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生体磁気用 光ポンピング磁力計 QZFM Gen-3 | 株式会社ナノシード
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光ポンピング磁力計
モジュール
QZFM Gen-3
光ポンピング磁力計 液体ヘリウム不要 新世代の生体磁気センサ
光ポンピング磁力計 QZFM Gen-3は、低磁場環境下において非常に感度の高い光ポンピング磁力計モジュールです。 センサーヘッドは、常温で作動し液体ヘリウムを必要としません。またレーザー、ファイバーなどの部品は温度管理のための特殊設計をしており、コンパクトで使いやすいデザインとなっております。QZFMは校正を自動で行い、2軸あるいは3軸で測定できます。 また、小型のモジュールはマウス一つで簡単に操作でき、すべての機能を網羅するように設計されています。
- 超高感度
- 常温作動
- コンパクト
- 簡単操作
本ページの構成
１．仕様
| フィールド感度 | 2軸タイプ<15fT以下/√Hz 3-100 Hz band |
|---|---|
| 3軸タイプ<23fT以下/√Hz 3-100 Hz band | |
| ダイナミックレンジ | ±5nT |
| 測定軸 | 2軸タイプ/3軸タイプ |
| スタンドオフ | <6.5mm(先端からセル中心まで) |
| 校 正 | Internal reference(automated) |
| 信号出力 | アナログ、USB |
| 寸 法 | 12.4×16.6×24.4mm(センサー部)/3.1×11.0×16.5cm(装置部) |
| 消費電力 | 5W(0.7 W センサー部) |
| ケーブル長 | 6.5m(標準) |
| 原子種 | ルビジウム |
※2軸タイプと3軸タイプは、別製品です。ご購入時にどちらかをご選択ください。
QZFMのノイズ・フロアの一例
下記のQZFMのノイズフロアは、3層のミューメタル磁界とフェライト層の内部で計測しました。このノイズトレースには、両方のシングル軸及び2軸の測定が含まれています。
外観とサイズ
構成製品
センサー、コントロール装置部、電源、ケーブル、ソフトウェア
使用条件
- ◎周囲磁場 50nT以下
- ◎64ビットコンピュータ Windows7以降
３．事例動画
事例動画（脳磁図 ノッティンガム大学）
事例動画（心磁図装置 米国Genetesis社 CardioFlux）
４．FAQ
-
QZFM専用のヘッドキャップは販売していますか？
販売しています。こちらをご参照ください。 -
どのように使用しますか？
以下実際の構成となります。
-
デモ機のレンタルは可能ですか？
価格提示後、借用書サインいただければ2～3週間までの貸し出しは対応いたします。
使用条件は環境磁場、50nT以下ですのでシールドルームが必須です。ご注意ください。 -
マスターモジュールとスレイブモジュールとは何ですか？
2個以上のセンサを稼働させる際に、1つのモジュールをマスターモジュールとして設定し、残りはスレイブモジュールとなります。
マスターモジュールは、モジュレーション信号をスレイブモジュールに送信します。
５．原理とQZFMの構造
図1: レーザダイオード①は、アルカリ原子の共鳴周波数に同調する光を生成する。光ビームはコリメートされ、アルカリ原子の蒸気を含むガラスセル②を通過するように進む。透過光ビームは、フォトダイオード③に向かう。
QuSpinゼロ磁場磁力計（QZFM, QuSpin Zero-Field Magnetometer）は、単一レーザビームによるゼロ磁場共鳴が基本となる。QZFMの基本的な構成を図1に示す。精密に同調された半導体レーザ①からの光は、ルビジウム原子②を含むガラス蒸気セルを通過し、光検出器③で捕捉される。バックグラウンド磁場がゼロに等しいとき、ルビジウム原子はほぼ透明になる。光路に垂直な方向の磁場を印加すると、ルビジウム原子はより多くの光を吸収する。光検出器は、この透過度の変化を感知し、蒸気セルを透過した光に比例する電流を生成する。このようにして、磁気信号は電気信号に変換され、ゼロ磁場磁力計を構成する。
ゼロ磁場（ZF）共鳴の概念 [Dupont Roc, 1969] を説明するために、磁力計が絶対ゼロ磁場環境にあると仮定する。光ビームに垂直な方向に磁場を印加し、印加した磁場の振幅を正から負の値に掃引させると、ルビジウム原子の透過度が変化する際に透過度が最大になるのは、原子がゼロに極めて近い磁場であるときとなる。印加磁場の関数として光検出器の出力を見ると、出力はローレンツ曲線の形状となることがわかる。このローレンツ曲線の出力は、ZF共振（図2参照）と呼ばれる磁力計の応答である。その代表する幅（半値全幅、FWHM)は、QZFMでは約30nTである。
磁場値は、ローレンツのピークからの偏差によって与えられる。この偏差を測定する簡単な方法は、ロックイン検出によって得ることができるローレンツ曲線の微分係数を確認することである。ここでは、内部コイルを用いて約1kHzの小さな振動磁場（変調磁場と呼ぶ）を印加する。変調周波数を基準とする位相検波型ロックインアンプを用いて、光検出器出力を復調し、分散曲線と呼ばれる反対称曲線を生成する（図2参照）。分散曲線は、ゼロ磁場で最大勾配となり、磁力計の出力としての役割を担う。
図2: ゼロ磁場（ZF）共鳴は、蒸気セルを通る光ビームに垂直な方向に磁場が正の値から負の値に走査されるときの光検出器の出力である。ZF共鳴の典型的な半値全幅（FWHM）は30nTである。ロックインアンプで復調された出力（エラー信号とも呼ばれる）は、非対称ローレンツ曲線の形状を与える。
