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.

私は仙台市の出身です。子供の頃は、北仙台に住んでいました。昔は田んぼや森ばっかりでしたが、今はもう全部なくなって、住宅地になってしまいました。中学・高校と地元の学校に通って、東北大学の工学部・精密工学科に入学しました。精密工学科は、戦前は航空工学科だったのですが、敗戦と同時に GHQ が航空機の研究は駄目っていうことで、名前を変えて精密工学科になったのです。その他に機械工学科と機械工学第二学科のあわせて三つの学科がありました。1990年には改組され、現在では５専攻体制になりました。

私は2003年に工学部の教授になりました。2014年に医工学研究科に異動することになったのですが、そのきっかけとなったのは歯学部の佐々木啓一先生との共同研究です。東北大学の教授には高校の同級生が何人かいて、彼もその一人です。飲み会の時に自分の研究テーマについて話題にすることがあって、そこから歯の表面にハイドロキシアパタイトをコーティングする技法の開発のアイデアが生まれました。その技法は、元々はセラミックスのコーティング技術の一つとして開発したものです。セラミックスのコーティングは、通常、真空中しかも高温で行うのが一般的だったんですが、我々が開発した技法では大気圧環境下かつ室温で成膜することできるんです。その全く新しい粒子噴射加工技術について話していたら、歯科治療に使えるんじゃないかってことになって、共同研究を始めることになりました。

I was born in Sendai. When I was a child, I lived in Kita-Sendai. There were only rice fields and forests in the past, but now they have all disappeared and become a residential area. I went to local schools in junior and senior high school, and then entered the Department of Precision Engineering, School of Engineering at Tohoku University. The department was originally the Department of Aeronautical Engineering before WWII, but after the war, the GHQ prohibited the research on aircraft, so the department was renamed Precision Engineering. There were two other departments, the Department of Mechanical Engineering and the Department of Mechanical Engineering II. In 1990, however, those were reorganized to have five departments,

I became a professor at the School of Engineering in 2003, and in 2014 I was transferred to the Graduate School of Biomedical Engineering. My transfer was triggered by a collaboration with Professor Keiichi Sasaki of the School of Dentistry. He is one of the professors who were my high school classmates at Tohoku University. We sometimes talked about our research topics at a party, and this gave me the idea to develop a device for coating the surface of teeth with hydroxyapatite. The technique was initially developed as one of the coating techniques for ceramics. Generally, the coating of ceramics is done in a vacuum at high temperatures, but our approach makes it possible to form a film at room temperature in an atmospheric pressure environment. When we were talking about this entirely new blasting technology, we reached the idea in which it could be used in dentistry, so we started a collaboration.

砂などの微粒子を吹き付けて物の表面を加工する技術をブラストといいますが、私は1990年ぐらいからブラストの研究を始めていました。ブラスト自体は結構昔から研究されていて、もう新しいテーマはないんじゃないかって言われましたし、3Kの代表的なもので、埃は出るし汚いし、機械が工場の中に置いてもらえなくて屋外に置かれたり、そういう技術だったんです。でも、ブラストは粒子の運動エネルギーを脆性破壊（ぜいせいはかい）に変換するプロセスなので、非常に効率の良い除去加工ができるんですよ。ただ、粒子噴射の制御を正確にできていなかったことと、粒子を当てる部分を局在化できないという問題点がありました。それらを改善するような装置の開発から始めて、日本の企業の方からそれを応用可能なアプリケーションの相談が来たので、研究開発を一緒にやりました。インクジェットプリンターのインクの代わりに粒子を吹き付けて表面加工できる装置を作って、アブレシブジェットプリンターと名付けました。

一方で、内視鏡なんかに使う非常に小さな非球面レンズの研磨方法の開発も別の企業と一緒にやってました。直径が１ミリ以下のマイクロレンズの研磨は、小さすぎて職人さんが人の手でやることができないので、結構大変なんです。それで、ブラスト技術を応用して、非常に小さなアルミナノ粒子をガラスに噴射して表面をなめらかに研磨する研究を始めました。学生にその研磨する実験テーマ与えて、やってもらったんですが、本来なら厚みが減るはずのものが逆に増えるという結果が出てきて、とても驚きました。結論としては、ガラスに噴射した粒子がガラス表面にくっついて、最初に期待してたような除去（研磨）ではなくて、付着になってたんですね。これは面白いって事で、研究テーマを変更して付着加工技術の開発にしちゃったんです。それを使って、セラミックスを成膜する研究をやってたんですけど、歯学部の佐々木先生と飲んでるときに、そういう話題が出て、世はセラミックスなんだよねって話から、セラミックスと歯の主成分であるハイドロキシアパタイトは似てるよねってなって。セラミックスの代わりにハイドロキシアパタイトでも吹き付けられるよねって言ったら、それ治療に使えないかな、ってことで、歯学部からの学生に来てもらって共同研究をはじめました。

歯科治療では、削って埋めての繰り返しなんですね。そこにハイドロキシアパタイト付着現象を使った新しい治療法の可能性が開けたわけです。臨床試験は知覚過敏治療でやっていて、患部にハイドロキシアパタイトを吹き付けると一瞬で直りました。さらに、歯のホワイトニングにも適用できます。歳を取ると歯の色が黄色くなって来ますよね。それを白くすると若々しく見える。これは高齢化対応技術になると思います。さらには、歯周病の治療にも使えると考えていて、ハイドロキシアパタイトの中に抗菌性のある成分を入れたものも開発して、中長期的に歯周病の予防ができるんじゃないかと考えています。

Blasting is a technique for processing the surface of an object by spraying fine particles of sand or other materials onto it. I started research on the blasting in about 1990. Blasting has been researched for a long time, and it was said that there was no longer a new theme for it, and it was a typical 3D (Difficult, Dirty, and Dangerous work). It was dusty and dirty, and the equipment should be placed outdoors because they couldn’t be placed in a factory. But blasting is a process that converts the kinetic energy of the particles into the brittle fracture, so it’s a very efficient removal process. However, there were two problems with precise control of the particle injection and focusing on the target. We started by developing a device to improve these problems, and when a Japanese company approached us about an application for the device, we did research and development with them. We created a device that could process surfaces by spraying particles instead of ink on an inkjet printer and called it the Abrasive Jet Printer.

On the other hand, we were also working with another company to develop a method for polishing small aspherical lenses used in endoscopes. Polishing microlenses less than 1 mm in diameter is quite tricky because they are too small to do by hand. So, we started researching the application of blasting technology to smooth the surface by spraying tiny aluminum particles onto the glass. I gave a student the research project to polish the aspherical lenses by blasting. When he tried it, we were surprised to find that thickness was increased rather than reduced. The conclusion was that the particles sprayed on the glass stuck to the surface instead of removing (polishing) the glass as we had initially been expected. We were excited and interested, so we changed the research theme to the development of adhesive processing technology. When I was having drinks with Professor Sasaki of the School of Dentistry, the topic came up, and we talked about how ceramics is the material at the height of its prosperity. We agreed that ceramics and hydroxyapatite, the main component of teeth, are similar. I suggested that we could spray hydroxyapatite instead of ceramics, and he wondered if it could use for the treatment, so we asked a student from the School of Dentistry to come and start collaboration.

Dental treatment typically repeats grind and bury the tooth. Our collaboration opened up the possibility of a new treatment method using the phenomenon of hydroxyapatite adhesion. The clinical trial was done to treat hypersensitivity, and when hydroxyapatite was sprayed on the affected area, it was cured immediately. Furthermore, it can also be applied to teeth whitening. As you get older, your teeth start to turn yellow. Whitening them makes them look younger. This will be a technology for the aging population. Furthermore, it can also be used to treat periodontal disease, and we have also developed a product that contains antibacterial ingredients in hydroxyapatite.

