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工学系科学人間医工学医用システムマイクロ波がん乳がん乳がん検診を革新する新技術として注目されているマイクロ波マンモグラフィとはどのようなものなのか。核となる技術を開発し、実用化を目指してスタートアップ企業の経営にも取り組んでいる木村建次郎教授と、ニュースキャスターの膳場貴子さんが、新技術の特色と可能性、今後の課題などについて語り合いました。ニュースキャスター膳場貴子さんと木村建次郎教授対談の様子をまとめた動画も公開しております。記事本文と併せてぜひご覧ください。高濃度乳房のがん発見は困難　X線マンモグラフィの限界 膳場貴子キャスター：今日は神戸大学教授で応用物理学者の木村建次郎先生に伺います。木村先生は乳がんの早期発見を可能にする新しいタイプのマンモグラフィを開発されたということで、そのマンモグラフィの意義と可能性について伺いたいと思います。そもそもなんですが、現在乳がん検診に使われているマンモグラフィでは、乳がん検診としては不完全だということなのですか。木村建次郎教授：そうです。現行のマンモグラフィはX線を使うのですが、特にアジア人の、50歳未満の人の場合、80%の方でX線がうまく通らないのです。欧米人でも61%、黒人でも57%、ヒスパニックでも51％が同様で、こういったX線がうまく通らないタイプの乳房のことを高濃度乳房と呼びます。X線マンモグラフィで乳がん検出が困難な高濃度乳房の人種別の割合膳場貴子キャスター：アジア人で大多数ですね。 木村建次郎教授：おっしゃるとおりです。X線を通さない、X線が通るのを邪魔しているものがあると、その中にがんがあっても、画像にできない。お医者様によっては、（乳房全体が白く写り）「雪山で白うさぎ（を探すような状態）」とおっしゃったりします。そういう見えにくいタイプの女性をどうやって助けるか、早期発見につなげるかが、日本だけでなく海外でも社会問題となっています。膳場貴子キャスター：私も定期的にX線のマンモグラフィの検査を受けていますが、白っぽく網が張り巡らされていて、この画像のどこをどうやって見ているのかなと思っていました。 木村建次郎教授：そうですね。白っぽく網目がかっているのはコラーゲン繊維という硬いワイヤーのような繊維で、女性の胸を立体的な形に保つための、コンクリートのビルに例えると鉄骨のようなもので、その裏にがんが隠れしまうということなのです。膳場貴子キャスター：私が人間ドックを受けているクリニックでは、「高濃度の乳房だからエコーの検査も受けてください」と、X線に加えてエコーの検査もすすめられるのですが、二段階でやっても取りこぼしてしまうものなのでしょうか。X線マンモグラフィで撮影した乳がん患者の乳房乳房全体が白く写る高濃度乳房の特徴がみられ、がん組織と正常組織の判別が困難。  木村建次郎教授：応用物理学の立場から言わせていただくと、そもそもX線のマンモグラフィは、高濃度乳房ではX線が通らないのですから、診断そのものが難しくなってしまいます。もちろん高濃度乳房でない場合は、有用なのですが。高濃度乳房ではX線が使えないので、超音波エコーを使用するしかないわけですが、音がよく通る物質は金属や水と決まっています。それには物質学的な理由があるのです。女性の胸はその大半が脂肪で、これはマーガリンに近い材質で、音が深く入っていけないのです。 高濃度乳房と非高濃度乳房の乳がん患者のX線マンモグラフィ画像乳がん検診における超音波関連技術の本質的課題そうすると皮膚表面下の浅い部分に原理的には限定されてしまいます。つまり、超音波技術（エコー）には、乳房内の減衰が大きく、深くまで届かない、すなわちS/Nが低い、コントラスト比が低いという課題があるのです。高濃度乳房ではX線マンモグラフィも使えないので、若い方のかなりの人が現段階では早期の乳がんを見つけることが難しいということになってしまいます。