まえがき社

皆さんは「生体医工学」という言葉を聞いたことがありますか？

これは、「生体︵生物学︶」、「医︵学︶」、「工学」の三つの分野を表す言葉を連ねた用語です。日

本語では比較的新しい言葉ですから、国語辞典にもまだ出ていないようです。その意味は、文字通ゆう ごうロ
ナ

り医学・生物学と工学の分野に関わる学問を表します。以前は、これらの分野の間を埋める「境界領域」とされていましたが、いまでは、これらの分野が相互に乗り入れ、重なり合った「融 合領域」と理解されています。

じつは医学・生物学と工学は、かつてはまったく別の学問として捉えられていました。どちらも古くから人類にとって必要不可欠で、非常に重要な分野であるにもかかわらず、両者のつながりはコほとんどありませんでした。しかしながら、医学・生物学と工学のそれぞれが大きく進歩するにつれて、それらの間の境界領域、さらにはそれらを融合した領域が大きく発展してきたのです。

例えば、病院ではいろいろな機器・装置︵医療機器︶が使われており、それらがないと医師は正i

確で有効な診療ができません。また、病気の診断や治療を行うためには、生命現象や病気のメカニズムを知る必要があります。これらを実現するためには、工学の知識と方法が大きな力を発揮しま﻿す。また、遺伝子操作やｉＰＳ細胞などを使った再生医療の分野の発展にも、工学の技術がおおいに役立っています。このように、医学・生物学に工学的な手法と技術を取り入れ、生命現象や病気社のメカニズムを明らかにするとともに、医学診断や治療に有効な手段を提供する分野が「生体医工学」 な の で す 。

わが国でこの分野の研究が行われるようになったのは、五〇年以上も前のことです。当初は心電図などからだの電気現象やその計測と利用が研究のおもな対象であったこともあって、この分野はロナ「医用電子」と呼ばれていました。そして、その英訳︵ Medical Electronics︶の頭文字を取りＭＥ︵エム・イー︶が使われていました。しかしその後は、電気・電子工学のほかの、例えば機械工学や材料・化学工学など、いろいろな工学分野の専門家が医学・生物学と関わるようになり、この分野は大きく発展し、領域も拡大するようになってきました。そこで約一〇年前から、諸外国で使わコれている Bio Medical Engineering︵ＢＭＥ︶の和訳、すなわち「生体医工学」の名前が使われるようになり、なおいっそうの発展を遂げ続けています。

実際に昨今では、飛躍的に進歩した先進・先端的な医療技術によって多くの生命が救われています。また、かなり簡単に遺伝子や細胞の操作や計測を行うことができるようになり、その結果分子生物学や再生医療の分野が飛躍的に発展しています。これらを可能にしてきたのが「生体医工学」
なの で す 。

iiこの分野について学ぶことができるのは、工学系学部や保健系学部の「生体医工学科」、「医用生体工学科」、「医用工学科」などで、これらの学科では生体医工学全般について体系的、系統的な勉強ができます。じつは、かなり前から二、三の大学にはこのような学科がありましたが、増え始め社たのは一〇年近く前になってからで、いまでは一〇以上の大学にできています。しかし、高校生や一般の方はもとより、進学指導の先生も「生体医工学」や「生体医工学科」のことをあまり知りまロ
ナ

せん。しかし、本書に書かれているようなことを説明すると、大変興味があり、非常に大切な分野だと 言 わ れ ま す 。

このような状況から、これらの学科の教員が集まって、高校生などに「生体医工学」のことを知ってもらい、「生体医工学科」に入ってこの分野のことを学んでもらうにはどのようにすれば良いのかについての検討を始めました。そして、平成二十二年に、この分野の研究者や技術者の学会で あ る「 日 本 生 体 医 工 学 会 」 に、「 生 体 医 工 学 科 連 絡 委 員 会 」 が 設 置 さ れ ま し た。 こ の 委 員 会 でコ

は、進学相談会やサイエンスキャンプへの参加、作文コンテストの企画などの活動を行うとともに、高校生や一般の方にこの分野を紹介する出版物を刊行する計画を進めてきました。そして幸いにも、この分野の書籍を多く刊行しているコロナ社から、「新コロナシリーズ」の一冊として本書

本書によって、「医療機器をつくりたい」、「福祉に役立つ技術を勉強したい」、「からだのしくみiiiを刊行していただけることになりました。
﻿

を知りたい、病気の原因を調べたい」、「からだの中をみる技術や医療情報の勉強をしたい」、「医療の現場で活躍したい」などいろいろな希望に沿って、バイオメカニクス、再生医療、医用材料や人工臓器、いろいろな医療機器や医用画像、医用ロボット、福祉機器、などといった領域について学