磁力計の感度軸は、（光ビームに垂直な平面上に投影された）変調場の方向によって定義される。（光ビームに垂直な）2つの直交軸に対する磁力計の感度を同時に最大化するため、2つの別々の直交コイルを使用して2つの別々の変調磁場を印加する。
いくつかの光ポンピング磁力計（OPM, Optically Pumped Magnetometer） が互いに近接して配置されるマルチチャネルシステムでは、隣接するセンサーからの干渉を回避するために、すべてのセンサーを共通の駆動信号で変調する。「マスター」に指定された電子モジュールが変調信号を生成し、それを「スレーブ」として指定された他の全ての電子モジュールに分配する。同じ変調駆動信号でセンサーを動作させると、エイリアシング効果が解消されるが、問題が1つ残る。それは、隣接するセンサーからの変調磁場の重ね合わせが、蒸気セルが受ける正味の変調磁場の有効場の方向をわずかに変化させ、それによって磁力計の感度軸の方向を変化させる恐れがあることである。QuSpin社は、このいわゆる「クロストーク」効果を軽減するための解決策を開発し、大規模マルチチャネルシステムに実装している。
ゼロ磁場光ポンピング磁力計（ZF−OPM） は、非常に感度が高く、動作のためにゼロ磁場環境を必要とするので、これらのセンサーを動作させるために磁気的に遮蔽された環境が必要となる。シールドルーム（MSR）は完全ではなく、一般的にいくらかの残留場（数十ナノテスラ[nT]）が内部に存在する。これらの残留磁界により、背景の磁場を全体的にオフセットしてゼロ化できる大型コイルをMSRに装備することがユーザーに求められる。しかし、これは必ずしも現実的ではない。それに代わるものとして、我々は3軸直交磁気コイルをセンサーヘッド内で組み合わせ、各OPMの蒸気セルの周囲の磁場を局所的にゼロにすることを可能にした。この磁場ゼロ化コイルは、50nTまでの残留磁場を補正でき、プロセスは完全に自動化されているため数秒しかかからない。複数のセンサーが近接して動作しているとき、磁場ゼロ化プロセスは全てのセンサーに対して同時に実行され、各センサーに加わる磁場を可能な限りゼロにすることで、全てのセンサーからの合計磁場がなくなるようにする。磁場ゼロ化プロセスは、OPMによって印加されるバックグラウンド磁場が著しく変化するたびに、またはセンサー配置が変化するたびに繰り返されるものとする。
我々のZF−OPMの帯域幅は約150Hzであり、システムの物理的性質によって制限されている。OPMの周波数応答は、150Hzでロールオフする1次ローパスフィルタのように振る舞う。さらに我々は、周波数500Hzを超える残留応答を除去する6次ハードウェアデジタルフィルタを用いている。帯域幅を広げた場合にはその代わりに感度が落ちる。磁力計応答の非補償型の線形性（印加磁場振幅の関数としての出力電圧振幅）は、ゼロ磁場付近のエラー信号の非線形性から影響を受ける（例えば、1nTの磁場振幅は、線形性から1%の偏差を引き起こす可能性がある）。
センサーの性能を最適化するために、蒸気セルを約150℃に加熱して蒸気密度を増加させる。これにより、セル近傍のセンサーハウジングの温度はわずかに上昇する。
参考文献：
Dupont-Roc, J., Haroche, S. & Cohen-Tannoudji, C., “Detection of very weak magnetic fields (10-9 gauss) by Rb zero-field level crossing resonances”, Phys. Lett., A 28, 638–639 (1969)
６．アクセサリ
QZFM Gen-3の関連アクセサリー
- 専用キャップ MEG Cap 1.0
- NI-9205 Data Acquisition unit
- QuSpin DAQ UI for NI-9205
- Low Noise Coil Driver
７．参考文献
脳磁図関連の論文
- Theoretical advantages of a triaxial optically pumped magnetometer magnetoencephalography system, NeuroImage, 2021
- Coherent detection stochastic resonance assisted biomagnetometer for measuring magnetocardiography at room temperature, Applied Physics Express, 2021
- Mouth magnetoencephalography: A unique perspective on the human hippocampus, NeuroImage, 2021
- Measuring functional connectivity with wearable MEG, NeuroImage, 2021
- Optically Pumped Magnetometers for Practical MEG-Based Brain-Computer Interfacing, Brain-Computer Interface Research, 2021
- Optically pumped magnetoencephalography in epilepsy, Annals of Clinical and Translational Neurology, 2020
- Multi-channel whole-head OPM-MEG: Helmet design and a comparison with a conventional system, NeuroImage, 2020
- Optically pumped magnetoencephalography in epilepsy, Annals of Clinical and Translational Neurology, 2020
