出生地は横浜ですが、父の転勤で広島や岩手に暮らしたりして、大学から仙台に来ました。1988年に東北大学の医学部を卒業して、10年ほどは普通に医師として勤務していました。1997年に加齢医学研究所に戻ってきまして、臨床もやりつつ研究を開始し、その後、2008年に医工学研究科が設立された際に発足メンバーとして加えていただき、現在に至ります。

私が研究を始めた加齢医学研究所では、電子医学部門という超音波と人工心臓の研究室に所属していました。そこで、私の師匠で1960年代に世界で初めて心臓の超音波断層法を開発した田中元直先生から、病院で使っている超音波診断装置とは違う、より新しい医療診断機器を開拓したらどうかと提案していただき、超音波顕微鏡の研究に取り組み始めました。加齢医学研究所は、もともとは抗酸菌病研究所という結核の研究所で、田中先生は心音や呼吸音の研究をしていて、超音波のことを勉強するために電気通信研究所の菊池先生の研究室に毎日通っていたそうです。受け売りになるのですが、「虎穴に入らずんば虎子を得ず」というか、良い共同研究をするためには、現場に行って、特に相手方の懐にまで踏み込んで行く必要があると、ずっと心がけています。

医工学研究科が設立された頃から、医用光工学分野の松浦先生との共同研究で、超音波と光の両方を利用した光音響顕微鏡を新たに開発しました。現在では、一番高い分解能で600〜700 nmで、細胞一個を観察することができるようになってきています。ただ、どうしても解像度と観察深度にはトレードオフの関係があります。例えば、解像度600 nmで観察すると、深度は200〜500 µmくらいになってしまいます。超音波の周波数を少し低くして解像度を落としてみると2 mmまでの深さ、解像度をもっと落としてみると2 cmくらいの深さまでは見ることができます。このように、解像度と深さとのバランスを取りながら周波数を選択して、体の中を画像化していく方法を研究しています。

I was born in Yokohama but lived in Kobe, Hiroshima and Iwate due to my father’s job transfer. Later I came to Sendai to enter Tohoku University. I graduated from School of Medicine at Tohoku University in 1988 and worked as a medical doctor for about 10 years. In 1997, I returned to the Institute of Development, Aging, and Cancer (IDAC) and started research while performing clinical work. Later, when the Graduate School of Biomedical Engineering was established in 2008, we were added as a founding member, and here we are today.

At the Institute of Development, Aging, and Cancer, where I began my research, I belonged to a laboratory for ultrasound and artificial hearts called the Department of Medical Engineering and Cardiology. My mentor Dr. Motonao Tanaka, who developed the world’s first ultrasound tomography of the heart in the 1960s, suggested we pioneer a novel medical diagnostic device different from the conventional ultrasound equipments used in hospitals. I then began working on ultrasound microscopes. The Institute of Development, Aging, and Cancer was initially a tuberculosis research institute called the Research Institute for Tuberculosis and Leprosy, where Dr. Tanaka was studying heart and respiratory sounds. He went to Dr. Kikuchi’s laboratory at the Research Institute of Electrical Communication every day to learn about ultrasound. I have always kept in mind that it is necessary to go into the field to conduct good collaboration, especially into the bosom of the other party.

Since the establishment of the Graduate School of Biomedical Engineering, we have developed a new photoacoustic microscope that utilizes both ultrasound and light in collaboration with Dr. Matsuura in the field of biomedical optics . At present, it is possible to observe a single cell at the highest resolution of 600 to 700 nm. However, there is inevitably a trade-off between resolution and depth of observation. For example, when observing at a resolution of 600 nm, the depth of observation is 200 to 500 µm. In the case of using lower ultrasound frequency, allowing reduce the resolution, we can observe depths of up to 2 mm. If we lower the resolution even more, we can observe depths of up to 2 cm. As mentioned, we are researching methods of imaging the inside of the body by selecting frequencies while maintaining a balance between resolution and depth.