膳場貴子キャスター：高濃度の乳房で白く写ったとしても、画像を読み解いてがんを見つけてくれるものではないのですか？実際に見つかったりもしますよね。木村建次郎教授：高濃度乳房では、X線マンモグラフィが原理的に適用困難であることには間違いないのですが、高濃度にも程度があります。先ほどの話のなかで、全体が真っ白というほどではない場合は、その隙間に石灰が見える場合がありまして、がんが進展すると石灰、石のようなものができて、石灰は金属原子を含み、X線を強く吸収しますので見える場合があります。膳場貴子キャスター：そういう理由があったのですね。X線のマンモグラフィは万能だと思って検診を受けていました。 木村建次郎教授：日本においては高濃度乳房の方にそのことを言わないといけないという体制はまだ完備されていないのですが、アメリカの30以上の州では法整備まで進んでいます。お医者様が高濃度乳房であることを正しく伝えないとルール違反になります。日本もそういう法整備をしなければならない。それよりもさらに重要なことは、既存のものを何とか組み合わせてがんをみつけるということはもちろん大切ですが、技術革新を起こすことにより、これまで不可能とされていた難題を解決することが最も大切です。それは、古代人が船で海外に渡っていたのが、現代では飛行機で海外に飛び立つ話と同様です。マイクロ波 (電波) でブレークスルー　「散乱の逆問題の解法」で画像化成功膳場貴子キャスター：そんな中で、新しいタイプの、マイクロ波を使ったマンモグラフィを開発されたということですが、それはどんなところが今までと違って、どういうメリットがあるのでしょうか。 木村建次郎教授：まず違うところは、これまでの乳がん検診技術では、X線や超音波を使っていたものが、マイクロ波という新しい波動に変わるということですね。一番大きく違うところは、胸をよく通り、深部に到達し、がんによく跳ね返るということです。X線はコラーゲンに邪魔されてしまいますし、超音波は乳房内の減衰が大きく、深くまで届かない、すなわちS/Nが低いことが問題でした (コントラスト比が低い)。マイクロ波は高濃度乳房、コラーゲンがたくさんあろうがなかろうが、これらの材料は絶縁体にすぎないので、深くまで届きます。木村建次郎教授：マイクロ波を使うメリットは、がんとそうでない部分で、マイクロ波にとって性質が違っていて、がんに当たると大半のマイクロ波が弾き返されるんです。がんに反応する波なんですね。その波を使うことが、大きな違いの一つです。そのうえで、波(マイクロ波)が通ればいい、跳ね返ればいい、ということだけではなくて、きちんとこの波を使って、がんが画像として写し出されることが最も大切です。膳場貴子キャスター：そうですね。木村建次郎教授：そんなに良いものならどうして世界中で使われないのか、ということになりますが、科学技術上の大きな壁を乗り越えなければなりませんでした。最大の壁が数理解析の重要課題で、マイクロ波が（がんに）当たると四方八方に散らばってしまい、どこに何があるかを散らばった波紋から考えないといけない。その“どこに何があったかをきめる”プロセスは、学問的には「散乱の逆問題」という応用数学上の未解決問題だったのです。我々はその問題解決に10年以上取り組み、世界で初めて解析的に解くことに成功しました。応用数学上の未解決問題を解くことで初めて、マイクロ波の良さを生かしたマンモグラフィが世界で初めて誕生したのです。膳場貴子キャスター：今、サラリと言われましたが、未解決問題を解いた、ということが大前提にあるのですね。木村建次郎教授：そうです。膳場貴子キャスター：大変な計算なのでしょうね。木村建次郎教授：具体的には、波の散乱に関する多次元(5次元時空間)の方程式を導き、それを解析的に解いています。私はもともと乳がんの研究をしていたわけではなくて、散乱の問題そのものを10年以上研究していました。ちょうど5、6年前に解き方を導くことに成功しまして、それで一気にマイクロ波マンモグラフィの実現につながりました。