ISSN 1344‑8692 Vol.43 No.180

伝 熱Journal of the Heat Transfer Society of Japan◇生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動◇2004. 5

「伝熱」原稿の書き方
How to Write a Manuscript of Dennetsu

伝熱 太郎（伝熱大学）
Taro DENNETSU (Dennetsu University)
1. はじめに以下の注意事項に留意して，原稿を作成すること．
2.「伝熱」用原稿作成上の注意
2.1 標準形式
原稿は Microsoft Word 等を用いて作成し，図や写真等は原稿に張り込み一つのファイルとして完結させる．原稿の標準形式を表 1 に示す．

用紙サイズ
余白サイズ
タイトル

本文
活字

1 行の字数行送り

表 1 原稿の標準形式
A4 縦長(210mm×297mm)，横書き
上余白 30mm，下余白 30mm
左余白 20mm，右余白 20mm
1 段組，45mm 前後あける（10 ポイント(10×0.3514mm)で 8 行分）
2 段組，1 段 80mm，段間隔余白 10mm
10 ポイント(10×0.3514mm)
本文(Windows) MS 明朝体(Macintosh) 細明朝体
見出し(Windows) MS ゴシック体(Macintosh)中ゴシック体
英文字・数字Times New Roman または Symbol
1 段あたり 23 文字程度
15 ポイント(15×0.3514=5.271mm)
1 ページあたり 45 行
ただし，見出しの前は 1 行を挿入

2.2 見出しなど
見出しはゴシック体を用い，大見出しはセンタ
リングし前に 1 行空ける．中見出しは 2.2 などのように番号をつけ左寄せする．見出しの数字は半角とする．行の始めに，括弧やハイフン等がこな
いように禁則処理を行うこと．

2.3 句読点
句読点は ，および ．を用い， ，や ．は避けること．
2.4 図について
図中のフォントは本文中のフォントと同じものを用いること．
2.5 参考文献について
2.5.1 番号の付け方
参考文献は本文中の該当する個所に[1]，[2,4]，[6-10]のように番号を入れて示す．
2.4.2 参考文献の引き方
著者名，誌名，巻，年，頁の順とする．毎号頁の改まる雑誌(Therm. Sci. Eng.など)は巻-号数のよ
うにして号数も入れる．著者名は，名字，名前のイニシャル．のように記述する．雑誌名の省略法
は科学技術文献速報(JICST)に準拠する．文献の表
題は省略する．日本語の雑誌・書籍の場合は著者名・書名とも省略しない．
参考文献[1] 伝熱太郎，伝熱花子，日本機械学会論文集 B
編，80-100 (1999) 3000．
[2] Incropera, F. P. and Dewitt, D. P., Fundamentals
of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons
(1976).
[3] Smith, A. et al., Therm. Sci. Eng., 7-5 (1999) 10.
[4] 山田太郎，やさしい伝熱，熱講社 (1980).
原稿作成用のテンプレート（MS-WORD）は下
記の伝熱学会のホームページよりダウンロードできます．
伝熱学会のホームページ http://www.htsj.or.jp/
会告・記事・論文投稿表紙のテンプレート
http://www.htsj.or.jp/den_guide.html
転載許諾願申請フォーム
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Vol. 44

2004

No. 180

May

伝

目

熱

次

〈生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動〉
特集：「生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動」･････････････････････････････････････････････････････石黒 博（九州工業大学）････････ 1
生命システムの機能を支えるトランスファローム概念の提案････谷下 一夫（慶應義塾大学）････････ 2
ティッシュエンジニアリングにおける物質移動の問題････････････牛田 多加志（東京大学）････････ 7
MRI 誘導下経皮的組織内凍結治療 ･･･････････････････････････････清水 匡（北海道大学）･･･････ 11
超音波の生体効果を利用したガン治療･･････････････ 梅村 晋一郎（日立製作所中央研究所）･･･････ 16
バイオと工学の融合によるナノバイオデバイスの創製･･･････････････････････････････ 長船 智，畠岡 由香利，馬場 嘉信（徳島大学）･･･････ 24
大腸菌における運動エネルギー消費と成長エネルギー消費の履歴現象････････････････････････････････････････････ 梅原 千慶，安田 賢二（東京大学）･･･････ 28〈エデュケイションＱ〉「機械製作実習 スターリングエンジン」の テキスト ･･････････････ 牧野 俊郎（京都大学）･･･････ 34〈会議報告〉
東北支部秋季伝熱セミナー開催報告･･････････････････････････････稲村隆夫（弘前大学）･･･････ 44〈行事カレンダー〉 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ ･･･････ 47〈お知らせ〉First International Conference on Flow Dynamics ･･･････････････････････････････････････････ ･･･････ 49
第 4 回高度流体情報および融合流体情報に関する国際シンポジウム (AFI/TFI-2004) ･････････ ･･･････ 50「伝熱」会告の書き方 ･･････････････････････････････････････････････････････････････ ･･･････ 51
事務局からの連絡 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････ ･･･････ 52

インターネット情報サービス●http://www.htsj.or.jp/
最新の会告・行事の予定等を提供●htsj@asahi-net.email.ne.jp
事務局への連絡の電子メールによる受付

日本伝熱学会 2003 年度（第 42 期）会長・副会長・理事・監事長

荻野

文丸（舞鶴工業高等専門学校）

◆副会長

太田

照和（東北大学）◆会

小澤

由行（高砂熱学工業）◆理事

門出 政則（佐賀大学）
円山 重直（東北大学）
北村 健三（豊橋技術科学大学）
奥山 喜久夫（広島大学）
高橋 修一（東北電力）

高田 保之（九州大学）
近久 武美（北海道大学）
平田 哲夫（信州大学）
清水昭比古（九州大学）
大原 敏夫（デンソー）

◆監

事

有冨

伊藤

正憲（東京工業大学）

正昭（日立製作所）

笠木

伸英（東京大学）

神永
横山
藤井
竹越
北村

文人（茨城大学）
孝男（山形大学）
照重（神戸大学）
栄俊（富山大学）
邦彦（九電工）Journal of The Heat Transfer Society of Japan
Vol.43, No.180, May 2004

CONTENTS< Heat and Mass Transfer in Living System and Bio- and Medical Technologies >Special Issue on “Heat and Mass Transfer in Living System and Bio- and Medical Technologies”
Hiroshi ISHIGURO(Kyushu Institute of Technology) ････････････････････････････････････1
New Concept of Transferome describing the Integrated Function of Life System
Kazuo TANISHITA (Keio University)･･･････････････････････････････････････････････2
Oxygen and Nutrient Diffusion in Tissue Engineering
Takashi USHIDA (University of Tokyo)･･････････････････････････････････････････････ 7
MR-imaging guided Percutaneous Interstitial Cryoablation
Tadashi SHIMIZU (Hokkaido University) ････････････････････････････････････････････11
Tumor Treatment utilizing Ultrasonic Bioeffects
Shin-ichiro UMEMURA (Hitachi Central Research Laboratory)･･････････････････････････ 16
The Invention of the Nano-Biodevice by Fusion of Biotechnology and Engineering
Tomo OSAFUNE, Yukari HATAOKA, Yoshinobu BABA (The University of Tokushima) ･････ 24
Hysteresis of Energy Consumption of Motility and Growth in Escherichia coli.
Senkei UMEHARA, Kenji YASUDA (Universityof Tokyo) ･････････････････････････････ 28<Education Q>
Education Q:

A Textbooklet for “Exercise for Machine Shop Practice - Stirling Engine-”Toshiro MAKINO (Kyoto University)･････････････････････････････････････････････ 34< Report on International Conference and Seminar>
A Report of Tohoku Branch Autumn Seminor on Heat Transfer
Takao INAMURA (Hirosaki University)･･･････････････････････････････････････････ 44<Calendar> ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 47<Announcements> ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 49

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動特集：「生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動」
Special Issue on “Heat and Mass Transfer in Living System and Bio- and Medical Technologies”

石黒 博（九州工業大学）
Hiroshi ISHIGURO(Kyushu Institute of Technology)

壊死させる治療）における伝熱問題が述べられています．
5)では，超音波の作用を利用するガン治療で，超音波加熱による凝固治療，および，音響キャビテーションによる音響化学治療について解説されています．
6)では，オーダーメード医療（テーラーメード医療）実現のための基盤技術であり，ゲノム解読やポストゲノ
ムと関連した，ナノバイオデバイスを用いた DNA プロ
セッシングについて，
伝熱問題の観点から解説されています．
7)では，生命システムとして，大腸菌を取り上げ，独特のバイオチップと計測技術を用い，エネルギー変換と消費の時系列・世代系列動態を調べた結果について述べられています．
また，今月号のＱシリーズは，
Ｑシリーズ初登場，「エデュケイションＱ」と銘打って，「『機械製作実習スターリングエンジン』のテキスト」（牧野俊郎（京都大学）
です．

「伝熱」5 月号は，「生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動」特集です．これは，本学会会員の皆様に，Bioheat and Mass
Transfer に関して，最新情報やこれまで余り知られていない興味深い情報を提供したいとの趣旨で企画されました．この分野で先導的に活躍されている 7
人の専門家の先生方に，原稿を執筆していただきました（表 1）．
1)では，生命システムの熱・物質移動現象の統合化とその総体（トランスファローム）の概念が提案され，脳内酸素輸送を例にとって述べられています．
2)と 3)は，未来医療技術の解説です．2)では，薬物や遺伝子を体内の目標とする部位に輸送し導入するドラ
ッグデリバリーシステムにおける物質移動について解説されています．3)では，生物由来の細胞を材料として組織や機能を再生させる再生医療（ティッシュエンジニ
アリング），特に，in vitro で組織や器官を構築する場合の酸素や栄養の供給の物質移動問題について述べられています．なお，2)は，都合により次号に掲載されます．
4)と 5)は，低侵襲ガン治療の先端医療技術に関するもので，4)では，現在，大きな成果を上げてきている最新の凍結治療（凍結手術）（凍結によりガン組織を破壊し最後になりましたが，本特集号のために，お忙しい中，このような興味深い記事を執筆していただきました先生方に，厚くお礼申し上げます．

表 1. 本特集の内訳
No.

タイトル

著者

応用上のキーワード

1)

生命システムの機能を支える
トランスファローム概念の提案

谷下一夫（慶應義塾大学）

生命システム2)

薬物・遺伝子デリバリーのための
高分子ナノミセル（次号掲載）

片岡一則（東京大学）

バイオ・メディカル
テクノロジー3)

ティッシュエンジニアリングにおける物質移動の問題バイオ・メディカル
テクノロジー

4)

MRI 誘導下経皮的組織内凍結治療

5)

超音波の生体効果を利用したガン治療

牛田多加志（東京大学）
清水 匡(北海道大学)梅村晋一郎（日立製作所）
馬場嘉信 他（徳島大学）
安田賢二 他（東京大学）

6)
7)

バイオと工学の融合によるナノバイオ
デバイスの創製
大腸菌における運動エネルギー消費と成長エネルギー消費の履歴現象-1-

伝熱のキーワード

物質移動

メディカルテクノロジー
メディカルテクノロジー

熱移動

バイオ・メディカル
テクノロジー
生命システムエネルギー変換

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

生命システムの機能を支えるトランスファローム概念の提案
New Concept of Transferome describing the Integrated Function of Life System

谷下 一夫（慶應義塾大学）
Kazuo TANISHITA (Keio University)
1. はじめに生命システムは，呼吸循環系と代謝系を中心に，熱と物質の移動を極めて精密かつ緻密に制御し，深部温度を一定に保つことができ，さらに広範囲な分子量にわたる物質の移動を制御することによって，エネルギー代謝を行い，生命活動の原動力になっている．従って，生命システムは熱と物質移動の宝庫とも言うべきものであり，歴史の長い
生理学や細胞生物学の分野では，生命システムにおける熱と物質移動に関して，細胞レベルから個体レベルに至るまで既に膨大な研究実績を持っている．しかしながら，これまでの医学生物学における膨大な研究は，静的，個別的，定性的，総括的な議論が多く，移動現象という概念が広く散在してしまって，見えにくくなっていたような気がする．しかしながら 21 世紀になって生命科学を中心とする生命生体に関する科学技術は，新しい側面を見せ始め，生命システムを改めて移動現象という括りで見直すことで，新しい医療技術やバイオテクノロジーの出現に繋がるのではと思われる．
そのような観点から本稿では生命システムの移動現象を捉える概念を提案したい．

はなく，21 世紀の医療やバイオ産業に大きなイン
パクトを与えている．ただ，ゲノムは DNA 配列の全体であり，それらの配列がどのような意味を持っているかはこれからの課題である．重要な点
は，生物システムを構成する要因が全て把握できたことで，ゲノムレベルでは統合的に生物システ
ムを把握できたことになり，統合生命科学の大きな扉が開いた．98 年には，統合的に生物システム
を捕らえることの重要性が生理学の分野からも提唱され，Physiome という表現された[2]．Physiome
や統合生命科学の目標は，単にゲノムの解読ではなく，分子→タンパク→細胞→組織→器官→個体という DNA レベルからマクロレベルまでの生物学的階層性を統合的に把握することであるが，マクロレベルまでの統合は分子生物学では不可能である．細胞内小器官を含む細胞は，驚くべき機能を発揮しているが，すでに構造や動的機能を発揮している．3 次元構造体においてダイナミカルな機能をミクロからマクロまで連結する手法は，分子生物学ではなく，むしろ工学的視点・手法である．慶應大学の清水信義教授は，ゲノム創薬，遺伝子治療，治療薬の開発，有用物質の生産，DNA
診断法，再生医療を実用化する段階ではさまざまな工学が必要となってくると指摘している[1]．飛躍的に発展した IT がゲノム情報の解読や解釈を促すというバイオインフォマテイクスという新分野も生まれ，正に工学が裏打ちされた統合生命科学と言える．

2. ポストゲノムとしての統合生命科学の登場
21 世紀での生命科学で特筆すべきは，ヒトゲノ
ムの解読である．ゲノムとは，遺伝子全体という意味で，DNA の塩基配列全部を明らかにすることがゲノムの解読になる．国際的に協力してゲノム解読を行うということで，91 年に国際的なプロジ
ェクトとして，「ヒトゲノム計画」が開始し，13年目の 2003 年に完全解読された[1]．日本からは
理化学研究所，東京大学，慶応大学，東海大学および国立遺伝学研究所が参加した．遺伝子の総数
はヒトゲノム全体で，約 32,000 個であり，95%以
上はタンパク質を作るためのものである．このヒトゲノム解読は，単に染色体上の遺伝子の存在を明らかにしただけではなく，生物学・医学だけで伝熱2004 年 5 月

3. 統合移動現象論の提案
このようにゲノムレベルでは生物システムを構成する全ての要因が把握できたことになると，原理的にはゲノムレベルを基盤とする生物システムの機能も明らかになる．生物システムの機能の恒常性を保っているのが熱や物質移動であるとすると，移動現象も統合的に見ることができると言える．もしそうならば，統合的に移動現象を評価を-2-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動行うことによって，医学における診断・治療や薬物輸送の薬理効果が明らかになり，革新的な医学が出現する可能性がある．そこで，生命システム
における熱と物質移動の総体を，ここでトランス
ファロームと名づけ，これまでのシステム生物学
では重点的に取り上げられていなかった熱と物質移動のダイナミクスを扱うトランスファロームという概念を提案したい．これはゲノムのような造語で，transfer と総体の意味の ome を接続させてtransferome としたものである．ただ，これは原理的に可能であるという意味で，実際に移動現象の総体を明らかにするには，かなりの時間が必要で，さらなる大規模な実験と計算機シミュレーションが必要となるであろう．

rCBF(ml/100g/min)