私は専門が循環器内科なので、細い血管の中で血液の流れる様子を超音波で見る技術の開発を行ってきました。現在取り組んでいる研究は、これまで超音波では難しいとされてきた、脳の活動を測定する新規技術の開発です。すでに確立されているfMRIなどの脳活動の測定方法と比較して、超音波の高い時間分解能を生かして、瞬時の脳活動を観察できればと考えています。時間分解能について、私の研究室では超音波の照射方法を工夫して1秒間に100枚画像が取れるようになっています。画像の解像度を少し落とせば、1秒間2000枚の撮像も可能です。そのような高時間分解能で見えてくるものは、MRIとは全く異なるものです。例えば、心臓の中の血液の流れは MRI でも見えますが、時間的にも空間的にも平均化されている、短時間で局所的な小さな渦の出現などは検出できません。また、時間分解能だけでなく、超音波では周波数を変えることで空間分解能も自由に設定することができます。高い周波数では空間分解能が上がり、低い周波数では分解能が犠牲になる代わりに、より深く、骨の向こう側までまで観察できるようになります。超音波の特性を工夫すれば脳の中の血流変化を検出できると思っていますので、頭部超音波診断の開発研究を進めていきたいと思っています。

Since my specialty is cardiology, I have developed ultrasound technology to visualize blood flow in small blood vessels. The research I am currently working on is developing a new technology to measure brain activity, which has been considered difficult with ultrasound. Compared to already established methods of measuring brain activity such as fMRI, ultrasound has the advantage of the high temporal resolution to observe instantaneous brain activity. My laboratory has devised an ultrasound transmission method to obtain 100 images per second regarding temporal resolution. If the resolution of the images is slightly reduced, it is possible to take 2,000 images per second. What is seen with such high temporal resolution is entirely different from that of MRI. For example, the flow of blood in the heart can be seen in MRI, but it cannot detect, for example, the appearance of small, localized vortices over a short period, which are averaged both temporally and spatially. In addition to temporal resolution, ultrasound also allows spatial resolution to be set freely by changing the frequency. Higher frequencies increase the spatial resolution, while lower frequencies sacrifice resolution for deeper, beyond-the-bone views. I believe that we can detect changes in blood flow in the brain by devising ultrasound characteristics, and I would like to continue developing research on head ultrasound diagnosis.

医工学研究科の教授に着任した際に、ある先生から、医学部や加齢医学研究所では研究を主としていたかもしれないけど、医工学研究科では教授なのだから文字通り教育を主と考えたほうが良い、とアドバイスをいただきました。それまでは臨床と研究の両立を主に考えていたのですが、教育と研究の両立を主に考えるようになりました。それで、研究科での最初の講義科目で医用装置学といって、病院で使われている CT やMRI など医療機器を解説する講義を行いました。その後、医療機器学と名前を変えて、体の中で使うカテーテルなどの小さな装置の講義も追加しました。2013年に、スタンフォード大学のバイオデザインを見学したことがきっかけとなり、医療現場での課題を学生に発見してもらうことを医療機器学の講義の中に取り入れたほうがいいと思いはじめました。最初は、全国の医療ニーズとその解決方法を募集している経済産業省（当時）のサイトから課題を見つけてきて、それを解決する方法を考えてもらっていました。でも、やはり座学だけだと限界があるということで、2015年から実際に工学研究科の学生を大学病院に見学に連れて行って、医療の現場からニーズを探って、それを解決するアイデアを考える講義をはじめました。当初、医療機器学は座学だったのですが、講義を終わった後に少し実習を追加し、その後、海外のインターンシップを更に追加して、2018年からは、それぞれ、医療機器学、医療機器開発実習、海外インターンシップと、別の科目にしました。2019年からは、医療機器ビジネス学と医療機器レギュラトリーサイエンス、医療機器開発論と講義を差別化し、実習と海外インターンシップを追加ました。初めは一つの科目だったものが、今では大きく広がりを見せてきています。

