【当研究所の概略研究内容】

更新日 /2006/12/20/
最終更新日 /2009/01/28/
     

【当研究所の概略研究内容】
 【2006/12/01】
　2006年12月01日、東京工業大学 統合研究院 ソリューション研究機構に移籍し、特任教授となりました。 
ソリューション研究機構とは、ユーザーニーズに基づいて不都合を解消するアイディアを提案し、様々な分野の専門家との連携をとりながら研究を行う受託研究組織です。研究内容などの詳細につきましては今後ご報告する予定です。
実際の居所は東京工業大学大岡山キャンパスにある大学院 理工学研究科電子物理専攻　阿部研究室です。
研究内容は東京工業大学すずかけ台キャンパスにある大学院 生命理工学研究科生命情報工学専攻 半田研究室にも関係しています。
　さらに、今後の研究活動の機動性強化のため、私設研究所Neo-Tech-Labを法人化し、株式会社ネオテックラボを設立いたしました。 株式会社ネオテックラボはセンシング技術関連の受託研究や電子回路の技術コンサルティングを行う会社です。本業で得た利益を自主研究資金に充てることを目的としています。また、これまで電子工作関連記事でご紹介したプリント基板ももう一工夫を加え、キット化して販売 する予定です。
　また、組織的研究体制に移行してもこれまで通りライブラリサーバーにおける電子工作やソフトウェア関連のノウハウ公開は継続し、ますますコンテンツを拡充していく所存ですので、これまで通りよろしくお願いいたします。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　東京工業大学 統合研究院 ソリューション研究機構 特任教授　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　株式会社ネオテックラボ (Neo-Tech-Lab Co., Ltd.) 代表取締役
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　上田 智章
【2006/12/14】
　12月6日〜11日：　London Centre for Nanotechnologyを訪問。近況並びに最近の研究結果をPankhurst教授に報告。
　　　　　　Pankhurst教授のSentiMagについても詳しい説明を受けた。SentiMagは1000円札や10000円札の磁気インク
　　　　　　に反応し、密着させなくても10mm以上離した状態で検出できることを確認した。ロンドン大学医学部外科学
　　　　　　のMichael Duek先生(乳がんのセンチネルリンパ節ナビゲーション手術)とも情報交換を行った。また、今後
　　　　　　LCNと東京工業大学との共同研究内容や知的所有権に関する打合せを行った。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
  (知的所有権の関係もあり、更新していないため以下はかなり以前の研究内容です。)
　
【磁気関連】
　		 センチネル・リンパ節検出センサ
　		 磁性流体マーカーの磁気音響効果を利用する乳癌の治療方針決定に使うセンサ。
　 アクティブ磁気シールド

　		 ３次元人工ゼロ磁場空間。 ３次元的に広がりのある空間内を均質にゼロ磁場空間にすることのできる真のアクティブ磁気シールド技術です。従来のアクティブ磁気シールドは１点だけ をゼロ磁場にするものでした。
　 高周波磁界印加装置
　		 センチネルリンパ節検出センサやハイパーサーミア等の研究で重要な役割を果たす装置です。
例えば1.6m角コイル内の1m角空間に、20kHzで2ガウス、60kHzで1ガウス級の高周波磁界を発生する装置では、負荷コイルのインダクタンスが数mHと大きいだけでなく、渦電流や自励共振が原因で高インピーダンスとなるため、実現には試行錯誤と工夫が必要でした。現在は500kHz〜１MHｚで100ガウス級の研究を行っています。磁気ハイパーサーミア用励磁コイルでもコイル自体の設計をよく考えて行わないと表皮効果と近接効果によるコイル直列抵抗の増大現象による発熱が問題となります。この現象の回避のためにコイル設計が重要となります。水冷を行わず空冷で済ますことができるコイルを開発しています。
    (近日中に基礎理論を公開予定)
　 ダミーSQUID (Dummy SQUID)







