Research Themes

• 低強度超音波薬学：経頭蓋脳深部刺激による低体温状態誘導に関する技術基盤の構築
  科学研究費助成事業
  28 Jun. 2024 - 31 Mar. 2028
  舘野 高, 平田 拓, 村上 修一
  日本学術振興会, 挑戦的研究(開拓), 北海道大学, 24K21318
• Oxygen and pH imaging of malignant tumors using electron paramagnetic resonance
  Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
  Apr. 2022 - Mar. 2026
  平田 拓, 安井博宣
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, Principal investigator, 22H00200
• Spatio-temporal dynamics analysis of cell death induction due to disruption of biometal homeostasis and its application to radiotherapy
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2022 - 31 Mar. 2025
  安井 博宣, 稲波 修, 平田 拓, 久下 裕司
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 22H03740
• Targetting of cancer-specific metabolic system for senolytic therapy
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2025
  稲波 修, 平岡 和佳子, 安井 博宣, 平田 拓, 滝口 満喜, 岡松 優子
  本年度はインビトロの培養細胞の系の実験で、以下の四つの結果が明らかとなった。
  1）グルタミン要求性の強いヒト肺がんA549細胞やH460細胞では、放射線照射により、これらの細胞でのグルタミンの取り込みの増大とグルタメートの増大、すなわちグルタミナーゼの活性化を起こす事を明らかにした。さらに、グルタミン代謝阻害剤添加あるいはグルタミン欠乏培地下で培養すると治療線量レベルの放射線照射によって多くの老化様細胞死とSASPの培養液中への分泌を増強させることが可能である事が明らかとなった。
  2）グルタミノリシス阻害条件下で放射線による老化様細胞死の誘発機構には活性酸素種の生成量、グルタチオン量の変化DNA損傷の量、さらにはDNA損傷に伴う伴うp53やp21、p16の発現変化などの既知のメカニズムの関与は殆ど無く、未知の機構の関与が示唆されている。
  3）更にグルタミノリシス阻害条件下で放射線誘発する老化様細胞死を起こす条件で、Bcl-XL阻害剤ABT-737によって、この増大した老化様細胞死の多くはアポトーシスに変換できること、いわゆるセノリシスを起こせることを明らかにした。
  4）一方では、同じ肺がん由来細胞でも786-o細胞ではグルタミン代謝阻害が老化様細胞の増強を起こさず、A549やH460細胞と同様の現象は観察されず、全ての肺がん細胞に於いて同様の機構が働いていない事も明らかとなった。また、脂質代謝阻害剤は老化様細胞増強には関与しなかった。
  以上の結果はグルタミン要求性の強い肺がん細胞を中心にその亜致死レベルのグルタミノリシス阻害条件下で治療線量レベルの放射線照射をすると、多量の老化様細胞死の増大が起こす事を示しており、さらに、アポトーシス抑制因子の阻害剤で効率よく老化様細胞死をアポトーシスに変換できることが明確になった。
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 20H00443
• 電子スピンでセンシングする悪性腫瘍の高精度酸素イメージング法の開発
  科学研究費助成事業 (挑戦的研究(開拓))
  Jul. 2021 - Mar. 2025
  平田拓, 稲波修
  日本学術振興会, 挑戦的研究（開拓）, Principal investigator
• Development of EPR in vivo tooth Dosimeter
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2018 - 31 Mar. 2023
  三宅 実, 山口 一郎, 平田 拓, 大林 由美子
  ①EPR (Electron Paramagnetic Resonance 電子常磁性体共鳴）分光計を用いた生体内の歯の計測は、診断領域のX線に対して感度が高く、患者や医療従事者の放射線曝露歴を把握できる可能性がある。しかし、歯を試料として用いることから歯科での審美治療により象牙質内の有機物を化学処理により分解する際に、歯のエナメル質のハイドロキシアパタイトにも影響を与え、放射線照射により生成される安定な炭酸ラジカルの保持に影響を与える可能性がある。また、紫外線を照射するなどすることでEPR計測に影響を与える可能性がある。紫外線による信号形成：280nm以下の波長のUV-Cでは比較的高率にEPR信号が形成されるが、UVA (400－315nm)、UVB(315-280nm)でも、長時間照射によりL-band でも検出可能な信号について実験を行った。地球で緯度的な差異による直接的な太陽光の曝露量の違いについて文献的な考察も加え、実際紫外線の曝露を受ける可能性のある前歯で、L-bandEPR計測値に有意差を与える信号強度でないことを確認した。この結果はApplied Magnetic Resonanceにて発表を行った。(Nakai,Y.,et al.2021) ②改良EPR装置の評価：昨年と同様に制御用PCの制御プログラムの改良を実施し動作安定性の向上を図った。ソフトウエアーやPCメインプログラムを、共同研究機関であるダートマス大学に協力で更新を実施した。③解離性放射線には種々のエネルギーの異なる線源が存在する。そこでエネルギーの異なる線源（60COγ線、X線(60kV,250kv)，中性子線）を、抜去歯（智歯）に段階的に照射し、EPR測定を実施する計画であったが広島大学原爆放射線医学研究所においてガンマセル使用ができず、今年度に再度追加照射、分析を計画している。
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Kagawa University, 18K09724
• Development of a novel radiotherapy targeting iron-dependent cell death ferroptosis
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2019 - 31 Mar. 2022
  YASUI HIRONOBU
  In this study, (1) we searched for a point of action that can effectively induce ferrotosis with various candidate drugs, (2) we show evidence of the obtained mechanism of radiosensitizing action, and (3) therapeutic effect at the biological level. The ultimate goal was to develop an imaging method that could support this. Toward this goal, during this study, ferroptosis inducers were shown to increase radiosensitivity by reducing antioxidants in cancer cells, and intracellular iron metabolism in cancer cells by transferrin probes. Focusing on the mechanism, we succeeded in developing a method that makes it possible to predict the therapeutic effect of ferrotosis-induced cancer in advance.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 19H04264
