私は長野県松本の出身です。盆地ですので夏暑く冬寒いところです。大学入学から緑溢れる仙台・東北大学に来てすでに約45年間になりますが、仙台はとても気候に恵まれていると感じます。学部・大学院を修了した後、川内にあった情報処理教育センターに助手の職を得ましたが、あるとき、当時医学部第一内科の小岩喜郎先生から「心音の解析」という研究テーマをいただき、医学に関係する研究を始めました。その当時は、5mm角ぐらいの加速度ピックアップを食道に飲み込んで心臓の真横から録音した心音波形を解析していました。

その後、1989年1月に工学部電気情報系の助手になって超音波の中鉢研究室に所属したのですが、その心音を、胸壁上から超音波で計測することを目指すことになり、「超音波による心臓壁振動の計測」の研究を新たに始めました。これは、その後の私の長年にわたる研究の幹となったテーマです。中鉢憲賢先生と埼玉出張に行く川越線の車内で話しているときに出てきたもので、そのときのことは鮮明に記憶しております。当時、医用超音波診断は東北大学を中心に活発に行われていましたが、断層画像の表示とその診断が中心で、肉眼では見えない細かい動きや高い周波数成分を持つ壁振動の計測は目的とはしていませんでした。研究室において全く何の装置もないところから始めましたので、最初は卓上型医用超音波診断装置（本多電子製造、フクダ電子販売）を購入し、中のアナログ回路を自分達で改造し、直交検波した後にディジタルオシロに接続させる線を出しました。これで、心臓壁から反射する超音波を波形として計測できるようにしました。

当時は超音波の周波数3MHzよりも高い周波数のA/D変換器の入手は難しかったので、直交検波を行って低い周波数に変換した複素波形2チャネルを、心電波形と心音波形とともに、1MHzで1秒間、A/D変換することにしました。これによって心臓壁の振動の計測が一応できるようになりました。その後、東芝から提供していただいた、中古ですがアナログの医用超音波診断装置を改造し、心臓や頸動脈の壁の速度や変位、心筋収縮や脈波伝播に伴う壁の厚み変化など、様々な計測と解析が可能となりました。当時で印象深かった思い出は、博士課程の大学院生と二人で研究していたその学生が3年生のときに、「装置を改造しないでくれ、今の測定ができなくなったら困る」と言われたのですが、東芝のSEの方に改造していただき、診断装置から大もとのクロック周波数(40MHz)の信号を出力しました。それを1MHzのA/D変換器のクロック信号に入れ、計測にかかわる複数の装置全体を１つのクロックに同期させ、無事に心臓の振動計測の精度を上げることができました。今では当たり前なのですが、位相差を検出するためには、こうした工夫が必須でした。この改造で計測精度が飛躍的に上がり、心臓が特徴的な振動モードがあることがわかってきて、研究が発展する一つの契機となりました。

I am from Matsumoto, Nagano Prefecture, a basin area with hot summers and cold winters. I’ve been at Tohoku University in Sendai, a city full of greenery and blessed with a lovely climate, for about 45 years now. After completing my undergraduate and graduate studies, I took an assistant professor at Education Center for Information Processing in Kawauchi. I started research related to medicine there because Dr. Yoshiro Koiwa, a medical doctor at the School of Medicine, offered me a collaboration on “Heart Sound Analysis.” At that time, we analyzed heart sound recorded from the backside of the heart by swallowing an accelerometer about 5 mm square into the esophagus.

In 1989, I became an assistant professor at Professor Chubachi’s Laboratory in the Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering for Ultrasonics. So, I started a new research project on “measuring heart wall vibrations by ultrasound,” aiming to diagnose the heart on the chest wall. This research theme became the core of my research for many years afterward. It came up when I talked about it with Prof. Noriyoshi Chubachi on the Kawagoe Line train on a business trip to Saitama. I still remember the conversation vividly. At that time, medical ultrasound was being actively used mainly at Tohoku University. However, the primary purpose was to display tomographic images and diagnose them, not to measure fine movements and wall vibrations up to high-frequency components invisible to the naked eye. We had no equipment in the laboratory, so first, we had to purchase a desktop medical ultrasound system (manufactured by Honda Electronics Co., Ltd. and sold by Fukuda Denshi Co., Ltd.). We modified the analog circuitry inside to add a line to connect to the digital oscilloscope after quadrature detection. This enabled measuring the ultrasonic waves reflected from the heart wall as waveforms.