　		 液体He系がなくてもDigital FLL(Flux Locked Loop)の電子回路に関する研究を行うことができます。超高感度磁気センサであるDC-SQUID (Superconducting QUantum Interference Devices:超電導量子干渉素子)に適切なDCバイアス電流を印加し、外部からの環境磁気ノイズをシャットアウトした状態でデバイス両端電圧を測定すると、Φ-V特性と呼ばれる、横軸を磁束、縦軸をDC-SQUID素子両端電圧とする周期性の電圧パターンを得ることができます。しかし、電子回路の実験のたびに液体ヘリウムをトランスファーするのは大変ですし、都市雑音の影響を避けるため深夜の研究も大変です。そこで電子回路でSQUIDの特性を模擬するダミー素子を実現します。
　 超ワイド・レンジSQUID磁束計 　
　 虚血性心疾患診断用心磁計 常温系新磁気センサ利用のシステムに関する研究です。
【音響関連】



　		 音響FDTD



　		 既存アクティブノイズキャンセラーとは異なる人工的に周囲騒音を３次元的にカットする３次元アクティブ音響シールド実現を目指した長い道程 です。音響伝搬過程を３次元的にリアルタイムに計算するために音響FDTDを研究しています。また、建築分野にも音響FDTDを利用しようと考えています。


センチネルリンパ節検出用「励磁音響」センサの測定原理
上はMicrosoft社のExcelで実施したシミュレーションを動画化したもの。
Excelでもここまでできるのは意外でした。
    (近日中に基礎理論とソフトウェア等を公開予定)

　Excel VBAでもここまでできます。
【信号処理】


　		 Digital Signal Processing


　		 デバイス技術をはじめ、ノイズ除去法、逆問題等のアルゴリズムに関する研究を実施しています。このうち、計測・制御システムの低価格化をもたらす新デバイス技術に関しては雑誌やHPでの公開を予定していますが、これに先立って守秘義務契約を行っていただける一部の企業様には先行提案を行います。
【ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ】 境界要素法ポテンシャル計算    (近日中に基礎理論を公開予定)
【特許】


　		 特許明細書の書き方


　		 昨秋、インターネット出願ができるようになり、自宅からの出願がより便利になりました。審査請求を行わず、取り敢えず出願だけなら特許印紙代16,000円がかかるだけです。なんとか暇を見つけて「特許明細書の書き方」をまとめてみようと思います。

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当研究所の研究概要(抜粋)

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【センチネル・リンパ節検出センサ】
　

協同研究先　London Centre for Nanotechnology
秋田大学 医学部（予定）
　乳癌手術では、腫瘍部分を摘出するだけでなく周囲リンパ節も一緒に取り去る郭清(かくせい)が行われています。これは、腫瘍から剥離した癌細胞がリンパ液の流れに沿って流されて転移癌が起こるというメカニズムが解明されていることから予防的に行われる処置です。しかし、郭清したリンパ節を検査してみるとリンパ節への転移が認められないケースもかなりあります。この場合、患者にとっては大きな負担となってしまいます。そこで負担軽減のために、最も腫瘍部からの転移確率が高い（リンパ液の流れに沿って下流側に位置し最も近い）センチネル･リンパ節をマーカーを用いて探し出すセンサ が活発に研究されています。手術中にセンチネル・リンパ節だけを摘出して生検を行い、そこに癌細胞が発見されなければ郭清の必要はなくなり、患者の負担を軽減することができるからです。
　当研究所はマーカーとして磁性流体を用い、磁気音響効果を利用した磁性流体検出センサを研究しています。
現在、英国と日本で同時に臨床試験を行うための準備段階にあり、このためのセンサを製作・改良しています。
　　　                                                                         詳細はこちら
　　　　　