木村らによる「多重経路散乱場の逆解析理論」 膳場貴子キャスター：なるほど。要するに散乱した波の波紋を解析することで、元にあったものが何かを特定する、表面から見えていないけれど、中に何があるかを見せる技術だということですね。木村建次郎教授：そうです。これは乳がんに限らず、地質探査や地中レーダーなど、とにかく波を当てて跳ね返るあらゆる分野で、散らばった波紋を測りさえすれば、どこにどんなかたちのものがあるか理論的に完全に決定することができます。あらゆる波動を使った計測に大きな変化が起きます。膳場貴子キャスター：実際にマイクロ波マンモグラフィで撮影した映像は、今までのマンモグラフィとは違っていたのでしょうか。木村建次郎教授：まったく違う画像です。（X線マンモグラフィの）雪山の白うさぎが、暗闇のまばゆい月のようにはっきり映る、それぐらい大きく違う画像で、驚きました。同一患者のX線マンモグラフィ (左) とマイクロ波マンモグラフィ (右) の比較画像携帯電話の千分の一以下の出力　痛みもなく女性の負担を軽減膳場貴子キャスター：メリットについてももう少しうかがいたいと思います。X線マンモグラフィについては、被曝が気になるという方もおられますが、マイクロ波マンモグラフィはその点はどうなのでしょうか。木村建次郎教授：被曝の問題は全くありません。電子レンジも携帯電話もマイクロ波を使いますが、何が違うかと言うと、パワーが何桁も違います。電子レンジは高いパワーで、携帯電話はパワーが弱い。マイクロ波マンモグラフィは携帯電話よりさらに千分の一から一万分の一のパワーです。皆さん携帯電話を日常的に使っていますから、生体への影響は全くないと考えられます。膳場貴子キャスター：体にとっての安全面では、まったく不安がないと。木村建次郎教授：そう考えられます。無線通信網が張り巡らされた文明世界で生きている我々にとっては、まったく問題ないと思います。被曝がないこと、痛みがないこと、が特長です。膳場貴子キャスター：X線マンモグラフィは乳房を挟みますから、確かに痛いですものね。木村建次郎教授：X線マンモグラフィはわざと痛くしているわけではなく、意味があって挟んでおり、これはこれで重要な発明であったわけです。一方、マイクロ波マンモグラフィでは挟む意味が全くなく、原理的に痛みは発生しません。膳場貴子キャスター：挟まないということは、検査の際はエコー検査のようにプローブでなぞるのでしょうか。木村建次郎教授：マイクロ波のプローブで（乳房表面を）なぞり、乳房表面の各点から乳房内部にむかってマイクロ波を放射状に照射します。あらゆる箇所から跳ね返った全データを用いて数学的に3次元画像を生成します。これがまさに散乱の逆問題を解くということです。 膳場貴子キャスター：X線マンモグラフィは挟み方がしっかりしていないとがんが見つからなかったり、エコー検査も適切になぞらないとがんを見逃すことがあったりということですが、マイクロ波マンモグラフィでは習熟していないと上手く検査できないということはないのでしょうか。木村建次郎教授：重要なポイントなのですが、エコーではセラミックという硬い板で音波を発生させていて、柔らかい乳房に音波を入れるためには相手を押し付けて硬くする必要がある。そのため、エコーではしっかり押し付けることが原理的に重要なのです。ところがマイクロ波の場合は、そもそも音ではないので表面をなぞるだけでよく、上手い下手が発生しません。押さえつける加減などは、エコーと違って本質的に意味がないのです。膳場貴子キャスター：なるほど。検査する技師や医師の腕に左右されないんですね。木村建次郎教授：少し練習したらだれでもすぐにできるようになります。画像データベースが重要　健康な方の協力も不可欠膳場貴子キャスター：これから普及させていくに当たって、課題は何でしょうか？木村建次郎教授：X線や超音波等、ほかの技術に比べてなぜマイクロ波がよいかという理由を、しっかり根幹から、その物理学を理解してもらうことが不可欠だと思います。