偏極キセノン原子を用いた体にやさしいMRI造影剤の開発

偏極キセノン原子を用いた体にやさしい MRI 造影剤の開発
Hyperpolarized Xenon Solutions for Medical MRI with Spin Enhancement
1051002
研究代表者
兵庫県立大学大学院物質理学研究科
助教授
石川潔
［研究の目的］
101
MRI 画像診断の造影剤を開発するため，半導体
偏極 Xe 溶液が可能になれば，例えば，体に負担
ρ [s -1]
液のスピンダイナミクスを調べた。造影剤として
100
10-4
10-1
10-5
の少ない MRI による消化器系の検査が可能にな
る。放射線を使わない MRI 診断と金属を使わな
い造影剤。これら２つの組合せは，先端医療機器
と人間の調和につながるアプローチである。以上
10-2
10-3
150
η /T [ Pa s/K]
レーザーにより核スピン偏極したキセノン (Xe) 溶
10-3
10-6
200
250
300
Temperature [K]
のような夢を実現するため，本研究は，高偏極 Xe
原子を液体に溶かし，溶解度，化学シフト，偏極
図 1: 磁場 5.4 mT におけるガラス容器中の核スピン緩
の持続時間などの温度・磁場依存性を調べ，Xe 溶
和レート。それぞれ，純粋なエタノール中の 1 H (ρH , )，
D (ρD , ◦)，エタノール-h6 中の 129 Xe (ρhXe , )，エタノー
ル-d6 中の 129 Xe (ρdXe , •) である。実線はエタノールの
η/T ，破線は ρD = 7.40ρH (T )，ρhXe = 1.03 × 10−2 ρH (T ) +
2.87 × 10−3 ，ρdXe = 9.53 × 10−4 ρH (T ) + 1.06 × 10−3 であ
る。ここで， ln ρH (T ) = 3.313 − 5.39 × 10−2 (T − 158.5) +
1.4 × 10−4 (T − 158.5)2 である。
液の造影剤としての性能を検討した。
［研究の内容，成果］
1. 研究背景
偏極 Xe 原子を気体として吸引すると，肺の画
像診断ができる。当初，肺から血液に溶けて全身
の循環系までも MRI 診断できると期待されたが，
電解質溶液中のスピン緩和時間が短く，全身にい
きわたるころには造影剤としての性能の大半を失
う。そこで，溶液中の偏極 Xe 原子のスピン緩和
機構を詳しく調べ，濃くて長持ちする偏極溶液を
開発できると，とても役に立つ。偏極 Xe 溶液を
飲むことができれば，消化器系の MRI 診断も体に
やさしいものになる。これまでの研究をまとめる
と，図 1 に示すようなスピン緩和レートの温度依
存性が得られる。 4 種の核スピン緩和レートと粘
性率 η を比較すると，エタノール中のスピン緩和
の原因のほとんどが，Xe 原子とエタノール分子の
磁気双極子相互作用であることがわかる。重水素
化エタノール中では，偏極が約 10 分持続するこ
とが見て取れるが，室温付近で，ある下限値に漸
近している。 Xe 原子の偏極を長持ちさせるため，
この下限値の原因について調べた。
2. 実験装置
気体を流しながら連続的に Xe 原子を核スピン
偏極する装置を，図 2 に示す。特に，光ポンピング
(a)
laser 795 nm
He, N2, Xe
（290 kPa）
Xe, N2, He (b)
(c)
250 K
Rb trap
偏極Xe原子
0.5 T
77 K
固体Xeの蓄積
図 2: Xe 原子の核スピン偏極装置。緩衝ガスを除く場
合，Xe 原子を固体にする。混合ガスのまま使用する場
合，連続的に偏極 Xe 原子を取り出すことができる。
する容器の両側から高出力半導体レーザー光を照
射したので，スピン偏極の効率がよい。まず，Xe
ガスに緩衝ガスであるヘリウムと窒素を加え，Rb
金属を入れ暖めた容器に導く。 Rb 原子が吸収す
る波長の円偏光を照射すると，光から Rb 原子を
経て Xe 原子に角運動量が移り，核スピンが偏極
する。そののち，氷点温度で Rb 原子を取り除き，
液体窒素温度で Xe 原子を固体にすると，緩衝ガ
スを除くことができる。偏極 Xe 原子の固体を暖
めて気体にし，実験で使用する。
図 3 に，核スピン緩和レートを測定するための
ガラス容器を示す。偏極 Xe 原子がエタノールに
溶解していくようすを MRI 観測すると，Xe 原子
は，吹きつけるだけでエタノールに溶け，また，溶
解した原子が容易に気相に戻ってくることがわか
る。これは，偏極 Xe 溶液を作るのに適した性質
である。しかし，Xe 原子が，緩和時間内にさま
ざまな環境間を移動するので，スピン緩和の原因
を調べるのには適さない。そこで，図 3 のように
ガラス容器の上部にくびれを作り，Xe 原子が長時
間にわたり溶液中の観測領域にとどまるように工
夫した。くびれにより Xe 溶液の対流を抑え，ま
た，気−液境界面を観測領域内に存在しないよう
にできた。この容器によって，スピン緩和の舞台
は，エタノール中または壁表面に限定される。
eicosane
coating