When I was appointed as a professor at the Graduate School of Biomedical Engineering, one of my professors advised me below: “While you may have been primarily engaged in research at the School of Medicine or the Institute of Development, Aging, and Cancer, you should literally consider education as your main focus since you are a professor at the Graduate School of Biomedical Engineering.” Until then, I thought mainly of balancing clinical practice and research, but I began to think primarily of balancing education and research. I gave a lecture called “Medical Equipment Science” as my first lecture at the Graduate School. In the lecture, I explained medical devices used in hospitals, such as CTs and MRIs. Later, we changed the name to “Medical Device Science” and added lectures on small devices used in the body, such as catheters. In 2013, a visit to Stanford University to observe Biodesign led me to think that we should incorporate in our Medical Device Science lectures the discovery of issues in the medical field by students. At first, I had the students find problems from the (then) Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) website, which solicited information on medical needs and solutions nationwide. However, I realized that there were limitations to classroom learning alone. So, in 2015 I began taking students from the Graduate School of Engineering to visit our university hospital to explore needs in the medical field and give lectures on ideas for solving those needs. In the beginning, medical device science was a classroom lecture. Still, after the lecture, we added a bit of practical training and international internships. From 2018, we made them separate subjects: Medical Device Studies, Medical Device Development Practice, and International Internships, respectively. Since 2019, we differentiated the lectures consisted of Medical Device Innovation Strategy, Medical Device Business Studies, Regulatory Science for Medical Device and added Medical Device Development Practice and Medical Device Innovation International Internship. What started out as one subject has now significantly expanded.

海外での医工連携の研究体制を見せるために、オランダのエラスムス医療センターに医工学研究科の学生を連れて行ったりしているのですが、そのセンターには建物の中にマシンショップといって医療機器を実際に作ることができる設備があり1フロアを占めています。医療現場や大学の中でダイレクトに医療機器を開発していることに非常に感銘を受けまして、実際の現場を学生にも見てもらいたいと思いました。まだバーチャルな組織ですが、医工学研究科では医療機器創生開発センターを設立して、何か医療機器のアイデアが出た時にプロトタイプまでは作れるように、工学研究科の先生や電気通信研究所、金属材料研究所、流体科学研究所の先生方にもお願いして、施設設備を使わせていただく許可をとって、エラスムス医療センターの環境に近い環境を整えています。

また、先にお話したスタンフォード大バイオデザインでは、スタンフォード大学の周囲に小さな医療機器を作る会社がたくさんあって、そこに製作を外注するシステムとなっています。スタンフォード大バイオデザインで採用された課題の医療機器を外注で製作する事がビジネスとして成立しているのですね。では、東北大学で同様の環境があるかというと、そういった中小企業に匹敵する技術が東北大学の各研究室にたくさんあります。東北大学の工学系のほとんどの先生は、ウチの技術でよければどんどん使ってくださいとおっしゃってくださいます。それを使わない手はないということで、医工学研究科の先生を中心に、アイデアからプロトタイプ製作まで一気に行える環境を整備しようとしています。また、プロトタイプを海外でプロモーションしたり販売したりする戦略を学ぶために、学生をスタンフォードに連れて行ったりもしています。その他に、エラスムス医療センターに加えて、デルフト工科大学、トゥエンテ大学、ラドバウド大学の4大学に連れて行き、医療と工学の接点の現場を見てもらうと同時に、向こうの現場の医療従事者や医療機器開発者と議論することで、将来的に、国際的人材を育成する教育につなげることを考えています。

I have taken the Graduate School of Biomedical Engineering students to the Erasmus Medical Center in the Netherlands to show them the research system for medical-engineering collaboration overseas. The center has a machine shop in the building that occupies one floor where medical devices can be made. I was very impressed that medical devices are developed directly in the medical field and at the university, and I wanted students to see it in action. The Graduate School of Biomedical Engineering has established the Medical Device Innovation Center, although it is still a virtual organization. We have tried to create an environment to make actual prototypes when we have an idea for a medical device, similar to the Erasmus Medical Center. We have asked professors from the Graduate School of Engineering, the Research Institute of Electrical Communication, the Institute for Materials Research, and the Institute of Fluid Science to allow usage of their facilities and equipment.

