日本音響学会東北支部 60周年記念事業「音で体をみる」
東北大学 大学院 工学研究科 電子工学専攻
大学院 医工学研究科 医工学専攻
教授 金井 浩1

1
東北大学
片平キャンパス1
東北大学大学院 工学/医工学研究科
金井・瀧研究室

超音波で切らずに体の中を見る仕組み
超音波

超音波プローブ

反射した音の大きさ
大→白小→黒「ニュートン」より

2

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

波の種類

縦波

3

Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

横波

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

利用する超音波は，縦波(スピーカから発せられる音波と類似)

4

ニュートン

2009年1月号 p. 46

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

利用する超音波は，縦波
横波：

液体・気体中では伝播できない

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

振動伝播方向密1000 µm=1mm

疎波長 154 µm

1540 m/s, 10 MHz=107 Hz

5 Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

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②圧電体が伸縮

可視化

超音波
プローブ

反射

③振動(波)が発生④振動(波)が伝播①圧電体に電気を印加

Transducer1.avi
6

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

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
プローブ

超音波の伝播反射①振動(超音波)が到来③圧電体が電気を発生

Transducer2.avi
7

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

圧電体に電圧を印加すると波が出来るのはどういう訳か？
8

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

圧電体を力Fで引っ張ると 電界Eが生じる

-+O+F
F

9+E=0
r

-O-

F++-

＋電荷中心O+とー電荷中心O-は一致→電界生じない

FO++-F

外部から印加した機械的圧力で電気的分極（圧電効果）

Fr

E∝歪み

逆に結晶に電界を掛けると歪みや応力が発生（圧電逆効果）東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

体内部の断層像の測定と可視化
超音波プローブ

体表“超音波”診断装置

皮下組織境界周波数: 数〜10 MHz
154 µm

器官
B-(Brightness)モード断層像例)10 MHz, 1540 m/s 体を傷つけずに体内の断層像を計測可能

10

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

・ある点に波を発生させると「波面は同心円状に広がる」のでは？
・超音波ビームを作るとは？
11

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

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

Plane-wave1.gif

多くの音源（スピーカ）
から同時に音を出した時
12

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

診断用超音波探触子(超音波プローブ)

圧電体

遅延線 (電気を遅らせて伝える)

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多くの音源を有する(振動子1個の幅≒100ミクロン)
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

超音波伝播の様子(シミュレーション)

複数の音源(圧電体)を各々遅延時間を設けて駆動

超音波プローブ表面

超音波強度が赤線に沿って増大→超音波ビーム形成

深さ

14

横方向距離
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

超音波は体のあらゆる個所で反射する
例えば，血管では，超音波

超音波プローブ

反射した音の大きさ
大→白小→黒15

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

音を放射方向を制御

16Plane-wave4.avi

Plane-wave2.avi

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

心臓の動く様子を超音波でイメージング
超音波の伝播
電気可視化

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
左心室
17

大動脈

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

東北大学（我が国）における医工連携
1929年マグノスコープ（真空管式高声聴診器，芝浦製作所製）
医学部小児科佐藤 彰 教授
工学部電気工学科 抜山平一 教授

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東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

東北大学における医工連携(超音波による)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

19

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

東北大学には医工連携・医療機器研究開発の長い歴史がある
1929年 電気聴診器(小児科佐藤教授と電気工学抜山教授: 日本初医工連携)
1932年 日本初の超音波発生装置
二本松出身
1945年 X線廻転断層撮影法の原理(放射線科 高橋信次教授) (CTの基本原理)
1979年ノーベル医学生理学賞
1962年 世界初の超音波心臓断層像(菊池喜充教授と田中元直教授)
会津出身
2002年〜 21世紀COE(佐藤正明教授)，2007年〜 gCOE(山口隆美教授)
2003年-2007年 先進医工学研究機構
2008年 日本初の大学院 医工学研究科(医学と工学を連携から融合に)
2004年〜 医療工学技術者創成のための再教育システム(REDEEM)
2008年〜 未来医工学治療開発センター(トランスレーショナルリサーチ(TR)センター，治験や先進医療，創薬や医療材料・機器の創出)