ethanol
liquid
eicosane
+
ethanol
solenoid coil
Rb
380 K
solid eicosane
+
liquid ethanol
図 3: くびれのあるガラス容器。 Xe 原子はエタノール
に容易に溶け，液体内だけでなく液相と気相を行き来
する。くびれにより，Xe 原子の移動を抑制する。容
器の内径は 9 mm で，長さは 21 mm である。(a) 容器
の内壁を重水素化エイコサンでコートした。コートの
平均的な厚さは 0.16 mm である。(b) エイコサンの融点
より温度を上げると，エイコサンはエタノールに溶け
る。あらかじめエイコサンを秤量し，均一なエタノー
ル溶液を得る。(c) 冷窒素ガスでガラス容器を急冷する
と，容器はエイコサンの微小な結晶でみたされる。
3. コートのない容器
図 1 に示す Xe 原子のスピン緩和レートの一部を
拡大して描くと，図 4 のようになる。低温側の温
度依存している部分は，エタノール分子 (ethanol-
d6 ) との磁気双極子相互作用による緩和である。室
温付近で，容器の内径を 9 mm () から 18 mm (♦)
に変えると，容器が大きいほど緩和レートが小さ
くなっている。しかし，その変化はわずかなので，
Xe 原子が拡散で広がっているのではないことがわ
かる。磁場依存性が見られないのは，B0 = 5.4 mT
と 0.1 T のどちらの共鳴周波数も，原子の運動に
よる磁場揺動の周波数より小さいからである。以
降では，内壁をコートしていないガラス容器中の
緩和レートと比較しながら，コート容器中の緩和
レート，そして，溶液中の核スピンのふるまいを
議論する。
4. コート容器
ガラス容器の内壁を，図 3(a) のように重水素化
エイコサン (eicosane-d42 ) でコートした。このと
き緩和レートは図 5 のようになり，どの温度でも
コートした方が緩和が抑えられている。また，温
2.0x10-3
Decay rate [1/s]
Decay rate [1/s]
2.0x10-3
1.8x10-3
1.6x10-3
1.4x10-3
1.8x10-3
1.6x10-3
1.4x10-3
1.2x10-3
1.2x10-3
240
260
280
300
240
図 4: コートのないガラス容器内における偏極 Xe の重
水素化エタノール中の核スピン緩和。容器の内径と外部
磁場は，それぞれ，13 mm と 5.4 mT (◦), 18 mm と 0.1
T (♦), 9 mm と 0.1 T () である。破線は，磁場 5.4 mT
の観測値を内挿した曲線である。エタノール分子との
磁気双極子相互作用による緩和レート ρet
dd は，260 K で
4.7 × 10−4 1/s である。点線は，ρetdd + 1.06 × 10−3 ，実線
−6
T + 2 × 10−4 である。
は，ρet
dd + 3.5 × 10
度 260 K 付近では，緩和レートに極大が見られる。
このような実験結果を説明するため，Xe 原子とエ
タノール分子，Xe 原子とエイコサン分子との磁気
双極子相互作用について考察する。相互作用が球
対称であると仮定し，磁気双極子緩和レートを次
のように表わす。
ρdd
2 2 2 2
μ0
= ( )2
γ γ S (S + 1)τc
(1)
4π 15b6 Xe D
× J(ωXe − ωD ) + 3J(ωXe ) + 6J(ωXe + ωD ) ,
260
280
300
Temperature [K]
Temperature [K]
図 5: 磁場 0.1 T における偏極 Xe 原子のスピン緩和レー
トの温度依存性 ()。内径 9 mm の容器の内壁を重水素
化エイコサンでコートし，Xe 原子を重水素化エタノー
ルに溶かした。エイコサンの融点付近では緩和が速く
なっている。破線は，図 4(◦) の磁場 5.4 mT における
−6
T である。
緩和レートの内挿値，実線は ρet
dd + 3.5 × 10
気体−固体界面の相関時間に 8 μs という報告があ
るが，我々のエイコサン表面に吸着した Xe 原子
は，エタノール分子と頻繁に衝突している。した
がって，得られた相関時間は妥当な値といえる。
さて，外部磁場を 0.33 T にして緩和レートを測
定すると，図 6 のようになる。つまり，260 K の
盛り上がりは 300 K あたりの高温側へ移動したよ
うに見えるものの，極小値は，0.1 T の場合と同程
度である。磁気双極子緩和は，式 (1) に示すよう
に磁場の自乗に反比例して小さくなるはずである。
コートにより緩和は多少抑えられたが，大部分は
ここで，τc は揺動磁場の相関時間，J(ω) = 1/(1 +
壁による磁気双極子緩和ではないことがわかった。
ω2 τ2c )，γXe (< 0) と γD (> 0) は，それぞれ，キセ
また，磁場とともに緩和が速くならないので，溶
ノンと重水素核の磁気回転比，ωi = γi B0 ，μ0 は真
液中の化学シフト異方性による緩和でもない。
空の透磁率, b は Xe と重水素核の平均距離，そし