500

300

100

After stimulation

Barrels
4

Sm
1-3

Sm
5-6

Steady state
図 1. 体性感覚の刺激による脳血流の増加

4. 脳における物質移動現象の例
ヒトの脳は，体重の 2.5％程度と重量的にはそれほど重くないが，安静時で脳組織には心臓から拍出する血液の 15〜20%が供給され，さらに身体全体で消費される酸素の 20%が脳において消費される[3]．従って，生命システムの中で，極めてエネ
ルギーを必要とする臓器であるが，酸素欠乏に弱く，脳梗塞や脳卒中などの疾病が発症する．そこ
で，脳における酸素輸送のメカニズムに関心が持たれるが，酸素輸送の実態は明らかになっていな
い．さらに最近は近赤外線の散乱光を分析することによって，脳血管内のヘモグロビンと酸素との結合割合を決めることができ，その割合を脳機能の指標として表す光トポグラフィが注目されている[4]．従って，脳機能を把握するための酸素輸送
及び酸素濃度分布が重要な指標とされている．しかしながら，近赤外の散乱光では，入射光と出射光との関係を調べることになり，脳内の状態はい
わばブラックボックスの状態で，脳内の状態を把握することで，光トポグラフィ情報の意味も明確になるであろう．そこで，筆者らは脳における酸素輸送と血流との関わりに関して，実際の動物の脳において実験を行い，酸素輸送のプロセスを調べ，さらに脳全体として統合する可能性に関して検討を行った[5][6][7]．
脳内の酸素状態は，脳組織の酸素消費と血流の局所的変動によって，大きく変化している．例えば図 1 に示されるように脳神経の刺激によって脳血流量（rCBF）が顕著に増加している[8]．

図 2. 脳血管ネットワークのモジュール
このように組織の酸素消費の変化と脳血流の変化とはよく対応しており，この関係を明らかにする必要がある．一方，脳機能が局在していることは古くから知られているが，Woolsey らは，脳血管のネットワークの解剖学的なユニットが機能的なユニットとよく対応していることを提唱しており，図 2 のように脳組織を機能的に独立したユニットであるモジュールとして捉えることが示された．そこで，筆者らは，ラットの脳血管に造影剤を注入して脳血管を可視化して 3 次元的なネット
ワークのデータを取得した．図 3 に示されるように，脳表面からほぼ等間隔で細動脈が直角に侵入していることが分かる．

-3-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

A. HL

Caudal (mm)Latera l (mm)

60

I II

III

IV

V

VI

I II

III

IV

V

VI

I II

III

IV

40
20
0
60
pO 2 (torr)

B. FL

40
20
0

C. Tr

60

V

VI

40
20
0
0.0

peak height of pO2 response (%)

モジュール内の酸素消費と血流からの酸素供給を明らかにして，脳全体のモジュールについてそれを繰り返せば，脳全体のトランスファロームが明らかになるのはないだろうか．脳表面から侵入した細動脈から毛細血管が多数分岐しているが，その分岐のパターンは極めて特徴的で，脳表面から数百μｍの領域では，細動脈から分岐した毛細血管が逆向きに反転して脳表面に向かっている．ところがそれ以降の深部の領域では，脳深部にさらに向かうような角度で分岐している．このようなパターンで脳組織全体に一様に毛細血管が分布している．
そのような血管ネットワークが分布している脳組
織に同軸型の微小酸素電極を刺して，酸素分圧の深さ方向の分布を測定したところ，図 4 のような結果を得た．ラットの脳組織の特に体性感覚野と呼ばれる領域 3 箇所を脳地図で選択して，それぞれの部分の酸素分圧を測定した．横軸は深さ方向に 1.5〜2mm の深さまでを測定した．特に刺激を与えていないが，酸素分圧は極めて時間的に変動しており，その変動の割合をバーで示してある．
脳表面近く（領域Ⅰ，Ⅱ）では，酸素分圧が深さ方向に減少し，脳表面からの拡散が影響しているが，それ以上の深さの領域では，極めて特徴的に

2004 年 5 月

1.0

1.5

図 4. 体性感覚野における酸素分圧の深さ方向分
布

多数の細動脈の間隔を測定してみると大体 300〜400μｍであったが，この数字はほぼ脳機能の局在性のスケールに近い．従って，細動脈を中心に300〜400μｍの幅のモジュールを想定して，この

伝熱

0.5

Depth (mm)

図 3. 脳血管ネットワークの 3 次元構造．脳の表面から直角に細動脈が侵入している．

HL

FL

Tr

10
5
0
-5
-10
hindlimbstim.

trunkforelimb- trunk-stim.
stim.
stim.

図 5. 体性感覚野における酸素分圧の変化
増減している．この増減は正に脳血管ネットワー
クからの酸素供給に依存している．
図 5 は，体性感覚野（後足，前足，腹部）を刺激（こする）したときの酸素濃度の変化を示す．
後足や前足の刺激では，酸素濃度が増加しているが，腹部の刺激では逆に減少している．さらに図6 はハムスターに音を聞かせたときの酸素濃度の変化を捉えたものであるが，興味深いことには，酸素濃度が一旦減少してから増加するというような変化を示している．
これらの酸素分圧の変化は，脳組織の酸素消費の局所的な変化と局所的な血流の変化との関係で-4-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動Po2 (mm Hg)**** ***********

Po2 (mm Hg)

ǻpO2 (torr)

A. Average pO2 response

*

*

50
45
40
35
30
25
20
15
10

50
45
40
35
30
25
20
15
10
0

50

100

150

200

250

300

0

50

100

150

200

250

300

y

477

527

577

627

677

727

777

50
45
40
35
30
25
20
15
10
350

400

450

500

550

600

650

700

750

80

depth (micron)ǻpO2 (torr)

Time (sec)
B. Initial decrease in tissue pO2

1 torr3 sec

図 8. 図の上部が計算結果で，下部が微小酸素電極による実測分布ークについて計算機シミュレーションを行った．
血管内は粘性流体が流れており，一つの独立したモジュール内と見なして，酸素消費は組織内で一様に分布していると仮定した．その計算機シミュ
レーションの結果を図８に示す．やはり，実測した酸素分圧の変動は細動脈の存在に大きく影響されており，途中で極大値を示している．
このように単一モジュールで，酸素輸送の評価が可能であるとすると，さまざまな脳の活動部位
で同様に調べ，それらを統合することにより，脳全体の酸素供給量の分布は時間的変化も定量的に予測することが可能になり，光トポグラフィ，f
ＭＲＩのような非侵襲測定を計算機シミュレーシ
ョンで補うことにより，脳機能の把握が可能にな
るのではないか．

1 torr1 sec
Time (sec)

図 6. 聴覚の刺激による酸素分圧の変化

5. 終わりに
本稿では生命システムにおける熱や物質移動現象が生命活動を行う上で中心的な役割を果たしていることを脳における酸素消費を例にして示した．
現在，ゲノムを中心としたバイオインフォマテイ
クスや，超多元常微分方程式を基にしたシステム
バイオロジーが進展しているが，医療への応用を考えると時間空間的に動的に捉えることが極めて重要で必須であると思われる．従って，長い歴史を持つ伝熱工学の概念や手法が生命システムのト
ランスファロームに活用でき，伝熱工学の新しい展開となると期待したい．
参考文献[1] 清水信義，ヒトゲノム完全解読によるヒト分子生物学と臨床応用への新たな展望，実験医学，Vol.21, (2003) 1629-1637.

図 7. 実際の血管ネットワークをモデル化した細動脈と毛細血管ネットワーク
決まるので，やはり血管のネットワークの状態が極めて重要となる．ただ，局所的な血流の変化や酸素消費の局所的な変化を実測することは極めて困難であるため，計算機シミュレーションでそのような状態を探ることが現実的である．
そこで，実際の脳組織内の細動脈や毛細血管を可視化した 3 次元画像から細動脈と毛細血管を図７のようにモデル化し，このような血管ネットワ-5-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動[2] 辻岡克彦，Physiome Project-その背景，BME,13(1999), 1-2.
[3] Vander, A.J. et al., Human Physiology, (1994)
McGraw-HillTanishita, “Biphasic changes in tissue partialpressure of oxygen closely related to localizedneural activity in guinea pig auditory cortex”,
Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism.
23 (2003) 1075-1084.
[7] K. Masamoto, T. Kurachi, N. Takizawa, H.
Kobayashi, K. Tanishita, “Quantitative analysis ofspatial variations in microvascular distribution of
rat neocortex”, Brain Research 995 (2004) 66-75.
[8] Woolsey, T.A. et al. Neuronal units linked tomicrovascular modules in cerebral cortex:
response elements for imaging the brain, Cereb.
Cortex 6 (1996) 647-660.

[4] 牧敦他，光ﾄﾎﾟｸﾞﾗﾌｨによる無侵襲脳機能計測，BME，11 (1997)[5] K. Masamoto, N. Takizawa, H. Kobayashi, K.
Oka, K. Tanishita, “Dual responses of tissue
partial pressure of oxygen after functional
stimulation in rat somatosensory cortex”, Brain
Research. 979 (2003) 104-113.
[6] K. Masamoto, T. Omura, N. Takizawa, H.
Kobayashi, T. Katsura, A. Maki, H. Kawaguchi, K.

伝熱2004 年 5 月-6-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

ティッシュエンジニアリングにおける物質移動の問題
Oxygen and Nutrient Diffusion in Tissue Engineering

牛田 多加志（東京大学）
Takashi USHIDA (University of Tokyo)
1. はじめに再生医療は，細胞の持つ潜在能力を引き出すことにより，失われた組織や機能を再生することを目的とした新しいアプローチによる医療である．
その細胞のソースとしては，例えば皮膚の真皮を再生するためには真皮を構成する細胞である線維芽細胞を用いるなど，成熟細胞を用いる方法が一つであり，また成熟細胞に分化する前段階の未分化な細胞を用いる方法がある．未分化な細胞としては，骨髄に含まれると考えられている骨髄性幹細胞や，さらに全ての細胞に分化可能とされる胚性幹細胞（ＥＳ細胞）が注目されている．例えば
骨髄性幹細胞からは主に中胚葉系の細胞である軟骨細胞，骨芽細胞，筋芽細胞，腱・靱帯細胞，脂肪細胞などが分化することが知られている．そして全能性を持つＥＳ細胞は，外胚葉系である神経細胞など，内胚葉系である肝臓細胞など，全ての細胞に分化可能である．
（正確な表現では，全ての細胞に分化可能な細胞，全能性を持つ細胞を胚性幹細胞と定義している．
）これらの幹細胞を用いれば，組織や臓器を再生することが可能であり，例
えば心臓や肝臓を再生させ移植臓器のソースとするという期待がかけられている．
2. 生体外における組織再生に立ちはだかる障壁
しかしながら，これらを実現するためには大きな障壁が存在することはあまり意識されていない．
生体組織には血管網が張り巡らされている．それはとりもなおさず，細胞が酸素と栄養を絶えず必要とするためであり，これらの供給が途絶えると細胞はネクローシスに陥り，生体組織は壊死に向かう．これは特に活動が盛んで酸素要求性の高い組織，例えば大脳組織において顕著であり，数分間の血流の途絶え，または酸素供給の途絶えが，組織に不可逆的なダメージを与えてしまうことが良く知られている．この事実は，再生医療，特に-7-

生体外での組織形成において大きな障壁をもたらす．生体組織においては，軟骨組織や水晶体，硝子体など少数の例外を除き，1 本の毛細血管の近傍約 3ｍｍ以内に必ず別のもう 1 本の毛細血管が存在するとされている．このことは逆に，血管網なしに，かつネクローシスを生じさせることなく生体外で再構築させることのできる組織の大きさを示している．この制限は，再生医療にとって大きな限界を設けている．この制限から逃れることのできる生体組織は少数である．培養表皮，培養
真皮，再生軟骨などは，この制限から逃れることのできる，またはぎりぎりの境界線に存在する組織の代表例である．また，他の生体組織においても，再生させる必要のある組織の大きさがこの制限以下であれば生体外再構築可能である．しかしながら，その適用は極少数であると考えられる．
まして，肝臓や腎臓などの臓器の生体外再構築においては，その複雑な 3 次元構造を再構築させる
技術の困難さと並んで，この大きさの制限という大きな障壁がそびえ立っている．軟骨組織は，それを構成する軟骨細胞が本来の形質を維持している限り（脱分化していない限り）酸素要求性は低く，栄養要求性も低いため，生体組織と同等の大きさの軟骨組織を再構築することは，この観点に限ってみれば可能であり，しかも軟骨組織は生体中においても生体の血管網から隔離されている組織である．しかしながら，一般の生体組織は，たとえそれが真皮であっても生体の血管網とつながっており，血管構造を内包しない再生真皮においても移植後には生体組織の血管網に組み込まれることが要求される．このように，生体外で再構築した組織を如何にして生体内において生体血管網に組み入れるかは大きな技術課題である．一方，
生体外で再構築させる組織の大きさに関する制限を取り払うための技術開発も等しく重要である．
これは，単に再生組織内に毛細血管様構造を構築