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【アクティブ磁気シールド】(人工ゼロ磁場空間) 　
　当研究所は、パーマロイを使わない開放的で軽量、ローコストなアクティブ磁気シールド(人工ゼロ磁場空間)を研究しています。この磁気シールドシステムは空間内部を３次元的に均質に磁気遮蔽(ゼロ磁場化)することができる独自の方式です。
　半導体製造工程中で使用されることがある電子ビーム露光装置は電子ビームを用いてレジスト塗布試料に描画を行う装置ですが、電子ビームは環境磁気ノイズが存在するとローレンツ力を受けてビームを曲げられてしまい、精確な露光ができなくなる欠点があります。このため、装置には多層パーマロイシールドで厳重な磁気シールドが施されています。しかしながら、パーマロイシールドは本質的にアッテネータ(減衰器)であるため、送電線の近傍、直流き電方式の電車路線の近傍、自動車が通る道路の近くには設置できない問題があります。
　また、脳磁計(MEG)や心磁計(MCG)といった人間の体内電流によって発生する微弱な生体磁気(脳磁で地磁気の10億分の1、心磁で地磁気の100万分の1程度)を計測する生体磁場計測システムが普及しない原因のひとつとして磁気シールドが挙げられます。現状のほぼ全てのシステムでパーマロイを用いた磁気シールドルームが使用されていますが、1/10程度の性能のもので価格は2000万円と高価であり、10億円近いものもあります。また、重量も２トン以上のものが殆どで、建物の耐荷重の制約のため1階か地下室にしか設置することができません。加えて、パーマロイシールドは壁で覆われた狭い閉空間であるため、患者に不安を与え易い問題があります。　
　上記の問題を解決するために既にアクティブ磁気シールドという技術が何通りか提案されています。磁気遮蔽対象となる空間の周囲に配置したキャンセル・コイルと、環境磁気ノイズを計測する磁気センサ と、磁場測定値に基づく電流をキャンセル・コイルにネガティブ・フィードバックする制御装置からなる装置です。環境磁気ノイズと逆位相の磁場を発生させる方式のため、磁気センサの位置はゼロ磁場となるのですが、環境磁気ノイズに大きな空間勾配がある場合にはセンサ位置からずれた場所では十分な性能が出せませんでした。
　従来方式のアクティブ磁気シールドは、磁気センサが置かれた１点をゼロ磁場にする方式のため、送電線、電車、自動車等の環境磁気ノイズに対しては有効に作用できないケースが非常に多く、未だに実用的に使用されているケースはありません。
　これに対して当研究所は複数の磁気センサで計測された信号を基にして独自のディジタル信号処理を行い、複数のコイルに独立した電流を流し、環境磁気ノイズを打ち消すキャンセル磁界(環境磁界と逆位相の磁界)を発生する方式を採用しています。また、従来方式が環境磁気ノイズを１点近似するものであったのに対して、本方式は３次元空間近似を行っています。新しい制御アルゴリズムにより地磁気、及び自動車や電車が発生する低周波磁気ノイズだけでなく、50Hz/60Hzの商用電源ノイズの遮蔽も可能になりました。
　下の写真は実証実験のために製作した装置の一例です。当私設研究所から半径300m以内には直流き電方式の私鉄２路線とJRがあり、常に数ミリガウスの変動があります。また70m程離れた場所には国道が通っている関係で、迂回する自動車がすぐ前の道(南北方向３ｍ、東西方向１０ｍ)を通ります。さらに数ｍの位置には高圧送電線(60Hz)があり、常に５ミリガウスから２０ミリガウスの環境磁気ノイズにさらされています。これを製作したアクティブ磁気シールド制御回路により１ミリガウス以内に抑えることに成功しました。但し、本試作システムの磁気センサではMRセンサを使っているため、まだまだ性能は改善できる見込みです。今後、フラックスゲートを磁気センサとし、性能アップに取り組む予定です。
　本３次元アクティブ磁気シールドは、遮蔽空間をコイルで取り囲んでいるだけで壁がないため、虚血性心疾患診断用心磁計システムや、電子ビーム露光装置等の用途を想定しています。 地磁気レベルまでの磁気遮蔽であれば、最大１５ｍ角立方体までが可能と考えられます。

制御基板　　　　　　　　　　　　磁気センサ　　　　　実験中の1.6ｍ角６センサ６コイルシステム

アクティブシールドシステムの全体構成
　(リアルタイム交流ノイズ除去のため現在はPIC18F452を使用しています。)

空間内部と外部の比較


信号処理の方式(商用電源ノイズもリアルタイム推定除去を行っている)