• Development of a method of 3D oxygen and pH mapping of tumors using electron spin resonance spectroscopy
  Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
  Apr. 2019 - Mar. 2022
  Hirata Hiroshi
  We aimed to develop quantitative imaging techniques for the partial pressure of oxygen and extracellular pH for malignant tumors. In this study, electron spin resonance (ESR) spectroscopy was applied to the three-dimensional mapping of the partial pressure of oxygen and pH in solution samples. Using a molecular probe that can concurrently detect the partial pressure of oxygen and pH, we showed the feasibility of concurrent mapping the partial pressure of oxygen and pH in solution samples.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, Principal investigator, Competitive research funding, 19H02146
• Development of multifunctional electron/nuclear magnetic resonance imaging
  Grants-in-Aid for Scientific Research Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
  Oct. 2018 - Mar. 2022
  Hirata Hiroshi
  We aimed to develop multiple imaging techniques for the partial pressure of oxygen, extracellular pH, and reduction-oxidation (redox) status using magnetic resonance techniques. This program was conducted internationally with Prof. Valery V. Khramtsov at West Virginia University, WV, USA. In Japan, each imaging technique for electron spins and nuclear spins was developed to visualize malignant tumors’ physiological parameters. The developed imaging techniques were tested and demonstrated in their feasibility studies.
  Japan Society for the Promotion of Science, Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B)), Hokkaido University, 18KK0304
• Analysis of radioresistance factors of tumors in radiotherapy by using MS imaging and ESR imaging techniques
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  29 Jun. 2018 - 31 Mar. 2021
  Inanami Osamu
  The aim of this study is to develop new metabolic analysis methods and imaging techniques for cancer metabolism and its novel radiation response, which will lead to the development of future therapies. In this study, we found cancer cells with dependence on mitochondrial electron transport chain (ETC), glutamine metabolism, and lipid metabolism, confirming the diversity of cancer cell metabolism. As a new cancer-specific metabolic evaluation system, ESR oximetry was established to evaluate mitochondrial ETC activity at the cellular level, and radiation response was clarified. In addition, we established a rapid ESR imaging method for tissue reduction state reflecting glutathione metabolism and an in vivo imaging method using pH-sensitive probes for extracellular pH changes reflecting glucose metabolism in an international collaboration.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory), Hokkaido University, 18K19254
• Development of a novel therapy by targeting for cancer specific glutamine and acetate metabolism
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2017 - 31 Mar. 2020
  Inanami Osamu
  In this study, in order to clarify a novel metabolic target of radiotherapy for cancer, we established a mitochondrial-dependent metabolic assay for cancer metabolism using electron spin resonance (ESR) with a new oxygen probe. Using this method, it was clarified that ATP production by not only glucose metabolism but also electron transport system (ETC) was increased by irradiation as a survival strategy of solid tumors. Furthermore, we have found that this radiation-induced energy response can induce strong radiosensitization by glutaminolysis involved in the TCA cycle and mitochondrial inhibitory drugs. In particular, it was demonstrated that glutamine synthase inhibitors and ETC inhibitors can cause a strong radiosensitizing effect.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 17H03920