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動を用いた in vitro での組織再構築の最も実現可能性の高い組織の一つである．一方でモザイクプラ
スティを凌駕するためには，バイオプシィする軟骨組織よりも大きな組織を再構築する必要があり，そのためには生体外での細胞増殖ステップが不可
欠である．関節軟骨の基質を構築するコラーゲン
はＩＩ型であり，線維性軟骨組織のコラーゲンはＩ型である．しかしながら，この増殖ステップにより関節軟骨細胞は脱分化し，産生するコラーゲ
ンの型をＩＩ型からＩ型へ変換する．したがって，脱分化した軟骨細胞を如何に再分化させるか，その技術の確立がティッシュエンジニアリングに求められている．
ティッシュエンジニアリングにおいては，コラーゲン，ヒアルロン酸等の生体組織由来のマトリックスが用いられているが，これらのマトリック
スは細胞膜のインテグリンやレセプターと相互作
用するサイトを有しており，細胞にシグナルを送ることが可能であるが，機械的強度が十分でないという欠点を持つ．一方，ポリ乳酸（ＰＬＬＡ），
ポリグルコール酸（ＰＧＡ），そしてその共重合体であるＰＬＧＡに代表される生分解性高分子もティッシュエンジニアリングにおいて重要な材料である．この生分解性と組織形成とを時間軸方向にマッチングさせることは，ティッシュエンジニア
リングにおける技術目標の一つである．これらの生分解性高分子は機械的強度があり scaffold のフレームとしては適当であるが，概して疎水性であり，細胞と相互作用するサイトがないという欠点がある．
そこで生体材料と生分解性高分子のそれぞれの欠点を補完し，長所を共有する一つの解決法として，両者のハイブリッド化が進められた．すなわ
ちオープンポア有するＰＬＧＡの多孔体のポアの内部にコラーゲンマイクロスポンジを複合化させる方法[1-3]や，ＰＬＧＡメッシュにコラーゲンマ
イクロスポンジを複合化させる方法[4]，さらに多孔質アパタイトマイクロビーズと複合化させる方法[5]，軟骨細胞を内包化したコラーゲンゲルと複合化させる方法[6]などである．このように生分解性高分子のメッシュや多孔質体のフレームとコラーゲンマイクロスポンジ等の生体高分子をハイブリッド化させることにより，軟骨細胞の播種性や接着性が向上するだけでなく，敷いては軟骨様組させることだけでは不十分であり，それらの構造を通じて酸素供給，栄養供給も同時進行で達成されなければならない．このように，生体外で組織を再構築するためには，如何に酸素供給，栄養供給を実現させ，細胞，組織を壊死させないかという技術課題が存在する．
（図 1 参照）細胞の大きさ
は両生類でも齧歯類でもヒトでもほぼ同じであり，それぞれの細胞・組織における酸素拡散，物質拡散係数などの物理量も当然ではあるが同じである．
したがって，両生類の心臓は再生できても，ヒトの心臓は同様には再生できないのは，この酸素供
給，栄養供給と再生する組織の大きさとの間に相関関係が存在するからである．酸素供給，栄養供給についてのこの限界を突破する技術的ブレーク
スルーが出現することが切に望まれている．もし，そのような技術が実現されれば，再生医療にとって大きな前進となることは疑いないと考えられる．
本稿においては，その前段階となる技術として2 点，私どもの研究を中心に概説する．ひとつは，
組織シートを作製するものであり，もう一つはス
フェロイドと呼ばれる球状の細胞凝集体を作製するものである．いずれも，壊死を起こす限界以下の組織エレメントを構築するものである．この組
織エレメントから如何により大きな組織を構築す
るか，真にブレークスルーが求められるものはこの先にある技術である．

図 1. 生体組織再構築における問題
3. 3 次元 scaffold による細胞分化，組織形成コ
ントロールの試み
軟骨組織は無神経であり無血管であり，軟骨細胞そのものの酸素要求性，栄養要求性も他の細胞に比べ低いために，ティッシュエンジニアリング

伝熱2004 年 5 月-8-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

この方法は初代培養細胞を含め通常の培養細胞にも適用可能である．例えば線維芽細胞は酸素要求性，栄養要求性が高い細胞であるが，適切な旋回
流れの場において中心部の細胞が壊死することのない適当な径を持ったスフェロイドを形成させることができる．[10]（図 3 参照） スフェロイドの形成条件は単に流体力学的な場の作用のみならず，細胞-細胞相互作用の強さによって大きく左右され，これらの相互作用は生化学的刺激によって変化し，形成条件も異なることがわかっている．[11]織の形成能をも向上させることが可能となる．図
2 はＰＬＧＡメッシュにコラーゲンマイクロスポ
ンジを複合化させた 3 次元培養担体に 2 継代目のウシ関節軟骨細胞を播種し長期培養したものである．４週ほどで培養担体がマトリクスで被われる．
マトリクスに埋め込まれた軟骨細胞は round shapeを回復するだけでなく，ＩＩ型コラーゲンおよび
アグレカンの発現が増加し，Ｉ型コラーゲンの発現が減少する．このことは，このような 3 次元培養担体が組織形成と同期して，脱分化した軟骨細胞を細分化させる機能を持つ可能性を示していると考えられる．[7] 軟骨組織は前述のようにシンプルな組織であり，このような発想の３次元培養担体を用いても組織形成と分化制御がある範囲で可能であるが，より複雑な組織においても，未分化細胞の分化制御と組織形成をマトリクスからのシグナルと担体の３次元構造から実現することのできる可能性があると考えられる．[8-9]これらのスフェロイドは例えば培養皮膚に適用可能である．培養皮膚は細胞とマトリックスのみで形成させる方法がある一方で，その機械的強度や
ハンドリングの面から生分解性高分子を素材とするメッシュ等を培養担体として用いる場合がある．
このケースにスフェロイドは適用可能であり，数百ミクロン程度の隙間を持つメッシュにはこのスフェロイドはトラップされ，迅速な真皮組織の形成が可能である．[12]軟骨細胞はその発生段階で細胞凝集が見られ，その細胞凝集が軟骨細胞分化に大きな役割を果たしていると考えられている．また，成熟した軟骨細胞は in vitro 培養系では脱分化しやすく，その脱分化を抑制し，軟骨細胞としての機能を維持するためにも細胞凝集が必要であると考えられている．
そこで，軟骨細胞のサスペンションを遠心することにより細胞凝集体を作製し，上述の機能を実現する方法が研究されている．これはペレット培養と呼ばれ，軟骨細胞の分化維持のみならず，間葉系幹細胞から軟骨細胞への分化の必須ステップとして用いる研究も行われている．しかしながら，
この方法の欠点は 1 本の遠心管で 1 つのペレットしか作製できないため，基礎研究のツールとしては有用であるが臨床研究としては非現実的な側面を持っている．そこで，ペレット培養の利点を備え，欠点を補う方法として同じく旋回培養法によるスフェロイド形成を試みたところ，線維芽細胞と同様，軟骨細胞においても可能であることが示された．[13] このスフェロイド形成は間葉系幹細胞でも可能であることが確認されている．したがって，ペレット培養と同等の機能，すなわち軟骨細胞の分化維持，未分化間葉系細胞の軟骨細胞への分化制御，を備えていると考えられる．また，
このスフェロイドは分化制御としてのインキュベ

図 2. PLGA メッシュ・コラーゲンマイクロスポン
ジハイブリッドを用いた軟骨組織の再構築
4. 微小組織エレメント構築の試み
細胞凝集というステップは例えば軟骨形成など
発生の段階でしばしばみられる現象であり，このような細胞ﾑ細胞相互作用は細胞の分化，組織形成にある役割を果たしていると考えられている．In
vitro においても細胞凝集体（スフェロイド）の形
成は，例えば肝細胞やある種の神経細胞では，それらの細胞の機能維持，分化制御にとって重要な意味を持つことが知られている．これらのスフェ
ロイドは，材料表面処理または旋回流れなど能動的な流体流れの場で形成させることができるが，-9-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動ータとしての役割を果たすだけでなく，組織形成のためのエレメントとして，すなわちマイクロ組
織エレメントとして組織再構築にそのまま適用可能であるという点で，多くの組織の再構築に可能性が開かれていると考えられる．
（Fig.4 参照）もとより，組織形成には微小血管網の同時形成が必須であるが，このような壊死を免れたぎりぎりのサイズでのマイクロ組織エレメントを出発材料とする方法は一つの可能性であると考える．

455-457, 2000
[4] Chen G, Ushida T, Tateishi T: A Hybrid Networkof Synthetic Polymer Mesh and Collagen Sponge.
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[5] ChenG,UshidaT,TateishiT:Poly(DL-lactic-co-glyc
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図 3. 旋回流れによって形成された細胞凝集体
5. おわりに
生体外で組織を再構築するためには，如何に酸素供給，栄養供給を実現させ，細胞．組織を壊死させないかという技術的課題が存在する．その第1 ステップとして，壊死を免れる限界の大きさの組織エレメントを構築する基盤技術を確立する必要がある．そして第 2 ステップとして，その組織
エレメントに酸素および栄養を供給するシステムの構築技術の確立が強く望まれている．具体的には毛細血管網の構築技術の確立であるが，その実現のためには多くの分野の研究者による融合的な研究協力が必要不可欠である．
参考文献[1] Chen G, Ushida T, Tateishi T: Fabrication of
PLGA-Collagen Hybrid Sponge, Chem. Lett.,
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[2] Chen G, Ushida T, Tateishi T: A biodegradable
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生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

MRI 誘導下経皮的組織内凍結治療
MR-imaging guided Percutaneous Interstitial Cryoablation

清水 匡（北海道大学）
Tadashi SHIMIZU (Hokkaido University)
1. はじめに凍結治療の歴史は古く，約 150 年前にロンドンの Arnott らによる報告が最初とされる[1]．当時の凍結治療は凍結生理食塩水を直接体表の患部に接触させるという原始的な方法であったが，腫瘍のサイズの縮小，出血や痛みの軽減が得られた．
1961 年に Cooper らによって液体窒素を用いたプローブタイプの治療装置が開発され，初めて体内深部の組織内凍結治療が可能となった．その後，直腸，乳腺，口腔内，前立腺，肝など多数の臓器に対して組織内凍結治療が行われたが[1]，凍結範
囲を正確にモニタする方法が無く，凍結のメカニ
ズムも液体窒素のプローブ内への流入による凍結と停止による自然解凍という単純なものであった．
1980 年代になって超音波断層診断装置によるモニタが行われるようになったが，凍結領域（固体）と非凍結領域（大部分が水）の音響インピー
ダンスの差が大きく，超音波は凍結領域の表面で反射され，深部の情報が得られない弱点があった．
このため，治療域が広すぎて合併症を発生したり，逆に不完全な治療域のために満足の行く局所制御が得られなかったりした[1]，[3]．
凍結治療が普及するに到らなかった理由は主に次の 2 点である．ひとつは凍結に用いる液体窒素などの冷媒の取り扱いが煩雑で，断熱の必要性か
ら穿刺プローブを含めたデバイスが複雑なものにならざるを得なかったこと．もうひとつは，上述の超音波画像のように凍結領域全体を完全にモニタする方法が無かったことである．
これに対して，1989 年，磯田は世界に先駆けて
MRI による凍結領域のモニタの有用性を報告したが[5]，1990 年代後半になって，MRI の凍結領域の描出が CT，超音波に勝ることが示された[6]．
さらに，高圧ガスによるジュール・トムソン効果を利用した MRI 対応のプローブの開発され，現在に到っている[7]，[8]．

-11-この間，凍結による組織破壊のメカニズムが詳細に解明されてきたが，主に以下の３点に集約される[1]．
①急速な極低温による細胞内液の氷結．
②寛恕な温度低下による細胞外液の氷結に伴う細胞の浸透圧性の脱水．
③低温下での血管内膜障害による血栓形成とこれに伴う梗塞による組織壊死．
①と②は細胞の直接障害であり，③は細胞の機能維持に必要な物質が血流遮断によって供給されなくなることによる間接的な障害である．
また，凍結治療は他の局所療法には見られない
以下のような利点を有している．
①低温麻酔効果により痛みがない．
②熱や薬物による蛋白変性がないため，本来体内にない物質が生成しない．
③臓器・組織によっては正常組織の再生の可能性がある．
今回，われわれは慈恵医科大学附属柏病院放射線科とともに肝腫瘍，腎腫瘍および子宮筋腫に対する MRI ガイド下の経皮的組織内凍結治療を行う機会を得たので以下にその方法および成績について概説する．
2. 方法
2.1 装置凍結装置 Cryo Hit（Galil Medical, Israel）を図 1に示す．常温の高圧アルゴンガスとヘリウムガス（300bar.）ボンベ，コントロールユニットおよびMRI 対応の温度センサー付きプローブで構成され，プローブは直径が 2 および 3mm が選択可能
である．
プローブの内部は同軸構造で中心の細管内を高圧のガスが通過し，先端のチャンバー内に噴出する時にジュール・トムソン効果によって周囲を冷Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

図 3．水平型 0pen type MRI
図 1a．コントロールユニット
2.2 治療凍結用プローブは MRI 画像でモニタしながら経皮的に直接病変に刺入する．病変が大きく，広い凍結範囲を得る必要がある場合には複数のプローブを刺入するが，それぞれのプローブは-20℃で病変内に固着し，呼吸の動きなどによるずれを防ぐ．凍結用プローブがすべて予定の位置に留置された時点で freeze mode で凍結を開始する．凍結サ
イクルは 2 サイクルを原則として，第 1 凍結 5〜8分，自然解凍 2〜3 分，第 2 凍結 5〜8 分とし，MRI

図 1b．MRI 対応凍結用プローブ

図 2. 凍結用プローブの構造でモニタされた凍結領域によって適宜，凍結時間を決定する．凍結範囲の MRI モニタは 30 秒ない
し 1 分間隔で行う．凍結終了後，thaw mode でプ
ローブ周囲を強制解凍し，プローブを抜去する．

却する（図 2）．先端数センチに熱交換構造（下向き白矢印部分）を備えており，低温のフィードバ
ックよって先端の限局した領域だけが効率よく冷却される．
ヘリウムガスを通した場合にはジュール・トム
ソン係数のちがいにより，発熱が起こり，解凍に用いられる．本装置は凍結用プローブを同時に 5

2.3 適応条件
1. 全身状態が良好
2. 年齢 20 歳から 75 歳
3. 腫瘍数３個以下
4. 腫瘍径：単発の場合 5cm 以下．2 個および 3個のとき 3cm 以下
5. 他に重篤な合併症を有しない本まで使用でき，それぞれ独立して，先端の固着（stick mode），凍結（freeze）および強制解凍（thaw）の各 mode の切り替えと温度設定が可能である．
モニタリングに用いた MRI を図 3 に示す．水平型の Open type MRI ( Airis II; HITACHI Medico,
Japan )で,intervention 用にガントリーの側方に吊3．結果
北海道大学医学部倫理委員会および厚生労働省の承認を受け，肝腫瘍，腎腫瘍および子宮筋腫の30 例について治療を行った．内訳を下記に示す．
肝細胞癌 15 例 16 結節．腫瘍最大径：1.2 から
4.5cm，平均 2.5cm．凍結範囲の最大径：3.5 から
6.3cm，平均 4.4cm．凍結用プローブの本数：1 から 3 本，平均 2.1 本．凍結時間：12 から 23 分，平均 14.5 分．
腎細胞癌 6 例 11 結節．腫瘍最大径： 1.5cm かり下げ式の可動型液晶ディスプレイ（矢印）を装備している．MRI 透視および直交 2 断面同時撮像のシークエンスも備えており，準リアルタイムあるいは 2 方向同時に病巣，穿刺位置，プローブ，
凍結範囲などを確認できる．

伝熱2004 年 5 月-12-

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図 4. 凍結プローブの MRI モニタ（肝癌症例：プローブを→で示す）
ら 4.8cm，平均 3.1cm．凍結領域最大径： 3.0cm から 6.5cm，平均 4.6cm．凍結用プローブの本数：1から 3 本，平均 2.2 本．凍結時間： 10 分 から 48
分，平均 18.0 分．
子宮筋腫 6 例 7 結節．腫瘍最大径： 3.7cm から10cm，平均 7.4cm．凍結領域最大径： 4.8cm から 8.5cm，平均 6.5cm．凍結用プローブの本数：2から 4 本，平均 3.0 本．凍結時間： 10 分 から 41
分，平均 18.7 分．
凍結用プローブは肝腫瘍の 1 例を除いて明瞭な図 5. 凍結領域の MRI モニタ
上：軸面像，下：冠状断像（子宮筋腫症例：凍結領域を→で示す）