工学系の研究は、最終的に製品として世に出すことが目的ですので、ユーザーとしての医学系の先生方との共同開発が絶対必要です。彼らの要求を満たすようなものを開発しなければいけません。現在の状況では、医療従事者の声が、工学系サイドにはなかなか聞こえてこないかもしれませんね。幸運にも私には医学系の同級生いたので、色々情報入ってきましたが、お互い同じ場でディスカッションするっていう機会が必要だと思います。工学系の研究者に、医療従事者が何を言っているか理解できるぐらいの知識があれば、現場のニーズを引き出せると思います。もしもっと深い知識が必要であれば、その時に、そこだけ勉強すればいいし、最初から全部知っておく必要はないと思います。逆に、医療従事者にも機械系のだいたいの用語だけ知っておいてもらえればいいですね。話す言葉を全くお互い知らなかったら、文字通り話になりませんよね。工学系の研究者に必要な視点は、なにか新しいものを発見・発明するだけではなくて、それがどのようなアプリケーションに応用できるのか、だと思います。さらにもっと重要なのは、それが商業ベースにのるのかってところまで気にしないといけません。せっかく開発しても、誰にも使ってもらえなないなら意味がありませんから。

Since the goal of engineering research is to bring a product to the world, it is necessary to collaborate with medical professionals as users. We have to develop something that meets their requirements. In the current situation, the needs of medical professionals may not easily reach the engineering side. Fortunately, I had a classmate in the medical field, so I was able to get a lot of information, but we need to have an opportunity to discuss it with each other in the same place. If engineers have enough knowledge to understand what medical professionals are talking about, they will be able to pull out the field’s needs. If more in-depth knowledge is needed, then that’s all we need to learn, and we don’t need to know everything from the beginning.

On the other hand, it would be good if the medical professionals also know only the general terms in engineering. If we don’t know each other’s language at all, we literally can’t talk to each other. Engineering researchers need to discover and invent something new and find what applications it can be applied. More importantly, you have to be conscious of whether it will be commercially viable. It’s useless if no one will use it, no matter how hard you work on it.

医工連携では、現場レベルの情報交流が必須だと思います。ただ、医療従事者は忙しいですからね。工学サイドとしては現場のニーズを知りたいし、バイオデザインなんかは、ニーズの調査が一つの目的なんですけど、現場レベルでのブレインストーミングが絶対必要ですよ。ブレインストーミングでは、人の話をそのまま障壁なしに聞くっていうのが大前提じゃないですか。そういう環境で面白いものが生まれる。セラミックスのコーティング技術からハイドロキシアパタイト歯科治療への応用なんて、何でもない会話がきっかけとなってアイデアが浮かんできたんです。ベンチャービジネス論などの方法論も大事ですが、本当の意味での実践教育では、やっぱり現場主義が必須だと思います。

私の研究室では、最終的な製品まで開発できるような人材、あるいは企画できるような人材を育成したいと思っています。別に医工学だけじゃなくて、どの分野でもそうですよね。一番重要なことは、問題は何かを把握して、それに対してどういう風にアプローチしたらいいのか、解決方法を見つけ出すことです。あと大事なのは、コストと時間の感覚を磨くことです。今やった方がいいのか、それとも数年後にやった方がいいのか、自分の中で計画を立てる能力が必要です。技術的に優れているけど、早すぎても使ってもらえないし、遅すぎてもだめですし。問題意識をもって研究テーマを見つけることと、それに対してアプローチの方策を考えられる人材が求められていると思います。

In medical-engineering cooperation, it’s essential to exchange information at the practical level. However, medical professionals are busy. On the engineering side, we want to know the needs of the field, and one of the purposes of the BioDesign program is to investigate the needs. Brainstorming at the practical level is necessary. The basic concept of the brainstorming process is to listen to what people have to say without barriers. In such an environment, exciting ideas are born. An idea for applying ceramic coating technology to hydroxyapatite treatment came to me through a conversation with my friend. Methodologies such as venture business theory are essential, but a hands-on approach is critical in proper practical education.

In my laboratory, we want to train people to develop or plan products up to the final product. It’s not just in medical engineering but in any field. The most important thing is how to figure out how to approach it and how to solve it. The other important thing is to develop a good sense of cost and time. You need to plan in your mind whether it’s better to do it now or in a few years. Right technology needs to be used at suitable timing, neither too early nor too late. We need people who are aware of the finding research problems and their solutions.

私は横浜の出身です。5歳まで東京の目白で暮らし、その後横浜に引っ越し、途中大阪で過ごした時期もあります。横浜から東京の私立高校に通って、慶應義塾大学の医学部に入って医者になりました。大学の三年生から東京に下宿し、卒業後は静岡、愛知などの病院に勤務しました。東海大学の講師になった時に実家の近くに引っ越し、その後家を購入しました。なので、今は単身赴任しています。東北大学には、2002年に教授として着任しました。いまは大分違うと思いますが、当時は、リハビリテーション医学は新しい学問だったんですね。日本では、慶應義塾大学の医学部がリハビリテーション医学の研究教育に中心的な役割を果たしていて、それで教授選考の候補者になることができたのだと思います。

医工学研究科は2008年に開設されましたが、その際、当時の医学系研究科副研究科長から私に打診が来ました。医工学研究科の創設について、当時の東北大学総長が不退転の決意で臨むと書かれていて、総長がそこまで言うなら協力しようと思いました。実は、日本の医工学教育を充実・発展させる必要があることを、日本学術会議が1975年に勧告として出してるんですよね。これを絵に描いた餅ではなくて、東北大学が研究科として具現化したのは、振り返ってみるとすごいことだと思います。

I grew up in Yokohama, Japan. I lived in Mejiro, Tokyo until I was five years old. Then I moved to Yokohama and spent some time in Osaka on the way. From Yokohama, I attended a private high school in Tokyo and entered medical school at Keio University and became a doctor. I moved to Tokyo in my third year of college and after graduation, I worked in hospitals in Shizuoka, Aichi, and other cities. When I became a lecturer at Tokai University, I moved to a house near my parents’ house and later bought a house. So I am now living on my own. I joined Tohoku University as a professor in 2002. I think it’s quite different now, but at that time, rehabilitation medicine was a new discipline. In Japan, the School of Medicine at Keio University played a central role in research and education in rehabilitation medicine, and I think that is why I was able to be selected as a candidate for the professorship.

When the Graduate School of Biomedical Engineering was established in 2008, the then Vice Dean of the Graduate School of Medicine approached me about establishing the school of Biomedical Engineering. At the time, the President of Tohoku University wrote that he was unwavering in his determination to establish the Graduate School of Biomedical Engineering, and I thought I would cooperate with him if he insisted. Actually, the Science Council of Japan published a recommendation in 1975 that Japan’s medical engineering education needed to be enhanced and developed. Looking back, I think it’s great that Tohoku University embodied this as a graduate school, rather than just a pie in the sky.