2010年〜東北先進医療研究開発連携拠点(TAMRIC, 宮城県, 仙台市, 東北大学, 東北経済連合会が協力し医療関連の産学官連携を推進)
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東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

医用超音波診断の現状
5 cm

ドップラー効果による
1 cm 血流速度計測(1982)

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➔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?
21

例えば，心筋の収縮機能・拡張特性，動脈壁の組織性状？
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

動脈硬化症の新しい診断のため
22

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

血管壁厚み変化の超音波計測 → 弾性率算出*
内直径

総
頸動
脈

内腔
壁の動きの追跡結果
心電図

1cm

通常の超音波エコー像 血圧変化
↓1cm

弾性率
断層像

軟

硬心音波形

外膜側の速度
内膜側の速度
厚み変化(0.2 µm精度)

300 µm(36-year-old, normal, male)
375 µm
(75 µm間隔)
動脈壁の弾性率(硬さ・軟らかさ)
0.2 µm厚み変化

23 *Kanai, et al. IEEE UFFC 1999;46:1229-1241.の断層像の非侵襲的計測が可能

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

粥状動脈硬化病変(Atherosclerotic Plaques)の生成
Fatty streak(脂質条痕)
NormalFoam cells(泡沫細胞)

病変の破裂
Fibrous cap(線維性被膜)
Thrombus(血栓)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
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室24

動脈壁病変の”電子染色”
現状：超音波エコー
形態計測が中心体の外から無侵襲で割面の組織を同定する「電子染色」を実現

膠原線維平滑筋

血栓
脂質超音波
プローブ

「生体顕微鏡」の実現①病変部破綻の危険性予測→心血管イベント(急性心筋梗塞・脳梗塞)の予防②治療効果の高精度評価 →生活習慣の是正・的確な治療選択25

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

心臓壁心筋の新しい診断に向けて26

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

心臓弁開閉で振動が発生・伝播

心音”lub-dub sequence”
収縮期 拡張期
大動脈圧

左心室圧
左心房圧
左室容積

中隔壁

心電図
心音
心臓壁を伝播する振動の伝播速度から，壁の弾性・粘性特性を推定する
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室
27 Andromeda Medical Science the Cardiac Cycleより

ここでの心臓断層像の表示方向

右心室

90 度回転

隔壁
左心室
大動脈弁

28

大動脈

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

位相差トラッキング法*による 波形計測精度
速度0.1 mm/s, 変位0.2 µm
心臓壁振動の計測
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
数十µmの振幅

拡張期
心電図
II音
心音

右心室隔壁振動左心室大動脈弁

大動脈

右室側
振動速度
左室側

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

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.
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

60Hz成分の位相の時間変化(等容性拡張期，健常者4名)*

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)

30 *Kanai IEEE Trans. UFFC 2005;51:1931-1942.

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

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)

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90◦

phase180◦・Q波時から低速で伝播(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
310◦270◦

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

生理現象の超音波高精度計測による組織性状診断

1拍内での壁厚変化

振動が生起・伝播/電気的興奮伝播
動脈硬化病変future
粘弾性

弾性32

組織分類

粘弾性/細胞状態
心筋の質の診断goals

脂質線維組織分類
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・瀧研究室

33

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

工学は，何を目的とする学問か科学(science)

自然現象・生体➜(真理の探究)工学(engineering) ➜自然と共生し，豊かな社会を創造する学問

人間社会

工学:「真理の探究」 と 「人類の幸福への貢献」両方
（発見）

（発明）

（例）地震の解析
理学：「地震モデル化・法則の発見」
工学：「理論と技術を結び付け，社会の安全安心に繋げる」

34

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

学問の「積上げ」の重要性： (例)数学
学問・技術の高度さ

自然現象・生命現象の観察

帰納

真理の探究：
現象のモデル化演繹

社会へ応用➜豊かな社会創造

単に公式を使うだけでなく，自然現象のモデリング

このレベルの山は登り尽くされた?

