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東京大学21世紀ＣＯＥプログラム 機械システム・イノベーション

2004年11月1日発行

バイオ・医療イノベーション・プロジェクト
人の健康を支える医療やヘルスケアの実現は，特に流れを構成するミクロな要素（分子，気泡など）をマク

高齢化社会で必要性の高い技術目標であります．個々人

ロな流れの現象に適用した悪性腫瘍の造影手法の研究，の健康を保ち，テーラーメイド医療サービスを可能にす

非侵襲超音波利用腫瘍治療システム，キャビテーション

るための，様々な医療用機械システムは，未来の重要技

気泡の崩壊現象を利用した結石破砕システムの開発研究，術であります．そこで，
本バイオ・医療イノベーション・プ

伝熱工学を巧みに利用した低侵襲凝固治療手法の研究，ロジェクトでは，メカニカルエンジニアリングとバイオエマイクロ加工・計測技術とナノ・マイクロメカトロニクス

ンジニアリングとを融合した先端的医療支援技術に関わ技術とに支えられたDNAのハンドリング技術を用いたる研究を推進しております．具体的には，高度な情報技バイオナノシステムの構築などの研究を行っています．

術や制御技術，ロボティクス技術に支えられた遠隔医療

本報ではいくつかの研究を紹介いたします．

診断システムや高精度低侵襲手術ロボットの開発研究，医療情報システム
遠隔医療システム
遠隔医療

タが把持する内視鏡の視線方向も変えることが可能です．ス
レーブマニピュレータは３本の腕を有し，左右二本の腕は鉗子を把持し，中央の腕は内視鏡を把持します．すべての腕は工学系研究科 産業機械工学専攻教授

光石衛

トロカールの挿入点が機構的に不動点となるようになっています．これまでに，東京都文京区と静岡県富士宮市とを結んで，豚の胆嚢摘出手術を４回成功させています．視覚情報・聴覚「遠隔医療システム」とは離れた場所から情報伝送（1.5Mbps）の時間遅れが390ms，制御情報伝送でも医師が患者の診察や手術をしたりする（256kbps）の時間遅れが50msでした．この他にも，深部ことのできるシステムをいいます．これには，脳外科手術支援システム，人工関節置換術支援システム，骨いくつかの種類があり，遠隔病理診断，遠隔手術支援，遠隔折整復手術支援システム，在宅医療を可能とする遠隔超音波手術，遠隔教育などがあります．これらの技術は，患者の負荷手術支援システム，手の外科手術支援システム，テレマイクの低減，医師の負荷の低減，地域医療格差の是正，救急医療ロサージェリシステムなどの開発を行っています．の充実，医学教育の高度化などに寄与するものであります．
私達の研究室では，遠隔手術の一例として，遠隔低侵襲手術支援システムの開発を行っています．マスタマニピュレータは，左右両手用が存在して多軸力センサが組み込まれ，スレーブマニピュレータで検出される力が術者に帰還可能です．また，フットスイッチによる切り替えによってスレーブマニピュレー

遠隔低侵襲手術システム用
スレーブマニピュレータ

遠隔手術用マスタマニピュレータ非侵襲・低侵襲医療
超音波を利用した診断・非侵襲医療
超音波を利用
超音波利用した診断た診断・非侵襲医療
非侵襲医療られます．最近，HIFU（High Intensity Focused Ultrasound：強力集束超音波）による治療法が注目を集めていますが，超音波照射下に存在するマイクロバブルは超音波エネ

工学系研究科 機械工学専攻

ルギーを吸収し熱に変換することが知られており，その熱を松本洋一郎

腫瘍凝固に利用することにより，低出力の超音波による治療教授が可能となります．
近年，超音波を用いた侵襲性の低い治療第二の応用として「結石破砕治療」があります．超音波照法の開発が進んでおり，さらにマイクロバブ射によって発生するキャビテーションは，結石周囲に存在すルの作用をカップリングさせた診断・治療手る正常組織を損傷させる恐れがありますが，そのキャビテー法の研究・開発が行われています．

ションを結石表面に局在化させることによって正常組織の損すでに実用化されているものとし傷を抑え，結石のみを破砕するといて「超音波診断」があり，これは，気った手法が研究されています．結石泡に超音波を照射すると気泡は体表面を削り取るように破砕するこの積振動をし，新たな音源となって超手法は非常に細かい破砕片に砕くと音波を放出するといった現象を利いう特徴を持ち，より体に優しい治用しています．その音圧は高周波の療法を開発できる可能性があります．