医工学研究科が設立されて10年とちょっとたちますけど、医工連携の教育は大分進んできたとは思います。大学院としては日本で最初の独立した研究科でしたので、最初の教育カリキュラムを作るときは大変でした。学生の比率は工学系の学生の方が圧倒的に多いので、彼らにどのように医学系の知識を講義したら良いのか、何度も検討しました。今も続いてますけど、月に1回、第1月曜日の朝7時半から星陵キャンパスに医学系教員が集まって、教育方策について議論しています。医学系の講義においては、分子から細胞、臓器、個体レベルにという風に、系統だった教育をできるようにカリキュラムを整えました。 一方で、医学系の学生の比率が少ないので、医学系出身学生に対する工学系の教育について、まだ十分フォローできていないように感じます。

私が担当する人体構造機能学では、機能と構造のトレードオフを理解できるかということをポイントとしています。人体には、機能を発揮するための構造が備わっていて、この両者の関係を正しく理解してほしい。それが破綻した状態が病気ですからね。例えば、人は誤嚥することがありますが、動物は誤嚥しにくいんですよ。人では喉頭が下がって咽頭が広くなっています。そのために言葉が話せるようになったのですが、逆に、そのせいで誤嚥が起こりやすくなってしまいました。このように、トレードオフの理解は病気の理解につながるんです。医学系の知識には覚える必要のあることが膨大にありますが、知識の詰め込みということに関しては、どだい無理な話だと思っています。医学部の教育で6年間かけて学ぶことを、大学院の半年間で行うことが、そもそも無謀です。ただ、医療従事者とのコミュニケーションができる程度の知識が得られるようにしています。学生さんに一つだけ理解してほしいのは、医工学は患者さんのためにあるんだということを自覚してほしいと思います。単に面白いからだけでは十分でなくて、私たちは患者さんのために研究・教育をやってるんだと。 自分の研究は心臓だけだから、心臓のことだけ知っていればいいというのではなくて、人体全体としてとらえて、患者さんが心を持って生きている人であることを理解して、医工学を学んでほしいと思います。

It has been about 10 years since the Graduate School of Biomedical Engineering was established, and I think that education in medical-engineering collaboration has come a long way. It was the first independent graduate school in Japan, so it was very difficult to create an educational curriculum for the first time. We had an overwhelmingly large proportion of engineering students, so we had to consider many times how we could teach them medical knowledge. Once a month, on the first Monday morning at 7:30 a.m., the medical faculty meet on the Seiryo Campus to discuss educational strategies. For medical lectures, we have prepared a curriculum that allows for systematic education from the molecular to the cellular, organ, and individual levels. On the other hand, since the percentage of medical students is small, I feel that engineering education for students with a medical background is not yet sufficient.

In my course, Human Structure and Function, the key point is to understand the trade-off between function and structure. The human body has a structure that allows it to function, and I want students to correctly understand the relationship between the two. When that is broken down, it’s a disease. For example, people can have pulmonary aspiration, but animals are less likely to have pulmonary aspiration. In humans, the larynx is lowered and wider. This has allowed us to speak, but on the other hand, it has made us more prone to pulmonary aspiration. Thus, understanding the trade-offs leads to understanding the disease. There is a huge amount of medical knowledge that needs to be memorized, but I don’t think it’s possible to cover all of it. It’s foolhardy, to begin with, to learn in six months of graduate school what it takes six years to learn in medical school. However, we try to make sure that students know enough to communicate with medical professionals. One thing I want students to understand is that I want them to realize that medical engineering is for the benefit of patients. It is not enough to just be interesting; we are doing research and education for the benefit of patients. I don’t think it’s enough to know only about the heart because their research is limited to the heart, but I want them to take the human body as a whole and study medical engineering with the understanding that patients are living people with souls.

いま取り組んでいるのは、身体性の回復です。身体性を英語でEmbodimentと言いますが、事故で身体の一部を失ったり、麻痺で手足が動かなくなったりした場合、患者の身体性が損なわれたことになります。例えば、義足を最初に付けたときには、自分の体の一部とはとても感じられない。でもリハビリテーションの訓練をしていくと、義足が自分の体のような感じになってくる。麻痺の場合も同じです。そのように、回復の原理の中の一つのモデルとして、身体性があります。腰をすえて、ここ５・６年研究をやってきて、義肢や麻痺した四肢を自分の体であると認識を変換する技術が難しいと知りました。物理的に刺激して、麻痺した手足が動くようになるという研究も行いますけれど、そもそも、身体性の回復の原理は何なのかを明らかにしたいと思っています。障害されている体の一部に対する認識が、どのように頭の中で構成されているのか。さらに、そこから回復して、義肢を自分の体のように動かせるという感じはどういうことなのかも知りたいと思っています。

歩行が困難な患者さんについて、下肢の装具にちょっとした工夫を加えることで歩きやすくなるデバイスを作ったりもしました。正確な動きを理解するためには、表に現れた現象だけを見るのではなくて、どういうメカニズムで歩行が行われているのかを知る必要があります。患者さんに何が足りなくて今このような状態になっているのか。何かが異常となって現在の状態になっているのですが、それを一つの適応のプロセスをとらえると。正常に近づけることを目的とするのではなく、いまの環境の中でうまく歩くように適応させるにはどうすればいいかという発想で作ったからできたのだと思います。正常な動きに再現しようという発想では絶対できませんでした。

もう一つは、話題がちょっと飛ぶように見えますけど、コーチングとコミュニケーションについて研究しています。リハビリテーションにおいて、人と人との関わりはとても大事です。患者さんの動機付けや目標に、患者さん自身がちゃんと気づくことができるかどうかで、リハビリの結果が大きく変わってくる場合があります。また、コーチングを組織の中に取り入れると、コーチングができる上司のいる所は組織の活性度も上がりますし、患者安全の文化も向上します。コーチングという対話型コミュニケーションがどのように気づきを生むのかはもう一つの研究テーマです。お互いに理解できたときに、呼吸があってくるというか、共感し合う二人の人間の間で脳や意識がどんなふうにシンクロしているのか、とても不思議ですよね。これが、サイエンスとして、いま形になりつつあると思います。

What we are working on now is the restoration of embodiment. When a patient loses a part of his or her body in an accident or loses a limb due to paralysis, the patient’s embodiment has been compromised. For example, when you first put on a prosthetic leg, it doesn’t feel very much like a part of your body. But as you go through the rehabilitation training, the prosthesis starts to feel like your body. The same is true in the case of paralysis. As such, one model in the principle of recovery is embodiment. I have been doing research at great length for the last five or six years, and I have learned that it is difficult for patients to convert their perceptions of a prosthetic limb or paralyzed limb to be their own body. I have done some research on physically stimulating a paralyzed limb to move, but I would like to clarify the principle of embodiment recovery in the first place. How is the perception of the disabled body part organized in the mind? Additionally, I want to know what it feels like for a patient to recover from it and be able to move the prosthetic limb as if it were their own body.

For patients who have difficulty walking, we have made devices that make it easier for them to walk by adding small modifications to their lower limb braces. In order to understand the exact movement, it is necessary to understand the mechanism of gait, not only to see the phenomenon on the surface.　What is missing in the patient and what is causing this condition now? Something has become abnormal that has led to the current condition, but we looked at it as one adaptation process. I think we were able to create this system, not because our goal was to bring the patient’s movements closer to normal, but because we were thinking about how to adapt the patient to walk well in the current environment.  We couldn’t have done it with the idea of trying to reproduce normal movement.

The other thing is that this may seem a bit off-topic, but I’m researching coaching and communication. Human interaction is very important in rehabilitation. Whether or not the patients themselves are properly aware of their motivations and goals can make a big difference in the outcome of their rehabilitation. Also, when coaching is incorporated into an organization, where there is a supervisor who can coach, the organization is more active and the culture of patient safety is improved. How the interactive communication of coaching creates awareness is another research topic. It’s very strange how our brains and consciousness synchronize with each other when we understand each other, or how our brains and consciousness synchronize with each other when we empathize with each other. I think this is starting to take shape as a science.

The other thing is that this may seem a bit off-topic, but I’m researching coaching and communication. Human interaction is very important in rehabilitation. It is important that the patients themselves are aware of their motivation and goals. This can make a big difference in the outcome of the rehabilitation.  Also, when coaching is incorporated into an organization, where there is a supervisor who can coach, the organization is more active and the culture of patient safety is improved.　Another research topic is how the interactive communication of coaching creates awareness. It’s very strange how our brains and consciousness synchronize with each other when we understand each other, or how our brains and consciousness synchronize with each other when we empathize with each other, isn’t it? This is beginning to take shape as a science.