それは、多くの症例でがんが鮮明に映ることが確認されているからではなく、本質的には、電磁物性、がんとそれ以外の乳房の物質の大きな性質の差に由来します。多くの医療関係者、これからを担う学生たちに、この本質を正しく理解してもらったうえで使用してもらうことが不可欠で、今後普及にあたり、啓蒙活動が最も重要となります。膳場貴子キャスター：まずは知ってもらうことですね。がんを検査するとき、良性なものを悪性と間違えて判断してしまう、「擬陽性」というものがありますね。マイクロ波マンモグラフィではその点はいかがですか。木村建次郎教授：マイクロ波マンモグラフィはがん組織に含まれる水分子密度分布（水分）を映像化しているのですが、若い女性では乳房のなかに水たまりのようなものが自然にでき、我々が開発したマイクロ波マンモグラフィではこれを悪性と判断しないように削除する機能が組み込まれています。膳場貴子キャスター：女性の体の状態を計測し、ノイズを削除する仕組みをつくっているのですね。マイクロ波マンモグラフィがメリットの多い検査方法だとわかりましたが、今、実用化に向けてどのような段階なのでしょうか。木村建次郎教授：装置が完成すると、治験を行う必要があります。これは機械としての有効性を確認するために、政府に届け出をして進めるものですが、その直前の段階まで来ています。膳場貴子キャスター：治験にはどれくらい時間がかかるのですか。 木村建次郎教授：医療機器では、体内に埋め込むなど侵襲性が高いものほど時間がかかります。マイクロ波マンモグラフィは侵襲性が全くないので、時間はあまりかからないと思っています。1年以内で終わると考えております。膳場貴子キャスター：早いですね。治験や開発をスムーズに進めるために、私たちが協力しようと思ったら、なにか出来ることはありますか？木村建次郎教授：臨床試験に興味をもっていただけたら大変ありがたいです。波動の散乱からイノベーション　技術で世界の安心安全の追求を膳場貴子キャスター：ところで木村先生は応用物理学がご専門で、応用数学者でもいらっしゃいます。どうしてマイクロ波マンモグラフィの開発に取り組まれたのですか。木村建次郎教授：正直に言いまして、乳がんのことはあまり知りませんでした。むしろ散らばった波紋から物体の形をきめること自体に関心があり、この問題を解くことにすべての時間を費やしてきました。その解（散乱の逆問題の解法と画像化）が見つかった時、その解法を社会に使ってほしいと考えたのです。 膳場貴子キャスター：理論だけではもったいないですものね。木村建次郎教授：最初に関心をもってくれたのが、(老朽化した) インフラの検査でした。戦後に作られたコンクリート構造物の壁の中のひび割れなどを電波で検査するシステムを開発しました。膳場貴子キャスター：コンクリートの検査から乳がんまでと、ずいぶん広い範囲で使える技術なのですね。木村建次郎教授：地質の探査や古代遺跡の調査、さらに埋蔵金探しに使いたいという話も来ます。いろいろなお話の中で、乳がん検診、X線マンモグラフィに課題があることを知り、乳房は電波を通しやすいので、マイクロ波を使った装置が有効であると考えたのです。お医者様は性能の限界を理解したうえで、医療機器を最大限活用しようとしておられますが、私共科学者は、そういった限界を突破した新しい革新的な技術を作り出すのが使命ではないかと思います。蓄電池内部の電流密度分布の画像診断膳場貴子キャスター：散乱の逆問題を解決した研究成果は他にどのような分野で応用されていますか。木村建次郎教授：マイクロ波マンモグラフィを開発する前に取り組んだ、リチウムイオン電池の発火や爆発事故の原因になる異常電流を可視化する技術は、多くの蓄電池メーカや自動車メーカで活用していただいております。これについてもポアソンの方程式という、静磁場と電流の逆問題の解析解を発見し、適用しているのです。膳場貴子キャスター：私たちがリチウムイオン電池を使う場面は多いですね。