At that time, it was difficult to obtain an A/D converter with a frequency higher than 3 MHz, so we tried that two channels of complex waveforms, converted to a lower frequency by quadrature detection, were A/D converted at 1 MHz for 1 second, along with the ECG and the heartsound. This enabled us to measure the vibration of the heart wall. Later, we modified a used analog medical ultrasound system provided by Toshiba and were able to perform various measurements and analyses, such as rapid velocity and displacement of the walls of the heart and carotid arteries, and minute changes in the thickness of the walls due to myocardial contraction and pulse wave propagation. My impressive memory was when I worked with a 3rd-year doctoral student. He told me, “Please don’t modify the device; we don’t want to lose the current measurements.” Still, I asked Toshiba’s SE to modify the device to output a signal of the primary clock frequency (40MHz) from the diagnostic device. We could improve the accuracy in the measurement of the heart vibration by inputting the primary clock signal into the clock signal of the 1 MHz A/D converter and synchronizing all the devices involved in the measurement with a single clock. Although it is commonplace now, the mechanism was indispensable for detecting phase differences. This modification dramatically improved the measurement accuracy and revealed that the heart has a characteristic vibration mode, which was one of the valuable opportunities to develop my research.

2001年に教授に昇進したのですが、周囲の先生を見たら、教育・研究以外のことに忙しいようで自分自身で実験を行っていない、だから、研究はもうやらず研究室や組織の運営だけでいいのかな、と勘違いしました。ところが数か月後、当時すでに名誉教授になっておられた田中元直先生から「何やってるんだ。一番大事で難しい研究は、自分で長く続けなきゃダメだよ」と叱咤激励いただきました。そこから「なぜ大学に残ったか」を自問し、少なくとも土曜日は必ず自分の研究を行うようにしました。後からそのことを田中先生に申し上げたところ、「1週間に１日だけでは足りないよ」と言われましたが。その習慣は今でも続いてます。

それから10年経ち東日本大震災が来ました。東日本大震災当時、工学研究科の副研究科長（研究担当）だったのですが、業務復旧・キャンパス再生WG長になり、研究室を失った青葉山の多くの研究室の借用を他部局や学外にお願いする手配などを行いました。翌年からは工学部長・工学研究科長になって、研究室に行く時間も全くなくなり、その後、3年間副学長になりましたが、それでも何とか、土曜日だけは必ず研究を継続しておりました。2018年からは、一教授に戻り、学生や若い研究者と一緒に研究しているところです。考えてみると、30代後半から、学内や学会幹事などの役割が次第に多くなり、1週間でそれらに費やす日が、週１日から次第に増えました。「土曜は必ず研究」というのは、研究以外のことは金曜日までに済ませるという日々でした。工学研究科長のときには、「金曜日は会議を入れない日にしましょう」と機会あるごとに申し上げました。これは、研究は細切れの時間では進まないから、「金曜に実験準備をし、土曜にも研究をしましょう」という趣旨だと教授会でも説明しました。

私がずっと取り組んできた「心臓や動脈壁の動きに追従して振動を計測する」という研究テーマは、実は簡単ではなく、データを細かく見れば見るほど難しいテーマです。学生の場合は、2年～3年間という時間的制約があるので、ある程度見通しのあるテーマを設定し、自分自身が行う研究テーマとは分けてきました。そのため自分に時間がなければ、全く進まないテーマです。2001年頃に、「この課題が納得して解決できるまでは、チャンピオンデータを用いた安易な学会発表などしないぞ」と思って、それ以来継続して取り組んで来ました。しかし気が付いたらそれからもう20年間以上かかっています。最近、定年を前にこのテーマにも、ようやくトンネルの出口が僅かに見えて来たのかと思っています。

When I was promoted to professor in 2001, I thought it was enough to focus on running my laboratory or university rather than my own research activity because other professors were busy with education and research and were not directly conducting experiments themselves. However, a few months later, the emeritus professor Motonao Tanaka said to me, “What are you doing? The most important and difficult research must be continued for a long time by yourself.” From that point on, I asked myself, “Why did I stay at the university?” and decided to do my own research at least on Saturdays. When I told Prof. Tanaka about it later, he said, “One day a week is not enough,” but I’m keeping this habit to this day.