• Model experiments of partial pressure of oxygen-guided intensity modulated radiation therapy
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  Apr. 2016 - Mar. 2018
  Hirata Hiroshi, MATSUMOTO Shingo
  The purpose of this study was to clarify the outcomes of the model experiments of oxygen partial pressure-guided radiation therapy. A miniature multi-leaf collimator (MLC) was developed for the model experiments using tumor-bearing mice. This miniature MLC was planned to control the intensity and the distribution of X-ray irradiation to tumor model mice. Also, the computation method for obtaining the collimator opening from the three-dimensional data of oxygen partial pressure in mouse tumors was developed and implemented. Moreover, tumor-growth curves were obtained for non-treated and uniform X-ray irradiated mice. These data will be the control data of tumor growth. For preparing tumor-bearing mice, murine squamous cell carcinoma (SCC VII) cells were subcutaneously implanted in mouse hind legs.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, Hokkaido University, Principal investigator, Competitive research funding, 16K12862
• Quantitative measurements of multi-parameter electron spin resonance imaging
  科学研究費補助金 (基盤研究(A))
  Apr. 2014 - Mar. 2018
  Hiroshi Hirata
  Japan Society for the Promotion of Science, Principal investigator, Competitive research funding
• Application of an in-vivo portable EPR dosimetry against radiation exposures
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2014 - 31 Mar. 2017
  Miyake Minoru, HIRATA Hiroshi
  We conducted experiments regarding to the equipment for practical usage of EPR portable spectrometer, and also evaluated measurements with volunteers, and analyzed the detection limit of this device. 34 volunteers in Fukushima prefecture participated the practical measurements. As the results, ratio of EPR signal intensity versus standard signal intensity with PDT was 0.087±0.051. The intensity of the signals that were obtained were not significantly above those seen in volunteers. The detection limits for radiation exposures are calculated. The sensitivities are 77.0%, 99.9% and specificities are 78.0%, 99.8% with 1Gy, 2Gy exposures respectively under ex-vivo condition. We demonstrated that it is feasible to transport the dosimeter to the site and make valid measurements as a triage purposes with high dose (>2-4Gy).
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Kagawa University, 26462841
• Development of low field EPR/NMR co-imaging system for biological samples
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2014 - 31 Mar. 2016
  AKABA Hideo, HIRATA Hiroshi
  The purpose of the present work was developing a compact low field magnetic resonance imaging (MRI) system running on a same magnetic circuit used for a 750 MHz CW electron paramagnetic resonance imaging (EPRI) system. A current source to drive a high inductance gradient coil of ~ a few mH with the response time of ~ 50 us was developed. We demonstrated that nuclear magnetic resonance (NMR) signal acquisition was possible without the interference of an EPR probe by setting a NMR probe located outside the EPR probe. Low field EPR/NMR co-imaging of a test sample was succeeded using the same magnetic circuit without moving the sample.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, Osaka University, 26630184
• キラリティー磁気共鳴分子イメージング　　　　　　　　　　　　　　　
  最先端・次世代研究開発支援プログラム
  Feb. 2011 - Mar. 2014
  平田 拓
  内閣府, Principal investigator, Competitive research funding
• Human application of in vivo EPR Dosimetry
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  2011 - 2013