私は茨城県日立市の生まれで、地元の工業高等専門学校（高専）に進学しました。当時の高専は、卒業後は就職するのが一般的で、大学へ編入学できることなど知らなかったのですが、先生が大学へ進学することを勧めていたこともあって、高専を卒業後は、山梨大学工学部電気工学科の3年生に編入学しました。その頃は、電磁気学が面白いと思っていたので、電磁波、光、レーザーといったあたりの研究をやってみたいと漠然と思っていました。西澤潤一先生が書かれた本もよく読んでいましたので、光やレーザーに興味をもっていましたね。ですので、卒業研究では、そのような研究ができる研究室にいきました。そこで与えられたテーマは、液晶を混入したプラスチックの光デバイスの研究でした。最初は光ファイバの研究を希望したのですが、じゃんけんで負けてしまったんです。でも残念な気持ちはあまりなかったですね。とにかく、知らないことに関われるというほうが大きかったです。知識があまりない中で、先輩と一緒に実験をやって、偏光素子の製作だったんですけども、きれいに偏光した結果が出たときは嬉しかったですね。理論的な解析は先輩と先生がやって、先生がレター論文までまとめてくださいました。今思えば、研究の初期からまとめまで関われたことは、とても良い経験でした。

大学院から東北大学に進学したのですが、東北大学は光通信の研究で世界的に有名でしたから、光通信に関する研究をしている電気通信研究所の研究室を見学に行きました。ですが、配属面接の際に、生体工学を研究している新しい研究室を紹介され、その場で配属を希望しました。実は、受験後に、北海道大学の生体工学専攻の学生募集のポスターを見つけまして、なぜかとても強く魅かれていたんです。生体工学って何かよく知らなかったのですが、工学でも生体に関われるんだという感じです。そのようなときに紹介されたわけですから、希望しないわけがありません。これが、恩師である星宮 望先生との出会いであり、機能的電気刺激（FES）に関する研究に関わるきっかけでした。最初は修士を卒業したら就職をしようと思っていましたが、患者さんと接しているうちに、患者さんの笑顔っていうんですか、ちょっとしたことでもすごく喜んで下さって、もう少し関わってみたいなっていう気持ちになって、博士の後期課程に進学することに決めました。いろいろと事情があって大学院を途中で退学して、東北大学で助手に採用されて現在に至っています。

I was born in Hitachi City, Ibaraki Prefecture, and went to National Institute of Technology (KOSEN), Ibaraki College. At that time, it was common for students to get a job after graduation from the National Institute of Technology, and I didn’t know that it was possible to transfer to a university. After graduating from the National Institute of Technology, I transferred to the Yamanashi University as a junior in the Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, partly because a professor recommended that students go on to university. At that time, I was interested in electromagnetism, and I vaguely wanted to study electromagnetic waves, light, and lasers, and so on. I had often read books written by Prof. Junichi Nishizawa, so I was interested in light and lasers. So, for my graduation research, I went to a laboratory where such studies could be done. The theme I was given was a study on liquid crystal doped plastic optical devices. Initially, I wanted to study optical fiber, but I lost it in a rock-paper-scissors competition. However, I wasn’t too disappointed. Anyway, it was more important for me to be able to get involved in something I didn’t know. Although I didn’t have much knowledge of the study, I did experiments many times with my senior to produce a polarizing device, and finally, we could get a result that was clearly polarized, which made me very happy. My senior and the assistant professor performed the theoretical analysis, and finally, the study was accepted as a letter paper. Looking back on it now, it was a very good experience to be involved in the study from the beginning to the end.

I then entered into Graduate School of Engineering, Tohoku University. Since Tohoku University was world-famous for its research on optical communication, I went to visit the laboratories of the Research Institute of Electrical Communication, which was doing research on optical communications. However, at the time of the laboratory assignment interview, I was introduced to a new laboratory that was researching biomedical engineering, and I requested on the spot that I would be assigned to the laboratory. Actually, after I took the entrance examination, I found a poster for recruiting students for the Division of Biomedical Engineering at Hokkaido University, and for some reason, I was very strongly attracted to it. I didn’t know much about biomedical engineering, but it made me realize that in engineering, you can get involved in studies on living things. Since I was introduced to the laboratory at such a time, there is no reason not to hope for it. This was how I met my supervisor, Professor Nozomu Hoshimiya, and how I got involved in research on Functional Electrical Stimulation (FES). Initially, I thought I would find a job after graduating from my master’s program, but as I was interacting with patients, I could say that they were smiling, and they were very happy, even at the smallest things, which made me want to get more involved, so I decided to go on to the doctoral program. For various reasons, I quit graduate school midway through the program and was hired as a research associate at Tohoku University, where I continue to work today.

FESの目的は電気刺激で人体の動きを制御することです。実用化されている方法では、単純なオープンループ制御が使用されており、フィードバック制御がほとんど入っていませんでしたので、もっと工学的な制御を実現したいと考えていていました。フィードバック制御では、運動を計測することも重要ですので、計測方法の開発にだんだん研究の重点を移していきました。そのうち、人間が本来持っているメカニズムの複雑さを知るにつれて、これは工学的なシステムだけでは実現できないなという印象を持つようになりました。またその頃、世界的なFESに関する研究の流れが、日常生活での運動の制御からリハビリテーションへの応用に方向性が移ってきた雰囲気を感じたんですね。それで、リハビリテーションの方に重点を移していきながら、制御を簡単化して使えるようなシステムができないかと考え始めたんです。患者さんの状態をきちんと把握しないと、リハビリテーションプログラムにも応用できないので、患者さんの運動機能を計測して評価するという研究も並行して進めていきました。医工学研究科に移ってからは、計測から運動を評価する仕組みの開発と、患者さんの運動を補助しながらリハビリテーション訓練ができるようなシステムの開発を行っています。最近は初心に戻って、複雑な運動を工学的に制御する方法について、研究を再開しました。

FESによって人の運動を制御する場合、制御対象である人間の非線形性や時変性、冗長性や個人差の問題を解決する必要があります。これらを一気に解決したいところですが、やはり難しいんですね。それでいま着目しているのが、冗長性と個人差というところです。冗長性については実用に耐えうる形まで詰めていきたいと思っています。個人差については、ニューラルネットワークを使って、対象となる人の特性を学習させる方法の研究を進めています。あとは、センサで現在の状態を計測して、数秒後の動きを予測して、動きの目標を設定してフィードバック制御する方法の開発を行っています。やはり人の動きは再現性が低いですし、その時々で異なりますし、本人の状態に合わせて制御する必要がありますから。また、患者さんの動きに少し負荷をかける、ちょっと手助けすると患者さんの歩行がより良い方向に変わっていくような仕組みをシステムに埋め込むことができたら、リハビリテーションにも役立つと思っています。

運動の計測についての研究では、慣性センサ、つまり加速度センサとジャイロセンサを中心に使っています。慣性センサは着脱が簡単で、軽くて運動も妨げないし、付けた部位の状態を測定できるので便利なんです。現在の研究では、腰のところ（体幹）と、両足の太もも、すね、足部（靴の上）に、合計7個付けています。健常者ですと結構精度良く測定できていて、例えば歩行中の下肢の矢状面の角度は平均で数度ぐらいの誤差で測定できます。ストライド長や歩行速度も、平均で2～3%程度の誤差で出せます。慣性センサは激しい運動の測定は苦手ですが、患者さんのような比較的ゆっくりした動きでしたら十分利用できます。一方で、カメラ撮影による測定は、正確ではあるんですけど、限られた状況でしか測定できないし、患者さんもカメラに写ってるところでは無意識のうちに頑張っちゃうんですね。だから、慣性センサだと、自然な状態、あと家に帰ってからの状態も測定できると思っています。また、慣性センサのメリットは、いつでもどこででも簡単に測れるところです。病院によっては計測のスペースが十分取れないところもあって、そういうところで手軽に測れるシステムになります。リハビリテーションも含めて医療関係では、最初のスクリーニングではこういう装置で簡単に測定して、次に高精度の装置で、より詳細に診断するというように分けて利用することもできると思います。