- Magnetic Measurement of Electrically Evoked Muscle Responses With Optically Pumped Magnetometers, IEEE, 2020
- Potential of on-scalp MEG: Robust detection of human visual gamma-band responses, Human Brain Mapping, 2019
- Using optically pumped magnetometers to measure magnetoencephalographic signals in the human cerebellum, The Journal of Physiology, 2019
- Optically pumped magnetometers: From quantum origins to multi-channel magnetoencephalography, NeuroImage, 2019
- Towards magnetoencephalography in a virtual reality environment, NeuroImage, 2019
- Wearable neuroimaging: Combining and contrasting magnetoencephalography and electroencephalography, NeuroImage, 2019
- On-scalp MEG system utilizing an actively shielded array of optically-pumped magnetometers, NeuroImage, 2019
- Optical Co-registration of MRI and On-scalp MEG, Scientific Reports, 2019
- Optically Pumped Magnetometers for Magneto-Myography to Study the Innervation of the Hand, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2018
- A bi-planar coil system for nulling background magnetic fields in scalp mounted magnetoencephalography, NeuroImage, 2018
- Cognitive neuroscience using wearable magnetometer arrays: Non-invasive assessment of language function, NeuroImage, 2018
- Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system, Nature, 2018
- Requirements for coregistration accuracy in on-scalp MEG, Brain Topography, 2018
- Cognitive neuroscience using wearable magnetometer arrays: Non-invasive assessment of language function, NeuroImage, 2018
- A new generation of magnetoencephalography: Room temperature measurements using optically-pumped magnetometers, NeuroImage, 2017
- Measuring MEG closer to the brain: Performance of on-scalp sensor arrays, NeuroImage, 2016
- A compact, high performance atomic magnetometer for biomedical applications, Phys Med Biol, 2014
- Current Status and Future Prospects of Perinatal MEG, Springer, 2014
心磁図関連の論文
- Dynamics of the use of magnetocardiography in the study of the cardiac conduction system of the chick embryo, Birth Defects Research, 2020
- Low‐Cost Fetal Magnetocardiography: A Comparison of Superconducting Quantum Interference Device and Optically Pumped Magnetometers, Journal of American Heart Association, 2019
- Detection of Fetal Arrhythmia by Using Optically Pumped Magnetometers, JACC Clin. Elec., 2018
- Toward noninvasive monitoring of ongoing electrical activity of human uterus and fetal heart and brain, Clinical Neurophysiology, 2017