  MIYAKE Minoru, MATSUI Yoshiro, IWASAKI Akinori, YAMAGUCHI Ichiro, KUNUGIDA Naoki, HIRATA Hiroshi
  The measuring device for the radiation exposure dose in human teeth enamel using L-band in vivo Electron Paramagnetic Resonace (EPR) was newly developed. The loop-resonator designed for human upper central incisor were specially made, the S / N ratio with this new resonator, it was improved of 2.7 times that of the conventional apparatus. 95.0% sensitivity and 90.0% specificity in 1Gy irradiated specimen as the detection sensitivity were achieved. Further, the structure of the measuring setting was modified which can be measured in a sitting position, it can be reduced the measurement noise due to moving of the subjects. The measurement from 35 volunteers was performed, and the data of the background EPR signals in existing in enamel were obtained.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Kagawa University, 23592769
• Functional molecular imaging studies by rapid EPR imaging method
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  2010 - 2012
  FUJII Hirotada, HIRATA Hiroshi, ITOH Kouichi, NAGASAKI Yukio
  Electron paramagnetic resonance (EPR) imaging using nitroxides is a powerful, noninvasive method for visualizing the redox status modulated by oxidative stress in vivo. However, to date, it has not always been possible to obtain three-dimensional (3D) images with a continuous wave (CW)-EPR imager in small rodents while using nitroxides. Due to improvements in imagers that enable rapid data-acquisition, the feasibility of 3D EPR imaging with good quality in mice was tested with nitroxides of different lipophilicities. The improved CW-EPR imager may be a useful noninvasive tool for assessing changes in the redox status of living subjects under oxidative stress.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Sapporo Medical University, 22390236
• 高速電子常磁性共鳴イメージング法の開発　　　　　　　　　　　　　　　
  先端計測分析技術・機器開発事業
  Oct. 2008 - Mar. 2011
  平田 拓
  科学技術振興機構, Principal investigator, Competitive research funding
• Structural evaluation of stratum corneum investigated by electron spin resonance imaging
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  2009 - 2011
  NAKAGAWA Kouichi, HIRATA Hitoshi
  Electron spin resonance (ESR) in conjunction with a slow-tumbling simulation was utilized for defining various stratum corneum (SC) lipid structures. The α-terpineol enhanced about three times permeation of the single chain 5-DSA than that of the control. We also studied psoriasis vulgaris SC (pv-SC). We found that the pv-SC is less ordering of the structure than that of the control SC, indicating abnormal architecture of the pv-sc.
  A 9 GHz ESR imager that is capable of the imaging surface area of thin materials has been built. More importantly, the TE111 cavity does not require inserting the sample into the cavity and placing samples into ESR tubes. In addition, the components of the 9 GHz imager and imaging data processing are developed.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 21500410
• 脳科学研究のための機能的電子スピン共鳴イメージング法の研究
  科学研究費補助金 (基盤研究(B))
  2009 - 2011
  平田 拓
  平成22年度は、計画通り電子スピン共鳴(ESR)スペクトルからpHおよび酸素分圧を可視化する実験を行った。pH感受性および酸素感受性のニトロキシルラジカル分子二種類を使用し、試験管による模擬試料を用いてpHおよび酸素分圧を可視化した。実験に先立ち取得したpHおよび酸素分圧の校正曲線を用いて、スペクトル空間ESRイメージング法により得られたスペクトル情報をpHおよび酸素感受性に変換した。実験の結果、pHの分解能0.1程度、酸素分圧の分解能5mmHgが得られた。しかしながら、酸素分圧の測定値の精度が十分ではないことが明らかとなったため、データ処理の方法等を再検討した。その結果、実験において次の課題が明らかとなり、データ処理により外乱の影響を取り除く補正を行った。すなわち、(1)マグネット温度のドリフトによる中心磁場の変化、(2)磁場掃引幅の誤差、(3)磁場掃引幅の変化に起因する中心磁場の変化、(4)水溶液試料中のうず電流によるスペクトルの歪み、が最終的に得られるスペクトル情報に対して外乱となることが分かった。pHの可視化については、ニトロキシルラジカルの超微細構造による3つのエネルギー吸収スペクトルの内、低磁場側のスペクトルと中間のスペクトルの間隔を測定することによりpHを測定した。それぞれのスペクトルを単独で測定したデータから二つのエネルギー吸収の間隔を求める方法においては、上...