無信号帯として確実に描出され，正確な刺入が可能であった(図.4)．プローブの描出が不良であった
1 例は，肝腫瘍を描出するための酸化鉄コロイドの過剰投与によって肝実質の信号強度が大幅に低下したことが原因であった．
また，凍結範囲は境界明瞭な著名な低信号から無信号域として全体が正確に描出された（図 5）．
合併症として 1 例に胸膜炎，1 例に気胸，1 例に血胸が見られたが対症療法で軽快した．また，重篤な合併症として子宮筋腫の 1 例でプローブの穿刺経路の感染を認め，開腹手術により軽快した．
いずれの疾患においても，低温による麻酔効果のため凍結中の痛みの訴えはなかった．
経過観察にて 5 例（肝癌 3 例，腎癌 2 例）に局所再発を認めた．
4．考察
4.1 アルゴンガスを利用した凍結装置
組織内凍結治療は上述の如く，凍結時に無痛であること，ラジオ波焼灼術やエタノール注入療法で見られる凝固蛋白などの変性産物が発生しな
いこと，臓器によっては正常組織の自然治癒が期待できることなど，他の経皮的局所療法に無い利点を有している．また，凍結範囲が MRI 画像上で

-13-

無信号域として明瞭に描出されたが，これは治療範囲の確認はもとより，周囲臓器への影響を画像上で確認しながら回避できる点で，更にもうひとつの利点である．今回使用した凍結装置 Cryo Hit
はジュール・トムソン効果を利用しており，常温の約 300bar.の高圧アルゴンガスを MRI 対応凍結用プローブ内に通気して先端を約-140℃に冷却，逆に高圧ヘリウムガスを通気して約+35℃に加熱できる．更に，先端の冷却，解凍の温度設定が可能であり，プローブに内蔵された温度センサーの情報をもとに凍結・解凍温度が設定温度に自動的に保たれる．従来の液体窒素を用いた組織内凍結
治療装置は液体窒素をプローブ先端まで誘導する経路の断熱が必要であり，瞬時の能動解凍への切り替えが困難な点，自由な温度設定が難しい点な
どで Cryo Hit に劣る．また，MRI で凍結領域をモニタする過程で，凍結範囲は分単位でゆっくり広がるため，凍結の on. off，能動解凍してのプロー
ブの位置変更などで凍結範囲の形状の修正が可能
である．
4.2 MRI モニタリング
モニタリングに使用した低磁場の水平型 OpenMRI は，汎用の診断用装置を interventional MRIに転用したものである．本装置を用いることで，Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

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在する．合併症の頻度を低下させるためには出来るだけ小径の凍結用プローブが良いが，一般には径が細くなると凍結領域も小さくなる．より生体侵襲の少ない治療を目指すうえでより径が細く大きな凍結半径の得られるプローブが必要である．
また，腫瘍性病変は多くの場合球形に近い形状
であり，凍結領域も球形に近いことが望ましい．
従って，現在は涙滴型の凍結用プローブ周囲の凍結領域は球形に近いことが必要である．
更にプローブに求められる性質としては硬い材
質，曲げに強い構造で先端が鋭利なものが求められるが．今回使用したプローブではまだ不十分である．

凍結用プローブおよび凍結領域は境界明瞭な無信
号域として描出され治療範囲と周囲の構造の関係を正確に把握することが可能である．また，MRIの特徴として軸面像以外に任意の断面で撮像できるため，凍結用プローブの立体的な位置関係の確認が容易であり，凍結領域辺縁と腫瘍や周囲組織との関係も部分容積効果の影響の少ない，より正確な画像で評価が可能である(図 5)．本装置にインストールされている最大 2 秒に 1 コマの撮像シー
クエンスは凍結プローブの位置を準リアルタイムにモニタすることを可能にしており，安全で正確な病変への刺入を可能にしているが，リアルタイ
ム性を向上するためには更に高速なシークエンスの開発が必要である．また，直交 2 断面同時撮像
機能は試作段階ではあるが，凍結プローブおよび凍結範囲の立体的な位置関係や周囲臓器との関係をより短時間で確認できるようになった．
一般に-40℃以下で細胞内液が凍結し，直接的な組織破壊が起こるとされ，-20℃以下で血管障害による組織壊死が起こると報告されている[2]．Mala

4.4 凍結治療のパラメータ
凍結治療による組織破壊は凍結温度，凍結時間，凍結・解凍の繰り返しおよび解凍時間が重要な因子である．上述のように温度の影響は解明されているが，最適な凍結時間や凍結・解凍の繰り返し
回数は未だに不明であり，今後の解明が待たれる．
なお，凍結繰り返しによる氷晶形成のメカニズム
や利点は Dilley ら[11]や Whittaker ら[12]によって報告されており，今回は 2 回の繰り返しを採用した．

らは均一な媒体内での凍結プローブ周囲の温度分布を算出し，−40℃は凍結表面から 2.0 から 5.2mmの範囲で実現するとした[9]．従って，本治療においては腫瘍の表面より少なくとも 5mm 外側まで
凍結範囲を確保する必要がある．今回の我々の結果でも 5 例の再発のうち 4 例が腫瘍辺縁からの再発であり，十分な凍結マージンを取れなかったことが原因と考えられる．MRI 誘導下の凍結治療に
おいては凍結範囲内のすべての構造が無信号となるために凍結範囲内の腫瘍の位置が不明確になり，十分な凍結領域を確保できたか否かを確認できな
い．この問題の克服が今後の課題のひとつである．

4.5 合併症
合併症として，気胸，血胸および胸膜炎を認めたが，いずれも肝組織の凍結に伴う合併症ではな
く，穿刺経路が肋骨横隔膜角を貫通したために発生したものであり，穿刺手技に伴う合併症であった．
また，重篤な合併症のひとつに凍結部の cracking

4.3 伝熱工学に関連する課題
Rewcastle らは複数の凍結プローブを同時使用
した際の 3 次元温度分布を算出している[10]．実B

際の臓器では血管が熱の供給源となり均一な媒質とは異なる温度分布を示すことが考えられ，今回の治療例でも肝癌の 1 例で周囲血管周囲からの再発を認めた．これからの治療計画には血管系を含めた局所的な熱の出入りを考慮したモデルが必要
である．
生体に針ないしプローブを刺入する場合にはその直径と合併症（予期せぬ損傷）に正の相関が存

伝熱2004 年 5 月

A

図 6. 被膜下の腎癌凍結治療の MRI（A：右腎，B：肝，プローブと凍結領域：→）-14-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動が上げられるが[4]，図 6 の腎癌の凍結治療に示す
ような皮膜直下の腫瘍の凍結でも亀裂などの発生はみられなかった．
5．結語
MRI ガイド下経皮的凍結治療は，凍結用プロー
ブの正確な刺入と凍結領域の明瞭な描出が得られ，精度の高い，安全な治療が可能であり，有効な治療法と考えられた．なお，本治療は㈱日立メディコの依頼により「腹部臓器の新生物に対する冷凍手術器を用いた凍結療法」の治験として厚生労働省および本学倫理委員会の承認のもとに行われ，現在，厚生労働省に Cryo Hit の機器承認を申請中
である．
参考文献
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141-154(1991), 901-907[4] Sarantou T, Bilchik A, Ramming K, et al,
Seminars in Surgical Oncology, 14 (1998),
156-162[5] Isoda H, Nippon Igaku Hoshasen. Nippon Acta
Radiol, 49 (1989), 1499–1508[6] Tacke J, Speetzen R, Heschel I, et al, Cryobiology,
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1125-1137[11] Dilley, A. V., Cryobiology, 30 (1993), 74-85[12] Whittaker, Cryobiology, 11 (1974), 202-217[2] Gage AA, Baust J, Cryobiology, 37 (1998),
71-186,[3] Onik G, Rubinsky B, Zemel R, et al, Cancer 67-15-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

超音波の生体効果を利用したガン治療
Tumor Treatment utilizing Ultrasonic Bioeffects

梅村 晋一郎（日立製作所中央研究所）
Shin-ichiro UMEMURA (Hitachi Central Research Laboratory)形成できることを確認したのち[2]，脳障害を治療する最初の臨床応用を行った．その後，1990 年近
くになって，Sanghvi らは，図 1 に示すような，焦点距離・外径ともに 30mm の小型トランスデューサを用いて直腸壁を介して集束超音波を照射し，尿道周囲の前立腺組織を加熱凝固する装置を開発
し，臨床的有用性を示した[3]．

1. はじめに
超音波の生体効果を利用したガン治療は，前立腺ガンの経直腸的加熱凝固治療として実用化された．しかし，フォーカルスポットが小さすぎることに起因して，単位時間あたりに治療可能な体積が小さい．本稿では，この治療スループットの課
題を分析するとともに，この課題解決を目的として我々の開発したスプリットフォーカス技術を紹介する．さらに，腫瘍の超音波に対する感受性を，
音響化学活性物質により高めることにより，この課題を解決する音響化学療法についても紹介する．
2. 低侵襲治療手段としての超音波の特長
波動の性質を利用して作用領域を限定した治療効果を発生させる方法としては，放射線治療・光化学治療・電磁的ハーパーサーミアなど電磁波の応用が臨床に用いられている．しかし，一般の電磁波には，フォーカス効果を得るために電磁波の波長を人体の寸法より充分短くすると，生体中での減衰係数が大きすぎてフォーカス領域まで到達する前に減衰してしまい，逆に減衰係数が充分小さな波長を選ぶと，人体より長くなってフォーカ
ス効果が得られないという難点がある．これに対して，超音波は，人体の厚み 10〜20cm 程度より２桁程度短い波長において，その寸法を伝播する
あいだの減衰が１桁程度と大きすぎないため，患部に適合する深さと大きさをもつ焦域に波動エネ
ルギーをフォーカスできるという特長をもつ．

a 30 mm

図 1. 前立腺の経直腸的加熱凝固治療[3]4. 超音波加熱における生体熱輸送の解析
図 1 のように照射された超音波が吸収されて発生する熱による生体組織の温度上昇は，次の生体
熱輸送方程式(bio-heat transfer equation)を用いるこ

3. 超音波加熱凝固治療
超音波による加熱凝固治療の研究の歴史は古く，
1942 年，Lynn らは，集束超音波により周辺組織を損傷することなくウシの肝臓内に微小な壊死領域を形成し，その結果を報告した[1]．1950 年代に入り，Fry 兄弟らは，精密な集束超音波装置を開発し，ネコの脳に正確に限局した凝固壊死領域を

伝熱2004 年 5 月とにより解析することができる[4]．
ȡC

wT
wt

§ w 2T w 2T w 2T ·¸  q  wBCBT

ț¨

¨ 2
2
2 ¸
wy
wz ¹
© wx

(1)

ここで，U，C，Nは生体組織の密度，比熱，熱伝導率であり，wB および CB は血流量および血液の比熱である．ここで，空間的・時間的に変動する-16-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動mm-20
超音波照射開始後 1 s

-15
-10
-5
0
5
10
15
20

4s

-15
口径長軸方向の距離

主な変数は，超音波吸収などによる発生熱量 q と血流温度を基準とする生体温度 T である．血流による冷却効果を，方向性なく分布する温度一定の熱浴との熱交換に置き換えてしまうという大胆な近似であるが，これにより，実用上充分な精度で生体組織の温度を予測することができる．
この(1)式を用いた解析例として，図 2 に示すような集束型超音波トランスデューサを用いて生体組織を加熱した場合について数値計算した．これは，図 1 と同様，前立腺治療を目的に試作した小型トランスデューサであり，その仕様は，周波数3MHz ， 曲 率 半 径 35mm ， 口 径 40mm( 長 軸 ) ×20mm(短軸)である．解析結果として得られた温度分布の例を図３に示す．生体組織の熱伝導率は
N=5.5mW/cm/ o C ， 血 の 組 織 灌 流 率 は
wBCB/ҏUC=0.006/s で，ともに一様と仮定した．

-10
-5
0
5
10
15
20

加熱用トランスデューサ@ 3 MHz, 曲率半径 35 mm

300 s

-15
-10
-5
0
5

20 mm

10
15

40 mm
撮像用プローブ@ 7 MHz, 曲率半径 10 mm

20
0

10

20

30

40

体表面からの深さ

50

60
mm

図 3. 集束超音波照射により形成される生体組織の温度分布

図 2. 経直腸加熱凝固治療用トランスデューサ
図 3 では，超音波照射開始後 1s，4s，300s の生
体組織内温度分布について，その口径長軸方向断面へのプロファイルとして示した．温度は，それぞれの分布における最大値により規格化した．超音波照射開始後 1s の温度分布は，超音波強度分布
そのものをほぼ忠実に示している．これは，加熱開始後 1s という短時間では，温度上昇値 T の値自身が小さいために，(1)式右辺第 1 項・第 3 項ともに，第 2 項に比べてはるかに小さく，無視し得るためである．
超音波照射開始後 4s の温度分布も，大まかに見れば，超音波強度分布に近い．このような温度分

布は，(1)式右辺第 1 項の大きさが左辺に近くなるまで続く．すなわち，加熱開始からの経過時間が，熱伝導率 Nとフォーカルスポットの代表的寸法 d〜1mm および体積あたりの比熱 UC=4J/cm3/oC により決まる時定数 WC=UCd2/k〜10s の程度に達するまで続く．超音波加熱凝固療法の原理は，この時定数よりも短い時間のうちに，フォーカルスポットをおいた生体組織の温度を蛋白凝固点以上に加熱することにより，フォーカルスポットの大きさを反映した幾何学的選択性の高い治療を実現するところにある．

-17-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動と，焦点については，上記 WC に近いのに対し，中間点については，上記 WB に近く，温度下降が緩やかである．これは，焦点の冷却は主に周囲への熱伝導により，中間点の冷却は血流によるためである．従って，中間点における熱の蓄積を防ぎ，中間点にある正常組織に対する副作用を防ぐためには，数秒間の超音波照射と次の照射との間に WB

一方，超音波照射開始後 300s の温度分布は，1s，4s の場合と大きく様子が異なり，焦点と体表の中間点の温度上昇値が，焦点の半分近くまでもち上がってしまっている．これは，加熱開始からの経
過時間が，血の組織灌流率 wBCB/ҏUC=0.006/s により決まる時定数 WB=UCd/wBCB〜160s の程度を越えたためである．すなわち，発生した熱 q のうち，血流に持ち去られる分（(1)式右辺第３項）が，温度上昇に使われる分（(1)式左辺）より多くなったためであり，後者が無視し得るほど小さくなれば定常状態に到達する．定常状態における温度分布は，熱伝導率 Nと血流量 wBCB によりきまる寸法
定数 (N/wBCB)1/2〜5mm により平滑化された分布となる．同じ集束超音波を用いても，長時間加熱を行うハイパーサーミアでは，幾何学的選択性が相対的に低くなってしまうのは，このためである．
以上に述べたように，原理的に優れた幾何学的選択性をもつ超音波加熱凝固療法であるが，そのフォーカルスポットの小ささが，逆に，単位時間あたりに治療可能な体積が小さいという問題を生ずる．フォーカルスポットが小さくても，それを数秒単位で走査していけば，治療のスループットを上げられるようにも思われるが，それでは，焦点と体表の中間点の温度上昇が避けられない．
ºC