リハビリテーションについての研究では、計測と電気刺激を組み合わせて、センサで測りながら電気刺激を与えて歩行の練習をするシステムの開発を行っています。具体的には、下垂足（足首を反らすことができないので、歩行時に下肢全体を外側に振ったり、足を高く挙げないと歩けない状態）を電気刺激で矯正することから行っています。遊脚期に前脛骨筋や総腓骨神経を電気刺激して、歩行がどう変わるか、装具をつけた時と下垂足をFESで補正した時でどう変わるかなどを計測しています。もちろん、歩行装具の方が安定性はあるし、長距離を歩くときには歩きやすいと思います。でも、日本は靴を脱いで家に上がって畳に座る文化があるので、装具を使わないでそういう生活に適応できる環境を提供できたらいいなと思って研究を進めています。

The purpose of FES is to control the movements of the human body by applying electrical stimulation. Early studies used simple open-loop control for practical application, with little feedback control, so I wanted to achieve more advanced engineering control. With feedback control, measurement of movements is also important, so I gradually shifted the focus of our research to develop a measurement method. Eventually, as I learned more about the complexity of the mechanisms inherent in humans, I came to realize that engineering system alone was not enough to achieve the precise motor control. At the same time, I also felt that the global trend in FES research was gradually shifting from motor control to applications in motor rehabilitation. So, as I moved the focus of my research to rehabilitation, I began to think about whether we could realize a system that would simplify control of movement and apply it to rehabilitation. Without a proper understanding of the patient’s condition, it would not be possible to apply the system to the rehabilitation program, so I also conducted a study on measuring and evaluating the patient’s motor function. Since joining the Graduate School of Biomedical Engineering, I have been developing a system to evaluate movements and a system to assist patients’ movements in their rehabilitation training. Recently, I went back to the beginning and resumed my research on how to control complex movements in an engineering manner.

When controlling human movements by FES, it is necessary to solve the problems of nonlinearity, time variability, redundancy, and individual differences in humans who are controlled. We would like to solve all of these problems at once, but it’s not easy. What we are focusing on now are redundancy and individual differences. For the redundancy, we would like to improve it to a point where it is practically viable. Regarding individual differences, we are working on a method for learning the characteristics of a target person using a neural network. We are also developing a method of feedback control, in which a sensor measures the current state of the subject, predicts the subject’s movement in a few seconds, and sets a target for the movement control. After all, the movement of a person is low in reproducibility, differs from time to time, and it is necessary to control it according to the person’s condition. In addition, I think it would be useful for rehabilitation if we could embed in the system a mechanism that imposes a small load on the patient’s movements, or that can change the patient’s gait for the better with a little help.

In the research on the measurement of movements, we use inertial sensors, mainly accelerometers, and gyroscopes. Inertial sensors are convenient because they are easy to put on and off, are lightweight, don’t interfere with movement, and can measure the condition of the body segments they are attached to. In our current studies, we have a total of seven sensors on the lumbar region (trunk), thighs, shanks, and feet (on shoes) of both lower limbs. In the case of a healthy person, it can be measured with relatively good accuracy. For example, the angles of lower limbs in the sagittal plane during walking can be measured with an error of about several degrees on average. Stride length and walking speed can also be estimated with an average error of about 2-3%. Inertial sensors are not good at measuring intense movements, but they can be sufficiently applicable to relatively slow movements such as those of motor disabled patients. On the other hand, measurements with an optical motion analysis system are accurate, but they can only be made in limited situations, and patients also work hard unconsciously when they are caught on camera. That is why I think the inertial sensor can measure the patient’s natural condition and also properly measure the patient’s condition after returning home. Another advantage of the inertial sensor is that it can easily measure anytime and anywhere. Some hospitals don’t have enough space to take measurements, so we would like to develop a system that can be used easily in such places. In the medical field, including rehabilitation, I think it is possible to separate the initial screening phase into simple measurements with this kind of device, and then a more detailed diagnosis is performed with a high-precision device.

In our research on rehabilitation, we are developing a system that combines measurement and electrical stimulation to practice walking by giving electrical stimulation while measuring with sensors. Specifically, we use electrical stimulation to correct the drop foot (a condition in which the ankle cannot be made dorsiflexion, so the patient cannot walk without swinging the lower limb outward or lifting the foot high during walking). We are trying to electrically stimulate the tibialis anterior muscle and the common peroneal nerve during the swing phase and measure how the gait changes and how it changes between wearing a brace such as ankle-foot orthosis (AFO) and correcting the drop foot with FES. Of course, some patients find the orthosis more stable and easier to walk when walking long distances. However, in Japan, there is a culture of taking off shoes and sitting on the tatami at home, so I hope to provide an environment that allows people to adapt to this kind of lifestyle without using an orthosis, and that is what we are researching.

日本の大学では、医学系と工学系の中間の部局があんまりないんです。外国では、例えば、カナダのトロント大学では、リハビリテーションセンターの施設内に研究室があって、工学系の研究者がトップにいて、その中に、研究者、エンジニア、リハビリテーションスタッフが一体になって活動できる環境があるのですが、日本ではそのようなシステムはほとんどありません。医学は医学、工学は工学みたいに分かれているようです。医工学研究科はその中間的な組織であり、教育システムを提供していますので、将来、異なる分野をつなぐ人材が増えていって、もっと臨床と密に連携できる環境がたくさんできていくことを期待しています。

医工学研究科の学生さんには、自分自身で考えて、とにかく、人の役に立つようなことを考える人に育ってくれればと思います。とかく大学は通過点になってしまいがちなのですが、いま、一生懸命、患者さんの役に立つようなことを精一杯やってほしいと思っています。研究室での新人へのガイダンスの際に「まず、やってみる。なんでもやってみる。とにかくやってみる。」っていう研究の進め方の一つの考えを紹介しているのですが、うまく伝わっているかはわかりません。不確定要素が多くて、結果がどうなるかわからないことがほとんどですし、どんな小さなことでも、必要な点、大切な点は、人によって違うと思うんですよね。そこを自分で考えて、決めて、実行していくことで、道は拓けていくと思いますし、やったことは自身の力にもなりますから。最後まで、納得できるまでやるという考えでやってくれるようになれば、嬉しいですね。

医工学という観点でいうと、人が中心になってきますので、通常の工学系の研究とは違ったアプローチも出てくると思います。例えば、繰り返しやること、多くの被験者さんでやることの重要性を強調しています。Aさんで１回だけいい結果がでても、もう一度やったら違う結果になるかもしれないし、Bさんで結果が違ったら駄目ですよと。機械と違って対象が人間なので、再現性はかなり悪いですから。別な言い方をすれば、Aさんで使えるシステムができても、Bさんで使えなければだめですよね。また、例えば、歩行を測って重心の軌跡とかを推定すると、歩いているときの重心のパターンが人によって違って出てくる。人による違いがどうして生まれるのか、そういったことがすごく大切な発想の原点になると思っています。工学の場合、何に応用できるのか、という観点も大切なのですが、人の場合、未知のことも多いですし、個人差も大きいですから、なんでそうなるんだろうという観点での研究も並行して進めるようにしています。

In Japanese universities, there are few divisions combining medical and engineering fields. In other countries, for example, at the University of Toronto in Canada, there is a laboratory in the Rehabilitation Center, where an engineering researcher is at the top, and researchers, engineers, and rehabilitation staff can collaborate in the laboratory. In Japan, however, there is almost no such system. It seems that medicine is divided into medicine and engineering is divided into engineering. The Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University is an intermediate organization that provides an educational system, so I expect that in the future, the number of people who connect different fields will increase and that we will be able to create more environments in which researchers from different research fields can work more closely.