蓄電池電流密度分布画像診断システムFOCUS 木村建次郎教授：スマホやパソコンなどポータブルな電子機器にはたくさん使われていますし、自動車や最近では家庭用の蓄電池などにも使われ始めています。そのリチウムイオン電池が数年で数百件以上も発火事故を起こしているのです。普通の乾電池でもプラスとマイナスの電極をつながないようにというということは子供のころから教えられてきますが、プラスとマイナスが直結されると乾電池はすぐに膨張、最悪の場合は発火して大変危険です。リチウムイオン電池も内部にごみ、不純物が混入することでプラスとマイナスがショートして、発火や爆発を起こします。ゴミが混入し、リスクのあるリチウムイオン電池が実はかなり流通しているのです。わずかなショートでもその存在の有無を調べる必要がありますが、鉄製のケースで覆われていて光は届きませんし、音波もうまく入りません。しかし、調べてみると、わずかな磁界が、外部に漏洩しており、それが最先端の磁気センサの技術で感知できるレベルであるということが判りましたが、どうやって磁界から内部を画像化するかが問題でした。今度は静磁場と電流の逆問題を解析的に解くことに成功したことで、磁界からリチウムイオン電池内部の電流を画像化することができるようになったのです。膳場貴子キャスター：リチウムイオン電池は普及していますから、異常をチェックしたいという引き合いは多いのではないですか。木村建次郎教授：そうですね。マイクロ波マンモグラフィはまだ発売していませんから、私共が設立したスタートアップ企業（Integral Geometry Science社）の売り上げは、現時点はほとんどリチウムイオン電池関連です。販売した自動車に搭載したリチウムイオン電池が膨らんできたので原因調査や、量産したリチウムイオン電池の良品の度合いのチェックに使ってもらっています。膳場貴子キャスター：すぐにチェックできるのですか。木村建次郎教授：瞬間的に画像化できます。膳場貴子キャスター：すごく複雑な計算なんでしょう？木村建次郎教授：解析的に解かれていますので、観測値が得られれば瞬時に映像化されます。膳場貴子キャスター：リチウムイオン電池以外でも木村先生が導かれた逆問題の解法を活用しているのですか。木村建次郎教授：犯罪者が隠し持っている銃や刃物を瞬時に画像化するシステムを開発しています。 膳場貴子キャスター：電波を使うのですか。木村建次郎教授：これは静磁界です。銃や刃物は鉄で出来ているので周りに磁界が漏れ出ていて、磁界から逆問題の解法によって刃物などを画像化します。来年には試作機が完成する予定で、自宅のセキュリティのために購入したいという方がたくさんおられます。 膳場貴子キャスター：個人レベルでそのようなセキュリティのニーズがあるというのは驚きました。企業などにとっても不可欠なものとなるでしょうね。木村建次郎教授：技術の力で社会のがんとも言える犯罪を未然に防ぎたいと思っています。小学校や中学校、銃乱射犯罪が多発しているアメリカの大学などでニーズがあるのではないでしょうか。世界一安全な都市を実現できればと考えています。膳場貴子キャスター：技術革新によって、新しい世界基準の確立を考えておられるのですね。最先端の技術を使って日夜研究を続けていらっしゃることに勇気づけられました。今日は夢のあるお話を、ありがとうございました。関連リンク大学院理学研究科 木村建次郎 研究室研究者木村 建次郎教授数理・データサイエンスセンターSDGs数理・データサイエンスセンターSHARE同じ研究者の記事Press releases2019.05.29工学系科学世界初、蓄電池内部の電流密度分布の画像診断システムを開発Interviews2019.01.15工学系科学「透視の科学」で人類に貢献を　乳がん検診を革新する技術開発同様のタグのある記事Press 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