点

5. スプリット・フォーカス法
このスループットの問題を解決するには，フォーカルスポットの体積を大きくする方法が考えられる．超音波周波数を下げれば，フォーカルスポ
ットの体積は，その 3 乗に反比例して増加するが，超音波の集束による幾何学的選択性が低下してしまうので，この方法だけでは限度がある．
スプリットフォーカス法は，超音波伝播方向には拡大を防ぎながら，焦点面方向にフォーカス領域を拡大する技術[4]である．その原理は，集束超音波音場の音圧の位相を変調することにより，フォーカルスポットを焦点面方向にスプリットさせることにある．スプリットされた複数のフォーカ
ルスポットの間に挟まれた生体組織の温度も，数秒の超音波照射時間の間に起こる熱伝導により上昇するので，連続した凝固領域の形成が期待される．
図 2 に示した集束型トランスデューサは，この

ºC

50

5

40

4 間

焦

程度の長さの冷却時間をおく必要がある．これが，超音波加熱凝固治療のスループットを著しく制限する結果を招く．図 3 の場合の例では，フォーカ
ルスポットの体積は，0.01cm3 と小さいので，体積わずか数 cm3 の患部を加熱凝固するのに，数時間を要することとなってしまう．

中

点
の 30

3

温
度

20

2

の
温
度

上 10
昇
0
0 超音波 5
ON

0
経

10
過 時

間

15
（s）

昇

20

図 4. 集束超音波により加熱された生体組織の温度変化

mm-5 シングルスポットフォーカス スプリットフォーカス
超音波照射開始後 1 s
口径短軸方向の距離

1 上

0

0

その状況について図４を用いて説明する．この
例では，4s 間の集束超音波照射によって，焦点の組織温度が 50oC 上昇する間の中間点の組織温度上昇は 2oC に留まっている．ところが，超音波照射を OFF した後の温度下降の時定数に着目する

伝熱2004 年 5 月

4s

5

5

2

25

30
35 20
25
体表面からの深さ

30

35
mm

図 5. スプリットフォーカス法による焦域の拡大-18-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

スプリットフォーカス法を試すことを目的として，
口径が短軸方向に 2 分割されており 40mm×10mm の素子 2 枚により構成されている．これを凝固治療のスループットを少なく見積もっても 2倍以上改善できることになる．

用いて生体組織を加熱した場合に得られる温度分
布を前節と同様に数値計算した．温度上昇値をピーク値で規格化し，その分布を，焦点付近の口径
短軸方向断面へのプロファイルとして，等高線に
より図 5 に示した．２素子を位相反転駆動して得られるスプリットフォーカスによる超音波強度分
布には，2 つのピークの間に強度 0 の谷が走っている．超音波照射開始 1s 後の温度分布は，これをほぼそのまま反映しており，2 ピーク中間点の温度上昇は，ピーク値の半分程度である．これに対し，加熱開始 4s 後の分布では，同じ点の温度上昇
がピーク値の 80%以上となっている．温度上昇がピーク値の 70%以上の領域を加熱凝固域とみなし，

6. 音響化学治療
超音波治療のスループットを改善する方法としては，腫瘍など患部の超音波に対する感受性を，薬物により高めることが考えられる．我々は，様々な化学物質を探索した結果，図 7 に化学構造を示
すようなポルフィリン系の物質が，超音波照射により生じた音響キャビテーションの効果により活性化して，図 8 の実験結果のような音響化学的抗腫瘍効果を示すことを発見した[6,7]．この実験では，
音響キャビテーションを発生させやすくするために，定在波の発生する条件で超音波照射(2MHz)を行っているが，化学物質単独の殺細胞効果が無視できる濃度において，超音波の殺細胞効果を，ヘマトポルフィリンは約 2 倍，ガリウム・ポルフィリン錯体は，1 桁ちかくも増幅している．

その体積を計算すると，スプリットフォーカスが，2 素子を同相駆動して得られるシングルスポット
フォーカスの場合の 3 倍以上になっている．

ＨＯ

Ｈ２１Ｃ１０Ｏ

スプリット

シングルスポット

Ｎ ＨＮ
集束
超音波

超音波強度：850 W/cm

Ｎ

照射時間：4ｓ0.12 cm

3

ＯＨ

0.72 cm

ＯＣ１０Ｈ２１

Ｎ

Ｎ
Ｇａ
Ｎ Ｎ

2

Ｎ

3

ＣＯＯＨ ＣＯＯＨ

Ａｓｐ

ヘマトポルフィリン

図 6. スプリットフォーカス法の効果

Ａｓｐ

Ga-ポルフィリン

図 7. 音響化学活性ポルフィリンの化学構造
スプリットフォーカスの効果を実際に確かめるために，図 2 と同様の集束型トランスデューサを用いて，ブタ肝臓を開腹下で超音波照射した．超音波周波数 4.2MHz にて加熱凝固した肝臓の断面が図 6 である．数値計算による予想の通り，スプ
リットフォーカスによっても，連続した加熱凝固領域が形成されている．この例では，スプリット
フォーカスにより，シングルスポットフォーカスの約 6 倍の体積をもつ凝固壊死領域が形成されており，平均としても 4 倍以上の凝固壊死体積の拡大が観測された[5]．照射した超音波エネルギーは，
スプリットフォーカスがシングルスポットの場合の 2 倍弱なので，超音波照射の間におくべき冷却時間は２倍程度延長すれば充分である．従って，
スプリットフォーカス技術によれば，超音波加熱-19-

ポルフィリン単独 (80 PM)

1
細超音波単独 @ 2 MHz

胞
生

ヘマトポルフィリン

0.1

存

+超音波

率
0.01
Ga‑ポルフィリン
+超音波
0.001
0

30
時

間

60
(s)

図 8. ポルフィリンの音響化学的抗腫瘍活性

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動（MI）が定められた．
まず，超音波波形としては，波連長が長いことによる効果を考慮から除外して，図 9 に示したような負圧の半サイクルから始まるパルス波を考え，その最初の１サイクルの間に起こる圧壊型の過渡的キャビテ−ションを扱う．初期半径 R0 から超音
波負圧により気泡が最大半径 R１まで膨張する間は，等温過程を，最大半径 R１から気泡が最小半
径 R２まで急速に収縮する間は，断熱過程を，仮定する．これらの過程において，液体の圧縮性と粘性および気泡壁の表面張力の影響は無視する．
これらの近似により，最小半径 R２における最高
到達温度 T２を，等温過程における膨張比 R１/R０

これらポルフィリンと超音波の相乗効果は，
1)活性酸素の寿命が長くなる重水中で倍増する
2)ヒスチジンなど活性酸素消去剤により減少する
3)溶存空気を窒素置換した水溶液中では消滅することなどから，音響キャビテーションにより活性化したポルフィリンが発生する活性酸素の作用により生じていると考えられる．
さらに，このガリウム・ポルフィリン錯体には，側鎖のアルキル基の長さを最適化することによって腫瘍集積性が与えられている．従って，音響キャビテーションを集束超音波により局所的に生成することができれば，集束超音波の幾何学的選択
性と腫瘍集積性音響化学活性物質の分子的選択性との相乗効果による高い選択性が期待できる．

の関数として表わすことができる．
気泡半径が R１から R２まで断熱的に収縮する間に，液体全体に対し大気圧 p0 のする仕事は，気泡表面において液体が気泡に対してする仕事に等しいから，

7. 圧壊型音響キャビテーションの解析
前節に述べたような音響化学効果は，超音波照射により発生してミクロン程度の共振サイズまでに成長した微小気泡が，急激に圧壊するとき，内部の気体が断熱的に圧縮されて生ずる高温・高圧
状態により生ずる．この極めて動的な変化を可能な限り正確に数値計算しようという試みも多いが，本稿では，数値的誤差には目をつむり，物理的見通しの簡単な近似を用いてこれを解析する．Apfelと Holland は，この近似を用いて，音響キャビテー
ションによる生体作用を導く可能性を解析し[8]，この解析にもとづいて，メカニカルインデックス

R2

R

2
§R ·
 ³ p1 ¨¨ 1 ¸¸
© R ¹R

 ³ p 0 4SR 2 dR
R1

3J

4SR 2 dR(2)

1

ここで，Jは気泡内の気体の比熱比，p1 は気泡半
径 R１のときの気泡内圧である．積分を実行すると，ª§ R ·3 ºp0 «¨ 1 ¸  1»«¬© R2 ¹»¼

3J

3ª§ R ·§R · ºp1 «¨ 1 ¸  ¨ 1 ¸ » / J  1 (3)«¬© R2 ¹© R2 ¹ »¼

R2≪R1 のとき，
MPa

p0

§R ·
# ¨¨ 1 ¸¸
p1 © R 2 ¹

0.2

3 J 1/ J 1(4)

音

従って，この間の温度変化は，

0
圧
-0.2

T2 § R 1 ·¸#¨
T1 ¨© R 2 ¸¹R

3 J 1# J 1p0
p1(5)

ここで，T１は気泡半径が R１のときの気泡内温度である．一方，気泡半径 R０から R１までは，等温的に膨張すると近似すると，

2R0
気
泡
半

R0

p0

径

R
0

0.1 0.2

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
時 間 (Ps)

図 9. 音圧と気泡半径の時間変化

伝熱2004 年 5 月

1

p1§ R1 ·
¨
¸
¨R ¸
© 0¹

T1

T0

3

(6)
(7)

ここで，T０は室温である．(6)式と(7)式を(5)式に代入すると，-20-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動§R ·T2# J  1 ¨¨ 1 ¸¸T0
© R0 ¹ターであるという結論は有用である．
気泡半径の音圧による変化を Rayleigh-Plesset 方

3(8)

程式を数値的に解くことにより解析して，一定の気泡膨張比 (R1/R0)3 を与える音圧振幅の負圧最大
値 p-と超音波周波数 f との関係を求め，図 10 に示した．これらが，破線により示したという，気泡の膨張比から最高到達温度を与える
便利な関係式が得られる．
これは，気泡を弓に例えると理解しやすい．弓をゆっくりと引き，すばやく解き放すときに放たれる矢のエネルギーが，解き放す寸前の変位量できまるのと同じように，最高到達温度 T２が，断熱的収縮の始まる寸前の気泡体積の膨張比 (R1/R0)3
で与えられるわけである，(8)式に，空気の比熱比 J＝1.403，室温 T０≒300oK を代入すると，径の膨張
比 R1/R0≒3.5，体積膨張比 (R1/R0)3≒41 のとき,収縮時の気泡の温度が,最高 T２≒5000oK に到達するp / f(9)

const.

の曲線にほぼ乗ることを根拠に，(9)式左辺をメカ
ニカルインデックス（MI)と定義し，音響キャビ
テーションによる生体作用を導く可能性を示す指標として用いられている．

ものと予想される．この関係式は多くのファクターを無視した近似により得られたものであるが，このうち，収縮過程を断熱的であるとした近似および液体の圧縮性と粘性の影響を無視した近似は，T２を著しく過大評価する方向の誤差を与え，気泡壁の表面張力の影響を無視した近似および１回の負圧半サイクルのみの効果を評価する近似は，T２を過小評価する方向の誤差を与えるものと考えられる．従って，(8)式に，数値を代入して得られる
最高到達温度 T２の値そのものの信憑性に過大な期
待はおくことはできないが，圧壊型キャビテーシ
ョンの作用を見積もるとき，断熱的収縮の始まる
直前における気泡の膨張比が，最も重要なファク
MPa
0.4

8. 第 2 高調波重畳法
前節に述べたように，音響キャビテーションにより生じた微小気泡の圧壊による作用の大きさを決める主なファクターは，圧壊の名に反して，正圧ではなくそれに先立つ負圧であると考えられる．
従って，同じパワーの超音波を照射するのであれ
ば，正負非対称な波形により負圧最大値を強調する方が，圧壊型音響キャビテーションの作用を引き出すのに有利であると考えられる．このような波形は，基本波に第 2 高調波を重畳することにより生成することができる[9,10]．
mV
3

2

PM/min
80

分
調
波
2
発
生
強
度 1

音
60 響

@1.5MHz負0.3(R1/R0 )3 =2.8

1 MHz
2 MHz

圧
最
大

0
10
0

5
5

化
40 学
反
応
20
速
度
0
2
0 W/cm100.2

図 11. In Vitro における第２高調波重畳の効果

振3(R1/R0 ) =1.6

幅 0.1

MHz

In vitro の実験には，ヨウ素イオン I- が音響化
学的に酸化されて沃素 I2 が遊離する反応を選んだ．ヨウ化カリウム KI と触媒としてはたらく抱水クロラール CCl3CH(OH)2 とを 0.1M/l ずつ溶解

図 10. 一定の気泡膨張比を与える音圧と周波数

し，空気飽和させた水溶液を反応溶液とした．この反応溶液を超音波透過性のよい袋に入れて脱気

0

1

2
3
超音波周波数4-21-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

216 W/cm@0.5
2
16 W/cm
@
1

3
2

積

2004 年 5 月

無処置

体

伝熱

3

cm
4

瘍

波重畳法によれば，音響化学的に有効なキャビテーションを効率よく発生させることができることが明らかになった．
次に，この第 2 高調波重畳法を前々節に述べた
ガリウム・ポルフィリンと組み合わせて，マウスに移植した実験腫瘍の治療実験を行った．超音波
照射は，集束超音波を用いて，音響キャビテーションの生成には定在波条件に比べて不利である進行波
条件にて行った．その結果を,腫瘍の成長曲線として図 12 に示した．超音波周波数は，基本波として0.5MHz，第 2 高調波として 1MHz を選択した．超音波照射群については，両周波数合計した超音波
強度は 16W/cm2 で一定とし，ガリウム・ポルフィ
リン 5mg/kg を超音波照射 24 時間前に静脈より投与した．縦軸は，処置直前の腫瘍容積に対する観察日の腫瘍容積の比を表わしている．
無処置の対照群では 6 日間に約 10 倍ほど腫瘍体積が増大し， 0.5MHz 単一周波照射群でもこれと大差ない結果であった．1MHz 単一周波照射群では，これらより腫瘍体積の増大が抑えられる傾向があるが，その差は，統計的に有為ではなかった．
それに対して 0.5MHz と 1MHz の第２高調波重畳
照射群では，6 日間で腫瘍容積の増大は 2〜3 倍程度であり，対照群と比較して顕著な腫瘍増殖の抑制が観察された．この実験により，第 2 高調波重畳法を適用すれば，進行波条件にもかかわらず，
集束超音波を患部に照射することにより音響化学的抗腫瘍効果が得られることが確かめられた．

腫

水中に吊し，進行波音場において 1MHz と 2MHzの超音波を同時に照射した．酸化反応の進行は，
波長 350nm における吸光度により定量化した．超音波照射中に反応溶液から２次的に発生する超音
波は，帯域の広いハイドロフォン（水中マイクロフォン）により検出し，周波数分析した．
得られた音響化学反応速度と分調波（1.5MHz）
強度を，基本波（1MHz）と第２高調波（2MHz）の強度を横軸に，図 11 にプロットした．横軸上，基本波と第２高調波の合計強度を一定とし，その比を段階的に変化させた．横軸の下には，そのときの波形を模式的に示した．1MHz においても2MHz においても，単一周波数では音響化学的に有効なキャビテーションが検出されない条件において，すなわち音響化学反応も分調波発生も検出されない超音波強度において，第 2 高調波重畳により，これらが検出されるようになった．音響キャビテーション発生の程度を反映する物理的指標
である分調波強度も，化学的指標である音響化学
反応速度もともに，基本波と第 2 高調波の比が 1：
1 のときに最大値を示した．すなわち，第 2 高調

超音波照射
3分
ATX-705 mg/kg2

8 W/cm
@ 0.5 MHz+ 2
8 W/cm@ 1 MHz

1

0

8

10

12

14

移 植 後 日 数

図 12. 実験腫瘍の音響化学治療における第 2 高調波重畳の効果
9. むすび以上，超音波加熱凝固治療と音響化学治療について，それらの原理を理解する上で有用な解析方法を説明すると同時に，前者の課題である治療ス
ループットの問題を解決すると考えられるスプリ
ットフォーカス法・音響化学活性物質・第２高調
波重畳法を紹介した．これらにより，超音波の生体効果を利用した低侵襲ガン治療が発展し，多くの患者がその恩恵を受けられるようになることを期待する．
10. 謝辞
本稿にて紹介した実験結果は，東邦大学薬学部の弓田長彦助手，日立製作所中央研究所の川畑健
一主任研究員，佐々木一昭研究員により得られたものです．彼らをはじめとする共同研究者に感謝いたします．また，その一部は，1998 年から 2003
年にかけて NEDO 医療福祉機器技術開発プロジ
ェクトとして推進した超音波治療システム研究開発プロジェクトにおいて得られたものです．
参考文献[1] Lynn, J.G. et al., J. General Physiol., 26 (1942),
179-193.
[2] Fry, W.J. et al., Am. J. Phys. Med., 34 (1955),-22-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動413-423.

