“頸動脈”を観る

医用超音波装置→「やまびこ」の画像化

超音波プローブ

超音波

口耳

眼

超音波で身体内の状態を探る
東北大学大学院 工学研究科/医工学研究科
教授 金井 浩1

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

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

超音波の伝播
超音波
プローブ
音を放射方向を制御

電気
可視化

3

電気を振動に変える“圧電体”(模型)→スピーカの役割

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

同じ“圧電体”で，振動を電気に変える(模型)→マイクの役割

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
音を放射方向を制御

反射

超音波の伝播電気

反射②圧電体に力が加わる

可視化

超音波
プローブ
音を放射方向を制御

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①振動(超音波)が到来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③圧電体が電気を発生

Transducer1.avi

疎Transducer2.avi

波長 154 m 1540 m/s, 10 MHz
9 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・長谷川研究室

10

体内部の断層像の測定と可視化

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)

超音波プローブ
超音波プローブ

圧電体

体表“超音波”診断装置

周波数: 数～10 MHz
154 m14例)10 MHz, 1540 m/s

11

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

・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？

皮下組織器官遅延線 (電気を遅らせて伝える)

B-(Brightness)モード断層像
体を傷つけずに体内の断層像を計測可能
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

・超音波ビーム形成とは？

多くの音源を有する(振動子1個の幅≒100ミクロン)
15

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

16

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

1つの音源（スピーカ）から出た音の波面は丸く広がる

心臓の動く様子を超音波でイメージング

超音波伝播の様子(シミュレーション)

横方向距離

超音波の伝播Plane-wave1.gif

Point-source.gif

超音波強度が赤線に沿って増大→超音波ビーム形成17東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

電気反射

Plane-wave2.avi

右心室左心室東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

大動脈

25

東北大学における医工連携

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

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

1929年マグノスコープ（高声聴診器）
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

音を放射方向を制御

肋骨

18

東北大学（我が国）における医工連携

超音波
プローブ

可視化

深さ

多くの音源（スピーカ）から同時に音を出した時

超音波プローブ表面

複数の音源(圧電体)を，各々遅延時間を設けて駆動

ドップラー効果による血流速度計測(1982)

1 cm

右心室
壁

左心室内腔
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？
34

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

36

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

42

粥状動脈硬化病変(Atherosclerotic Plaques)の生成

血管壁厚み変化の超音波計測 → 弾性率算出*

Fatty streak(脂質条痕)

Lipid-rich plaque(脂質に富む斑)

動脈硬化症の新しい診断のため

心電図

1cm

通常の
超音波
エコー像

Lipid core

→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
48

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

心音波形
血圧
↓

弾性率
断層像
1cm

Fibrous cap(線維性被膜)

粥状動脈硬化病変の破裂（破綻）→血栓の形成，末梢動脈への血流の途絶

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

内腔
壁の動きの追跡結果

Foam cells(泡沫細胞)

Thrombus
(血栓)

47

総頸動脈

内直径

Normal東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

軟

硬外膜側の速度
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

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

(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
東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

心臓弁開閉で振動が発生・伝播

弾性に関する組織同定“電子的染色”

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
軟53

心音

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.
*Kanai, Hasegawa, Ichiki, Tezuka, Koiwa. Circulation. 2003;107:3018-3021.

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

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
6拍分を重ね表示

I音
数十mの振幅

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

60Hz成分の位相の時間変化(等容性拡張期，健常者4名)*

100Hzまで周波数解析可数千点同時計測

拡張期
心電図
II音
心音

収縮期

55

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
56 Andromeda Medical Science the Cardiac Cycle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

静脈血の固まり易さの新しい診断に向けて

振動

右室側

左室側

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
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*1
MC-FAN法(MicroChannel array Flow
ANalyzer )毛細血管モデルを流れる血液の様子を観測する………侵襲的被験者間で共通性あり（大動脈の弁根から心基部・心尖部へ伝播化)
59*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・長谷川研究室

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
対象物aが, 波長より十分小さい場合
レイリー散乱:半径 apower ∝ (周波数 f ) 488

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

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)

理論式による散乱パワー
Qka

2n  1 sin 2 δ ka*n2n  0 ka05[mm] 10 05[mm] 10 05[mm] 10a2 4

Q (ka ) : 散乱断面積: 波数
ka: 散乱体の半径n: 点音源の数

0.5 mm57*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.

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

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

赤血球の顕微鏡像*2(a) 正常な赤血球(b) 赤血球凝集

凝集後の対象物aが, 波長程度の大きさ
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.
*2 氏家京子 訳: 沈黙の血栓,中央アート出版, (2000)

89 Kikuchi Y, et al.: Microvascular Res., 1994;47:126-139.
*3

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

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

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)
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

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

94 修士学位論文H23.3

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

優れた研究教育環境で，様々な“感動”を経験し次世代を担う若者が “challenging spirit” を育む

住み良い都市「杜の都 学都 仙台」

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

粘弾性/細胞状態
心筋の質の診断

goals
脂質96

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

国有林の囲まれたキャンパス

100

東北大学大学院 工学/医工学研究科 金井・長谷川研究室

104

仙台市内の東北大学キャンパス(4%)

東北大学は，3番目の帝国大学
2007年6月22日

105

106

107

東北大学を薦める6点

高校からの総合評価：日本一①研究資金獲得は第3位,一人当たり第1位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，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

108

109

創立100年

110

①研究第一主義：
世界的に高い研究水準を教育に反映①最先端・一流の研究，②研究の仕方(問題発見・解決)の訓練

客員教授 (東北大学工学部電気工学科昭和58年卒業)

21世紀の地球の課題

田中耕一博士 ノーベル化学賞(2002年）

エネルギー・資源問題：化石燃料の枯渇– 新エネルギー開発，高効率化，新素材開発

人口問題：人口爆発，食料・資源不足，少子高齢化– 水資源開発，医療，介護，福祉

地球温暖化問題：気象・生態系異変，災害先鋭化– 安全社会構築，温室ガス固定

複合化：巨大科学，科学の限界，心の豊かさとは
市場原理主義の限界– 幅広い知の結集
111120

東北大學： まとめ大学院の意義学部(4年間)基礎学力を習得(座学・実験)→準備
4年生: 研究室配属，自分の机，卒業研究修士課程(2年間)：課題の解決能力を習得→企業の開発部門へ就職
博士課程(3年間)：課題の発見能力を習得→大学/企業の研究部門へ就職→博士号: 大学が認める「研究者のお墨付」→未解決課題の研究開発を主体的に遂行
122

蛋白質のイオン化：失敗を逆に利用することで掴んだ大発見
実学を大切にする研究風土「東北大学は，本多光太郎先生，八木秀次先生，西澤潤一先生など，多くの実学の研究者を輩出しています．その自由で，役立つ研究を大切にする学風を学んだことが，私の研究を後押ししてくれたものと思っています」（受賞決定後の談話）
121•最高の勉学環境– 教授陣，施設，研究資金– 基礎から最先端までの教育プログラム– 最先端の研究テーマ– 国際的なネットワーク– 杜の都，森のキャンパス•多様な人材の育成– ４つのAO入試，一般選抜入試– 高校生，留学生，社会人•社会からの最高の評価
124

皆さんにとって，大学時代とは一生をかけ得る「夢」の発見
気概・秘術
部活，友人作り「感動」を体験
就職(学校推薦あり)
研究遂行能力習得
専門科目習得良質の環境の選択
一般教養習得127