立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

光ファイバアレイとダイヤモンドセンサを用いた癌
2D イメージングプローブの開発
Development of two dimensional imaging system with diamond NV and fiber array2211010

研究代表者

東北大学

大学院工学研究科准教授

桑波田晃

弘

[研 究 の 目 的][研究の内容，成果]

がんはリンパ節を経由して転移するため，癌

本研究では，ダイヤモンドセンサの量子センからのリンパ流が初めに到達するセンチネルリシングの特徴を利用することで (図 2)，2 次元ンパ節を同定して，癌の転移診断を行う必要がでの磁場 3 成分のベクトル計測が可能なシステある。しかしながら，術中に癌の正確な診断はムを開発する。

困難なため，再手術の必要性など，患者への負手術室内で使用可能とするためには，ダイヤ担は大きい。したがって，術中に高精度での癌モンドセンサをプローブの戦隊に搭載し，光診断が可能な機器の開発が期待されている。人ファイバを用いてシステム全体のモジュール化

間と機械の調和の促進の観点から，人体内のセンチネルリンパ節の同定・癌組織の性状を正確に診断するため，術者へと正確な情報を提供できる機械を開発し，患者へと安全な診断を提供する (図 1)。本研究では，手術中に癌の性状を 2 次元でモニタリングするための新手法を提案し，患者・術者が安心して癌診断ができる医療機器を開発する。
術中にセンチネルリンパ節への癌の転移を診

図1断するためには，癌の分布 (磁気ナノ粒子の分がん転移と磁気検出による診断布) を計測できる小型で多数のセンサを搭載した検出器を開発する必要がある。小型でかつ磁場ベクトルが計測できる複数のセンサをプローブへと搭載することが重要な課題となる。申請者の提案するアイデアは，一つのダイヤモンドに対して，光ファイバアレイを接続することで，1 mm 以下の空間分解能で 9 個の磁気センサ(3x3 の 2D イメージングシステム) として機能させる。

図2― 1 ―ダイヤモンドセンサを用いた高感度磁気検出立石科学技術振興財団が必須である。これまでの実績・知見をもとに(図 3 [2])，プローブヘッド内部の先端に，ダイヤモンドセンサ，マイクロ波アンテナを配置し，ファイバアレイを用いて光学系を構築した。
図 4 に実験システムの全体像を示す。

図3

光ファイバを用いたダイヤモンドセンサを搭載した磁気検出器[2]。

図 5 光ファイバアレイを搭載したダイヤモンド NV 磁気センサ。3x3 の光ファイバアレイにより 2 次元のイメージングが可能である。

測が可能となる。また，ファイバの反対側は，9 本の光ファイバが 1 次元の 1 列に再配列することで，光電子増倍管の検出部へと光を導入可能である。計測された代表的な光信号である
ODMR (Optically detected magnetic resonance) スペクトルを図 6 に示す。ダイヤモン
ド NV センタは正四面体構造により，磁場をダイヤモンドセンサファイバアレイと実験システムの全体像。

検出できる感度軸が 4 本存在する。この 4 本のダイヤモンドへの励起光 (緑色) とダイヤモ

B 3, B 4に対して，以下の変換式を用いることで，ンドからの蛍光 (赤色) を通し，光ファイバー

3 次元空間での磁場ベクトル Bx, By, Bz を算出アレイを介して，プローブ筐体内の光電子増倍することが可能となる。

図4管を用いて蛍光強度を計測することで，磁場 3成分ベクトルを計測することが可能である。
ダイヤモンドセンサを 2 次元のセンサとして駆動するために，光ファイバを用いて，3x3 の2 次元での光の励起と光の検出機構を構築した。
開発した光ファイバアレイとダイヤモンドセン
サを図 5 に示す。9 本の光ファイバを 260 μmの穴に通し，光学接着剤で固定することで，3x3 の光励起検出システムを開発した。ファイバ間の距離は 150 μm であり高い分解能での計NV 軸で計測されたそれぞれの磁場信号 B 1, B 2,



― 2 ―

B1=B cosθ 1 cosφ1+B cosθ 1 sinφ1+B sinθ 1
B2=B cosθ 2 cosφ2+B cosθ 2 sinφ2+B sinθ 2
B3=B cosθ 3 cosφ3+B cosθ 3 sinφ3+B sinθ 3
B4=B cosθ 4 cosφ4+B cosθ 4 sinφ4+B sinθ 4
B =1(B 1−B 3)
2cosθ