Ten years later, the Great East Japan Earthquake struck. I was the Vice Dean of the Graduate School of Engineering (in charge of research). Then, I became the head of the Business Restoration and Campus Revitalization Working Group and made arrangements to ask other departments outside the university to lease many laboratories that lost their place in the Aobayama campus. The following year, I became Dean of the Faculty of Engineering and Dean of the Graduate School of Engineering, leaving me with no time to go to the laboratory, and then, I served as Vice President for 3 years, but I still managed to continue my own research on Saturdays. Since 2018, I have returned to the position of professor and am now working with students and young researchers. Looking back, in my late thirties, I also began to take on more roles within the university and as secretary of academic societies. I had to spend more days on these activities. When I said, “I always do my research on Saturdays,” I meant that I had to finish everything else by Friday. When I was Dean of the Graduate School of Engineering, I would say at every opportunity, “Let’s make Fridays a day without meetings.” I explained to the faculty that the research activity could not be conducted as fragmented, so “we should prepare for experiments on Fridays and do research on Saturdays.”

The research theme that I have been working on for a long time, “measuring rapid and minute velocity waveforms by following the movement of the heart and arterial walls,” is actually not easy. The more I look at the data in detail, the more difficult it becomes. For students, I had to set up a research theme with a specific prospect because of the time constraint within 2 or 3 years, and I separated it from my own research theme. Therefore, if I didn’t have my own time, I wouldn’t progress on this theme. Around 2001, I thought, “I will not make a further presentation at an academic conference using champion data until this issue is really resolved to my satisfaction,” and I have been working on it continuously since then. I have been working on it ever since. However, it has taken me more than 20 years since I have started. Recently, before I retire, I think I can finally see the end of the tunnel for this theme.

肉眼で確認できる、大きな振幅でゆっくりした動きは、普通の医用超音波診断装置で検出できます。しかし、体内には、目で追えないほど速くて細かな動きもあるはずで、「まだ有効利用されてないこれらの未知の情報を何とか計測しよう」ということが、研究室として目標としてきたことです。頸動脈の動脈硬化を例にとると、心臓から血液が駆出され、脈波が頸動脈まで伝わってくると、動脈が少し拡がります。体を構成する軟組織は、血圧程度の圧力で変形しても体積は殆ど一定です。したがって、血管壁の環状の断面積に当てはめると、動脈が拡がったときに、壁の断面積は変わらないので、血管壁は僅かに薄くなるはずです。脈圧変化の間に、血管壁が硬ければ余り薄くならないし、柔らかければより薄くなります。そこで、1拍内で生じる「血管壁の厚み変化」を超音波で測れば、血管壁の硬さがわかるという理屈です。ただ、頸動脈壁の厚みは1mm弱で、脈圧変化の間にその厚み変化は約30µmです。これは髪の毛の太さの半分ぐらいで、波長150µmで調べる超音波断層像ではわからないほど微小です。それが上記の超音波計測法では検出できます。

粥状プラークの内腔に接した壁が非常に柔らかいと破れる可能性が高くなります。破れてしまった場合、血栓を作って重篤な疾病を発症してしまいます。治療として血中コレステロールを低下させる薬を飲むと、粥状プラークが線維化して硬くなると言われていますが、超音波で計測した「動脈壁の硬さの分布」から治療の効果が評価できると期待できます。硬さによって、平滑筋と膠原線維、脂質を区別することもできます。このような装置を作って、いろいろな病院で使っていただき臨床応用をして頂いております。

また、心臓では、聴診器で聞こえるように、大動脈弁が閉まるときに振動が発生しますが、その振動波形を、超音波を使って計測する試みも行なってきました。超音波ビーム数を増やして走査し、測定点を心臓壁上に数百点設定し、各点で弁が閉まるときの振動音（横波）を計測すると、この振動が、心臓壁をどう伝わるかを映像化することができます。こうした機械的振動だけでなく、房室結節から心筋全体に電気的興奮が2～4m/sの速度で伝播して各々の心筋がピクッピクッと順番に動いていく様子が、超音波を使って体表からわかるのではないかと考えています。これによって、例えば、心臓壁のある部分に壊死した梗塞部分があるとき、その周囲で正常部との間には虚血部があり、そこの血流を回復すれば生き返るのですが、虚血部は興奮の伝播速度が周りより遅いことがわかっていますので、超音波で測定すれば、虚血部の範囲がある程度見えるようになると期待しています。

