超音波で体の中を切らずに見る仕組み
超音波プローブ

超音波

超音波で何がどこまでわかるか1

東北大学 大学院 工学研究科・電子工学専攻教授
金井 浩
東北大学工学研究科 ・ 工学部

反射した音の大きさ
大→白小→黒2

利用する超音波は，縦波「ニュートン」より
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

電気を振動に変える“圧電体”(模型)→スピーカの役割
超音波の伝播電気

横波： 液体中では伝播しない②圧電体が伸縮

可視化

超音波
プローブ

反射

縦波： 振動伝播方向と振動方向が一致
超音波プローブ
振動方向③振動(波)が発生④振動(波)が伝播

振動伝播方向①圧電体に電気を印加

密Transducer1.avi

疎
波長 154 m 1540 m/s, 10 MHz
5 Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

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6

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

体内部の断層像の測定と可視化

同じ“圧電体”で，振動を電気に変える(模型)→マイクの役割
電気②圧電体に力が加わる

可視化

超音波の伝播
超音波
プローブ

超音波プローブ
反射

体表①振動(超音波)が到来“超音波”診断装置

皮下組織境界③圧電体が電気を発生

周波数: 数～10 MHz
154 mB-(Brightness)モード断層像

Transducer2.avi
7

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

器官10・ある部分に波を発生させると，同心円状に波面が広がるのではなかったのか？

例)10 MHz, 1540 m/s

体を傷つけずに体内の断層像を計測可能
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1つの音源（スピーカ）から出た音の波面は丸く広がる

Point-source.gif

・超音波ビーム形成とは？
11Plane-wave1.gif

多くの音源（スピーカ）から同時に音を出した時
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12

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

診断用超音波探触子(超音波プローブ)

複数の音源(圧電体)を，各々遅延時間を設けて駆動
超音波強度が赤線に沿って増大→超音波ビーム形成

深さ

遅延線 (電気を遅らせて伝える)

多くの音源を有する(振動子1個の幅≒100ミクロン)
13

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14

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

心臓の動く様子を超音波でイメージング

超音波は体のあらゆる個所で反射する

超音波の伝播例えば，血管では，超音波

横方向距離

圧電体

超音波プローブ表面

超音波プローブ

超音波伝播の様子(シミュレーション)

電気

超音波プローブ

可視化

超音波
プローブ
音を放射方向を制御

反射

Plane-wave2.avi

肋骨

右心室
反射した音の大きさ
大→白小→黒15

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左心室
20

大動脈

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室3次元イメージング(GE)

東北大学における医工連携
1962年 世界初の心臓断層像
抗酸菌病研究所（加齢医学研究所）
田中元直 教授
電気通信研究所 菊池喜充 教授

GE: B-Flow Processing http://www.gemedicalsystems.com/index.html

22

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

医用超音波診断の現状
5 cm

ドップラー効果による血流速度計測(1982)
1 cm

右心室
左心室

壁
内腔
壁

ヒト心臓の断層像

ヒト頸動脈の断層像

形状・肉眼で確認できる(低周波・大振幅)動き・血流を観察可能で非常に有用．
しかし，まだ有効利用されていない情報があるのでは?
例えば，心筋の収縮機能・拡張特性，動脈壁の組織性状？
25