林 紘三郎

コロ
ナ

社

ぶことができます。若い読者にはこれらは胸おどる領域であり、この分野におおいに関心を持っていただけることと思います。
二〇一四年三月

著者代表

iv

編集 委 員 会信幸︵東洋大学︶
紘三郎︵岡山理科大学︑大阪大学名誉教授︶

社

寺田昭彦︵芝浦工業大学︶

林花房

委員長 三田村好矩︵北海道大学名誉教授︶
委 員

執筆 者

望月晃・山崎 慶子︵東京都市大学︶４章︹医療機器︺

明︵東海大学︶３章︹バイオマテリアル︺

コ信幸︵東洋大学︶４章︹医療用ロボット︺ロナ小賀坂高宏︵オリンパスメディカルシステムズ株式会社︶４章︹内視鏡︺寺田昭彦︵芝浦工業大学︶５章
克子︵東京大学︶３章︹再生医療︺

紘三郎︵岡山理科大学︑大阪大学名誉教授︶２章

花房林
古川森仁︵東芝メディカルシステムズ株式会社︶４章︹Ｘ線ＣＴとＭＲＩ︺

三田村好矩︵北海道大学名誉教授︶１章・３章︹人工心臓︺

山形衛︵近畿大学︶２章︵五十音順・二〇一四年三月現在︶

山本

社

じロナ

くコ

も生体医工学とは生体医工学って何ですか？
生体医工学の世界

生体医工学で何を学ぶか

生体医工学の知識︑取得した資格を生かす仕事とは︱― 生物は力と密接に関係する

14

バイオメカニクスとは意義と目的︱― 歴史上の偉人達の生物への関心

12

12

バイオメカニクス―― 力が生体組織の機能と構造を変える

10

18

2

発展の歴史v

1217vi︱― 細胞や組織に加わる力の影響を調べる―― 血管は単なるパイプではない︱― 宇宙飛行士は骨がスカスカになる社―― 長期間のギプス固定で腱は弱くなる

22 20

力に対する生物の反応
骨のリモデリング1527

血圧や血流の変化に対する血管の反応負荷軽減に対する腱の適応ロナコ︱― 再生医療にも貢献するバイオメカニクス︱― スティフネスパラメータβの利用

23︱― 細胞レベルでも力を感じている︱― 血液流れから生じる力が原因？

25

力学的刺激に対する細胞の反応
動脈硬化の発生︱― 歩行機能を維持するためにこんなに役に立っているバイオメカニクス
人工関節の開発1628

動脈硬化診断装置の開発

今後の展望︱︱ 再生医療29

失われた機能を細胞で再生失われた臓器の機能を再建する
30
32

再生医療とは臓器の形をつくる

39

細胞ソース

25
29

からだの再生・再建

3

44︱︱ バイオマテリアル

社

ロナ︱︱ 人工心臓︱︱︱︱DuraHeart

EVAHEARTコ

夢の再生医療実現を目指して先端医療を支える材料
身の回りのものと材料
人工腎臓
人工血管
冠動脈留置ステント
材料の安全性今後の医用材料

人工心臓で社会復帰

人工心臓が必要な理由
人工心臓使用の現状
人工心臓のしくみと材料

全 人工心臓連続流血液ポンプ
連続流血液ポンプ

最近の人工心臓の開発状況

45︱︱ 脈のない人類の誕生

vii

60

46566061

連続流ポンプによる全置換人工心臓

70

6862

62

70

66

5859

55 51

社

ＣＴ画像がつくられるまでの基本的なしくみ

現在主流の多列検出器によるヘリカルスキャンとは

82

コロ
ナ

80

94viii

小児用人工心臓

診断用医療機器 ︱︱ 医療機器
医療機器とは歴史的に見た診断用医療機器
近代診断用医療機器の幕開け

生命兆候︵動き︶を観察する機器

生活に役立つ医療機器開発

睡眠︑疲労度合いなど単純な現象を診断する医療機器

実際の診療で最も使用される医療機器である超音波装置

遠隔操作により生命兆候を捉える診断用医療機器

80

体内を可視化する医用画像 ︱︱ Ｘ線ＣＴとＭＲＩ

85

8373
76 74

73

ＭＲＩ画像がつくられるしくみの基礎となる磁気共鳴現象とＭＲ信号とは

87

869172

医療に使われている機器・技術

4スピンの位置を刻印する傾斜磁場の役割と画像再構成法
ＭＲＩのコントラスト・パラメータ100

ロボット技術が医療を変える ︱― 医療用ロボット
日本社

ロボット王国医療用ロボット97ロナ︱― ダ・ビンチ︱― ＨＡＬ

106︱― 人とロボットの共生

コ

手術支援ロボット
ロボットスーツ