Stanford Biodesign, which I mentioned earlier, has many small medical device manufacturing companies around Stanford University. The system is to outsource the manufacturing to them. So, it has become a business to subcontract the production of medical devices for the projects adopted by Stanford Biodesign. Asking how we can achieve a similar environment, we have many technologies in each laboratory at Tohoku University comparable to small and medium-sized companies. Most of the engineering professors at Tohoku University are delighted to provide their technology. We are trying to create an environment where we can go from an idea to prototyping all at once, led by the professors of the Graduate School of Biomedical Engineering. We are also taking students to Stanford to learn strategies for promoting and selling prototypes abroad. In addition to the Erasmus Medical Center, we are also taking students to the Delft University of Technology, University of Twente, and Radboud University to see the interface between medicine and engineering and discuss with medical professionals and medical device developers in the field over there. We consider that they can be educated to develop global human resources in the future.

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.

生まれたところは大阪府なんですが、その後、中部地方の愛知県と四国の愛媛県で小学校と中学校を過ごしました。高校からは親元を離れて鹿児島県に行って、大学で東北大学の医学部に入学しました。専門はずっと耳鼻咽喉科です。当時の耳鼻咽喉科の医局は原則として大学院を取らない方針でしたが、医局員全員が臨床をやりながら、夕方から夜中まで研究をするという伝統がありました。それがいいなと思って耳鼻咽喉科に入局したんです。最初に取り掛かった研究テーマは、「バランス」や「めまい」についてだったのですが、先輩から「バランスは音に比べて刺激のコントロールが難しいし、次は聴覚の研究をしたら？」と勧められて聴覚を研究するようになりました。

入局後しばらくして、1990年から19993年までボストンの研究所に留学する機会がありました。毎日楽しかったですね。実験動物をモデルに単一聴神経から活動電位（スパイク）を記録する実験を行いました。単一聴神経記録の実験って、実験動物の体力よりも実験者の体力で実験の終了時間が決まるんですよ。実験の準備ができた直後は記録が安定しないので、夕方に準備し終わったらいったん家に帰って、明朝から記録を取り始めて、次の日のお昼ごろまで（夜中、1－2時間は仮眠しましたけど）、ヒトの体力が続く限り。記録がすべて終わったら、組織化学的解析のために組織サンプルを採取しました。聴神経の記録を一本一本、順番にとっていくんですが、とにかく、根気よく記録していくだけでしたね。

蝸牛に投射している遠心性神経が働くと、音情報がマスキングされにくくなって雑音の影響を受けにくくなる、そういうメカニズムがあるんじゃないかという仮説を検証する研究テーマでした。細い神経めがけてガラス電極を刺すんですけど、その際、目的の神経に刺さったかわかるように、神経活動をバチバチと音で検出するんですよ。スパイクがスピーカーから実際に音として聞こえてくると、ああ、音って情報なんだと実感しました。単に、聞こえる・聞こえないっていうレベルではなくて、サイン波の音が耳で変換されて、全てがこのバチバチバチバチに、要するに一連のスパイクとして情報に変わって、脳に入っていく。そのことを体で納得できました。

I was born in Osaka Prefecture, but later spent my elementary and junior high school years in Aichi Prefecture in the Chubu and Ehime Prefecture in Shikoku. After high school, I left my parents and went to Kagoshima Prefecture, and entered Tohoku University School of Medicine as a university student. My specialty has been otorhinolaryngology. At that time, the department of Otolaryngology had a policy of not taking graduate students as a general rule, but there was a tradition that all the members of the department did research from evening until midnight after clinical work. I thought that was a good tradition, so I joined the department of Otolaryngology. My first research topics were “balance” and “dizziness,” but a senior colleague said, “Balance is more difficult to control stimulus than sound, so why don’t you do research on hearing next?” So I started to study auditory perception.

After I joined the department, I had the opportunity to study at a research institute in Boston from 1990 to 1993. I enjoyed every day. We conducted experiments to record action potentials (spikes) from a single auditory nerve using laboratory animals as models. In single auditory nerve recording experiments, the end time of the experiment is determined by the physical strength of the experimenter rather than the condition of the experimental animals. The recordings are not stable immediately after the experiment is ready, so after finishing the preparations in the evening, I went home and started recording in the morning, and continued until noon the next day (though I took a nap for an hour or two in the middle of the night), as long as my physical strength lasted. After all the recordings were done, tissue samples were taken for histochemical analysis. I took the auditory nerve recordings one by one, in order. I just had to be patient and keep recording.

