http://doi.org/10.15108/stih.00091

2017 Vol.3 No.3

ナイスステップな研究者から見た変化の新潮流

東京大学大学院工学系研究科附属 医療福祉工学開発評価研究センター／

バイオエンジニアリング専攻／工学部精密工学科
中川 桂一 助教インタビュー
聞き手：企画課 課長 三木 清香
科学技術予測センター 特別研究員 中島 潤

これまでの「見る」速度の限界を超える、時間分解能を３桁高めた高速度カメラ（STAMP）が開発された。
ナイスステップな研究者 2016 に選定された中川氏は、超短パルスとして発された「光」を、一連の「色」ごとに分解し連続してターゲットに到達させ、次々に到着する色のパルスを空間的に分けて捕らえ、動画として再構成するという全く新しい発想から超高速カメラを開発し、これまでの最高速度を大幅に上回るフェムト秒単位（1000 兆分の１秒の単位）の変化を「見る」ことに成功した。
本稿では、STAMP 開発の根幹となるアイデア、開発経緯、今後に向けた構想とともに、中川氏の大学院機能への想いなども紹介する。
―

先生が開発された高速度カメラの特徴と仕組みを教えてください。

東京大学大学院工学系研究科附属 医療福祉工学
開発評価研究センター／バイオエンジニアリング専攻／
工学部精密工学科 中川 桂一 助教

今回注目していただいたカメラは、Sequentially

トルの光は、イメージセンサーを通して電気信号に変Timed All-optical Mapping Photography

換されコンピュータへ取り込まれます。観察対象の像（STAMP：スタンプ）と名付けた、世界最高速のカメ

情報を持った光の色と時間、そして色とイメージセン

ラです。

サー上の位置が対応関係を持っているので、どの位置STAMP の撮影原理ですが、まず観察対象となる物にどの時間の像が取り込まれているのかが識別でき、質に対して超短パルスレーザーを発します。この光がセンサーに取り込まれた情報を動画として再構成す

観察対象となる物質に当たる前に、光のスペクトルることができます。（図表 1）444（色）ごとに時間的に分けます。虹が何色にも見える

この STAMP には新しい点が二つあります。まず 1のは、光がスペクトルによって屈折率、つまり光の速点目がこの撮影原理そのものです。これまでの高速度度が違うからで、この原理同様、ストロボのようにカメラ開発においては、撮影の時間分解能を向上する

同時に発出された光も赤色、だいだい色、、、紫色とために、いかに速くシャッターを切り、速くデータを100 兆分の１秒から 1 兆分の１秒程度のごくわずか取り込むかを追求していました。しかし電気的なデバな時間差で分けることが可能です。分けた光を、スペイスで大量データ処理を短時間で行っていくのは限

クトル別つまり色別に連続的に観察対象に照射しま界があります。これに対し STAMP は、撮影される光す。ここで像情報を記憶した連続的な各スペクトルのの方を制御していますので、シャッター速度といった光を、それぞれの色によって進路を変更することで、技術的な制約がかからず、物理限界に迫る世界最速で空間的に分離します。空間的に分離された各スペクの撮影を実現できました。２点目が、観察対象を通過（2017.9.25 公開）

STI Horizon

2 0 1 7 V ol .3 No.313図表１

全光学的な時間―空間変換による超高速連射イメージング

出典：東京大学大学院工学系研究科附属 医療福祉工学開発評価研究センター／バイオエンジニアリング専攻／工学部精密工学科 中川 桂一 助教御提供資料

して画像情報を持ったスペクトルを空間的に分離すた。今では、体の外から衝撃波のエネルギーを結石にるというシステムです。一方、既存技術で決定的に重集中させ、体内で破壊するという治療法が開発され要であったのは、スペクトル別のレーザー光を観察しています。私の最初の研究テーマは、体内に入れられたい時間領域まで引き延ばし（例えば数十フェムト秒る小指の先端ほどの大きさに衝撃波発生装置を小型の超短パルスを数ピコ秒程度まで引き伸ばす）、欲し化することでした。衝撃波は音と同様の性質を持っい色のパルス列を得る、というレーザー光の制御技術ているので、例えば骨などに当たってしまうと、反射でした。これは波形整形技術と呼ばれ、慶應義塾大学してその裏側には届かなくなります。しかし、小型衝の神成研究室が非常に高い技術を持っておられまし

撃波発生装置ができれば、体内の様々な場所にアクた。神成教授に STAMP の構想を説明したところ面白セスし、特定箇所にだけ衝撃波のエネルギーを加えいと言っていただき、共同研究になりました。スペクることができるようになります。当時のターゲットトル別の光をイメージングに使い、かつ空間的にばらは、結石の他にがん細胞や不整脈を起こしている心けさせるという STAMP のようなシステムは世界で臓の細胞であり、あくまでも細胞等を「破壊」して治初めてでしたので、試行錯誤しながらこのシステムを療することを目指していました。