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24

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

日本の医療機器生産総額 1兆7000億円(平成19年度)
生産金額 対前年増減 構成割合
生産金額対前年増減 構成割合
順位
小分類19年
比19年
19年
比
19年
百万円％％
百万円％％
総数
1,684,465-0.2
100
1 全身用Ｘ線ＣＴ装置
122,500-1.8
7.3
21 滅菌済み注射筒
18,200-18.2
1.1
2 汎用超音波画像診断装置
101,788
5.4
6
22 視覚機能検査用機器
17,12619.8
1
3 透析器
88,1193
5.2
23 専用臨床化学分析装置
16,53512.4
14 採血・輸血用器具
81,67713.8
4.9
24 歯科用ユニット
15,5323.5
0.9
5 医用写真フィルム
81,28420.8
4.8
25 血球計数装置
14,984-16.8
0.9
6 電子内視鏡
73,37335.9
4.4
26 視力補正用累進多焦点眼鏡レンズ 14,975-2.7
0.9
7 歯科用金銀パラジウム合金
44,11018.3
2.6
27 家庭用電気治療器
13,393-8.1
0.8
8 臨床化学自動分析装置
41,19750.7
2.5
28 家庭用磁気治療器
13,345-12.4
0.8
9 家庭用マッサージ器
31,884-47
1.9
29 永久磁石式磁気共鳴画像診断装置 12,521-11.6
0.7
10 人工関節、人工骨及び関連用品
30,60520
1.830 耳穴型補聴器
11,609-14.7
0.7
11 滅菌済み血管用チューブ及びカテーテル 29,120
5.4
1.7
31 画像診断用イメージャ
11,430-15.6
0.7
12 コンピューテッドラジオグラフ
28,278-13.1
1.7
32 血液浄化器
10,958-3.7
0.7
13 Ｘ線透視撮影装置
27,996-4.1
1.7
33 眼撮影装置
10,86922.2
0.7
14 超電導式磁気共鳴画像診断装置
21,445-8.6
1.3
34 滅菌済み穿刺針
10,840-3.7
0.6
15 医薬品注入器
20,918-2.4
1.2
35 歯科充填用材料
10,83712.7
0.6
16 人工腎臓装置
20,3672.9
1.2
36 滅菌器及び消毒器
10,820-35.2
0.6
17 内視鏡用医用電気機器
20,20018.3
1.2
37 滅菌済み注射針
10,737-29.1
0.6
18 ハードコンタクトレンズ
19,561-12.1
1.2
38 内視鏡用非能動処置具
10,70049.4
0.6
19 輸液用器具
19,377-7.8
1.2
39 酸素供給装置
10,620-14.8
0.6
20 視力補正用単焦点眼鏡レンズ
19,232-50.5
1.1
40 心電計及び関連機器
10,020-3.7
0.6

順位

26

小分類

厚生労働省HP: http://www.mhlw.go.jp/topics/yakuji/2007/nenpo/39.html

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日本企業の国際競争におけるポジション

動脈硬化症の新しい診断のため
27

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血管壁厚み変化の超音波計測 → 弾性率算出*

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

粥状動脈硬化病変(Atherosclerotic Plaques)の生成
内直径

総頸動脈

28

内腔

NormalFatty streak(脂質条痕)

壁の動きの追跡結果
心電図

1cm

通常の超音波エコー像

心音波形
血圧
↓1cm

弾性率断層像軟

硬外膜側の速度

病変の破裂
Fibrous cap(線維性被膜)内膜側の速度
厚み変化(0.2 m精度)

300m
375 m(75 m間隔)
0.2 m厚み変化

29 *Kanai, et al. IEEE UFFC 1999;46:1229-1241.

Foam cells(泡沫細胞)

Thrombus(血栓)(36-year-old, normal, male)

動脈壁の弾性率(硬さ・軟らかさ)の断層像の非侵襲的計測が可能
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Lipid core
Lipid-rich plaque(脂質に富む斑)

血栓の形成，末梢動脈への血流途絶
重篤な循環器系疾患（急性心筋梗塞・急性脳梗塞）の発症→予後が悪い
30
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血管健康度の指標の算出(東北大 糖尿病内科)

弾性に関する組織同定“電子的染色”健常者と2型糖尿病 年代別血管弾性特性平均値
**

**

**

60

健常者
2型糖尿病
10歳代
20歳代
30歳代
40歳代
50歳代
60歳代
70歳代
80歳代

30

健常 ０名／ＤＭ７８名
健常 １名／ＤＭ ２名
健常 ９名／ＤＭ１１名
健常４０名／ＤＭ２７名
健常５１名／ＤＭ５６名
健常 ２名／ＤＭ７０名
健常 ０名／ＤＭ７８名
健常 ０名／ＤＭ１０名

020-29 30-39 40-49 50-59 60-69 70-79 男性に限定．非喫煙者．
age ( year ) ** p < 0.001 健常者は全てNTT東日本東北病院のドック受診者(社員のため年齢偏る)．
現在は倍以上の健常者のデータあり．
軟硬動脈壁病変の内部構造を反映した分類結果*Hasegawa, Kanai, et al. J. Med. Ultrasonics, 2004;31:81-90.
31 *Kanai, Hasegawa, Ichiki, Tezuka, Koiwa. Circulation. 2003;107:3018-3021.
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32

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心臓弁開閉で振動が発生・伝搬

心音”lub-dub sequence”
収縮期 拡張期大動脈圧

心臓壁心筋の新しい診断に向けて

左心室圧
左心房圧
左室容積中隔壁

心電図

33

心音
S1:M1+T1
心臓壁を伝搬する振動の伝搬速度から，壁の弾性・粘性特性を推定する

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34 Andromeda Medical Science the Cardiac Cycleより

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位相差トラッキング法*による 波形計測精度
心臓壁振動の計測
速度0.1 mm/s, 変位0.2 m
100Hzまで周波数解析可数千点同時計測

6拍分を重ね表示

収縮期
I音

拡張期
心電図
II音
心音

数十mの振幅60Hz成分の位相の時間変化(等容性拡張期，健常者4名)*

振動

右室側振動速度左室側大動脈弁閉鎖のタイミングにパルス状振動が中隔壁を伝播.