The theme of the research was to test the hypothesis that the centrifugal nerve projecting into the cochlea has a mechanism that makes sound information less masked and less susceptible to noise. I stabbed glass electrodes into fine nerves and detected the nerve activity with a buzzing sound so that I could know whether I had stabbed the target nerve. When the spikes were actually heard through the speakers, I realized that sound is information. It’s not just a matter of hearing or not hearing, but the sine wave sound is converted in the ears, and everything is converted into information as a series of spikes, and enters the brain. It was able to convince me that.

アメリカから帰国した時、耳鼻咽喉科の教室が電気通信研究所とデジタル補聴器の開発に関する共同研究をやっていて、そのプロジェクトに参加させていただきました。共同研究先の研究室では、聴覚系の情報処理に関する基礎研究を行っていて、聞き取りの改善を目的とした信号処理法の開発やそれを評価するための認知を指標にした入力と出力の関係を研究していました。そこで、聴覚についての心理音響学的なアプローチを学びました。逆に、工学系の先生方は僕がスパイクの話をしたりすると、興味を持ってくださったりして。聴覚という共通の興味があって、話を聞けばお互いに面白かったですね。

耳鼻咽喉科にいると、聴覚のことはなんでもわかっているような気にもなるんですけど、そんなことは全然ありません。聴覚を専門にしていらっしゃる先生は工学系にもたくさんいらして、色んな事を勉強できます。医学系、特に耳鼻咽喉科ですと、どうしても耳の病気の理解や治療を目的とした研究が中心になってしまうのですが、健常な人の聴覚の仕組み、特に脳における知覚や認知にかかわる情報処理に関する聴覚に仕組みっていうことになると意外と知らないことも多いんです。実は、このあたりのことは、工学系や心理系の研究者の方たちがいろいろなことを研究されていて、工学系では研究手法として当たり前のものでも、臨床では使ってないものもあって、その手法を使うだけでも見えてくるものが変わってきます。

When I came back from the U.S., the department of Otolaryngology was conducting joint research with the Research Institute of Electrical Communication on the development of digital hearing aids, and I participated in the project. The collaborating laboratory were conducting basic research on information processing in the auditory system, developing signal processing methods to improve listening comprehension, and studying the relationship between input and output using cognition as an indicator to evaluate the results. I learned the psychoacoustic approach to hearing there. On the other hand, when I talked about spikes with engineering professors, they were interested in the topics. We had a common interest in hearing, and it was interesting to hear each other’s sutudies.

When we work in an otorhinolaryngology department, we may think we know everything about hearing, but this is not the case at all. There are many researchers who specialize in hearing in the engineering field, and we can learn a lot of things. In the medical field, especially in otolaryngology, the focus is on understanding and treating ear diseases. However, there are many things we don’t know about the mechanism of hearing in healthy people, especially the mechanism of hearing related to information processing in the brain related to perception and cognition. In fact, researchers in the fields of engineering and psychology have been studying various things, and some of the research methods that are commonplace in engineering are not used in clinical practice.

現在は、聴覚における「注意」が面白いなと思って、その研究テーマに集中しています。注意って、聞き取ろうと思って「集中する注意」もあるんですけれど 、うまく「分散・分配しないといけない注意」もあって、自動的に分配しないといけない注意を見つけることは診療的にはとても難しいんですね。「集中する注意」は聞き取ることで検査できるんですけど、「分散・分配する注意」というのは心理的に調べよう思うと、実はとても難しいという気がしています。