半年ほどかけて自分で作りあげました。

ところが、自分でいろいろと調べていくうちに、弱い衝撃波や音波で細胞を刺激すると、例えば血管が再―STAMP 開発の動機は何だったのでしょうか？

生したり、骨成長が促されたりといった知見が出てきていることがわかりました。どうやら衝撃波や音波が14STAMP の開発に成功した原動力は「見たい」とい人の体を活性化させるようだという話です。そうだとう要求です。私の研究テーマの一つは医療機器の開すると、衝撃波の医療応用は、病気治療だけではな

発、特に音のように圧力の波として伝わる衝撃波のく、体を丈夫にするなどして病気を未然に防ぐ予防医エネルギーを医療に生かす機器の開発です。学部 4療に拡大できるのではないかと考えられます。私の興年生のときに、現在も所属している東京大学医用精

味も衝撃波を予防医療に活用することへと移り、修士

密工学研究室で、衝撃波医療をテーマとして研究をのときにテーマを移しました。ですが、実はこの衝撃スタートしました。衝撃波の代表的な医療応用は結波や音波を細胞に当てて活性化させるというメカニ石破砕です。例えば、体内に小さな石ができる結石ズムは難しくて、まだよくわかっていません。活性化というとても痛い病気がありますが、昔は、体を外された実例はあるのですが、なぜ活性化されたのかわ

科的に切る侵襲的な方法で結石を取り除いていましかりません。細胞が壊れるという現象は明確でわかり

東京大学大学院工学系研究科附属 医療福祉工学開発評価研究センター／バイオエンジニアリング専攻／ 工学部精密工学科 中川 桂一 助教インタビューやすいのですが、細胞が生きている状態で、刺激とし多く、いろいろ難しい面も出ています。今のままでて音などのエネルギーを吸収するメカニズムを解明

は STAMP を広く使っていただくことは少し難しいするのは結構難しい問題です。

ようです。

修士のときは、細胞を培養し、自分で製作した装置

STAMP の小型化は可能であり、進めようとしていで衝撃波を放ち、細胞の応答を観察するというアプることの一つです。また、製品化した方が使いやすくローチを行いました。ところが、結果を理解するのがなると思われるので、何とかしたいと考えています。

非常に難しいのです。例えば、衝撃波によってある細現在は、レーザーの扱いにたけた神成研究室の学生さ胞は死んでしまうが隣の細胞は正常のままである、なんが、STAMP を発展させるための技術開発を非常にどとても大きな違いが生じ、実験結果が出ても各細胞精力的に進めてくれています。

で一体何が起こったかわかりません。当時は、細胞をもちろん、企業からの相談もあります。興味を持っ準備して、様々な条件で衝撃波を放って一つ一つ反応てくださる企業は大きく二通りで、一つはを見るというかなりトラディショナルなやり方で実できるカメラ というコンセプト自体に興味を持って験して、結果の解釈に苦しんでいました。他の研究グくださっているメーカーの方々です。ただ、今までのループでも同じ問題が内在しており、依然メカニズム高速度カメラと原理も使っている機器も異なる条件がわからないままになっています。同じやり方を続け下で、製品化のハードルを越えるだけのニーズが不透ていても答えは見えてこないだろうと思いました。

明なことが課題です。直接言われたわけではありませそこで考えたのは、その場で細胞が何を感じているんが、STAMP の原理を使ってできることとニーズののか、衝撃波が届いた瞬間に細胞で何が起こっている大きさがわからないため製品化に踏み出せないといのか「見たい」ということでした。何が起こっているうのが正直なところだと感じます。やはり我々が具体かわからない→起こっている現象を見たい→どうす的な STAMP の活用例を示して、ニーズを見せていくれば見えるか、という発想に自然と行き着きました。

ことが必要と考えます。その一つが、まさに今、私がどうすれば見えるかという話ですが、細胞の大きさやろうとしている、細胞の観察であり、衝撃波と細胞は 10〜30μm（マイクロメートル）のレベルです。一のインタラクションの可視化を通し、様々な価値が生方、衝撃波の伝わる速度は、空気中だと 340m/s くらまれると考えています。

高速撮影

いですが、水と組成の近い人の体の場合は、1500m/s

もう一つ、別の観点で興味を持ってくださっているくらいです。この条件で計算すると、衝撃波が細胞をのは医療系の業界です。こちらでも STAMP の活用

通り過ぎるのに、数ナノ秒から十数ナノ秒しかかかりをどう広げるか、大きな産業がそこに眠っているかどません。さらに、衝撃波の通過中に細胞に起こっていうかの検討を続けましょうとお話している段階です。