  文部科学省, 基盤研究(B), 北海道大学, Principal investigator, Competitive research funding, 21360193
• スーパーレゾリューション電子常磁性共鳴イメージング法の開発
  科学研究費補助金 (萌芽研究, 挑戦的萌芽研究)
  2008 - 2010
  平田 拓
  平成22年度は、電子常磁性共鳴(EPR)イメージング法の解像度改善を目指した。大学内において動物実験の計画が承認されるまでの時間を用いて、模擬試料による解像度改善の実験を行った。また、三次元画像再構成時に自動的に解像度と信号対雑音比を最適化するプログラムを開発した。加えて、分子イメージングの一種であるEPRイメージングの画像を動物の解剖学的画像に重ね合わせるために、EPR/NMRコレジストレーション・イメージングに利用するソフトウエアを開発した。その結果、三次元画像再構成の最適化と、EPRおよびプロトンNMR画像の半自動重ね合せが実現した。画像の重ね合せには、キャピラリー管による位置合わせのマーカーを用いた。EPR画像の解像度改善のためには、正確に点広がり関数を推定する必要があるが、実験に使用したデータセットでは、繰り返しデコンボリューションによる一定の解像度改善は見られたが、目標とする5倍の解像度改善には至らなかった。一方、EPR/NMRコレジストレーション・イメージングは、実用的に使用可能なソフトウエアをMatlab上に構成することができたため、今後の実験に供することが可能である。特に、画像の重ね合せを半自動で行う点は、訓練されていないオペレータが操作することを容易にするため、実用的な観点からも前進したといえる。EPRイメージングの解像度改善には、いまだ考慮されていない要...
  文部科学省, 萌芽研究, 挑戦的萌芽研究, 山形大学->北海道大学, Principal investigator, Competitive research funding, 20656065
• Functional imaging studies of small rodents by ESR・MRI combined system
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
  2007 - 2009
  Hirotada FUJII, 黄田 育宏, Kouichi ITOH, Hiroshi HIRATA, Ikuhiro KIDA
  Electron Spin Resonance Imaging is a versatile imaging method of visualizing free radicals that are so called reactive oxygen species generated in biological systems. In this project, we have developed the ESR・MRI combined system which is capable of visualizing both ESR image and MR image. With this newly developed system, we plan to do the diagnostic study to screen the metabolic syndrome.
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 札幌医科大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 19390322
• Electron spin resonance imaging for brain/neuroscience studies
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
  2006 - 2008
  Hiroshi HIRATA, 藤井 博匡, 伊藤 康一, Hirotada FUJII, Kouichi ITOH, Hideo AKABA
  実験小動物として用いられるマウスを対象として、電子スピン共鳴(ESR)イメージング法の研究を行った。マウス頭部を計測する650MHzのマイクロ波共振器を作製し、ESR分光装置を改良した。また、スライス選択ESR画像を取得するイメージング法を開発した。さらに、データ取得を高速化することにより、マウス頭部において、半減時が短い六員環のナイトロキシルラジカルを可視化することに成功した。
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 山形大学->北海道大学, Principal investigator, Competitive research funding, 18360194
• Molecular magnetic resonance imaging studies on ESR・MRI dual system
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
  2005 - 2006
  Hirotada FUJII, 伊藤 康一, 平田 拓
  For molecular imaging studies in the fields of biological and biomedical sciences, electron spin resonance (ESR)/magnetic resonance imaging (MRI) dual-imaging system was developed. This system, ESR/MRI dual-imaging system, was constructed using the permanent magnet (Nb-Fe-B material). The ESR and MRI part of the dual-imaging system was operated at 1.2 GHz (0.04 Tesla) and 22 MHz (0.5 Tesla), respectively. In order to obtain higher spatial resolution for ESR imaging of relatively-large line width, 2 mTesla/cm magnetic field gradient was used. We also developed ESR and MRI resonator for co-re...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 札幌医科大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 17390335
• Development of a Highly Sensitive EPR Spectrometer for Brain Science Studies
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(C))
  2004 - 2005
  Hiroshi HIRATA, 藤井 博匡
  The major goal of this project was to develop engineering technologies regarding EPR spectroscopy with small animals in brain/neuroscience studies. Major accomplishments in this project were as follows :(1) Developed a sensitive EPR resonator for a subject animal. We could detect EPR spectra from the head of a mouse (25 g body wt.). Spin probes we used were Oxo-63.(2) Developed a cw-EPR imaging system. We developed a systematic approach to automatically select a cutoff frequency of a window function for use in image reconstruction.(3) Improved stability of a cw-EPR spectrometer. Our spectro...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(C), 山形大学, Principal investigator, Competitive research funding, 16560359
• Non-invasive analysis of dynamic state of reactive oxygen species in tissue and blood vessel of circulatory diseases
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(A))
  2002 - 2004
  Hideo UTSUMI, 輿石 一郎, 門司 晃, 井口 登與志, 安井 久喬, 竹下 彰, 古賀 登, 平田 拓
  It is reported that reactive oxygen species (ROS) are involved in the initiation and/or progression of circulatory diseases. In order to analyze is vivo ROS generation non-invasively, we developed the In vivo spin electron resonance (ESP)/spin probe technique using a signal decay rate of a nitroxyl radical as an index of ROS generation and clarified the association of ROS generation with several diseases in experimental animals.In this study, we performed non-invasive measurement of ROS generation in the models of diabetes and obese as representative circulatory diseases. When carbamoyl-PRO...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(A), 九州大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 14207105
• 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
  科学研究費補助金(若手研究(B))
  2002 - 2003
  平田 拓
  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...