I hope that students in the Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University will grow up to be people who think about helping others. University tends to be a passing phase for students, but I want them to do their best to help patients as much as they can. When I was giving guidance to newcomers in the laboratory, I introduced one of the ways of conducting research, “Try first. Try anything.” However, I’m not sure if they understand what I’m saying. There are many uncertainties and we are not sure what the outcome will be, and I think the points that are necessary or important, no matter how small, are different from person to person. By thinking about it, deciding on it, and carrying it out, students will be able to pave the way, and what they do will give them strength. I would be happy if they can do it with the idea of doing it until they are satisfied with their work.

In terms of biomedical engineering, human beings are the focus, so I think there will be a different approach to this than in normal engineering research. For example, I emphasize the importance of repeating experimental tests, and doing it increases the number of subjects: even if you get one good result with patient A, the result might be different when the test is repeated, and if you get a different result with patient B, it may be useless. Unlike a machine, the subject is a human being, so the reproducibility is quite poor. In other words, even if a system that can be used by patient A is developed, it is useless if patient B cannot use it. In addition, for example, when we measure a person’s gait and estimate the trajectory of the center of mass (COM) of the body, the pattern of the COM while walking will differ from person to person. I think this is a very important starting point for thinking about why differences are caused by persons. In the case of engineering, it is important to think about what we can apply the technology to, but in the case of humans, there are many unknowns and individual differences, so I try to do research from the perspective of why this is happening.

僕は静岡県静岡市の出身です。大学は東北大学歯学部に入って、臨床の口腔外科に進んで、卒業後、市内の国立仙台病院（現仙台医療センター）歯科口腔外科に3年ほど勤務して、東北大学の歯学部に助手として戻ってきました。その後、ちょっとだけ文部省の派遣でアメリカに留学して、2002年に医学研究科の准教授、2008年から医工学研究科の教授になりました。

もともと研究を志向していたわけではなくて、勤務医にでもなれればいいな、くらいに思って大学入学しました。大学院進学も、学位あった方がいいよね、くらいの感覚でした。だから当時はずっと臨床をやっていくつもりでした。転機がきたのは2002年です。医学系研究科に創生応用医学研究センターができて、歯学部から人を出さなきゃいけないっていう話になって、知らないうちに僕が候補に選ばれていたんです。当時の学部長に呼ばれて、選ばれたけどどうする？って。当時助手だったんですけど、助教授にしてくれるっていうから、じゃあお願いします、と。それで、医学系研究科に異動したんですけど、その頃に教員の任期制の話も出てきて、そうなると業績あげないとまずいじゃないですか。最初は臨床をやりながら研究もやろうと思っていたんですけど、そんな生半可な気持ちだと、すぐにクビになるんじゃないかっていう危機感もありました。そこで、OCPコラーゲンという新規の生体材料の開発に取り組んだんです。

I was born in Shizuoka City, Shizuoka Prefecture. After graduation, I worked in the oral and maxillofacial surgery department of the National Sendai Hospital (now Sendai Medical Center) for about 3 years, and then returned to Tohoku University’s School of Dentistry as an assistant professor. After that, I studied in the United States on a grant from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology, and became an associate professor at the Graduate School of Medicine in 2002 and a professor at the Graduate Graduate School of Biomedical Engineering in 2008.

I wasn’t originally interested in research; I just thought it would be nice if I could become a hospital dentist. It would be good to have a doctoral degree, too. The turning point came in 2002. The United Center for Advanced Research and Translational Medicine (ART) was established in the Graduate School of Medicine, and the School of Dentistry needed to send someone there. The dean of the School of Dentistry asked me whether I want to go. I was an assistant professor at the time, but they offered me a position as an associate professor, so I said, “Yes, please.” So, I was transferred to the Graduate School of Medicine. Around that time they were talking about a fixed-term system for faculty members. I had to make a lot of progress. At first, I would have done research activity while keeping clinical work, but I felt urgent that I would soon be fired if I didn’t have a half-hearted desire to do so. Then I started working on the development of a new biomaterial called OCP/Collagen.

OCPコラーゲンの開発には、色々とありましたけど、かなりいいものができたと思います。それまでは、ハイドロキシアパタイトのような焼き固めた生体材料が主流でした。体には優しいんですけど骨のリモデリングサイクルに乗らないんですね。悪いことはしないんですけど変わりもしない。そのつぎに出てきた生体材料はβ-TCPなんですが、それは溶けてなくなっちゃう。OCPコラーゲンはそれらの生体材料と違って、骨芽細胞の分化を促すとか、血管を誘導するとかいう作用があることがわかってきました。従来の生体材料を使った場合、骨の周りからしか骨が再生されないのに対して、OCPコラーゲンだと材料の真ん中からでも骨ができる。だから再生スピードがものすごく速いです。自分の体に入れてもいいくらいだと思っています。適用は主に歯科治療で考えているのですが、整形外科にも応用可能だと思います。顎裂って歯茎に亀裂ある患者さんの治療にも適用できます。販売待ちで、患者さんに待機してもらっている状況です。

There were a lot of things on the development of OCP/Collagen, but we’ve done a pretty good job. Until then, the mainstream of bone substitutes was a baked biomaterial, such as hydroxyapatite, which is adapted on the body but doesn’t go through the bone remodeling cycle. It didn’t have any bad effects but didn’t have any change too. The next biomaterial that emerged was beta-TCP, but it dissolved quickly. Unlike those biomaterials, OCP/Collagen has been found to promote osteoblast differentiation and induce blood vessels. Conventional biomaterials only regenerate bone from around the bone, whereas with OCP/Collagen, bone is formed even from the middle of the material. That’s why the regeneration speed is so fast. We are thinking of applying it mainly in dentistry, but I think it can be applied to orthopedics as well. A cleft jaw can be applied to treat patients with cracked gums. We are awaiting sales and have patients waiting for it.

研究室を構えてから、僕はこの研究テーマ一本でやってきました。逆に言うと、それしかやらなかった。でもコストパフォーマンスはピカイチだと思います。材料は提供してもらいましたし、本当にお金かかっていないです。ラットの頭蓋骨にきれいに大きな穴をあけて、生体材料で埋める。それだけです。でも、実は穴をあけることがすごく難しい。大きな穴を開けることで、確実にその材料の本当の能力がわかる。みんなちっちゃい穴を開けて、あるいは、骨をちょっと掻き取るだけなので良い結果が出ないんですよ。

極論を言えば、僕が教授になれたのは、この手技ができたから。もともとは文献ににあった手技なんですけど、確立するまで大変だから、みんなやらない。たまに、この実験系を使いたいという相談を受けるんですが、頑張って2年くらいはかかリますよって言うと、じゃあやめますって。そりゃそうですよね。手技を身に着けてからが勝負ですからね。

よく、研究テーマこれ一本で怖くなかったんですかって言われます。僕の答えは、「怖いと思っている余裕がなかった」。多分、ふと正気にかえったら恐ろしかったと思うんですけど、恐怖や不安を感じている暇がなかった、というのが正直なところです。特に、OCPコラーゲンの開発を始めた頃はそうでした。さっき言ったように業績あげなきゃいけないを切実に思っている時期だったので。僕はあと2年ほどで退官なので、続きは誰かやりたい人がやってもらうしかないです。でも、OCPコラーゲンがもっと普及すれば、これを使って続きをやる人は絶対出てくると思います。臨床の症例で、OCPコラーゲンの性能評価とその限界を明らかにしてくれると思っています。

Since I set up my lab, I’ve been working on this single research topic. In other words, that’s all I did. But the cost-effectiveness is superb. I was provided with the materials from the company. It really didn’t cost a lot of money. I made a big hole in the rat’s skull and filled it with biomaterial. That’s all. But it’s actually very difficult to make an exact hole. By drilling a big hole, you can definitely see a real feature of the biomaterials. Everyone else just makes a tiny hole or scrapes a little bit of bone, so they don’t get good results.

