計測技術で医療の未来を支える −磁気共鳴工学で実現する体に負担のない検査

病院で広く使われているMRI（磁気共鳴画像）は磁場と電磁波を使用して体の臓器や血管の様子を撮影することができる装置ですが、人体の水分（H₂O）や脂肪、筋肉などの組織に含まれる水素原子の「核スピン」を測定対象としています。スピンとは、原子核や電子が持つ磁気的性質で、磁場中でコマのように回転するイメージです。一方、私たちが研究しているEPR（電子常磁性共鳴）が対象としているのは電子の「電子スピン」です。がん細胞や炎症組織では、酸素やpHの状態が変化するので、これを検出することで体を傷つけることなく、がん細胞の周辺の環境などを画像化することができます。

検査っていうのはおおよそ、辛いイメージですよね。できたら痛くなくて、何も感じない状態で検査ができたらいいわけです。そういうのを「低侵襲・非侵襲」といいますが、工学的に言うと「非破壊的に」というとわかりやすいでしょうか。患者さんにとっても負担なく、繰り返し検査を受けることも可能になります。

このEPR測定で心臓部となるのが「マイクロ波共振器」です。これは特定の周波数で電磁波を効率よく発生・増幅させる装置で、私たちはマウス腫瘍測定用の750MHz共振器を設計しています。この周波数は、生体組織への電磁波の透過性と測定感度のバランスを考慮して選ばれたものです。

この共振器の設計にAnsys HFSSを活用しています。実験ではがん細胞を移植して腫瘍を形成したマウスの足を共振器内に挿入し、計測を行います。EPR測定では、測定対象（不対電子）を励起するために高周波磁場（数百MHz帯の交流磁場）を照射する必要があります。ここで、共振器内部での高周波磁場の強さと方向が空間的にどのように変化しているかを表す高周波磁場の分布が、測定精度を左右する極めて重要な要素です。

Ansys HFSSを使い、共振器内の3次元電磁界シミュレーションすることで、効率的に開発がすすめられます。また、定量的な磁場の把握により共振器効率の向上が可能になり、ひいては計測感度の大幅な向上につながります。ここでいう効率とは、入力する高周波電力に対して共振器内部で実際に生成される高周波磁場の割合を指します。効率が高いほど少ない入力電力で強い高周波磁場を発生でき、不対電子による微弱なエネルギー吸収もより明瞭に検出できるようになります。

また、測定時にインピーダンスをマッチングさせる回路（マッチング回路）の設計も重要用途の一つです。インピーダンスマッチングとは、信号源と負荷の電気的特性を合わせることで、電力伝送効率を最大化し信号の反射を最小化します。パラメータ変更時の反射係数（入力信号に対する反射信号の比率で、回路の整合度を示す指標）などの特性変化を事前予測できるため、最適化プロセスに大きく貢献しています。

「私自身の強みは、がんの実験そのものではなく、見えないものを測ることなんです」と語る平田先生。EPR測定に限らず多様な計測技術の研究に携わってこられたことを、とても楽しそうに話されていたのが印象的でした。その探究心と前向きな姿勢に強く惹かれました。こうした基礎研究こそが、日本の医療や幅広い分野の応用研究を支える原動力になっているのだと実感します。私たちも、その活動を精一杯サポートさせていただきたいと思います。また、ANSYS,Inc.より共通プラットフォームとして「Ansys innovation Space」という無償のカスタマーラーニングとサポートのご提供をスタートいたしました。今後ますます充実させていく予定です。ありがとうございました。