一方、静脈血集合の測定のテーマですが、これは、日本超音波医学会の学術集会で臨床医の先生から「駆血して血流を止めると赤血球が集合してモヤモヤしてきますが、その集合の大きさを超音波で調べられませんか」と言われ、そこから始めました。赤血球の集合のしやすさは、炎症など様々な生理的条件で決まっているようで、超音波で計測できると非侵襲的評価が実現します。血球は散乱体なので、散乱波の周波数スペクトルの特性によって、その集合の大きさが同定できます。赤血球一つの直径は8 µmぐらいですが、30µmくらいの赤血球集合の大きさが定量化できます。このような計測は、海外では数個の研究機関で以前から行われてきましたが、生体ではなかなか計測されていないということもあり、眼科用の40MHzの超音波診断装置を準備し、手の甲の静脈で試してきました。

Ordinary medical ultrasound equipment can detect slow movements with a large amplitude that can be seen with the naked eye. However, there must be movements that are too fast and too minute to be tracked with the naked eye within the organs. Our goal in the laboratory has been to somehow measure the undetected information that has not yet been effectively used. Take arteriosclerosis in the carotid artery as an example. When blood is ejected from the heart and pulse waves are transmitted to the carotid artery, the artery widens slightly. The volume of the soft tissues that make up the body is almost constant even though they are deformed by blood pressure. Therefore, when applied to the annular cross-sectional area of the arterial wall, when the artery widens, the cross-sectional area of the wall does not change, so the arterial wall should become slightly thinner. During the pulse pressure variation, if the arterial wall is hard, it will keep its thickness and become thinner if it is elastic. Therefore, if the “change in thickness of the arterial wall” that occurs within one cardiac cycle is measured using ultrasound, the elasticity of the arterial wall can be determined. However, the thickness of the carotid artery wall is less than 1 mm, and the thinning due to the arrival of the pulse pressure is about 30 µm, which is about half the thickness of a strand of hair. It is so minute that ultrasonic tomography cannot detect it at a wavelength of 150 µm. The developed ultrasonic measurement method described above can detect this.

If the wall in contact with the lumen of the atherosclerotic plaque is very soft, it is more likely to rupture. The plaque can form a blood clot if it occurs, leading to serious illness. It is said that when medication to lower blood cholesterol is taken as a treatment, the atherosclerotic plaque becomes fibrotic and hardens. It is expected that the effect of the treatment can be evaluated from the “distribution of arterial wall elasticity” measured by ultrasound. It is also possible to distinguish between smooth muscle, collagen fibers, and lipids based on elasticity. We have made such a device and system, which is being used in various hospitals for clinical applications.

We have also tried to measure the vibration waveform of the aortic valve when it closes, as heard with a stethoscope, using ultrasound. By scanning with an increased number of ultrasound beams setting up several hundred measurement points in the heart wall, and measuring the vibration sound (transverse wave) at each point as the valve closes, it is possible to visualize how this vibration travels through the heart wall. In addition to these mechanical vibrations, we believe that ultrasound can be used to visualize the electrical excitation propagating from the atrioventricular node to the entire myocardium at a speed of 2-4 m/s, causing each myocardium to move in turn. For example, when there is a necrotic infarction in a particular part of the heart wall, there is an ischemic area between the infarction and the normal area. We know that in the ischemic area, the rate of propagation of excitation is slower than in the normal area. If the blood flow at the ischemic area is rapidly restored, we can recover heart activity. So, we hope that ultrasound will help us to easily see the area of ischemia to some time.

The theme of measuring venous blood aggregation started when a clinician asked me at an annual academic meeting of the Japanese Society of Ultrasonics, “When blood flow is stopped by a tourniquet, red blood cells aggregate and become fuzzy. Can you analyze the size of that aggregation with ultrasound?” The aggregation of red blood cells seems to be determined by various physiological conditions, such as inflammation. If we can measure it with ultrasound, we can achieve non-invasive evaluation. Since blood cells are scatterers, the size of their aggregation can be identified by the characteristics of the frequency spectrum of the scattered waves. A single red blood cell diameter is about 8 µm, but the size of an aggregation of red blood cells of about 30 µm in size can be quantified. This measurement has been done in several research institutes overseas, but it has not been done in vivo. We prepared a 40 MHz ultrasound system for ophthalmology and tested it on a vein on the back of the hand.