近い将来︑高齢者の生活が変わる？
ＩＣＴとロボット
共生ロボット
感情認識
居住空間

内視鏡の基本構造

109

107

先端がん治療の主役になるかも？ ︱― 放射線治療ロボット サイバーナイフ

104

109

早期発見・低侵襲治療を支える技術 ︱― 内視鏡ix

112
120
121

内視鏡とは内視鏡の歴史

105

104

104
119

116 115
120

122

社

126

ロナ

さまざまな車輪の数の車いす

135

141

姿勢と車いす148

146

駆動輪の位置の違いによる効果

139

キャンバー角の効果

152

これからの車いす
参考文献

コ

ビデオスコープ の構造
特殊な光を用いて生体をみる
飲み込む内視鏡
内視鏡外科手術130 129

福祉に利用されている機器 ︱︱ 車いす5x

社

ロ
ナ

生体医工学とは学に工学的方法と技術を取り入れ︑生命現象のしくみを明らかにすると同時に︑診断や治療︑福祉ＯＬ︶をより良くすることを目的に︑福祉の分野にも工学技術が利用されています︒このように医に役に立つ手段を開発する努力が古くから行われています︒また︑障害者や高齢者の生活の質︵Ｑコ

は︑工学的な方法と技術を取り入れて︑生命現象のしくみを明らかにするとともに︑診断や治療面使用している福祉機器に生体医工学の多くの成果が生かされています︒医学や生命科学の分野で多くの人は﹁生体医工学﹂という言葉を初めて見ると思います︒しかし︑普段受けている医療や生体医工学って何ですか？

1に有効な手段を提供するのが生体医工学です︵図１︶︒生体医工学は今日の医学・医療の発展に大1

生体医工学とは1

生体医工学とは

2

社

ロ
ナ

コ

きく貢献しています︒
また生体医工学は将来の成長が期待される分野です︒科学技術イノベーション総合戦略︵二〇一三年六月︶では︑二〇三〇年に実現すべき社会の姿として︑国民が豊かさと安全・安心を実感できる社会を
挙 げ︑ そ れ を 実 現 す る た め 取 り 組 む べ き 課 題 と して︑健康長寿社会の実現を挙げています︒このための具体的な取組みの例として︑再生医療により︑これまで有効な治療法のなかった疾患が治療可能になること︑ロボット介護機器の活用による︑高齢者や障害者の生活の質の向上を挙げています︒

生体医工学の世界

からだの中の状態をからだに傷をつけることなくみることができれば︑病気の診断にきわめて有﹁生体医工学﹂の具体的応用例を紹介します︒

祉医図1

福生命科学学療工

効です︒﹁からだの中をみる﹂ことを目的に︑Ｘ線ＣＴ︵ 断 層 像 ︶ や Ｍ Ｒ Ｉ︵ 磁 気 共 鳴 画 像 ︶ が 診 断 機 器 と し て
多 く の 病 院 で 使 用 さ れ て い ま す︵ 図 ２︶︒ Ｘ 線 Ｃ Ｔ で社は︑ か ら だ の 一 方 よ り Ｘ 線 を 照 射 し︑ か ら だ の 反 対 側で︑ か ら だ を 通 過 し て き た Ｘ 線 の 強 度 を セ ン サ で 測 定 します︒Ｘ線の強度には︑通過してきた臓器や組織の性質

ロ
ナや状態の情報が含まれています︒このようなからだを通からだの全周囲︵三六生体医工学の世界 「からだの中をみる」

図2

報を画像にする方法です︒臓器の断面の形を表す断層画像という点ではＸ線ＣＴと一見良く似た画

ＭＲＩ画像は︑磁場の中にからだやその一部を置いて︑核磁気共鳴現象を利用して生体内部の情コします︒すなわち︑Ｘ線ＣＴ装置は巨大な信号処理装置とも言えます︒

ンピュータで信号処理を行い︑からだの中の臓器の任意の位置における断面形状の画像をつくり出ら直接からだの中の様子をみることはできません︒そこで︑測定されたＸ線強度信号をもとに︑コ〇度︶にわたって行います︒しかし︑測定された信号か過してきたＸ線の強度の測定を体内の情報をコンピュータで画像化する像が得られますが︑Ｘ線ＣＴとはまったく異なる物質の物理的性質に着目した撮像法で︑機能を含む多様な情報が得られる特徴があります︒

3

生体医工学とは
14以上のような工学技術の応用により︑からだを傷つけることなくからだの中をみることが可能になっています︒さらに現在︑臓器の形を示す解剖的画像のみならず︑組織や臓器の機能を示す画像の研究・開発も行われています︒

