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。

我们已经开发了一种电子自旋共振光谱仪，其微波频率为1.1GHz，目的是在生命科学研究中使用它。动物实验中的严重问题是动物运动引起的敏感性和干扰。在这项研究中，我们进行了以下研究，目的是提高对电子自旋共振光谱的敏感性。 （1）我们开发了一种去耦方法，以消除自动匹配控制和自动调谐控制之间的相互干扰。该技术通过将传递函数矩阵对角线化在两输入两输出反馈控制系统中实现。在实际的电路实现中，调整了倒置放大器的增益以补偿两个反馈回路之间的干扰。使用小鼠的实验表明，在没有相互干扰的情况下，可以更稳定地进行测量，并且可以抑制由实验动物的运动（呼吸和心跳）引起的噪声。结果，证明可以提高信噪比，这有助于提高灵敏度。 （2）连续波电子旋转谐振光谱使用磁场调制和相位检测来执行高灵敏度测量。磁场调制会影响控制电路的潜力，从而导致基线波动。因此，我们使用光学设备开发了一种用于微波谐振器的谐振频率调整方法，这对磁场调制几乎没有影响。该技术涉及控制连接到环路连接到谐振器通过光纤连接到谐振器的电阻，并通过遥控LED的光强度来调节谐振频率。该技术获得了实验结果，有助于提高电子自旋共振光谱的稳定性。尽管需要进一步考虑以提高灵敏度，但由于它消耗了多余的能量，我们已经意识到不受磁场调制影响的调谐电路。

项目成果

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。

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）。