生体計測用超高感度電子スピン共鳴スペクトロスコピーの開発

开发用于生物测量的超灵敏电子自旋共振光谱

• 批准号: 14750340
• 负责人: 平田 拓
• 金额: $ 2.43万
• 依托单位: Yamagata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750340/
• 关键词: 制御回路; 非干渉化; 信号対雑音比; 磁界変調; 光デバイス; チューニング回路; フォードバック制御; マイクロ波共振器; マイクロ波発振器; 空洞共振器; 共振尖鋭度; 自動マッチング制御; フィードバック制御; 線形制御理論; 生体計測; 電子スピン共鳴

生命科学研究に用いることを目的、マイクロ波周波数1.1GHzの電子スピン共鳴分光装置の開発を行った。動物実験における深刻な問題は感度の不足と、動物の動きによる擾乱である。本研究では、電子スピン共鳴スペクトロスコピーの高感度化を目指し、以下の研究を行った。(1)自動マッチング制御と自動チューニング制御の相互干渉を無くすための非干渉化法を開発した。この技術は、2入力2出力のフィードバック制御系において、伝達関数行列を対角化することにより非干渉化を実現する物である。実際の回路実装では、反転増幅器の利得を調整し、二つのフィードバックループ間の干渉を補償した。マウスを用いた実験により、相互干渉がない場合に、より安定に計測がおこなえ、実験動物の動き(呼吸や心拍)に起因する雑音が抑圧できる事を実証した。その結果、信号対雑音比を改善する事ができ、高感度化に寄与することが示された。(2)連続波電子スピン共鳴スペクトロスピーでは、磁界変調と位相検波を用いて高感度計測を行っている。磁界変調により、制御回路の電位が影響を受け、ベースラインが変動するといった問題がある。そのため、磁界変調の影響が少ない、光デバイスを用いたマイクロ波共振器の共振周波数チューニング法を開発した。光ファイバーを介して、離れた場所にあるLEDの光強度により、共振器に結合されたループに接続された光導電セルのインピーダンスを制御し、共振周波数を調整する手法である。この手法が、電子スピン共鳴スペクトロスコピーの安定性向上に役立つ実験的結果を得た。余分なエネルギーを消費してしまうため、感度向上には更なる検討が必要ではあるが、磁界変調に影響されないチューニング回路を実現した。

为了将其用于生命科学，我们开发了一种电子自旋旋转装置，其微量波频率为1.1GHz。动物实验中的严重问题是由于动物运动而缺乏敏感性和干扰。在这项研究中，进行了以下研究，目的是提高电子自旋共振光谱副本的灵敏度。 （1）已经开发了一种非干扰方法，以消除自动匹配控制和自动调谐控制之间的相互干扰。这项技术通过对角线对2输入2输出的反馈控制系统中的传输函数矩阵的对角线实现了非干扰。在实际的电路实施中，调整了倒放大器的增益，并补偿了两个进料倒数回路之间的干扰。使用小鼠的实验表明，当没有相互干扰时，可以更稳定地进行测量，并且可以抑制实验动物的运动（呼吸和心率）引起的噪声。结果，它被证明能够提高信号到命名的比率并有助于高灵敏度。 （2）使用磁场调制和相位检测波进行高敏度测量，连续波浪电子自旋共振光谱运动。存在一个问题，即磁场调制会导致控制电路的电势受到影响，并且基线波动波动。因此，开发了使用光学设备对磁场调制几乎没有影响的微波谐振器的开发。这是一种控制通过光纤在遥控位置中LED的光强度连接到与谐振器连接到谐振器的光导电电池的阻抗的方法，并调节同居频率。该技术已取得了实验结果，有助于提高电子自旋共振光谱副本的稳定性。因为它消耗了多余的能量，所以有必要进一步考虑灵敏度，但具有不受磁场调制影响的调谐电路。

项目成果

H.Hirata, Y.Yamaguchi, T.Takahashi, Z.-W.Luo: "Control characteristics of an automatic matching control system for in vivo EPR spectroscopy"Magnetic Resonance in Medicine. 50・1. 223-227 (2003)

H.Hirata，Y.Yamaguchi，T.Takahashi，Z.-W.Luo：“体内 EPR 光谱自动匹配控制系统的控制特性”医学磁共振 50・1（2003）。

G.He, S.Evalappan, H.Hirata, Y.Deng, S.Petryakov, P.Kuppusamy, J.L.Zweier: "Mapping of the B1 field distribution of a surface coil resonator using EPR imaging"Magnetic Resonance in Medicine. 48(6). 1057-1062 (2002)

G.He、S.Evalappan、H.Hirata、Y.Deng、S.Petryakov、P.Kuppusamy、J.L.Zweier：“使用 EPR 成像绘制表面线圈谐振器的 B1 场分布”医学中的磁共振。