音を含んでいるため，例えばその高

この他にもDDS（DrugDeliv-周波の音を検出することにより，鮮ery System），遺伝子導入など超明な画像を得ることができます．

音波とマイクロバブルを組み合わせ

また，治療への応用としては，第一に「腫瘍の加熱凝固治療」が挙げた治療応用の進展が期待されてい超音波とマイクロバブルの相互作用

低侵襲レーザ治療法の開発研究
低侵襲治療法の開発研究

ます．

ーザ照射観察器具の開発，肉焼灼実験，予備的動物実験を行った後，最終的な検証実験として，犬の胃に対する動物実験を行って焼灼条件データを取得し，組織検査本本法の有効性

工学系研究科 機械工学専攻教授を確認しました．

庄司正弘

近年の外科的手術においては，術後の疼痛が少なく，病後の快復が早く，合併症の少ない低侵襲の手術法が望まれています．こうした要求に応えるため，レーザ加熱と表面冷却法を用いた低侵襲性治療法の開発を目的として，医工が連携して基礎研究を行いました．新しい治療法は，レーザ加熱と強表面冷却を併用するものです．これにより，組織の内部に最高温度部を実現でき，その部分の温度を制御して組織の凝固，組織の再生が図られます．これを内視鏡下治療法や腹口腔法との併用して適切な加熱及び冷却条件を見出すこと，動物実験などを行って病理学的な評価を行うことが研究の目的です．治療原理に関する理論的検討，組織諸物性の測定実験，冷却式レ

低侵襲レーザ凝固治療法

ナノ・マイクロ・バイオエンジニアリング
DNAを用いたバDNA
DNAを用いたバイオナノシステムの構築たバイオナノシステムの構築
ムの構築に自己集合的に配列することができるでしょう．このような技術には，分子エレクトロニクス素子の配列や，機能性分子の配列による機能性分子ユニットの構築，分子機械の組立など工学系研究科 機械工学専攻の応用が考えられます．DNAは化学的に安定であり，任意の鷲津正夫

塩基配列を容易に合成できるので，このような分子組立の鋳教授型（テンプレート）として最もふさわしい材料と考えられます．
DNAは4種類の塩基（アデニンA，チミン

そこで，本研究においては，微細加工技術により作られたT，グアニンG，シトシンC）が0.34nmの間微細構造中に電気力学的効果を用いてDNA分子を引き伸ば隔で並んだ構造を持ち，遺伝情報は，これらして固定し，ここに外来分子が結合する過程の1分子観察をの塩基の並び方（配列）により通じた解明を行い，自己集合性による分子組立の可能性につ記録されています．AはTと，Gいて探求しています．このような基礎過程の解明は，分子組はCと特異的に結合する性質（相立のような未来技術のみならず，DNAチップなどの塩基の補性）を利用して，DNAはそ相補結合に基づく医療診断技術の高度化にも貢献するものの構造を維持したり，自らを複と期待されます．

製し たりし て い ま す．もし，マイクロ構造を用いたDNAの伸長固定DNAを固定しておき，ここにオリゴヌクレオチド（短い1本鎖DNA）でラベルした分子を結合させれば，任意の分子を，任意の順序で，0.34nmの分解能で，基板上の特定の位置 分子相互作用の妨げ防止用両端固定

DNAをテンプレートとした分子配列の構築

セル・エンジニアリング・デバイスの研究開発
スの研究開発生産技術研究所 機械・生体系部門（工学系研究科 環境海洋工学専攻）
助教授

藤井輝夫

生産技術研究所海中工学研究センター藤井（輝）研究室では，医学部付属疾

PDMS細胞培養デバイス

患生命工学研究センター酒井助教授らのグループと共同で，細胞組織の培養および計測のための「セルエンジニアリングデバイス」の研究開発を進めています．ヒトの組織では，単に細胞が寄せ集まっているわ
けではなく，３次元的に高度に組織され，かつ毛細血管網に代表されるように，きめこまかな流体機能によって本来の生理的な機能が支えられています．そのようなマイク
ロ流体環境を実現する方法として，フォトファブリケーシ
ョンによって製作するマイクロ流体デバイスを導入し，各種臓器細胞の培養や計測を試みています．

培養６日目の様子（Hep G2 cell）

超微細電極による脳機能の多点実時間計測
超微細電極による脳機能の多点実時間計測

探針を導入し，脳内の任意の場所から神経信号を計測する手法を開発しています．このような極細探針には，血流で所望の場所まで安全に到達できることや，高S/N比の神経信号工学系研究科 産業機械工学専攻教授