て S は重水素の核スピンである。実際に観測する
5. 混成媒質中の緩和
緩和レートは，Xe 原子が液体・界面それぞれのサ
図 3(c) に示すような混成媒質に，偏極 Xe 原子
イトに存在する確率で重みがつけられる。実験で
を溶かし，緩和レートを測定した。この媒質の特
は緩和レートの温度依存性を測定するが，温度変
徴は，微小結晶の集合体なのでエイコサンの表面
化により壁への吸着量が変化するとともに，運動
積が，コート容器に比べ非常に大きくなっている
の激しさ，つまり τc が変化する。ここで，τc J(ω)
ことである。また，壁のコートがはがれているも
を τc の関数と見ると，τc = 1/ω で極大となる幅
のの，結晶の集合体により容器全体にわたる対流
広の共鳴が存在する。そこで，260 K における増
は減衰し，ガラスの壁による緩和は一部の Xe 原
大を共鳴と仮定すると，τc = 0.3 μs が得られる。
2.0x10-3
Decay rate [1/s]
Decay rate [1/s]
2.0x10-3
1.8x10-3
1.6x10-3
1.4x10-3
1.8x10-3
1.6x10-3
1.4x10-3
1.2x10-3
1.2x10-3
240
260
280
240
300
260
280
300
Temperature [K]
Temperature [K]
図 6: 外部磁場 0.33 T における内径 9 mm のガラス容
器内の重水素化エタノール溶液中 Xe 原子のスピン緩和
レート。コートなし () とコートあり () を比較した。
破線は，図 4 (◦) の磁場 5.4 mT における緩和レートの
−6
T である。
内挿値，実線は ρet
dd + 3.5 × 10
ノールの混成媒質に溶けた偏極 Xe 原子のスピン緩和
レート ()。エイコサンの融点付近では緩和レートが
大きい。破線は，図 4 (◦) の磁場 5.4 mT における緩和
レートの内挿値である。
子にしか及ばない。この媒質の構造は，１回の測
［今後の研究の方向，課題］
定に要する１時間程度では崩れない。以上のよう
な特徴を持つ媒質中でスピン緩和レートを測定す
ると，図 7 のような温度依存性が得られる。つま
り，エイコサンの表面積が格段に増加したにもか
かわらず，緩和レートはせいぜい 20 % の増加で
ある。したがって，緩和の大部分はエイコサンで
はなく，エタノール分子との相互作用によるもの
である。
図 4 に戻ると，緩和レートの温度依存性のうち
室温付近の平坦な部分は，実は温度とともに増加
する成分が隠れていると考えた方が，実験値をう
まく説明できる。その成分は，スピン―回転緩和
であると予想される。以上のような緩和レートの
温度，磁場，容器サイズ，そして，表面積依存性
を総合すると，有限サイズの容器をみたしたエタ
ノール溶液中のスピン緩和は，
et
ei
glass
ρet
(uncoat) },
dd + ρSR + { ρdd (coat) or ρ
(2)
と表わすことができる。ここで，第 1 項はエタノー
ル分子との磁気双極子緩和，第 2 項はエタノール
分子とのスピン−回転緩和，第 3 項はコート剤の
エイコサン分子との磁気双極子緩和，そして，第
4 項はガラス表面での緩和である。
図 7: 外部磁場 0.1 T におけるエイコサン結晶とエタ
エタノール溶液中の Xe 原子の核スピン緩和は，
主に，エタノール分子との磁気双極子相互作用と
スピン−回転相互作用によって生じることがわかっ
た。それに加え，壁をパラフィンでコートするこ
とによりスピン緩和を抑制できることを示した。
また，溶媒分子との磁気双極子相互作用では高温
ほど，スピン−回転相互作用では低温ほど，緩和
レートが小さくなる。つまり，溶媒ごとに緩和
レートが最小になる温度が異なることが予想され
る。しかし，本研究で使用したエイコサンの融点
は約 36 ℃なので，緩和レートを広い温度範囲で
調べることはできなかった。今後，偏極 Xe 原子
の保存に最適な温度を求めるため，エイコサンよ
り融点の高い，分子量の大きな重水素化パラフィ
ンでコートし，緩和レートを測定する。
［成果の発表，論文等］
1) K. Ishikawa, T. Yamamoto, and Y. Takagi : Surface relaxation of polarized Xe atoms dissolved in deuterated ethanol, J. Magn. Reson. 179/2, 234-240 (2006)
2) T. Yamamoto, K. Ishikawa, and Y. Takagi : Spin relaxation of polarized Xe atoms at the liquid-solid interface, The 8th International Conference on Magnetic
Resonance Microscopy, P38 (2005)

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