- Fetal magnetocardiography using optically pumped magnetometers: a more adaptable and less expensive alternative?, Prenatal Diagnosis, 2016
その他の論文
- Zero- to Ultralow-Field NMR Spectroscopy of Small Biomolecules, Anal. Chem., 2021
- Optically pumped magnetometers reveal fasciculations non-invasively, Clinical Neurophysiology, 2021
- Action potentials induce biomagnetic fields in carnivorous Venus flytrap plants, Scientific Reports, 2021
- Magnetic Measurement of Electrically Evoked Muscle Responses With Optically Pumped Magnetometers, IEEE, 2020
- In-situ Overhauser-enhanced nuclear magnetic resonance at less than 1 μT using an atomic magnetometer, Journal of Magnetic Resonance, 2019
- Development of an optical pumped gradiometric system to detect magnetic relaxation of magnetic nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019
- Experimental Constraint on an Exotic Spin- and Velocity-Dependent Interaction in the Sub-meV Range of Axion Mass with a Spin-Exchange Relaxation-Free Magnetometer, Physical Review Letters, 2018
- Nondestructive in-line sub-picomolar detection of magnetic nanoparticles in flowing complex fluids, Scientific Reports, 2018
- High-sensitivity operation of single-beam optically pumped magnetometer in a kHz frequency range, Meas, Sci. Tech, 2017
- Magnetic microscopic imaging with an optically pumped magnetometer and flux guides, App Phys Lett, 2017
Ultra-sensitive magnetic microscopy with an optically pumped magnetometer, Scientific Reports, 2016
８．光ポンピング磁力計モジュールQZFMのホワイトペーパー
生体磁気計測用の完全統合された 独立型ゼロ磁場光ポンピング磁力計
バイオメディカル分野への応用のために開発された第一世代ゼロ磁場光ポンピング磁力計の動作と結果について説明します。
9．OPM-MEG用センサーシステム Neuro-1
Neuro-1は、脳磁図（MEG）などの高チャンネル生体磁気用に設計された、最先端の統合型OPMセンサーシステムです。
このオールインワンソリューションは、QZFMセンサー、制御電子機器、DAQ、電源を統合しています。
Neuro-1（N1）の重要な進歩は、センサー制御電子機器の小型化です。
そのコンパクトなサイズにより、N1の電子機器は、ユーザーが身につける小さなバックパックの中に入れることができます。
N1のデータ収集システム（DAQ）は、128以上のセンサー（384チャンネル）からデータを取得でき、同期式の外部アナログおよびデジタル入出力を内蔵しています。APIにより、Labview、Matlab、Pythonなどのサードパーティ製ソフトウェアを使用して、N1とのデータ収集や通信が可能です。
特長
- 超小型、省電力、センサー同期機能内蔵
- 高いカスタマイズ性とアップグレードフレンドリー
- シングル、デュアル、3軸モードの選択可能
（QZFM3軸タイプ必要）
- クローズドループモード（開発中）
- 複数の外部デジタル/アナログI/Oを持つDAQを内蔵し、低ノイズ電源装備
- 外部ソフトウェアと連携するためのAPI
システム構成
N1では、個々のQZFMのECU（エレクトロニクスコントローラーユニット）のサイズが、SDカードサイズに縮小されました。
N1 ECUの出力はすべてデジタルで、マザーボード上に任意の数のECUを組み合わせが可能です。搭載できるECUの数は、カスタマイズやアップグレードできます。
マザーボードからのデータは、イーサネットケーブルを介してDAQシステムに送られ、データは外部入力からのデータと同期して合成されます。DAQは結合されたデータを別のイーサネット接続を介してPCに送信します。
10．国内事例
国際電気通信基礎技術研究所様
計算脳イメージング研究室
OPMの採用事例
光ポンピングモジュール（OPM) 関連商品のご紹介
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