中尾政之を計測できることが求められます．そこで，下図（b）に示すよ
うに，実際に毛細血管に探針を導入し，探針の安全性と血管内での挙動を調べました．また，下図（c）に示すように，探針我々のグループは，微細加工技術を駆使をカエルの脊髄動して超微細電極を開発し，それを用いて脳脈 内 に 導 入し，脊神経系の多点同時計測・刺激し，脳機能の解髄の神経活動を計明や先端医療技術の開発を目指しています．例えば，聴覚機測しました．現在の能を代行するために，脳幹の蝸牛神経核を電気刺激する治探 針 は，下 図（ d ）療方法の基礎研究を進めています．この研究では，上図に示に示すように，約1したような動物実験モデルを構築し，動物に音を聞かせたと㎜の絶縁白金細線きと，脳幹を電気刺激したときとの2つの条件下で，大脳のを用い，電極インピ聴覚野の神経活動を計測して，両者を比較します．大脳の情ーダンスを低下さ報処理を詳しく計測するために聴覚野に微小表面電極アレイせ，高S/N比の神を，また，正確に位置決めして脳幹に電気刺激を与えるため経信号を得るために微小剣山電極アレイを開発しました．動物実験から，脳幹に，そ の 先 端に白の適切な場所を適切な強さで電気刺激すれば，音の高さと金黒（ 微小白金粉強さは知覚可能であることがわかりました．
また，下図（a）に示すように，脳の毛細血管に多数の極細聴覚機能の多点同時計測末 ）を 電 着して います．

毛細血管用多点極細探針

機械システム・イノベーションの活動〈公開セミナー〉◎平成16年度第1回
日時：2004年6月15日(火) 14:00〜15:30
場所：柏キャンパス基盤実験棟・2階セミナー室
題目：Mechanical Properties of Carbon-Nanotube Ceramic MatrixComposites
講師：Prof. William Curtin（Division of Engineering, Brown University）◎平成16年度第2回
日時：2004年6月18日(金) 11:00〜12:00
場所：本郷キャンパス工学部2号館・27号講義室
題目：Behavior and Application of Cavitation in Lithotripsy andHigh Intensity Focused Ultrasound
講師：Dr. Michael R. Bailey (Center for Industrial and Medical Ultrasound, Applied Physics Laboratory, University of Washington)◎平成16年度第3回
日時：2004年6月21日(月) 14:00〜15:30
場所：駒場キャンパス生産技術研究所・第１会議室
題目：Scanning Force Endoscope
講師：Prof. Urs Staufer (Institute of Microtechnology, University ofNeuchatel)◎平成16年度第5回
日時：2004年7月29日(木) 10:30〜12:00
場所：本郷キャンパス工学部7号館・2階会議室
題目：Improvement of Power and Efficiency Using a Novel Compound Rotary-Gas Turbine Systems
講師：Prof. Ibrahim Sinan Akmandor (Department of Aerospace Engineering, Middle East Technical University)◎平成16年度第6回
日時：2004年9月9日(木) 9:30〜11:00
場所：本郷キャンパス工学部7号館・226号室
題目：The Evolutionary Development of Unmanned Aerial Vehicles
in National Cheng Kung University
講師：Prof. Fei-Bin Hsiao (Institute of Aeronautics and Astronautics, National Cheng Kung University)◎平成16年度第7回
日時：2004年9月9日（木）11:00〜12:30
場所：本郷キャンパス工学部7号館・226号室
題目：Micropropulsion Activities in Korea
講師：Prof. Seung Jin Song (Department of Mechanical and Aeronautical Engineering, Seoul National University)◎平成16年度第4回
日時：2004年7月27日(火) 15:00〜16:30
場所：本郷キャンパス工学部7号館・2階会議室題目：Use of Novel Rotary or Thrust Augmentation Systems in Micro Vehicle Propulsion
講師：Prof. Ibrahim Sinan Akmandor (Department of Aerospace Engineering, Middle East Technical University)
機械システム・イノベーション Newsletter No.3
発行日 2004 年 11 月 1 日
発行所 東京大学21世紀ＣＯＥプログラム機械システム・イノベーション事務室〒113-8656 東京都文京区本郷7-3-1
TEL／FAX :03-5841-7437
URL／http://www.mechasys.jp/

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