社﹁病気の原因を調べる﹂ことを目的に︑心電図や脳波などの電気生理的検査が古くから行われています︵図３︶︒生きている細胞には微弱な電圧が発生しています︒細胞が興奮すると︑その電圧が変化します︒心電図や脳波は︑心筋や脳細胞が興奮したときに発生する微弱な電圧変化を︑からコ

ロナ

だの表面に電極を装着して測定するものです︒電気信号が微弱で︑測定をしている環境における雑遺伝子情報をコンピュータで読む

音の影響を強く受けますが︑高性能電子素子の開発で︑ほとんどの場所で特別な準備をすることなく脳波や心電図の測定が可能になっています︒

さらに︑﹁病気の原因を調べる﹂ことを目的に︑遺伝子診断が行われています︒遺伝情報すなわち︑ＤＮＡの塩基配列を読み取るＤＮＡチップ電子デバイスが開発され︑容易に塩基配列を解読できるようになりました︒特定の疾患に対応する塩基配列を見つけ︑病気の発症をあらかじめ診断する試みも行わ

生体医工学の世界 「病気の原因を調べる」

図3からだの機能を調べる

れて い ま す ︒
以上のように︑﹁病気の原因を調べる﹂方法にも︑多くの工学技術が使用されています︒

社﹁からだを修理する﹂ことを目的に︑人工心臓や人工 腎 臓︵ 血 液 透 析 器 ︶ を は じ め と す る 人 工 臓 器 が 開 発さ れ︑ す で に わ れ わ れ の 身 近 な も の に な っ て い ま すロナ臓︶は国産二機種が開発され︑健康保険が適用されて人工関節

ペースメーカー

ステント

さらに︑心臓の筋肉に酸素と栄養を供給している冠動脈が狭くなったり︑詰まった人にはステント

り︑ペースメーカーの累計患者数︵生存者︶は約二五万人と推定されています︵二〇一〇年現在︶︒

カーが植え込まれています︒日本における心臓ペースメーカーの年間植込み数は五万件を超えておコ

さらに心臓の拍動リズムが異常な人には心臓を電気刺激してリズムを正常にする心臓ペースメー期︵数十年︶にわたって支えています︵二〇一二年現在︶︒

る人もおります︒また︑人工腎臓︵前述︶は国内で約三〇万人の慢性腎不全患者の生命・生活を長います︒人工心臓を装着して︑社会復帰し就労してい生体医工学の世界 「からだを修理する」

図4︵図４︶︒心臓を補助するための人工心臓︵補助人工心

からだの部品をつくると呼ばれる細い金属ワイヤでつくった円筒を冠動脈に挿入し︑冠動脈を広げる治療が行われていま5

生体医工学とは16す︒この治療は開胸手術を必要とせず︑大腿部や手の甲にある動脈を切開するだけでステントの挿入ができるため︑からだにとって負担の少ない治療ができる特徴があります︒

また︑変形性股関節症で歩行が困難な人を対象に︑股関節を人工股関節で置換する手術が行われ社ています︒この治療により︑痛みのない歩行が可能となっています︒

コロナ

以上のような人工臓器は︑金属︑セラミックス︑プラスチックなどの人工材料と電気部品を組み

図 5 生体医工学の世界 「からだのしくみを調べる」〔田川・山下：計測自動制御学会論文集，20（2），p . 167（1984）/ 大橋・佐藤：生物物理，43（3），p . 136（2003）〕

合わせて︑臓器の代わりをするもので︑まさに工学技術の応用の成果の代表例です︒また最先端の研究では︑培養した細胞を使って人工的に臓器をつくろうとする試みがなされており︑この分野はティッシュエンジニアリン
グ︵生体組織工学︶︑再生医療と呼ばれています︒そのもとになる細胞として注目を集め

内皮細胞動脈に作用する力の影響を調べる

軸方向応力

円周方向応力zrθて い る の が︑ ｉ Ｐ Ｓ 細 胞︵ 人 工 多 能 性 幹 細胞︶ で す ︒﹁からだのしくみを調べる﹂ことを目的とした領域にバイオメカニクスがあります︵図運動を解析する

先端医療を支える工学――生体医工学への誘い―― Ⓒ 一般社団法人日本生体医工学会 20142014 年 5 月 16 日

初版第 1 刷発行

編者

一般社団法人

日本生体医工学会株式会社
コ ロ ナ 社
代 表 者
牛 来 真 也印 刷 所

萩原印刷株式会社

112 0011

東京都文京区千石 4 46 10社

発 行 者

ロ
ナ

検印省略

発行所

株式会社

コロナ社

CORONA PUBLISHING CO., LTD.
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