学生は、川内キャンパスで一般教養、その後専門科目を学んで、研究室で実験テーマを与えられて、実験をしてたくさん失敗して、時々良い結果が出て、次にもっと難しい課題に挑もうとする。こうして身に付く「根気よく努力する能力」が大切で、教員はそこに火を付ける指導をする必要があります。

さらに、こうした課題解決能力に加え、基礎専門科目、語学も大事ですが、最終的に一番大事なのは、どの課題を選択すればいいかという課題発見（設定）能力です。この能力をある程度身に付け社会に出て、新しい価値を作ることができれば、社会課題も解決する上、本人も豊かな人生を歩めるようになります。したがって、「学生のうちは苦労も続くけれど、踏ん張って様々な能力を付けて、次の面白い世界に行こう」と言っています。

ノーベル賞を受賞された根岸英一先生が青葉山に講演にいらした際に、この話をしましたところ、「それは“ABC”（Ambitious、Basic & Broad、Creative）ですね」とおっしゃいました。この言葉はとてもわかりやすいと思っています。外交評論家の岡本行夫さんがやはり青葉山にいらしたときには、この話に対して「欲窮千里目 更上一層楼」（千里の眼を窮めんと欲し、更に上る一層の楼）という王　之渙の漢詩をご紹介いただきました。

「学問は、“本当は”面白いんだ」。これが、大学での教育と研究指導の目指すものだと思います。自分で幾多の失敗も細やかな成功も体験しないと、“本当は面白い”ということは理解はできません。さらに学生には、「本当に登るべき山(価値)は、高い山に登らないと見つからない」と言っています。普通の高い山は、他の人も登ってるから登ること自体は新しいことではないのですが、それでも登るためには、基礎も気概も必要です。そして登ってみると、遥か遠くに誰も登ってない山が見えるかもしれない。それは平地からは見えなかったものです。その人跡未踏の山は、決して楽に登ることはできず、一つの山に10年かかるかもしれません。しかし、一つのことを10年継続すれば、世界の一流になることができます。したがって、社会に出てから30年で3回ぐらい未踏峰の山に登る機会があり、各々で社会に役立つ価値を創ることができれば、本人もとても豊かな人生を歩むことができるのではないか。したがって、こうした未踏峰を選ぶ能力（課題発見能力）も必要となります。膨大な数の失敗をし、泥臭い試行錯誤を学生時代に経験することが、とても強い人間になると思います。

All students study general education at the Kawauchi campus, and then specialized subjects, and are given a research project in the laboratory, conduct experiments, make many mistakes, sometimes get good results, and then try to tackle more challenging tasks. The “ability to persevere and work hard” acquired in this way is essential, and supervisors need to provide guidance to develop this ability.

In addition to problem-solving skills, basic specialized subjects and languages are also important. Ultimately, however, the most important thing is the ability to discover (or set) a problem and decide which problem to choose. If students acquire this ability, go out into the world, and create new value, they will solve social issues and lead a prosperous life. Therefore, I tell them, “You will continue to face hardships while you are still a student, but you should persevere, acquire various abilities, and go to the next exciting world.”

When Prof. Ei-ichi Negishi, a Nobel Prize winner, came to the Aobayama campus for a special lecture, I told him about this. He said, “That’s ABC” (Ambitious, Basic & Broad, Creative). I think this phrase is right on target. When Mr. Yukio Okamoto, a diplomatic critic, came to the Aobayama campus, I told him the same story, and he introduced to me a Chinese poem by Wang Zhiyuan, which says, “Climb the tower to see the end of a thousand miles.”

To make students realize that learning is “really” enjoyable. I believe that this is the ultimate goal of university education and research guidance. Suppose students do experience many failures and then minor successes themselves. In that case, they will be able to understand that it is “fascinating.” I also tell my students, “You can’t find the mountain (value) you really need to climb unless you climb a high mountain.” Climbing an ordinary high mountain is nothing new because others have already mounted it. However, you still need the foundation (basic & broad) and the gumption to climb it. And when you climb it, you may see a mountain far away that no one else has climbed. It’s something you couldn’t see from the plains. These unexplored mountains are not easy to climb, and each one may take 10 years. However, if you continue to do one thing for 10 years, you will be able to become a world-class researcher. Therefore, if you have the opportunity to climb an uncharted mountain at least 3 times during 30 years after entering society, and if you can create “value” that is useful to the community with each climb, which will lead to your vibrant life. Therefore, the ability to choose such unexplored peaks (the ability to discover problems) is also indispensable. Making many mistakes and experiencing a muddy trial-and-error process during undergraduates and graduates will nurture an influential person.