な普及、展開が期待される。心臓磁場よりもはるかに弱い脳磁場を同様な日常環境下で測定することも、あと1桁のセンサ感度の改善で可能になるという。研究グループは現在、その実現を目指して、トンネル絶縁層の形成方法や、エピタキシャル成長したMTJ素子の開発などに取り組んでおり、「それほど遠くない将来に、MTJセンサ素子を利用した生体磁場計測機器が実用化され、超高齢化社会における社会問題解決の一助となることが期待される」と、述べている。

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