To put it another way, I became a professor because I was able to do this technique. It was originally a technique that was reported in the paper, but it’s not easy to establish, so people don’t do it. Occasionally, I was approached by people who wanted to use this experimental system, but when I told them it will take a couple of years of hard work to learn it, they’ve given up. I understand them because the research just starts after they learn the technique.

I’m often asked, “Weren’t you scared by only one research topic you have?” My answer is, “I couldn’t afford to be scared.” I was probably scared when I realized the situation, but to be honest, I didn’t have time to feel fear or anxiety, especially, when we started developing OCP/Collagen. As I said before, I was desperately aware of the need to perform well. As I will be retiring in about two years, I hope someone else continues the research. If OPC collagen becomes more popular, some people will want to use it. I believe that clinical cases will help us evaluate the performance of OCP/Collagen and clarify its limitations.

2008年に医工学研究科が設置されてから12年立ちましたが（2020年時点）、医学系と工学系の融合は、まだまだだと思います。さすがに10年ぐらい経って、お互い違う言語を話していたんだなってことは認識できていると思いますし、お互いの文化に対する相互理解は深まったと思います。学生を教育していて、工学部出身の学生を見ていて面白いのは、彼らは常に数字・正確さにこだわるんですね。だけど、僕らが試料を観察するときは、非常に定性的で、もわーっとした感じ。でも、彼らはそんなことが許せないんでしょうね。誤差なんかも、例えば直径9ミリで設計したら、9ミリのものしか作らない。だけど、手術をやれば1ミリ2ミリは平気で違ってくるし、そのくらいの誤差に対応できるようなフレキシブルな医療機器じゃなければ、現場では絶対使ってもらえないと思います。10％くらいの誤差は吸収してって言うんですけど、彼らはそんなこと絶対許してくれしてない（笑）。

医療機器について、よく話をするのは、スマホとかだったら開発した人が自分で使って良し悪しを判断できるじゃないですか。でも、一般の機器と違って、医療機器は自分ではまず使わない。使うのは医療従事者と患者さん、つまりエンジニアリングの素人です。例えばある医療機器があるとして、準備に3時間かかるけどすごく性能がいい、精度100％の機器と、10分で準備できて精度80%でる機器があるとしたら、現場の医者はどっちを使いますか？ 10分で80％の機械ですよね。実際、医療の現場では時間の制約があって、性能・精度はそこそこでもいいから、とにかく時間優先。患者さんの命がかかってるから。僕ら医療従事者は、エンジニアからしたらずいぶんいい加減な世界に生きてると思うんですけど、そのいい加減さを理解してほしいなとは思います。

医療従事者は、常にエンジニアに助けてほしいと思っているはずです。普通のお医者さんは工学の知識もないし、エンジニアの助けがなければ何も作れないです。だから、少しでも、医療従事者のニーズとエンジニアが提供できる技術が合致したら、素晴らしいものができると思います。医工学研究科ができて12年たって、医工融合の土壌はできてきたと思います。10年耕して、つぎの10年で収穫。講義をしていても次世代が育っている実感はありますね。

12 years have been passed since the Graduate School of Biomedical Engineering started in 2008 (as of 2020). But I think the integration of the medical and engineering fields is still on the way. As you would expect after 10 years, we’ve come to realize that we spoke different languages, and mutual understanding of each other’s cultures has deepened. What is interesting to me about engineering students is that they are always obsessed with numbers and accuracy. But when I observe the samples, they are very qualitative and vague. I guess they can’t tolerate such vague things. For example, if you design a sample with a diameter of 9 millimeters, you can only make a sample with a diameter of 9 millimeters. I tell them to be flexible and allow a margin of error of 10%, but they would never allow it.

I often talk about medical devices; smartphones, for example, the people who developed them can use them themselves and judge whether they are good or bad, but unlike ordinary devices, medical devices are not used by the developers. They are used by medical professionals and patients, in other words, laymen in engineering. For example, let’s say there is a certain medical device that takes three hours to prepare, but it’s a very high performance and has 100% accuracy and another device that can be prepared in 10 minutes and has 80% accuracy, which one would a doctor use? It’s an 80% machine ready in 10 minutes. In fact, in the medical field, there is a time constraint, and time is the priority anyway, even if the performance and accuracy are so-so because patients’ lives are at stake. From the point of view of an engineer, we medical personnel live in a world of uncertainty, and I hope that they understand that uncertainty.

I’m sure that medical professionals always want engineers to help them. Ordinary doctors have no knowledge of engineering, and they can’t make anything without the help of engineers. So if we can match, even just a little bit, the needs of the medical profession and the technology that engineers can provide, I think we can create something great. Twelve years after the establishment of the Graduate School of Biomedical Engineering, I think we’ve laid the foundation for the integration of medicine and engineering. Grow it for 10 years and harvest it in the next 10 years. I get the sense that the next generation is growing, even when I give lectures.

2004年に先進医工学研究機構に参加してから、現在のリンパ節転移に関する研究をはじめました。当時、わたしの研究室は医学部1号館の10階にありました。同じ1号館の11階に実験病理の研究室があって、そこに出入りしていた森士朗先生が、リンパ節が腫れるマウスを持っているのだけど、なにか研究に使ってくれないかっていう話になったのです。森先生はリンパ節が腫れるマウスを使用して、関節炎の研究をしていました。研究室のスタッフとリンパ節にがん細胞を注射すれば、リンパ節転移のモデルになるのではないかと相談し、リンパ節にがん細胞を注射する実験を始めたのです。そうしたら、スタッフが、「先生　別のリンパ節にがん細胞が転移しました」と報告するのです。びっくりしました。そこで、この手法はがんのリンパ節転移モデルとして使えるのはないか、ということになりました。つぎに、リンパ節に直接抗がん剤を注射したらリンパ節転移を効果的に治療できるのはないかという発想につながりました。この時点から、がんのリンパ節転移に絞った研究をおこなっていこうと決めたのです。通常のマウスでは、リンパ節の大きさは1 mmから2 mm であり、結合組織や脂肪に埋まっているので、肉眼で見ること難しいのです。ところが、このリンパ節が腫れるマウスでは、大きさが10 mmくらいあります。ヒトのリンパ節と同等の大きさです。外から目視でリンパ節に注射することができます。リンパ節が腫れるマウスというのは自己免疫疾患、つまり膠原病を起こしているマウスであると言えます。このマウスは 生後3ヶ月でリンパ節が腫れるだけでなく、腎炎や血管炎とかが発症し、死んでしまうのです。ところが、森先生の交配維持していたマウスの系統のうち、MXH10/Mo/lprマウスは、リンパ節は腫れるけども病気を起こさない特徴がありました。 2004年ぐらいにMXH10/lprマウスはリンパ節が腫れるけど、他の病気は発症しない長生きのマウスMXH10/M0/lprに突然変異をし、同年にわたしも英国から日本に帰国し、森先生に出会い、リンパ節転移の研究を始めたわけで、何かの偶然が重なり今の研究に至ったわけです。

I started my current research on lymph node metastasis after joining the Tohoku University Biomedical Engineering Research Organization in 2004. At that time, my laboratory was located on the 10th floor of the School of Medicine Building 1. On the 11th floor of the same building, there was a laboratory for experimental pathology, and Dr. Shiro Mori, who collaborated with the laboratory, had mice with swollen lymph nodes and asked me if I could use them for research. Dr. Mori used mice with swollen lymph nodes to study arthritis. I discussed with my laboratory staff, whether injecting cancer cells into the lymph nodes could be used as a model for lymph node metastasis, and they began experiments by injecting cancer cells into the lymph nodes. Then, the staff said, “Doctor, the cancer cells have spread to other lymph nodes.” I was astonished. So I wondered whether this technique could be used as a model of lymph node metastasis. This led me to the idea that lymph node metastasis could be effectively treated by injecting anticancer drugs directly into the lymph nodes.　At this point, I decided to focus my research on lymph node metastasis. In normal mice, the lymph nodes, which range in size from 1 mm to 2 mm and are embedded in connective tissue and fat, are challenging to see with the naked eye. In mice with swollen lymph nodes, however, they can be as large as 10 mm in size. That is about the same size as a human lymph node. It is possible to inject the lymph nodes visually from outside.　Mice with swollen lymph nodes are considered to have an autoimmune disease, i.e., collagen disease. In these mice, not only do the lymph nodes swell in the first 3 months of life, but they also develop nephritis or vasculitis and die. However, among the strains that Dr. Mori maintained in his crosses, the MXH10/Mo/lpr mice had swollen lymph nodes but did not suffer from any diseases.  Around 2004, the MXH10 mutated into MXH10/M0/lpr, a long-lived mouse with swollen lymph nodes and other diseases. About this time, I returned to Japan from the UK, met Dr. Mori, and started fundamental research on lymph node metastasis, and a series of random coincidences led me to my current research path.