ることの詳細を知るためには、この通過時間を更に細STAMP が汎用的であり、 何でも高速度で撮影できかく切って見ることが必要です。つまりナノ秒より速る

いサブナノ秒の撮影速度を持つ高速度カメラが必要至らず、製品化が進んでいない状況です。

ことから、逆にすぐには具体的なニーズの発想にです。そのような撮影速度のカメラを探しましたが、私は、高速度カメラに限らず先端的な計測機器と世の中に存在していませんでした。ですので、作っいうものは、それ自身がイノベーションというよりてしまおうと。本当にそういう単純で純粋な発想で、は、 イノベーションを生み出すための機器STAMP を作り始めました。

解しています。イノベーションの実現には、製品又はだと理サービスにつなげるためのもう一つのステップが必―

STAMP を製品化したいという相談は多いのでしょうか？

要で、今は STAMP を使った新しいモノかコトが待たれている状態だと考えています。世の中に広がるのは STAMP 自身ではなくて、STAMP で得た新しい知はい、国内外からかなり来ていますね。ただ、現在見で開発されたモノやサービスだと思います。そのたのところ STAMP は簡単に持ち運びできるようなカ

め、私自身が研究開発を進めているのは、STAMP をメラではなく、大きな定盤の上に光学系を組んだシス活用した新たな診断技術です。これが社会に実装されテムです。何か見たい現象があると言われて、「ではていくことによって STAMP 自体も洗練されていき、カメラを持って撮影に行きましょう」とはいきませ新素材の開発、デバイスの検査やレーザー加工といっん。また使用している機器にはかなり高価なものが含た、様々な分野へ普及していくと考えます。STAMP

まれ、外部でシステムを組むことが難しくなっていま活用による新たな診断技術確立といった具体例を示す。自作したいという研究者には情報を余すことなくし、イノベーションにつながることを提示しなければお伝えしていますが、レーザーの専門家ではない方がと、もがいているところです。具体的な活用例の完成
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15度が高くなれば STAMP 自身の完成度も高くなり、そ欲しいというのはありますね。例えば、私の業務にはして別のところでの展開も出てくると考えています。

学生が社会人として学外の方と接するときの礼儀作法を教えたりすることも含まれるのですが、そのよう―以前から取り組まれ STAMP 開発のきっかけとなった、衝撃波や音波で細胞に負荷をかけて活性化さに研究だけではない業務に主体的に対応してくれる支援者がいると有り難いですね。

せるという研究は、活発な研究領域なのでしょうか。
―

博士課程への進学者が減ってきています。

世界的に見ても、まだまだだと思います。これまで、病気を治療するという研究は随分取り組まれてき博士学生は確かに少ないと思います。一時期米国のて、技術も上がりましたが、コストも上がってきて研究室で研究した経験から、日本と米国では学生のモいます。例えば、医療ロボットでダ・ヴィンチとか、チベーションが違うと感じています。学生の質・能加速器を使った治療とか、どれもすばらしい技術です

力はさほど変わらないと思いますが、米国の学生は、が、医療コストが高くて誰でも受けられるわけではあ研究が自分の仕事という感覚で成果を追求していて、りません。日本が高齢化社会に向かっている中で、戦大学院では博士までの５年が基本です。かつ、彼らは略として予防医療に向かっていく必要があると思いお金をもらっているのできちんと働かなければ大学ます。この文脈で、物理的な刺激を生体に与えて活性に残れないと思っており、常により良い成果を追求しを高めるメカノバイオロジーというのは、装置の初期ています。話が大きいのですが、国力の問題として大コストがかかりますが、治療や薬のように、毎回のコ学院制度をより良くするにはどうすればいいか、考えストがかかるわけではありません。何より外科治療でていく必要があると思いました。

体を傷つけることがないので、常に体が元気な状態に保たれて楽しい人生を送ることができます。健康な状―

今後、やってみたいことは何でしょうか

態を保ち健康面での生活の質を維持する方向を目指すのが私のやっている衝撃波の研究です。生体を病気たくさんありますね。STAMP 自体、やはりもう少になりにくくしようという試みは、国内外で盛んになし改良したり活用例を増やしたりしていきたいです

されようとしていると思います。

し、衝撃波を細胞に与えたときのメカニズム解明も進めたい。また、以前留学したときの研究も続いてお話題は変わりますが、研究者として科学技術行政り、再度渡米して実験をしたいと計画しています。併に対してのお考えなどがあればお聞かせください。

行して、高速度カメラも衝撃波も関係のない、現在取―り組んでいる別のテーマもあります。研究をしている研究資金にしても、チャンスは用意されていると感と疑問が次々に湧いてきますので、それらを解決するじています。そのチャンスをつかむための準備と実力知識や技術を身に着けながら、様々に研究開発を進めを備えることが大事だと思っています。ていきたいです。

他に研究環境という点で言えば、もう少し支援者が中川助教の実験室風景

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