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【音響FDTD】 　
　上記のアクティブ磁気シールド(人工ゼロ磁場空間)の延長線上の研究として、遮音壁を使わない安価 なアクティブ音響シールド(人工ゼロ音響空間/アクティブ無響室/３次元音響シールド)を、さらに人工音響環境空間を実現するための基本技術を現在研究しています。
 アクティブ音響シールドは既存のアクティブノイズキャンセラー(ANC)とは異なる技術です。数個のマイクとスピーカーで取り囲まれた空間内に外部から入り込んでくる環境騒音を３次元的に均質に遮蔽することができる(人工ゼロ音響空間)の実現を目指す研究です。そのためには３次元的な音響伝搬の過程をリアルタイムに演算する必要があり、シミュレーション技術として音響FDTD( Finite Difference Time Domain )を研究しています。
　電車や自動車の交通騒音の遮蔽を３次元的に行うには、３次元音響伝搬状態をリアルタイムに演算する必要があります。しかし、音響伝搬は複雑で直接波、反射波、回折波、干渉等を考慮して環境騒音を減衰・消退させなければなりません。しかしながら従来音響伝搬過程を演算するために用いられてきた有限要素法、境界要素法、レイ・トレーシング法等の既存演算法では 演算負荷が大きく、十分な性能は得られません。
　音響FDTD法はオイラーの式と連続の式を離散化して得られる式を交互に繰り返すこと(リープフロッグと呼ばれる)により、粒子速度と音圧を演算する手法です。従って音響FDTD法は従来の計算法に比して演算負荷が非常に軽く、また並列演算処理にも適していると言えます。近年DSP(Digital Signal Proccessor)の性能が飛躍的に向上し、１GFLOPSを超える性能のDSPも低価格で利用できるようになってきました。３次元アクティブ音響シールドの実現も20年前なら到底不可能と考えられていましたが、近年のデバイス技術の進歩により漸く現実味を帯びてきたのではないかと考えています。
　但し、３次元アクティブ音響シールドを実現まで導くには音響FDTDに優れた反射、吸収、透過条件を導入することが重要になります。学会では幾つかのモデルが提案されていますが、いずれも十分とは言えません。

昨年上記とは異なる別方式も考案しました。３次元音響伝搬状態をリアルタイムに演算する必要が無くなりました。音響FDTDによりこの方式の消音効果について確認が行えました。今出願しようか学会発表で済ませるか思案中です。が、忙しいのであまり進展していません。
　　　
　上記の式中で、u,v,wは粒子速度、pは音圧、ρは媒質密度、kは体積弾性率(ｋ＝ρc^2)[ここにｃは音速]を意味します。
　　
　
　　
　
　　

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【高周波磁界印加装置】(高周波磁界曝露装置) 　
　センチネルリンパ節検出センサやハイパーサーミア、その他の医療アプリケーション等で重要となる要素技術の一つに高周波磁界を発生する装置技術があります。磁界を発生するコイルはインダクタンス(Ｌ)なのでコイル単体のインピーダンスＺはｊωLとなり、 周波数が高くなればなるほどインピーダンスも増大し、なにも考えなければ超高電圧出力の電源が必要になってしまいます。 実際、幾つかの大学、研究機関を調査したところ、非常に高価な電源装置を購入されてハイパーサーミア等の実験をされている実態が明らかになりました。どの研究室も電源メーカーに指定されるまま購入されたそうです。
　しかし、電源の負荷を直列共振回路で構成すれば負荷インピーダンスを著しく低減できるので出力電圧振幅が小さな電源装置でも楽に電流を供給することが可能になります。 直列共振は高周波用コンデンサをインダクタンスに直列接続することで共振周波数における電源負荷インピーダンスを強制的に下げることができ、インダクタンスLが非常に大きなコイルであっても、小型の安価な電源装置で も強力な高周波磁界を発生させることができるわけです。
　当研究所は、1.6m角のメリットコイル内に１ｍ角の均質な高周波磁界を発生させることに成功しました。周波数20kHzで2.6ガウス、60kHzで1.5ガウスの磁界を連続的に安定に発生させることができます。もっとも、空間的に大きなコイルを用いる場合には 、周囲の建築物の磁性や渦電流効果を考慮するだけでは十分とは言えません。コイルの自励共振のためにリッツ線では駆動困難あるいは不可能な条件を生じることがあります。コイルの線材の選定、巻き方、共振コンデンサ、伝送経路の取り方等をはじめとする多くのノウハウが重要な鍵となります。 コンクリートの比誘電率の周波数特性も重要な問題のひとつです。
  基本技術獲得のための実験段階では、東北学院大学の芳賀昭教授と岩手大学の小林宏一郎助教授のご協力とご支援をいただ きました。
　今後は、London Centre for Nanotechnology : ロンドン・ナノテクセンター (University College of London : ロンドン大学の研究所)のProf. Quentin Pankhurst教授と協同研究実施中のセンチネルリンパ節検出センサ、ハイパーサーミア、アルツハイマー診断装置等にこの技術を順次応用していく予定です。
　

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