35 *Kanai et al. IEEE Trans. UFFC 1996;43:791-810.

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

被験者間で共通性あり（大動脈の弁根から心基部・心尖部へ伝播)
37 *Kanai IEEE Trans. UFFC 2005;51:1931-1942.
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振動速度の41Hz成分の位相の分布(健常, R波周囲, 2ms間隔)

電気的刺激が心筋を伝搬するのは，心電図のP波からR波の間
心房における脱房室結節
分極洞房結節

房室結節

心室中隔壁

心尖部

心尖部

左心室全体

心電図
心音

心尖

プルキンエ線維

乳頭筋

心尖アプ
ローチ

拡張収縮

心基部

心基部

心電図→
電気刺激に対応する 心筋の速度成分 I音に対応する横波伝播

心電図のQ波の時刻に，興奮したプルキンエ線維が接する心筋から，心筋全体に興奮が伝搬(伝搬速度1 m/s)

39

右心室90◦

phaseP Q

左心室180◦

0◦

R

心電図

心尖部

日本循環器学会監修ビデオより
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270◦

44 *Kanai, Ultrason. Med. Biology 2009;35:382-394.

大動脈弁心基部東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

R波周囲での壁振動速度の40Hz成分の位相の３D表示(健常者A)

陳旧性心筋梗塞患者(47Hz位相分布 R波周囲, 2ms間隔) (No.280,433)
心電図
心音

apex

contraction

dilationbase
電気刺激に対応
apex
septum
RV

梗塞病変部位での電気刺激の応答は遅れが大きい

I音に対応する横波伝搬

infarct
region

LV

右側から見上げた左心室中隔壁

左側下から見上げた左心室壁・Q波時から低速で伝搬(心尖部から見て反時計回りに)・心Ⅰ音放射時には，心基部から心尖部へ時計回りに
45

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

4690◦ phase180◦

0◦270◦

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

壁振動波形の40Hz成分の位相の3D表示(上：健常者B,下；健常者C,3回ずつ)

静脈血の固まり易さの診断に向けて
47 *1Kanai, IEEE Ultrasonic Symposium. 2008.

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53

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

“赤血球凝集度”の非侵襲的評価は，今後重要な課題

赤血球<<波長 → 散乱波の周波数特性により凝集サイズを推定

血栓症，動脈硬化，高コレステロール血症，高脂血症，糖尿病，悪性疾患，肥満など
広範囲な疾患を引き起こす要因*1MC-FAN法(MicroChannel array FlowANalyzer )毛細血管モデルを流れる血液の様子を観測する………侵襲的理論式による散乱パワー

対象物が波長より十分小さい場合 a  
レイリー散乱:半径 a0Qka

power ∝ f 4

2n  1 sin 2 δ ka*n2n  0 ka
a 2 4

Q (ka ) : 散乱断面積: 波数ka: 散乱体の半径n: 点音源の数δn (ka) : 入射波と散乱波の位相差の微分

凝集

20個程
度凝集

凝集後の対象物が波長程度の大きさa

赤血球の顕微鏡像*2(a) 正常な赤血球(b) 赤血球凝集

MC-FAN法による血液流動性の様子*3



超音波による”赤血球凝集度”の非侵襲かつ定量的な評価法の実現を目指す

反射: 周波数依存性なし
半径 apower ∝ f 0
対数周波数における散乱パワー対数値の理論分布*1 Paeng DG, et al.: Ultrasound in Medical & Biology, 2004;30:45-55.

54*2 氏家京子 訳: 沈黙の血栓,中央アート出版, (2000)*3 Kikuchi Y, et al.: Microvascular Res., 1994;47:126-139.

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

55 * P. M. Morse et al.; Methods of Theoretical Physics. McGraw-Hill (1953).

