西條 芳文

Yoshifumi SAIJO

東北大学大学院医工学研究科医用イメージング研究分野

Biomedical Imaging Laboratory, Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University

キーワード :

超音波イメージングは，高解像度，高機能（高速），三次元の3つの軸方向に進化してきている．このうち，高解像度に関しては，超音波の波長とビーム幅がともに超音波の周波数に反比例することから，使用周波数を高くすることにより実現されてきた．
1949年ソビエト連邦（当時）のSokolovは3000 MHzの超音波を使用することで光学顕微鏡と同等の解像度を有する超音波顕微鏡の概念を提唱した．その後，1959年には米国のDunnがultrasonic absorption microscopeとして12 MHzの超音波を用いた超音波顕微鏡を実現した．1970年代に入り米国とソビエトの宇宙開発競争により衛星技術と高周波数技術が発展し，1973年には米国のQuateが800 MHzの超音波を用いた超音波顕微鏡による細胞の画像を発表した．
東北大学においては1980年代より医学・生物学用超音波顕微鏡の開発が始められ，1985年に一応の完成をみた．中心周波数170 MHzのZnO平面振動子にサファイヤの音響レンズを装着することで超音波トランスデューサを作製し，バネの振動を巧みに利用した60 Hzの機械走査により8秒で480×480点の超音波強度および位相画像の取得に成功した．（この装置は2011年までは使用可能であったが，残念ながら東日本大震災により破壊されてしまった．このような高速走査はリニアモーターでは困難であり，現在の超音波顕微鏡のフレームレートは以前のものに追いついていない．）
1990年代後半より，コンピュータおよび高周波数サンプリング技術が発展し，超音波のパルス波形をデジタルデータとして取得することが可能になり，高周波数超音波においても様々な定量的計測が可能になった．また，1993年より日本国内でも血管内超音波（IVUS）が臨床応用され，また超音波内視鏡（EUS）も普及し始めたため，数MHz，数十MHz，数百MHzの非常に広い帯域において音響特性の計測が可能になり，高周波数超音波の特性が広く理解されるようになった．たとえば，1980年代に提唱された超音波依存減衰は超音波周波数と超音波減衰の関係を直線近似したattenuation slopeとしてその単位もdB/cm/MHzであったが，広帯域での計測により超音波減衰は周波数の1～2乗に比例することが明らかになってきた．
現在，超音波顕微鏡で計測できるパラメータは，音速，減衰，音響インピーダンス，弾性率，密度などに拡張され，振動子の高周波数化により細胞のイメージングも可能になってきた．さらに，高周波数超音波と光とのコラボレーションも盛んにおこなわれている．当研究グループでは超音波顕微鏡の振動子に光ファイバーを通し，ナノ秒パルスレーザーを照射することで光音響イメージングを開発し，ニワトリ胚の心血管系や指先の血流可視化を行ってきたが，最近ではこれをさらに発展させ，皮膚の構造を超音波で，皮膚の血管網を光音響イメージングで重畳表示する三次元光音響顕微鏡を実現している．また，光学顕微鏡と超音波顕微鏡の組み合わせにより細胞観察用の顕微鏡を開発し，形態および音速の2次元分布によるバイオメカニクス計測を可能にしている．さらに最近では，高周波数Bモード像と光干渉断層法（OCT）の同時計測により生体内でのpoint spread functionを実測し，超音波画像を補正することで，高周波数Bモード像の高画質化にも成功した．
これらの例で示したように，最近の高周波数超音波イメージングは，他のモダリティーとの組み合わせにより，高画質化だけではなく高機能化および三次元化についても実現しつつある．