[7] Umemura, S. et al., Jpn. J. Cancer Res., 84 (1993),
582-588.
[8] Holland, C.K. and Apfel, R.E., IEEE Trans.

[3] Sanghvi, N.T. et al., J. Ultrasound Med., 10(1991), S1-S104.
[4] Cain, C.A. and Umemura S., IEEE Trans.

Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr., 36 (1989),
204-208.
[9] Kawabata, K. and Umemura, S, J. Phys. Chem.

Microwave Theor. Tech., 34 (1986), 542-551.
[5] Sasaki, K. et al., Ultrasound Med. Biol., 29(2003), 591-599.

100 (1996), 18784-18789.
[10] [10] Umemura, S. et al., J. Acous. Soc. Am., 1(1997), 569-577[6] Yumita, N. et al., Jpn. J. Cancer Res., 80 (1989),
219-222.

-23-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

バイオと工学の融合によるナノバイオデバイスの創製
The Invention of the Nano-Biodevice by Fusion of Biotechnology and Engineering

長船 智（徳島大学）
Tomo OSAFUNE (The University of Tokushima)
畠岡 由香利 (徳島大学，現 松下電器産業 先端技術研究所）
Yukari HATAOKA (The University of Tokushima)
馬場 嘉信（徳島大学, 産総研 単一分子生体ナノ計測研究ラボ）
Yoshinobu BABA (The University of Tokushima, AIST)
1. はじめに

ム配列を読み取るのに 3 ヶ月近くの期間と 300 億円以上

ヒトの設計図であるヒトゲノムのシークエンスが，の費用が必要とされており，個人でゲノムシークエンス

2003 年 4 月に終了した．このプロジェクトは当初の予定を行うことはまだ不可能に近い．これらの問題点を解決（2005 年頃）よりも早く終了することになった．この早するためには，まだまだ技術革新が必要である．そのた期の終了は，シークエンスに伴う分析技術の進歩もさる

めにも詳細に生物現象を検討することが必要である．そことながら，それらの技術を可能にした分析機器の発展

こで新たなる仕組みを発見し，それを技術としていくこも大きく貢献している．現在，ポストヒトゲノムシークとが生物学領域であり，この技術を機器へと発展させる

エンス時代と呼ばれており，その中で最も期待を寄せらには工学の技術・知識が重要になってくる．実際，マイれている中の一つがオーダーメイド医療だと考えられる．

クロチップ電気泳動などは半導体技術の発達により可能

現在，これを実現する次世代ナノバイオデバイスの創製になった技術であり，最先端の半導体技術を用いてナノ(図 1)に向けて様々な観点から研究が盛んに行われてい領域の構造を作製することも可能になった（図 2）[8]〜る[1]〜[7]．これを実現することができれば個人個人の体[9]．

質に合った医療を行うことができ，医療行為・薬剤選択・現状の羅患状況・個人の所有している遺伝病因子等のなどを即座に診断できるようになる．その結果，無駄な医療行為を減らす事ができることから患者個人の身体的負担を軽減でき，診療・薬剤費などの経済的負担も軽減す

200 nm x 600 nm

ることができる．
1細胞からの 高速遺伝子 高速分離・ 高感度分離・抽出 タンパク増幅
識別検出
バイオチップ

大容量
メモリー

200 nm x 4000 nm

ナノ微細加工 材料ナノテク 1分子計測
タンパク
200 nm

図 2. 半導体技術を用いてマイクロレベルの流路内に作製されたナノピラー（柱）DNA

このように，オーダーメイド医療等に活用できるナノバイオデバイスの創製は生物学領域だけではなく，工学

超高速
超高感度
超高速プロテオーム
ゲノム解析技術 遺伝子診断技術
解析・診断技術などの様々な分野との連携が重要な要素となってくる．
今回はそのことに重点を当てて，伝熱工学のナノバイオ

図 1. ナノテクノロジーを用いた次世代ナノデバイス

デバイス創製における重要性について述べたいと思う．

しかし，上記のような真のオーダーメイド医療を実現

2. ナノバイオデバイスにおける伝熱工学の役割
2.1 生物学的手法における熱の影響するには，まだまだ超えなければならない壁が多く存在している．というのも，現在の最新技術でも一人のゲノ伝熱2004 年 5 月

生物学的手法と熱との関係は，普通に考えるとあまり-24-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

なじみが無いように思われる．しかし，生物学的手法にラーゼを作用させると，ポリメラーゼはプライマー部位

おいて熱の影響は大変重要な要素として考慮される．生から DNA 相補鎖を合成していき，伸長していく体反応（酵素反応など）もさることながら，現在，DNA(extension)．この反応は各段階において最適温度があり，などの生体試料を計測する手法として主に用いられていこの 3 段階の温度調節がうまく制御できなければ，増幅る電気泳動は熱を無視することはできず，熱をどうやっしたい DNA 鎖を得ることはできない．ここで実際にて効率良く発散させるかも大きな障害になっていた．熱PCR を行った例を示す．現在，高速に PCR を行うことを効率良く放散させなければ熱の影響により，試料や用ができるキャピラリーPCR 装置を用いて実験を行った．

いている試薬などに大きな影響を及ぼし，正確な泳動をキャピラリーで PCR を行う利点として，加熱・放散が素することができない．その代表として DNA シークエン早くできることからヒートブロックを用いた PCR よりスを行う方法が考えられる．DNA シークエンスは，当初も高速に DNA を増幅させることができる．実験前は目ゲル電気泳動で行っていた．これは，試料をアプライし的とする DNA（300 塩基）の濃度が 1.0ng /µL であった

たゲルを緩衝液で満たした数十センチ四方の電気泳動層

が，温度等の最適化を行うことにより従来の 20 分から 6に入れて電気泳動を行い，DNA を分離する手法である．

分半に時間短縮ができ，平均 29.5ng /µL にまで増幅させ大きな電圧を用いるので泳動層には熱が生じるが，緩衝ることに成功している．図 3 には増幅されたことを示す

液等の影響により熱は放散されるようになっている．し電気泳動図を示す．ここで重要な要素はヒートブロック

かし，ゲル電気泳動は泳動距離の大きさから数百塩基を方式の PCR からキャピラリー方式の PCR にしたことに判別するのに数時間かかった．この熱の放散の効率化を

より熱の制御が効率よくできた点である．このように，

果たして，高速 DNA シークエンスを可能にしたのがキ

熱制御は PCR において非常に重要な要因であると言えャピラリー電気泳動である．
泳動層をキャピラリーにし，る．しかし，前述したとおり，このままではナノバイオ

ゲルと大気との比表面積を大きくすることによりある程デバイスに組み込むことができないため，本研究室にお度大きな電場を印加しても効率よく熱を放散するので高いて，チップ上での PCR を試みた．

速シークエンスを可能にした．現在において，DNA の大0sec

きさを計測する最先端の方法としてマイクロチップ電気
550
Fluorescence

泳動が市販されつつある．上記のように熱をいかに効率よく放散させるかが非常に重要であった[10]．一方，熱を正確に制御できるかどうかによって生成に大きな影響が生じる方法がある．その代表が以下で大きくピックア

450
350
250
150

ップする PCR（Polymerase Chain Reaction）である．

50

2.2 PCR とは-50 30PCR は特定の遺伝子を増幅させる方法であり，遺伝子を扱う学問においては必須の技術である．ナノマイクロ

5070Time(sec)90

図 3. マイクロチップ 2100 バイオアナライザーによる
PCR 産物の電気泳動図

デバイスを実現する上でも非常に重要な部分であり，生体より抽出した少ない DNA を効率よく増幅させるためのものである．PCR の大まかな原理は，以下の 3 段階か

2.3 チップ上での PCR 法と熱制御の問題

らなる DNA 合成反応を繰り返して行うことにある．ま前項において最適化された条件を用いてチップ上でのず，鋳型になる DNA2 本鎖を加熱して 1 本鎖にする

PCR を試みた．チップの材質としてはポリアクリル樹脂(denature)．次に，増幅したい特定部位の DNA 鎖の両端をもちいて，キャピラリー方式の装置に設置し，実験をに相補的な 2 種類のプライマー（5’末端と 3’末端）を反試みた．ここでチップ素材としてポリアクリル樹脂を用

DNA 鎖の相
応系に過剰に加えた状態で温度を下げると，いたのは，他の計測（DNA，タンパク質等）をするのに補的な部分と 2 本鎖を形成する(annealing)．この状態でこの樹脂が用いられていること．そして，流路構築が比DNA の基質となるデオキシリボ三リン酸とDNA ポリメ

較的安価に製作できることからこの樹脂を用いた．

-25-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動実験を行ったところ，チップの場合において増幅産物①の濃度がキャピラリーよりも少なかった．この影響とし98℃て大きく考えられるのは用いる材質により熱伝導に大き94℃②

な差が生まれてくるものだと考えられる．そこでCoventor Ware software (MEMS) で熱伝導のシミュレーシ
ョンを行った．それによると表面と溶液との温度が４度④

70℃

程異なっており，そのため設定温度では増幅されなかったとわかった．

66℃

次ページにある Fig.4 において，解析①図では装置内③
Temperature of chamber’s air：

温度は 98 度なのに対し，溶液温度がそれよりも低く溶液

Temperature of reaction：
mixture in a chipの温度変化が外部の変化に追いついていないことが分かる（温度 高温→低温が赤→青で示されている）．外部温

図5. Coventer によるチャンバー内の温度とチップの温度

度と内部溶液温度が一致するのは 94 度のときであり，解の経時的変化．各番号は Fig4 の番号と相応してい析②図においてそれが示されている．さらに外部温度がる．

66℃のときは内部温度が下がりきっておらず，70℃のときにやっと追いついているのがわかる．このようにこの経てば 60 度まで溶液温度が素早く下がるという素材やチップでは与えられた熱をチップ内の溶液にうまく伝え技術が必要であるとともに，ある部分では一定の温度をることができないため PCR 反応がうまく進行せず，生成持続させなければならない．これら全てを一枚のチップ

物をキャピラリーよりも得ることが出ない．Fig5 におい

上で行うためにはそれぞれの熱制御に適した素材が必て外部とチップ内溶液の経時的変化を示す．この図から要であるし，技術も必要になってくる．確かに，それぞも外部とチップ内溶液の温度に差が生じていることが見れの部分だけを取ってみれば可能なのかもしれない．そて取れる．そこで，各段階における条件をチップ内溶液

して，それらを組み合わせることによりナノバイオデバが目的とする温度になるように設定し PCR 反応を行う

イスが構築できると考えることもできる．しかし，そのと，この条件においてはチップでの PCR 生成物量はキャように各場所により色々な素材を使い組み合わせると，ピラリーでの生成物量を上回ることができた．しかし通1 枚のチップ上に様々な性質を持つ素材が存在すること

常の温度サイクルでのキャピラリーPCR における増幅になる．このようになると今度は素材変化による試料へ量と比較すると依然として少ない．

の影響が大きくなってくることは当然考えられること

この理由として，現在のチップは角張った形をしておである．試料に対する影響だけでなく，違う素材を繋げりチャンバー形成に関係ない部分を持ち，温度コントロ

る事は簡単ではないであろうし，コスト面を考えても常PCRール的に不利な点が大きく考えられる．
このように，

識的な範疇で収まることは出来ないと考えられる．理想法において温度を制御することは非常に重要であり，効的にはナノバイオデバイスを構築する上でそれぞれの率よい熱伝導を行えるような素材・技術がこれからは求部位で適正な熱伝導率を持つ素材とそれを作る技術，そめられる．

れぞれの場所においてそれらを制御する技術の確立が3．ナノバイオデバイスの構築と熱制御

必要不可欠なものとなってくることを想像することは以上に述べたように，PCR では熱制御が非常に大きな

難しくない．そして，様々な反応を 1 枚のチップ（素材）
で出来る様になる事が望まれる．

課題であることがわかる．それだけでなく，ナノバイオ
デバイスを構築するためにはそれぞれのポジション（抽最近，ナノデバイス上での熱制御の研究に基づいて，

出，PCR，分離，測定）において，それぞれ異なった温特異的な遺伝子増幅と遺伝子解析を同一デバイス上で実度を制御しなければならない．PCR のように約 60 度〜

現することに成功した[11]．この成果により，疾患関連100 度までを随時制御し，効率よくチップ中の溶液に熱遺伝子を在宅で簡単にチェックし，健康状態を調べたり，が伝導し，溶液を 100 度くらいまで上昇させ，ある時間

食品中の SARS やインフルエンザ菌を簡便・迅速に調べ

伝熱2004 年 5 月-26-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

①

②

③

④

図 4. Coventor Ware softwareて，食品の安全性をチェックすることが可能になると期[1] L. Zhang and Y. Baba, Chromatography 6th ed., E.

待される．

Heftmann (Editor), Elsevier, 2004.
4．さいごに[2] 馬場嘉信:「ナノテクノロジーハンドブック Ⅰ編」,
オーム社, 2003, pp. 27- 32.

本文ではバイオと熱に対するかかわりとその重要性についての概要を述べた．
現在まではバイオはバイオ分野，[3] 馬場嘉信: 先端化学シリーズⅢ 糖鎖，バイオマテ

工学は工学分野とそれぞれがぞれぞれの分野で技術革新

リアル，分子認識，バイオインフォマティクス, 丸

をし，世の中に還元し貢献してきた．しかし，これから善, 2003, pp. 207- 212.

はバイオだけではなく工学や理学など様々な分野の知識[4] 長船智, 馬場嘉信: 日本農芸学会誌, 2004, 26-28.

を融合させることによって新たな見地が生まれ，新たな[5] 加地範匤, 馬場嘉信: Bio ベンチャー, 羊土社, 2004,

ブレイクスルーがおきると考えられる．そしてこの中に
私たちの目指している医療ナノバイオデバイスが65-67.
[6] 平野研, 馬場嘉信: 化学, 化学同人, 59, 62‑63,
2004.