駆血前後の血液凝集サイズ経時変化in vivo計測(健常,手甲静脈)

0.5 mm05[mm] 10 05[mm] 10 05

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

生理現象の超音波高精度計測による組織性状診断[mm] 10

1拍内での壁厚変化
安静時 (80 s)

駆血開放後 (460 s)

駆血時 (260 s)
安静時

駆血時

駆血開放後

振動が生起・伝搬/電気的興奮伝搬
動脈硬化病変弾性

Tomey 社製超音波診断装置 UD-1000
中心周波数：40MHz (波長: 38 mm)
標本化周波数: 1 GHz
周波数解析の窓幅:1024 ms(深さ方向768mm)
RF信号パワースペクトル加算平均(1000回)

粘弾性

粘弾性/細胞状態
心筋の質の診断goals

福島 拓: 赤血球凝集度の定量的評価を目指した超音波散乱波の周波数特性による散乱体サイズ推定に関する研究

56 修士学位論文H22future

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

58

脂質
組織分類 線維組織分類電子的染色(生体顕微鏡)東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

付録

大学の役割
 大学：社会を豊かにするための人間性形成の場 ⇔ 高校とは違う 大学時代：将来を見据え，価値ある生き方の方向を，自ら定める有意義な学生生活のため

59

学校の試験：「それまで学習したこと(記憶中心)に基づき，制限時間内に，何も見ず誰にも相談せず，解いた結果」……必ず正答がある
理解力(速さ)＋記憶力＋スケジュール管理研究・開発：「誰もやってないことを，あらゆる情報を集め，人に相談し，自分で試行錯誤して出す結果」……唯一の正解のある保証がない
粘り強さ. 情報吸収力, 基礎, 自由な発想，チームワーク，俯瞰力では，「粘り強さ」を付けるには?
懸命努力➜壁・失敗を克服➜自信と能力➜ 「努力を継続できる能力」➜大学教育では「生き方」を悟ることが第一, 正答の教授のみではない
67

名言 ギアナ高地 カナイマ国立公園 標高差1000m“道のあるところを歩いてはいけない．道のない場所を歩き，足跡を残すのだ” エマーソン:米国思想家
・日本の伝統に自信を・母国・郷里に誇りを・険しい壁に挑む信念を・豊かな社会を築く夢を
・国を支えるリーダに

東北大学・
工学部／工学研究科“小さな完成よりもあなたの孕んでいる未完成の方がはるかに大きなものがあることを忘れてはならないと思う”
石坂洋二郎：横手城址の文学碑：「若い人」
Panasonic カレンダー2009

68

69

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

住み良い都市「仙台」高校からの総合評価：8年連続日本一
朝日新聞出版「大学ランキング2013年版」■家賃相場 仙台市青葉区 37,000円

30分間の通学圏

70

71

東北大学を薦める6点

10学部19大学院

論文被引用数世界ランキング①研究第一主義②高い教育水準③世界への扉: 交換留学・国際会議多数開催④門戸開放: AO入試(書類・筆記・面接，11月，２月)，男女共同参画，サイエンスカフェ⑤実学主義の伝統⑥優れた教育・研究環境
7273東北大学工学部の多種多様な研究分野
豊富な進路の選択肢
修士課程２年間

学部 ４年間

上海交通大学 世界大学ランキング 上30位
(工学／情報科学分野 2011年)

大学院 工学研究科

工学部(研究室数： 約300)• 3番目の帝国大學(1907年)• 1919年工学部• 光栄ある伝統• 最高水準の教授陣（850名）• 工学：本学最大の研究・教育部局• 工学では世界最大級(411)

評価項目• 論文被引用件数• 頻繁に論文を引用される
研究者数• トップ20%の学会誌への掲載論文数• 研究のための外部資金獲得額

博士課程３年間(研究室数：250)

・電気通信研究所
・金属材料研究所
・流体科学研究所
・多元物質科学研究所
・災害科学国際研究所

大学院情報科学研究科(研究室数：70)
・電気通信研究所
・流体科学研究所
・災害科学国際研究所

大学院環境科学研究科(研究室数：54)
・金属材料研究所
・流体科学研究所

大学院医工学研究科 (研究室数：37)• 学問水準の高さで醸し出される雰囲気• 研究第一主義 「学問の頂点に触れる教育」• 実学尊重・電気通信研究所
・金属材料研究所
・流体科学研究所
・加齢医学研究所選択できる研究室数：411←東北大学：24位(工学関係)
京都大学：35位
東京工業大学：39位
大阪大学52-75位
東京大学76-100位

74

女性も大歓迎工学部キャンパススクェア
青葉山東キャンパス計画図

76

75

77

この透視図の<構想中>の図柄は，復興のイメージを表現したもので，実際とは異なることがあります．

東北大学工学研究科 ・ 工学部

工学部キャンパススクェア
青葉山東キャンパス計画図

78

この透視図の<構想中>の図柄は，復興のイメージを表現したもので，実際とは異なることがあります．

東北大学工学研究科 ・ 工学部

79

ご清聴を感謝します東北大学工学研究科 ・ 工学部