  文部科学省, 若手研究(B), 山形大学, Principal investigator, Competitive research funding, 14750340
• Development of an EPR imager for the cerebral function analysis
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(A))
  2002 - 2003
  Mitsuhiro ONO, 平田 拓, 下山 雄平, 赤塚 孝雄, 鈴木 洋介
  The goal of this study was the development of an EPR imager for the cerebral function analysis. A key problem of the image reconstruction in EPR imaging was tacked. A systematic selection of filtering function to obtain the optimum image resolution was investigated. The direct Fourier transformation reconstitution(DFTR)method is suitable to understand the effect of the filter characteristics. We paid attention to the signal-to-noise ratio of the spectra to determine the cut-off frequency in the filter function. Although the usefulness of the image reconstruction by this technique should be ...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(A), 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 14205061
• 生体ラジカル二重共鳴画像解析用共振デバイスと画像化システムの開発
  科学研究費補助金(萌芽研究)
  2002 - 2003
  内海 英雄, 山田 健一, 輿石 一郎, 平田 拓
  フリーラジカルの生成と種々の疾患の成因・進展との関連性を視覚的に解明する上で、プロトン・電子スピン二重共鳴画像解析によって臓器・組織位置とフリーラジカル分布を重畳することは非常に重要であると考えられるが、未だ試みられていなかった。そこで今回、二重共鳴画像解析システムを開発するに当たり、ESRI用のサドル型磁場変調コイルの内側にMRIラジオパルス波のソレノイド型受信コイル、さらにその内側にESRマイクロ波のパラレルコイル型共振コイルを備えた共振デバイスを製作した。本デバイスのパラレルコイル内における磁場均一性に関して、磁束密度の標準偏差は軸長方向、動径方向ともに平均値の5%程度であった。また、最も内側のパラレルコイルを外して生理食塩水のMR画像を取得したところ、設置した状態と比べて画像の形状、信号雑音比ともにほぼ同じであった。次に、4本の試験管に各々濃度の異なるニトロキシルラジカルを封入した擬似試料を作成し、本デバイスを用いてESRI計測したところ、その画像輝度はラジカル濃度に比例して増加しており、このESR画像における各中心間距離はMR画像及び実際の試料における距離と一致した。以上より、MRI、ESRIともに計測可能な共振デバイスの開発に成功し、本デバイスを用いてフリーラジカル分布情報と解剖学的情報との重畳が可能であることを示した。本システムを動物計測に応用し、画像化システム...