乳がんを例に挙げると、乳房で発生したがん細胞は、周りのリンパ節に転移をして、最終的に静脈に入って全身の臓器に広がっていきます。したがって、リンパ節へのがん転移を早期に診断し治療すれば、リンパ節を介した遠隔転移を予防できるはずです。現在の解剖学教科書には記載がないのですが、最近のわたしたちの研究では、リンパ節内の血管はリンパ節の表層を走行する血管に吻合していることを突き止めました。つまり、リンパ節に転移したがん細胞は外の血管に侵入して遠隔の臓器に転移するのです。この考えを、リンパ節介在血行性転移理論として提唱しています。

それでは、リンパ節がん転移をどうやって抑えたらいいでしょうか。通常は、抗がん剤を静脈注射するとか、リンパ節の周りの間質に注射するとかして、リンパ系に薬剤を入れる治療が実施されます。しかし、リンパ節の管壁っていうのは割と粗くて、抗がん剤のような小さな分子はリンパ管に入ったかと思うと、外に出てきて、最終的には血管に再吸収されます。がん細胞の増殖にともない形成される腫瘍新生血管の血管壁はわりと大な孔があいているという状況なので、比較的サイズが大きな高分子が血管から漏れ出します。またリンパ管が機能不全であるためにリンパ管による高分子の回収がありません。したがって、高分子などの大きな分子ががん細胞の周囲の間質に貯留するという性質があります。この効果をEPR 効果（Enhanced permeation and retention effect）と言って、高分子抗がん剤をがん細胞のみに集積させるというドラッグデリバリーの基本概念があります。実際の臨床現場では EPR 効果が確認できないという報告がありますが。マウス実験では、リンパ節転移の初期段階ではEPR 効果というか、そもそも腫瘍新生血管が起きておりません。それではどのようにリンパ節内のがん細胞を治療したらいいでしょうか。われわれは、腫瘍周囲の確認できるリンパ節に直接薬剤に投与し、リンパ節の全てを治療あるいは予防的治療を同時におこなうことを目的としたリンパ行性薬物送達法(lymphatic drug delivery system: LDDS)という治療法を提唱しています。

LDDSでは、既存の抗がん剤の利用が可能です。ただ、溶媒の浸透圧と粘度を調整する必要があります。現在おこなっている実験では、臨床応用を想定してポリソルベート80という一種の油を使って浸透圧や粘度を調整しています。高浸透圧の薬剤の注入によって、リンパ節が拡張され、この拡張によって、腫瘍細胞の周りに隙間ができて、抗がん剤が腫瘍細胞に効率よくアクセスできるようになります。この方法は頭頸部がんとか乳がんにおける転移リンパ節の治療に有効だと考えられています。注射する量は普通の抗がん剤治療に比べて1/1000から1/10000なので、副作用がほとんどありません。5年生存率も改善されるしQOL も向上し、開発費も抑えられ、付加価値製剤の開発もできるし、社会医療費の削減も可能性です。

2018年に医薬品医療機器総合機構からLDDSの第一相臨床試験の許可を得ています。第一相臨床試験では数億円規模で費用がかかります。国内では頭頸部患者を対象にすれば、潜在的な患者数は毎年約54,000人と計算されます。また、乳がんの治療を考えると、毎年50万人程度が潜在的な患者数と想定されます。 LDDSの臨床応用では、既存の超音波システムを用いることができるので、技術的にもLDDSはあまり難しくありません。この治療法が早く臨床で実用化され、多くのがん患者の命を助けたいと希望しています。

Taking breast cancer as an example, cancer cells in the breast metastasize to the surrounding lymph nodes and eventually enter the veins and spread to other organs in the body. Therefore, early diagnosis and treatment of lymph node metastasis should prevent this distant metastasis.　Although it is not described in the current anatomy textbooks, our recent research has revealed that the blood vessels in the lymph nodes anastomose with blood vessels running on the surface of the lymph nodes. In other words, cancer cells that have metastasized to the lymph nodes can invade the external blood vessels and metastasize to distant organs. We have proposed this idea as lymph node-mediated “hematogenous metastasis theory”.

The question was, how can lymph node cancer metastasis be controlled? Usually, anti-cancer drugs are delivered into the lymphatic system by intravenous injection or into the stroma around the lymph nodes. However, because the lymph node walls are rather thin, small molecules such as anti-cancer drugs enter the lymphatic vessels, escape, and are eventually reabsorbed into the blood vessels. The vessel walls of neoplastic vessels, which form as cancer cells grow, have increased permeability, resulting in macromolecules leaking out through the vessel walls. In addition, due to the dysfunction of the lymphatic vessels, there is no recovery of macromolecules by the lymphatic vessels. Therefore, large molecules such as macromolecules tend to be stored in the stroma around the cancer cells. This effect is called the “Enhanced Permeability and Retention Effect” (EPR effect), which underlies the basic concept of drug delivery, that macromolecular anti-cancer drugs are accumulated only in cancer cells. There have been reports that the EPR effect cannot be confirmed in actual clinical practice. In experiments with mice, the EPR effect, or rather, tumor neovascularization, does not occur in the early stages of lymph node metastasis. So how should we treat cancer cells in lymph nodes? We advocate a lymphatic drug delivery system (LDDS), which aims to deliver drugs directly to the lymph nodes in the periphery of the tumor and to treat or prophylactically treat all the lymph nodes at the same time.

The LDDS allows the use of existing cancer drugs. However, it is necessary to adjust the osmotic pressure and viscosity of the solvent. In our current experiments, we adjusted the osmotic pressure and viscosity by using a kind of oil called polysorbate 80 for clinical application. Infusion of the high osmotic drug solution causes the lymph nodes to expand, and this expansion creates a gap around the tumor cells so that the anti-cancer drug can more efficiently access tumor cells. This method is effective for the treatment of metastatic lymph nodes in head and neck cancer and for breast cancer. The dosage is 1/1000 to 1/10,000 of that of conventional cancer treatment via the blood circulation, so there are almost no side effects, the 5-year survival rate is improved, quality of life is improved, development costs are reduced, value-added products can be developed, and there is the strong possibility of reducing social healthcare costs.

In 2018, we received permission from the Pharmaceuticals and Medical Devices Agency for a Phase 1 clinical trial of LDDS. Phase I clinical trials cost hundreds of millions of dollars.　In Japan, the potential number of patients with cancer in the head and neck region is about 54,000 every year. Considering the treatment of breast cancer, the number of patients is estimated to be around 500,000 yearly. For clinical application, LDDS is technically less difficult to implement, as existing ultrasound systems can be used. We hope that this treatment method will soon be put into clinical practice and prolong or save the lives of many cancer patients.