B =

1
(B 2−B 4)
2cosθ

B =

1
(B 1−B 2+B 3−B 4)4sinθ

Tateisi Science and Technology Foundationた。磁場の空間分布の評価のためには，楕円積分を用いたベクトルポテンシャルを求めた。
微細な空間構造の磁場を計測し，空間解像度を評価するために，直径が 500 μm のマイクロ図6

光検出器により検出された ODMR スペクトル。ダイヤモンド NV の 4 つの軸の周波数シフトから、磁場ベクトルを算出する。

コイルシステムを構築し，磁場計測の検証実験を実施した。マイクロコイルをダイヤモンドファイバアレイセンサの直下へと設置すること磁性ナノ粒子を磁化させるために，ならびに， で，ダイヤモンドへと微細な磁場構造を印加す開発した検出システムの性能を評価するために，ることができる。ダイヤモンド 2 次元アレイセヘルムホルツ型の磁気コイシステムを開発した。

ンサを用いて計測された磁場の空間分布ベクト

ヘルムホルツ型のコイルは一様性の高い磁場をル Bx, By, Bz をそれぞれ図 8, 9, 10 に示す。微生成できるため，評価手法としてよく用いられ細な磁場構造の観測のため，各磁場ベクトルはている。

規格化されている。

ヘルムホルツコイルが作る一様磁場の計測結各種磁場ベクトルの結果から，計測対象であ果について，代表的な例を図 7 に示す。数値シるマイクロコイルの位置を推定することが可能

ミュレーションによる解析は約 250 μT 程度のである。磁場発生源であるマイクロコイルの位磁場が生成されることがわかり，実測結果とほ置は，約 X=550 μm と推定できる。

ぼ一致しており，開発したシステムでの 2 次元での磁場ベクトルイメージングの原理を検証し

図7

ダイヤモンド光ファイバアレイを用いた 2 次元の磁場ベクトルイメージング (Bz, By)。

図8

ダイヤモンド 2 次元センサを用いた磁場のベクトルイメージング (Bx)。

図9ダイヤモンド 2 次元センサを用いた磁場のベクトルイメージング (By)。

― 3 ―立石科学技術振興財団

ことで，がん患者の術後の生活の質の向上に貢献することが期待できる。
[成果の発表，論文等]
1．Akihiro Kuwahata, Yuma Murata, Haruki Tanaka,
Keigo Arai, Ryota Katsumi, Takayuki Iwasaki,
Mutsuko Hatano, Ryuji Igarashi, Takashi Oshima,
Fedor Jelezeko, Moriaki Kusakabe, Shin Yabukami,Takashi Yatsui, Masaki Sekino, Magnetometry withdiamond nitrogen-vacancy center by using an
optical fiber array for two-dimensional imaging,
図 10

ダイヤモンド 2 次元センサを用いた磁場のベクトルイメージング (Bz)。

15th Joint MMM-INTERMAG conference, January
10-14, New Orleans (2021).
2．T. Kitaizumi, A. Kuwahata, K. Saichi, T. Sato, R.

本研究では，光ファイバアレイを用いること

Igarashi, T. Ohshima, Y. Masuyama, T. Iwasaki, M.

でダイヤモンドセンサを 2 次元のセンサとしてHatano, F. Jelezko, M. Kusakabe, T. Yatsui, and M.

駆動することに成功した。また，微細な磁場構造を 2 次元で観測することに成功した。

Sekino, Magnetic field generation system of themagnetic probe with diamond quantum sensor andferromagnetic materials for the detection of sentinel
lymph nodes with magnetic nanoparticles,” IEEE
Transactions on Magnetics (2021).

[今後の研究の方向，課題]

3．A. Kuwahata, T. Kitaizumi, K. Saichi, T. Sato1, R.

生体内の磁気ナノ粒子からの磁気信号を 2 次
元で計測するために，ダイヤモンドの厚みや光ファイバのコア系を最適化することで，高感度・高い空間分解能での計測が可能になると考える。将来的に，がん転移を高精度に検出する― 4 ―Igarashi, T. Ohshima, Y. Masuyama, T. Iwasaki, M.
Hatano, F. Jelezko, M. Kusakabe, T. Yatsui, and M.
Sekino,Development

ofmagnetometerwithnitrogen-vacancy center in bulk diamond for detecting magnetic nanoparticles,” Scientific Reports
10, 2483 (2020).