  文部科学省, 萌芽研究, 九州大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 14657571
• Development of a FM-EPR instrument
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
  2000 - 2002
  Mitsuhiro ONO, 山本 哲也, 平田 拓, 下山 雄平, 鈴木 洋介
  A frequency modulation (FM) method was developed to measure electron paramagnetic resonance (EPR) absorption. The first-derivative spectrum of 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) powder was measured with this FM method. Frequency modulation of up to 1.6 MHz (peak-to-peak) was achieved at a microwave carrier frequency of 1.1 GHz. By using a tunable microwave resonator and automatic control systems, we achieved a practical continuous-wave (CW) EPR spectrometer that incorporates the FM method. In the present experiments, the EPR signal intensity was proportional to the magnitude of frequency ...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 12555114
• 実験動物による擾乱を自動補償する電子スピン共鳴スペクトロメーターの開発
  科学研究費補助金(奨励研究(A))
  2000 - 2001
  平田 拓
  本年度は二つのサブ・プロジェクトを実施した。【サブプロジェクト3】自動マッチング制御回路の開発:高周波検波回路と作動増幅器から構成される自動マッチング制御回路を開発した。共振器の入力インピーダンスが50オームよりも大きい場合には、反射波は入射波と同じ位相を有するが、インピーダンスが50オームより小さい場合には入射波と180度異なる位相を持つ反射波が観測される。この反射波の位相を検出する事によりインピーダンス整合の状態を検出する。インピーダンス制御のための帰還制御回路の応答は、実験動物の動きよりも速く、ESR信号を得るための磁界変調周波数よりも低くなければいけない。マウスの心拍数は最高で毎分600回程度(10Hz相当)、磁界変調周波数は通常100kHzである。帰還制御のカットオフ周波数は1kHz程度で十分動物の動きによる擾乱を補償できると考えられる。昨年度開発したサーフェイスコイルと帰還制御システムを現有する1.1GHzスペクトロメーターにおいてテストを行なった。スピーカーに取り付けたアームの振動により実験動物の擾乱を模擬し、インピーダンス不整合が補償されることを実験的に確認した。この実験では、信号対雑音比が約2倍に改善された。【サブプロジェクト4】自動マッチング制御回路の安定性解析:開発した自動マッチング制御システムのブロックダイアグラムと数学的モデルを定式化した。モデルは、...
  文部科学省, 奨励研究(A), 山形大学, Principal investigator, Competitive research funding, 12750377
• Study of PEDRI (Proton Electron Double Resonance Imaging)
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
  1999 - 2001
  Mitsuhiro ONO, 湯浅 哲也, 山本 哲也, 下山 雄平, 赤塚 孝雄, 平田 拓
  In order to develop a 0.2 Testar PEDRI (Proton Electron Double Resonance Imaging), microwave applicators have been studied.The frequencies are 8 MHz for NMR and 5.6 GHz for EPR.A NMR RF applicator is a solenoid or a birdcage coil. An EPR microwave applicator must be able to withstand 5 W CW and to generate homogeneous magnetic fields of about 10 mm X 20 mm. In this study, a basic applicator consists of a TE_<10> rectangular waveguide to obtain microwave magnetic fields mentioned above. We measured distribution of magnetic fields of (1) a waveguide without a flange, (2) a waveguide with a fl...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 11450157
• 共振周波数高安定化1．2GHz電子スピン共鳴スペクトロメーター
  科学研究費補助金(奨励研究(A))
  1998 - 1999
  平田 拓
  共振周波数と整合状態を電圧により制御可能なサーフェイスコイル型共振器を試作した(共振周波数は1.2GHz)。この共振器は、印加する電圧により約10MHzの範囲で共振周波数を制御することが可能である。通常のキャビティー共振器を使用した自動周波数制御では、搬送波周波数の0.1%程度の周波数調整しかできない。今回試作した共振器を使用すれば、搬送波周波数の約1%の範囲で共振周波数を制御することが可能である。共振周波数を電子的に制御するために、自動周波数制御回路を開発した。周波数の差を直流出力に変換する位相検波回路と可変容量ダイオードに印可する逆バイアスを制御する回路を製作した。実験的に共振器の共振周波数を擾乱し、それを安定化する性能試験を実施した。その結果、共振周波数可変範囲と同程度の周波数擾乱に対しては極めて安定的に自動周波数制御が行えることを確認した。実際のESRスペクトロメーターに共振器と制御システムを組み込み、従来のESRスペクトロメーターとの性能比較を行った。その結果、今回試作した電子同調サーフェイスコイル型共振器と自動周波数制御回路を組み合わせたシステムにおいて、従来システムに比べ信号対雑音比が約二倍改善された。今回の試作において、帰還制御回路の発振が観測された。制御性能を低下させず、発振を除去し制御回路の安定性を向上させることが今後の課題である。
  文部科学省, 奨励研究(A), 山形大学, Principal investigator, Competitive research funding, 10750308
• Joint study on design and fabrication of HTS antenna and filter
  Grants-in-Aid for Scientific Research(国際学術研究)
  1997 - 1998
  Shigetoshi OHSHIMA, Chaloupka He, 楠 正暢, 平田 拓, 沢谷 邦男, 小野 光弘, Heintz Chalo