注意は総量がきまっていると言う説もあります。あるものに注意を50持っていけば、残りには50しか使えないといいますし、その配分が自動的にできないといけない、何かやってる時は他の事をむしろ積極的に無視できないといけない。無視ができないと聞かないでいいことを聞かなきゃいけなくなるし、それがひどくなると日常生活に支障をきたすようになるんだと思います。でも、大事な情報が来たときは、無視せず、うまく注意を分散させて振り向けることも必要。じゃあ、どうやって「分散・分配する注意」を検査するかなんですが、まずは第一段階として無視する力の評価について研究をしています。例えば、今やっている脳磁図を用いた実験の例を挙げると、片方の耳から音をカウントさせて、反対の耳から色んな種類の音を入れていくと、邪魔され具合が違うんですね。直接的な末梢での影響をなるべく除外するような性質の音を使っているので、中枢での影響があるのは間違いありません。弁別タスクの反応時間と成功率が、反対の耳に聞かせた音の影響で、どのように変化するのか、聴覚刺激と注意の関係性については心理音響学的な側面からも研究をすすめています。

Currently, I am focusing on the research theme of “attention” in auditory perception, because I find it interesting. There are some types of attention that we concentrate on in order to hear, but there are also other types of attention that we need to disperse well, and it is very difficult clinically to find attention that needs to be automatically dispersed. Concentrated attention can be examined by listening, but distributed attention is actually very difficult to examine psychologically.

There is a theory that the total amount of attention is limited. It is said that if you bring 50 of your attention to a certain thing, you can only use 50 for the other. You need to be able to allocate that automatically. If you can’t ignore things, you will have to listen to things you don’t need to listen to, and if it gets too bad, it will interfere with your daily life. However, when important information comes to us, we need to distribute our attention well and not ignore it. So how do we test for “distributed attention?” As a first step, we are studying the evaluation of the ability to ignore. For example, in the magnetoencephalography experiment that I’m working on now, if you make a sound count from one ear and then add various kinds of sounds from the other ear, the degree of disturbance is different. We are using sounds of a feature that excludes direct peripheral effects as much as possible, so there is no doubt that there are central effects. We are also conducting psychoacoustic research on the relationship between auditory stimuli and attention, to see how the reaction time and success rate of discrimination tasks are affected by sounds played to the opposite ear.

さっきお話しした注意の問題が関係して、雑音下などで聞き取りの困難を感じていていらっしゃる人がいらっしゃるんですけど、その場合、耳鼻咽喉科で行う通常の聴力検査では、問題が見つからないんですね。患者さんの困っていることが、どのように困っているのか理解できないと、結局、ありきたりの検査しかやってないと、問題が見つからずに正常ですって結果になっちゃうんですね。それでは患者さんは困惑してしまうんです。でも、自分でもなにかおかしいと思ったから検査したら、異常が出ましたとなると、「ああ、やっぱり」って安心される。そこがスタートになると思うんです。すると、確実な治療法はないんですけれど、できるいろんな工夫っていうのはたくさんあって、ちょっと手助けしてもらうと聞き取りで困らなくなったりして、患者さんはすごく助かるんです。患者さんが自分の能力でやれることも増えてきます。障害の認定までは、なかなかつかないんですけれど、それなりの配慮があった方が望ましいという診断書が書けると、会社とか学校現場とかで合理的な対応に繋がったりもしますし。そのようなこともあり、そういった患者さんの聞き取りの問題の本質を何とか可視化できないかと思い、さっきお話しした注意に関する研究も行っているわけです。

There are some patients who have difficulty in hearing under noisy conditions due to the attention problem I mentioned earlier, but in such cases, a normal audiological examination conducted by an otolaryngologist does not find any problem. If we don’t understand what the patient’s problem is, we end up doing only conventional tests, and the results will be normal without finding any problem. Then the patient is confused. However, when they find out that something is wrong with their body and the test shows an abnormality, they are relieved and say, “Oh, I got it”. I think that’s the starting point. Then, although there is no sure treatment, there are a lot of things that can be done, and with a little help, the patient can have less trouble with listening, which is a great help to them. There are more and more things that patients can do on their own. It’s not easy to get a certification of disability, but if they can get a medical certificate that it is desirable to have some consideration, it can lead to a reasonable response at work places or school. This is one of the reasons why I am conducting the research on attention that I mentioned earlier, hoping to somehow visualize the essence of the problem of listening to patients.