②専門科目

②専門科目

材料力学・流体力学・ 電磁気学・電気回路・熱力学・機械力学
情報基礎

②専門科目

②専門科目

②専門科目

②専門科目

②専門科目

物理化学・有機化 材料物理化学・材料組 水理学・構造解析学・土木学・無機化学・織学・材料強度学・ 計画学・力学・建築計画基礎論・建築環境工学基礎
生物化学・化学工学
固体物性論

②専門科目

②専門科目

②専門科目

①基礎科目（数学）
••
•
••
•

フーリエ解析，ラプラス変換 ➜様々な現象の解析
数理統計学：確率・統計，推定・検定など
線形代数学：行列・ベクトル解析，固有値解析など
解析学C：常微分方程式 ➜自然現象・社会現象の記述
解析学B：多変数関数の微積分(偏微分，重積分など)
解析学A：一変数関数の微積分(極限，テイラー展開など)●高校数学III：平面上の曲線と複素数平面，数列と極限，微積分●高校数学II：整式の証明，複素数・高次方程式，直線・円・軌跡，指数関数・対数・三角関数，微積分●高校数学I：数の概念，因数分解，不等式，三角形，二次関数，統計●中学校の数学

35●数の概念・四則演算，図形の概念

学年
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

社会における価値創造に必要な能力①〜⑤• 少子高齢化対応，医療費削減• 環境・エネルギー対応• グローバル社会でのものづくり復活• 豊かな持続可能社会構築• 一般教養科目• 工学倫理• 生命・自然の驚異• デザイン• トップリーダ育成の講義• 技術社会概論• 科学における失敗の歴史など

（英語）

感動・自信

思考訓練

面白い⑤価値創造力• 健全な価値観・哲学• 審美眼・デザイン思考• 社会からの要請の認識• 知的好奇心• どういう課題を選択?
• 世に出すシナリオ• 他分野を理解する姿勢

新しい価値創造

努力の末の成功

どの山に登るかを的確に選択する力

想像を超える発見・創造

論理的思考力正解を生み出すべき課題
個性

Ambitious

主体性

人間にとって最も高貴な活動

気概・情熱

幸運

Creative

根気良く努力する能力

多様性の理解と活用

試行錯誤
侃々諤々余裕膨大な失敗の議論
伝統 ③課題解決能力
情報
師友
様々な要素間の関係の発見
環境経験
Basic & Broad より高い山に登るツール国際的に活躍する力②専門知識

学問では “課題発見能力”

④語学

課題解決
社会貢献

豊かな人生

社会の抱える課題

登攀可能な山の高さは理解の広さ・深さで決まる

広く深い選択肢②専門知識（積上げ型）②専門知識 ②専門知識 ②専門知識

体系的理解・活用可能な形で修得①基礎科目(数学・物理・化学)
36 大学までの入試：正解のある課題の解決

高校までの教科東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

「なぜ物理学者になろうと思ったか」の質問に対し「世界を変える創造性に挑戦したい」
Sophie Dʼambrosia(原子分子材料科学高等研究機構研究員，1986年仏生)• 「物理学が好きだからです」• 「研究者も芸術家も，どちらの職業も創造性が求められる。
創造性を持たず，ただ大きな流れに身を任せ，他者の後を追うだけだったら，仕事としては寧ろ楽かもしれません。そのかわり，アインシュタインが相対性理論を発見したように，ローリング・ストーンズがロックを創り出したように，特別な存在にもなれないし，世界を変えるようなものは何も生み出せないでしょう」• 「数学と物理と化学，材料科学との融合を目指すことは，とても困難な挑戦です。でも成功すれば，すべての分野を横断的に考えられるようになり，劇的に研究が進むでしょう」
37

AIMR Magazine December, 2013

気概・情熱

⑤価値 創造東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

words to young researchers

CreativeAmbitious
Basic & Broad
写真：八ヶ岳の赤岳頂上から西方向：工学研究科国際交流室 Philippe Gaubert 特任准教授より38

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室

東北大学工学部・青葉山キャンパス

39

ご清聴を感謝します東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・瀧研究室