含まれるのではないだろうか．今後，様々な分野との融合を重ねることによって様々な分野において画期的な技[7] 馬場嘉信: 蛋白質・核酸・酵素, 2004, in press.

術革新が進み，新たな領域へと発展することを望みつつ，[8] N. Kaji. et al., Anal Chem., 76, 2004, 15-22.

我々の医療バイオ系においては超高性能な次世代ゲノ[9] M. Tabuchi,. et al., Nature Biotech., 22, 2004, 227-240.

ム・プロテオーム解析技術と医療ナノデバイスが実現す[10] 馬場嘉信: 基礎化学コース 分析化学Ⅲ, 第 2 章「キャピラリー電気泳動」, 丸善, 2004, pp. 31- 75.

ることを期待したい．
参考文献[11] Y. Hataoka. et al., Anal Chem., 2004, in press.

-27-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

大腸菌における運動エネルギー消費と成長エネルギー消費の履歴現象
Hysteresis of Energy Consumption of Motility and Growth in Escherichia coli.

梅原 千慶，安田 賢二（東京大学）
Senkei UMEHARA, Kenji YASUDA (Universityof Tokyo)
1. はじめに大腸菌は，外界から獲り込んだ栄養物質を様々な形に変換して，自己の生命機能を維持するだけ
でなく，種の繁栄を目的とした自己複製などを繰り返す．この大腸菌に組み込まれた生命のプログ
ラムの中でも特に興味深い現象のひとつに，環境の変化に対する細胞のエネルギー消費の柔軟な応答がある．
一般に多細胞生物においては，環境からの栄養物質の供給が停止することは「死」を意味するが，大腸菌などの菌類では，これは単なる生命活動の休止にしか過ぎず，環境が改善して栄養が再度供給されるようになると，生命活動を再開するようになる．
本稿では，大腸菌の成長能力・増殖能力・運動能力と環境の栄養状態との関係について，特定の1 細胞（およびその直系子孫細胞）に着目して観察する「オンチップ 1 細胞培養計測技術」を用いて得られた結果について紹介する．

図 1 に，オンチップ１細胞培養計測システムの全体構成を示す．このシステムは大きく以下の５つの部分から構成されている．すなわち，①細胞を 1 個単位で培養するマイクロチャンバがアレイ
状に 2 次元に表面に配置された細胞培養チップ，②マイクロチャンバ内の細胞に栄養物質などを供給する栄養循環供給系，③マイクロチャンバ内の細胞を非接触にハンドリングする光ピンセット（1064-nm 赤外集束光），④チップ内の細胞状態を観察・記録するカメラ付き光学顕微鏡システム，
そして⑤得られた顕微画像を解析する画像処理装置である．

2. オンチップ 1 細胞培養計測技術
2.1 オンチップ 1 細胞培養計測システム
この研究には特定の 1 細胞の環境変化に対する応答，あるいは環境応答した細胞の直系子孫細胞の振る舞いを，継続して連続的に計測する技術を用いる必要がある．われわれはこのような 1 細胞
レベルでの変化を解明するため，マイクロ加工技
術を用いて作成した微小培養空間（マイクロチャンバ）内で特定の 1 細胞（およびその直系子孫細胞）の経時変化を追跡することが可能なシステム「オンチップ 1 細胞培養計測技術」を開発した．
[1-9]

図 1. オンチップ１細胞培養計測システム
観察する大腸菌細胞は，1 細胞単位で上記細胞培養チップ上のマイクロチャンバに導入された後に，上に半透膜で蓋を付けられることで逃げることができない構成にしている．このとき，半透膜とチップとの接着には，アビジン（半透膜に付加）とビオチン（チップ表面に付加）の結合を用いている．
また，細胞に供給する培養液は，異なる組成のものを，条件に応じて交換し，大腸菌が溶液環境の変化によって受ける影響を，特定の細胞の計測

まず，このシステムの基本構成を紹介するとともに，本研究のために特に開発した実時間画像処理解析技術について述べる．
2.1.1 システム構成

伝熱2004 年 5 月-28-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

ンバの中心にある十字の部分）が組み込まれており，光ピンセットによって余分な細胞を自在に領域間で移動させることが出来る．図 4 はこのプロセスを模式的に示したものである．

を続けながら行うことができるようになっている．
2.1.2 細胞培養チップ
次に，細胞培養チップ上に構築したマイクロチ
ャンバの構造を説明する．図 2 にこのマイクロチ
ャンバの形状の模式図を示す．

図 4. 1 細胞連続培養計測
大腸菌は，成長に伴って 2 細胞に分裂するが，分裂して生まれた 2 細胞のうちの 1 細胞を光ピンセットで捕獲して観察領域から除去し続けること
で，特定の 1 細胞の直系子孫の振る舞いの世代間伝承などのヒステリシスを計測することが可能となる．
2.2.2 細胞の運動特性と細胞成長の画像解析
本研究では，マイクロチャンバ内での細胞の運動特性と細胞自身の成長について，光学顕微鏡を通して得られた画像をコンピューターで処理することで 1/10 秒毎に実時間で解析することが可能
な画像処理システムを構築して用いた．（図 5）

図 2. 細胞培養マイクロチャンバの模式図
この図に示したマイクロチャンバ容器の壁は高さ（肉厚）4 µm の光硬化性フォトレジスト SU-8
によって構築されており，115 µm×80 µm×4 µmのマイクロチャンバ空間内で，大腸菌は自在に泳ぐことができる．図 3 は，実際に大腸菌がマイク
ロチャンバ内を運動している姿を顕微鏡観察した例である．

この画像処理システムでは，まず，CCD カメラ
によって 1/30 秒毎に得られるマイクロチャンバ
内の大腸菌の位置，サイズなどを計算できるように，画像データの 2 値化，ノイズ除去を行う．次に，2 値化によって抽出された大腸菌細胞のマイクロチャンバ内での位置，サイズ，運動方向を計

図 3. 細胞培養マイクロチャンバ内の大腸菌
2.2
1 細胞培養計測の方法
2.2.1 １細胞連続観察
上に述べたように，特定の 1 細胞の変化を追跡し，さらにその直系子孫の状態を継続して観察するために本研究ではマイクロチャンバを用いた．
このマイクロチャンバには，観察する特定の 1 細胞が自由に運動できる広い領域と，分裂して生まれた余分の細胞を閉じ込める領域（マイクロチャ

図 5. 画像処理プロセス-29-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

図 6 は，実際にマイクロチャンバ内に閉じ込められた大腸菌 1 細胞が，運動した軌跡を，1/10 秒
毎に黒点でプロットしたものである．大腸菌は，マイクロチャンバの壁にぶつかることで方向を変え，直進する場合もあれば，カーブを描いて運動する場合もあることがわかる．また，図 6 の中の
黒い四角枠の中での細胞の運動の軌跡を，詳細に示したものが図 7 である．図からもわかるように，
1/10 秒毎に記録された顕微画像は，細胞のサイズを計測するのに十分な解像度を持っている．この結果をグラフにまとめたものが図 8 である．

算し，これを記録する．
これによって，細胞の運動能，細胞の成長の程度を同時に解析・記録することが可能となっている．
3. 実験結果
3.1 マイクロチャンバ内での大腸菌の細胞運動と細胞成長
まず，上に説明したシステムを用いて，どのような現象が観察できるのか，結果の一例を示す．
（図 6，図 7）

図 6. マイクロチャンバ内での大腸菌の軌跡

図 8. 細胞成長と運動特性の変化
図 8 は，細胞の 1 周期（生まれてから分裂して次の世代に移るまでの期間）を継続して計測したものであるが，図からもわかるように，細胞は一定の速度で成長を続けるのに対して，運動速度は単調に減少してゆくことがわかる．また，このグラフの中で，培養時間 15 分近傍のハッチした領域
が図 6 のデータに相当する．
この結果からも，細胞の成長と細胞の運動能が同時に計測することが可能であることが示された．
3.2 環境情報の変化に対する大腸菌の細胞運動能と細胞成長能の変化
上記，図 6〜8 に示したデータは，一定の富栄養条件下での細胞の振る舞いを示したものであるが，実際には，細胞の周りの環境は絶えず変化する．
そこで，次に，積極的に，環境を富栄養から無栄養に変えたときの細胞の変化を計測した．
図 9 は，富栄養から無栄養，そして再度，富栄

図 7. 図 6 の四角枠内での細胞の連続実画像

伝熱2004 年 5 月-30-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動

図 9. 栄養条件の変化に対する大腸菌の成長と運動能の変化
ー分配の最適化の機構が先天的に組み込まれた結果として運動能が維持されているのか，あるいは，
富栄養状態時に蓄えられた細胞内でのプロトン勾配を単に利用して運動しているのか，以下に検証した．
1 細胞内に蓄えられるエネルギーを，（細胞内グルコース分子数）×（グルコース 1 分子から得られる ATP 分子数） × （ATP1 分子から得られるエネルギー）と考えると，これは（細胞の体積） ×（培地濃度） × （グルコース 1 分子から得られる ATP 分子数 ）×（ ATP1 分子から得られるエネ

養に環境条件を変えたときの細胞の応答を示したグラフである．
最初の富栄養条件下では，図 8 のグラフでも示したように，細胞は伸長を繰り返し，また細胞の運動速度も細胞の成長に伴って減少することが観察された．次に，無栄養条件にしたところ，細胞の成長は，培養液交換後 20 分以内に停止が確認されたが，細胞の（直進）運動能は，その後 120 分
経っても減少せず，むしろ速度が速くなることが観察された．
そこで，細胞の成長能力と運動能力について再度，富栄養条件にすることで，どの程度回復する
か，そして細胞のこれらの性質に無栄養状態のヒ
ステリシスが残るかどうか確認した．その結果，
図９からもわかるように，細胞の成長，運動能力のいずれについても，無栄養となる前の状態と同じ性質を回復し，特にヒステリシスが残る現象は確認されなかった．

ルギー）と書き直すことができる．ただし，ここで細胞内のグルコース濃度は，理想的に培地中のグルコース濃度と同じであると仮定した．すると，（1 細胞内に蓄えられるエネルギー）= {円周率 × (細胞の半径)2 × 細胞の長さ}（円筒として計算，[10]）× 培地濃度（LB 培地の粉末成分をすべて

4. 考察
図９で見られたように，大腸菌は無栄養状態になったとき，成長を直ち（20 分程度）に停止させるが，運動能力については，停止させることなく，
むしろ平均運動速度が増加する傾向が見られた．
この現象は，無栄養の環境から細胞が脱出するために，成長・分裂するためのエネルギー分配を中止して，持てる栄養のすべてを運動に分配することで新たな富栄養環境を探索できる可能性を最大にするためには，合目的なプログラムであると考えられる．実際に，細胞内にこのようなエネルギ

グルコースと仮定）
× グルコース 1 分子から得られる ATP 分子数（完全酸化と仮定）
× ATP1 分子から得られるエネルギー（ATP ĺ ADP, 11~13 kcal/mol [11]）= (ʌ × (0.55/2 µm)2 × 3 µm)
× {(15 g/Ɛ) / (180 g/mol)} × 30 × (12 kcal/mol)=(7.1 × 10-1 µm3)
× (8.3 × 10-2 mol/Ɛ) × 30 × (5.0 × 104 J/mol)= (5.9 × 10-17 mol) × 30 × (5.0 × 104 J/mol)= 9.0 × 10-11 J-31-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動にこのような延命プログラムを内在していること
は，高等生物に先天的にプログラムされていると考えられているいわゆる本能の由来を想起させる
点で興味深い．
最後に，本研究に協力してくださった，安田研究室の金子智行博士はじめ研究室メンバーに感謝いたします．
参考文献[1] Inoue, I. et al., Lab Chip, 1 (2001) 50.
[2] Wakamoto, Y., et al., Fresenius J. Anal. Chem.,となる．
次に，富栄養条件下で単位時間あたりに遊泳で消費するエネルギーは，（モーター1 回転で消費するエネルギー）×（回転数）×（回転モーター数（鞭毛数））とおくことができるとすると，（遊泳で消費するエネルギー）= モーター1 回転当たりに消費する H+ 数（[12]）× H+ 1 分子から取り出せるエネルギー（[12]）× 単位時間当たりの回転数（100~200 Hz [12]）× 回転モーター数（鞭毛数）= 1000 × (2.4 × 10-20 J) × (150 Hz)

371 (2001) 276.
[3] Inoue, I., et al., Proc. Japan Acad., 77B (2001)
145.
[4] Umehara, S., et al., Biochem. Biophys. Res.

× 回転モーター数（鞭毛数）= 1.3 × 10-11 J/h × 回転モーター数（鞭毛数）Commun., 305 (2003) 534.
[5] Matsumura, K., et al., Biochem. Biophys. Res.

となる．周毛性鞭毛を持つ大腸菌の場合，例えば 7 本で計算すると，細胞の運動はたかだか 1 時間程度で停止してしまうこととなる．
図９の実験結果では，細胞は無栄養条件下で120 分以上，速度を少しずつ増加させながら運動を続けていた．このことは，上記計算結果と比較
すると，富栄養条件下で蓄えられたエネルギーを単に消費しただけでなく，むしろさらに積極的に細胞内の構成成分を，運動エネルギー源に変換している可能性も示唆している．

Commun., 306 (2003) 1042.
[6] Matsumura, K., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42(2003) L784.
[7] Hattori, A., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42(2003) L873.
[8] Wakamoto, Y., et al., Sens. & Actuat. B, 96 (2003)
693.
[9] Takahashi, K., et al., Jpn. J. Appl. Phys., 42(2003) L1104.
[10] 八杉龍一他編, 生物学辞典第 4 版. 1996, 岩波

5.おわりに本稿では，大腸菌の環境への応答を，細胞の運動能と成長能へのエネルギー分配の観点から実験を行い，その結果を考察した．このようなエネル
ギー分配の機構も，最終的には生化学的観点から
特定の分子の性質に起因されるものと考えられるが，大腸菌のような原核生物ですら，生存のため

伝熱2004 年 5 月

書店: 東京.
[11] Alberts, B., et al. eds. Molecular biology of thecell. 3rd ed. 1994, Garland Publishing Inc.: New
York, NY.
[12] Berry, R.M. Bacterial flagella: flagellar motor. in
Encyclopedia of Life Sciences. 2001, Macmillan
Reference Ltd.: London, (www.els.net)-32-

生命システムとバイオ・メディカルテクノロジーにおける熱・物質移動＜カラー詳細図＞
・P241細胞からの 高速遺伝子 高速分離・ 高感度
識別
検出
分離・
抽出 タンパク増幅
バイオチップ

大容量メモリー

ナノ微細加工 材料ナノテク 1分子計測
タンパク
200 nmDNA

200 nm x 600 nm

超高速
超高感度
超高速プロテオーム
ゲノム解析技術 遺伝子診断技術
解析・診断技術

200 nm x 4000 nm
図 2. 半導体技術を用いてマイクロレベルの流路内に作製されたナノピラー（柱）図 1. ナノテクノロジーを用いた次世代ナノデバイス

・P27

①

②

③

④

図 4. Coventor Ware software-33-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q
エデュケイションＱ「機械製作実習 スターリングエンジン」の テキスト
Education Q: A Textbooklet for “Exercise for Machine Shop Practice - Stirling Engine-”