  We could obtain some new results of HTS filters and antennas by the joint study between Yamagata University and Wuppertal University, The results are as follows.(1) 1997Dr.Kusunoki visited the laboratory of Prof.Chaloupka in Wuppertal University and researched about design of superconducting filters. Our group had investigated the formation process of YBCO thin films and measured its superconducting properties. We also designed superconducting antenna and filters.Prof.Chaloupka's group investigated superconducting filters.(2) 1998Prof.Chaloupka stayed our laboratory for about three weeks an...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 国際学術研究, 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 09044128
• In vio ESR oximetry for clinical use-Developments for mesuring oxygen tension in biological systems-
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(C))
  1997 - 1998
  Hisashi USUKI, 平田 拓, 小野 光弘, 合田 文則, 前田 肇
  In vivo ESR oximetry is being used to obtain measurements of partial oxygen tension in tissue of biological systems with an ease and accuracy that has not been possible previous other methods. It appears quite possible that the technique will become a widely used clinical tools. The developments of ESR oximetry needs following three parts of investigations to obtain ESR spectra in moving animals and human subjects.1) Improvements of ESR spectrometer. We investigated a flexible surface-coil type resonator for this purpuse.2) The discovery and developments of oxygen sensitive paramagnetic mat...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(C), 香川医科大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 09671233
• DEVELOPMENT OF 350MHz PULSED EPR SPECTROMETER
  Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
  1996 - 1998
  Mitsuhiro ONO, 塙 政利, 平田 拓, 下山 雄平
  The study of the behavior of free radicals in a living body has recently become very important in pathology, physiology and pharmacology, We have developed a 350MHz pulsed EPR(Electron paramagnetic resonance) spectrometer especially used for in situ measurement of a rat's whole body, and obtained the following results.(1) Optimum pulse width and quality factor Q of the resonator are 10-68ns and 10-60, respectively, for the relaxation time constant T_2=10-100ns of bio-radicals, and 68-158ns and 60-280, respectively, for T_2=100-800ns of radicals in solid materials.(2) Using this spectrometer...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 08555002
• Study on miniaturized super-gain superconducting antenna
  Grants-in-Aid for Scientific Research(一般研究(B), 基盤研究(B))
  1995 - 1997
  Shigetoshi OHSHIMA, 神戸 士郎, 平田 拓, 楠 正暢
  We have investigated the super-gain superconducting antenna, design, fabrication and characterization. These experimental results are as follows ;(1) Establishment of the design method of patch antenna operated at microwave region.We designed the patch antenna with a resonance frequency of 5 GHz. We could obtain the Cu patch antenna with input impedance of approximately 50 ohms and the resonance frequency of 50 ohms.(2) Fabrication and characterization of superconducting patch antenna.We fabricated the superconducting patch antenna using YBCO thin films. The input impedance of these antenna...
  Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 一般研究(B), 基盤研究(B), 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 07455128
• 電子スピン共鳴計測用サーフェイスコイル型共振器の最適設計法に関する研究
  科学研究費補助金(奨励研究(A))
  1994 - 1994
  平田 拓
  1.電子スピン共鳴計測用-フェイスコイル型共振器の共振尖鋭度と充填率(試料内にある磁気エネルギーと共振器の蓄えるエネルギーの比)の評価を可能にするためにそれらの定式化を行った。その際、生体試料内で生じる電磁波の損失を表す等価的な抵抗の値を求めることを可能にした。2.1でおこなった定式化に基づいて数値計算を行えるようにし、電子スピン共鳴計測の際に得られる信号強度の推定を可能にした。3.数値計算と定式化の妥当性を検証するために、計算モデルと同様の共振器を試作し、実際の電子スピン共鳴計測を行った。その結果、実験結果と数値計算の結果が一致することを確認した。4.信号強度の評価法が妥当であることが確認できたので、その評価法を用いたサーフェイスコイル型共振器の設計指針を明らかにした。その結果、試料の寸法と媒質の物理定数が与えられたとき、サーフェイスコイル型共振器の全長が短いものほど大きな信号が得られること、並びに信号強度が最大となるようなサーフェイスコイルの寸法が存在することが明らかになった。この研究により、当初の予定通り信号強度を最大とするようにサーフェイスコイル型共振器を設計することが可能になった。
  文部科学省, 奨励研究(A), 山形大学, Principal investigator, Competitive research funding, 06750434