牧野 俊郎（京都大学）
Toshiro MAKINO (Kyoto University)
その後，おまけで，残った液体窒素を教室の床にまき散らす．学生はワーっと叫んでよろこぶ．
この実験を見せる趣旨は，講義の雰囲気づくりのこともあるが，
その主たる部分は， 気体を加熱するとその体積が増す” という熱力学の基本を実感させる，というところにある．その基本は，学生の誰もが知っていることであるが，それを実感として身につけている者は実は少なく，中学か高校の理科の先生がそうだと言ったから，知識として知っているという者が大部分であるようである．もしそうであるとすると，それは次の世代の人たちにとって危険である．これが，この実験を加えた意図である．
いっぽう，この風船の実験を通じて，教える側の私自身が気づかせられたことがある．私は，それまで，気体の圧力ｐが増すと，その体積Ｖは減るか変わらな
いかのいずれかであり，ｐが増加してＶも増加するという現象は，ふつうには起こらないと思っていた．イ
ンジケーターが描くエンジンのサイクル図の角が丸いこと(私の理解に照らしての矛盾)については，燃焼にともなう物質量(mol 数)の変化や燃焼ガスの空間的な非均質さに起因するのであろうなどと，いい加減に考えていた．上述の簡単な実験では，しかし，その起こらないはずの現象が，いとも簡単にそのあたりで起ってしまった．(風船内の気体の)温度が上がると，(風船内の気体の)体積は増加し，(風船の張力が増加して風船内の気体の)圧力が増加する．これは，圧力ｐと体積Ｖがともに増加するという，教科書の理論サイクルのpV 図には見られない熱力学変化である．この「熱力学」の担当者は，ここで，自分で教えられてしまった．
なお，このテキストを書いた時点で，後ろめたく思っていることがある．それは pv 図と pV 図，Ts 図と TS

私どもの大学の工学部(学部課程)は 6 つの学科からなる．
その1つが学年定員235名の物理工学科である．
学生は 3 年進級時に 4 つのコース(学科目)のいずれかに進級する．そのコースの 1 つが定員 105 名の機械シ
ステム学コースである．そのコースに進級直後の３年生に課す実験・実習科目の 1 つに「機械製作実習」という半期(１セメスター)1 単位の科目がある．学内の実習工場で旋盤・フライス盤などを用いて，曲がりなりにも機能をもつ 1 つのミニ機械を自分の手でつくる体験をさせる科目である．
2 年前までは，小型バイスを製作させてきた．これは，私が学生の時から不動の，“伝統の課題”であったが，昨年，それを標記の“スターリングエンジン”に置き換えた．この課題は，全国の大学あるいはむしろ高専でポピュラーなものであったと聞く．ともあれ，私
どもは，
遅れて，
この課題を実習教育の課題に選んだ．
ついては，学生を実習工場に送る前に，「安全工学」に加えて，「工作機械」と「熱力学」のおさらいくらいの座学は必要である．かくして，「熱力学」の担当者が100 分くらいのスターリングエンジンの講義をすることになった．次以降のページに示すのは，その講義のために準備したテキストのコピーである．ふだんの 2
年生への
「熱力学」
講義のテキストのときとは違って，
より学生に近づいて書いたつもりである．教室の理想的な「熱力学」と実習工場で作る現物との距離を考えて，あるいは，自分がこれまでよく解らなかったあたりについては，くどく書いた．いろんなご批判・ご指摘をいただければありがたい．あて先は，
e-mail: a50141@sakura.kudpc.kyoto-u.ac.jp
さて，その講義であるが，テキストの内容に入る前に，できあがったスターリングエンジンを運転して見せ，さらに，1 つの実験をやって見せることにしている．教室に，2L ビーカーに入れた液体窒素を準備し，その中に膨らませた風船を漬けて縮ませ，その縮んで100K くらいになった風船を 300K の熱浴(そのあたり)にさらし，風船が見る間に大きくなるようすを見せる．

伝熱2004 年 5 月

図を，きちんと説明することなく，その都度その場の都合に応じて使い分けていることである．次年度版のテキストでは，なんとかしたい．

-34-

エデュケイション Q------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

機
機械
械製
製作
作実
実習
習ス
スタ
エン
ター
ンジ
ーリ
ジン
リン
ン
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グエ
−
熱
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− 熱 力 学 か ら の In t rod u c t ion −M
MMaaakkkiiinnnoootttooossshhh iro040413------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

0. はじめにのとき，流体は外部に仕事をする．逆に，低温低圧の状態 1’にある流体を圧縮して，比較的高温高圧の状態 2’に至らせる(図 1)．このとき，流体は“機械製作実習” では，実際に形になって動く“もの” をつくることを体験してほしい．“もの”

外部から仕事をされる．これらの状態変化の過程
では，熱エネルギーと力学的なエネルギーの変換(energy conversion)が行われる．
1.3 熱力学サイクル

ができることを頭で理解することと，自分の手で作った “もの” を動かせることとの間には，テレ
ビのお料理番組を見るのと，ネタの仕入れから始めて自分で作った料理を味わうのとの違いくらいのものがある．教室で学んだ “熱力学” がきょうの自分の作業につながるあたりを頭と体で納得するのは，実に楽しい．スターリング(Stirling)エン
ジンは，そのような目的のための実習の課題としての すぐれもの である．
この講義では，これからつくる “もの” が 熱力
学的にはどのように説明されるかを考え始められるように Introduction する．はじめにお断りするが，“熱力学” 講義の理想的なエンジンと実習で作る実際のエンジンとの間には(とくに Stirling エン
ジンの場合)かなりの距離がある．どこがどれだけ違うのかを考えながら実習に当たると，こんどは“熱力学” を見直したくなるかもしれない．
1.

熱力学

図 1 におけるようなエネルギー変換過程は，しかし，単発的なものであり，連続的に自動車を動かしあるいは連続的に電力を供給できるたぐいのものではない．(熱エネルギー → 力学的エネルギー)の変換を連続的に行うためには，図 2 に示すような熱力学サイクルを実現する装置を準備することが必要である．熱力学サイクルは，流体がその熱力学的な状態を変化させてもとの状態にもどることを繰り返させて，エネルギー変換を継続させるものである．

のおさらい

1.1 機械工学における機関 (エンジン)
機械工学は，熱エネルギーから力学的なエネル
ギーを得て自動車や航空機を動かし，あるいは，その力学的なエネルギーからさらに電気のエネル
ギーを得て，現代の生活・生産の基礎を作り出してきた．これらのエネルギー変換の装置・からくり・機械が機関(エンジン, engine)であり，その動図 1. 作動流体の膨張と圧縮

作原理は熱力学によって説明される．日常語のエンジンは，多くの場合，自動車や航空機のエンジンを指すが，機械工学でいう機関には火力発電
所・原子力発電所などの大型・設地型のエンジンも含まれる．
1.2 熱力学状態変化
いま，高温高圧の状態 1 にある流体を膨張させて，比較的低温低圧の状態 2 に至らせる(図 1)．こ図 2. 熱力学のサイクル-35-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q

図 3. 熱 力 学 サ イ ク ル に お け る 熱 エ ネ ル ギ ー と 仕 事 の 収 支

1.4 サイクルにおけるエネルギー変換

流体が外部から(絶対仕事/工業仕事)をされる
外部が流体から(絶対仕事/工業仕事)をされるの，主語と目的語，能動態と受動態，絶対仕事と工業仕事を注意深く使い分けることが重要である．いっぽう，サイクルについて仕事の有効部を考えるときには，絶対仕事をもとにして考えても工業仕事をもとにして考えても結果は同じになるので，あいまいに “仕事” と呼んでも誤解を生
むことはない．
1.5 工業熱力学のサイクル

熱力学サイクルにおける熱エネルギーと力学的エネルギーのやりとりは，pv 図と Ts 図に表される．図 3 は，そのやりとりを図示するものである．絶対仕事や工業仕事(単位: J/kg)は pv 図上の面積で表され，熱エネルギー(単位: J/kg)は Ts 図上の面積で表される．その仕事と熱エネルギーの収支(有効部)はたがいに等しい．ここで，仕事を考えるときには，
流体が外部に(絶対仕事/工業仕事)をする
外部が流体に(絶対仕事/工業仕事)をする

もっとも基礎的な熱力学のサイクルとしては，

表 1 工業熱力学のサイクル *‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑(閉 鎖 系 ) 密 閉 /容 積 型(開 放 系 ) 定 常 流 動 系
往 復 (reciprocal)運 動
回 転 (rotary)運 動… 小規模も , 可動型も… 大規模ｴﾈﾙｷﾞｰも , 設地型も‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
Otto/ Diesel サ イ ク ル
Brayton サ イ ク ル
内燃機関… エ ネ ル ギ ー 源 ： 高級燃料
… のりもの… 航空機・火力発電
作動流体：
燃焼ガス
燃焼ガス
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
Stirling サ イ ク ル
Rankine サ イ ク ル
外燃機関… エ ネ ル ギ ー 源 ： なんでもあり… エネルギー・環境 ?
… 火力 / 原子力発電
H2O
作動流体：
空気
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑(*: こ の 表 は ， サ イ ク ル の ポ ピ ュ ラ ー な 機 構 ・ 用 途 を 示 す も の で あ り ， サ イ ク ル を 厳 密 に 分 類 す る も の で は な い )伝熱2004 年 5 月-36-

エデュケイション Q

Carnot サイクルが挙げられる．しかし，実際の人間の生活・生産活動を支えるサイクルとしては，
表１に示すものがより重要である．そのなかで，Stirling サイクルは，他のサイクルに匹敵する歴史をもつが，いまだ，Otto サイクルや Rankine サイ
クルに並ぶものにはなっていない．Stirling サイク
ルは，密閉/容積型の外燃機関(external combustion
engine)のサイクルである．外燃機関では，熱エネ
ルギーが作動流体の(内からではなく)外から供給される．外燃の “燃” は，字義的には燃焼を意味
するが，より広くは熱エネルギー源の意味であり，
図 4. 4 行程ガソリン火花点火機関

このような機関では，たとえば太陽エネルギーの利用も考えられる．ごみ処理工場の発生する熱エネルギーを利用するなど，安価で環境に配慮する
燃料を選ぶことも可能である．手に持てるくらいに小規模で可動型のものも可能である．Stirling サ
イクルは，今後ともに期待されるサイクルである．
1.6 身近かな機関(エンジン)
Stirling エンジンを説明するまえに，身近かな自動車のエンジン(内燃機関)のしくみとその理論サイクル(Otto サイクル)について確認する．図 4 は，

図 5. Otto サイクル (pv 図と Ts 図)

小型自動車に用いられる 4 行程のガソリン火花点
火機関のしくみを表すものである．そこでは，エ2. Stirling エンジン

ネルギー源は作動流体のなかにある．<燃料と空2.1 往復運動する密閉型の外燃機関

気の予混合気をシリンダー内に吸気し(a→ b)>，<
圧縮して(b→ c)>，<火花点火・燃焼させて(c→ d) 燃

基本的に，往復運動する密閉型の外燃機関である．

焼ガスを膨張させ(d→ e)>，<シリンダー外に排気§1.6 に見たガソリンエンジンと比較すると，“往する(f→ g)> という 4 行程(ピストンの 2 往復/クラ

復運動する密閉型の”までは同じであるが，ガソリ

ンクシャフトの 2 回転)を繰り返す．ここで，気づンエンジンの場合のようにゴマカシの“密閉型”で§1.5 の表 1 に見たように，Stirling エンジンは，いてほしいのは，エンジンが積極的にピストンをはなく，Stirling エンジンは厳密に“密閉型”である

駆動する力を発揮するのは，4 行程の内の 1 行程のがふつうである．往復運動する外燃機関を実現(膨張過程)においてだけであり，他の 3 行程では，するには，原理的には図 6 に示すような機構が実ピストンは はずみ車の慣性力に依って従動的に現できればよい．シリンダー内の気体は，暖めら動くことである．言い換えると，自動車は，スタれると膨張し，冷やされると収縮する．ピストンーターがないと動き出さない (同様に，これからは往復運動する．この図はわかりやすいが，しか作る Stirling エンジンも，手ではずみをつけてやし，このままでは，高温熱浴と低温熱浴を１サイ

らないと動き出さない)．図 5 に，Otto サイクルのクルあたりに 2 回交換しなければならないので現pv 図と Ts 図を示す．そこでは，図 4 の吸気・排実的ではない．

気部が省略され，曲線が理想化され，燃焼による

2.2 ディスプレーサー

物質量(mol 数)の変化もないとして，あたかも一定

図 6 における高温熱浴と低温熱浴の交換作業を

量の作動流体が密閉系のなかで同一のサイクルのうまく行う工夫として，流体室内に加熱部(heater)

過程を繰り返すかのように(ゴマかして)表現されと放熱部(cooler)を設け，その間を動く可動式の

ている．

-37-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q

図 6. 密閉型外燃機関の考え方 [3]物体としてディスプレーサー(displacer, DP)を置(connecting rod)を介してはずみ車(flywheel)つきのく方法が考えられる．図 7 で，加熱部では気体が共通の回転軸の運動に変換するとき，その回転運加熱される．放熱部には放熱フィンなどが設けら動の位相を，ディスプレーサーの位相の方が 90o

れ気体の冷却が促進される．ディスプレーサーとだけ先行するように設定する．このディスプレー

シリンダーの間にはすきまがあって，気体はそのサーは力の発生には直接に寄与しない．その動き

すきまを行き来する．この行き来は素早く起こり，は，パワーピストンの動力とはずみ車の慣性力に気体の温度は，流体室の全域にわたって一様にな従動する．いったん上り切った/下り切ったディス

るように変化する．流体室にある気体の全体の体プレーサーやパワーピストンが，こんどは下向き/

積 V は，パワーピストン(power piston, PP)の位置

上向きに運動を始めるのは，その慣性力による．

によって決まり，ディスプレーサーの位置にはよ2.3 再生器つきの Stirling エンジン

らない．ディスプレーサーは，加熱部にある気体

図 8 は ， さ ら に 再 生 器 (regenerator) を 備 え たと放熱部にある気体の割合を制御する．ディスプ

Stirling エンジンの構造を表すものである．この図

レーサーの位置に応じて，気体は，おもに状態のエンジンの場合には，ディスプレーサーとシリ

1’ĺ3’の過程で加熱され，状態 3’ĺ1’の過程で冷ンダーの間に気体が行き来するすきまはない．気却される．ディスプレーサーの動作のタイミング

体は，図の左側の迂回路を通ってディスプレーサ

は機構的に自動化できる．すなわち，ディスプレーの上部(加熱部)と下部(放熱部)の間を行き来す

ーサーとパワーピストンの往復運動を，連結棒る．迂回路には再生器が設けられている．再生器

図 7. ディスプレーサーつきの外燃機関

伝熱2004 年 5 月-38-

エデュケイション Q

は熱容量の大きい金網などの気体透過性の固体層はエンジンの内部で一様であると見なせるものでであり，その層のなかには大きい温度勾配が生じあったが，図 8 の再生器つきのものの場合，圧力る．すなわち，この再生器つきのエンジンの場合，p は流体室の全域で一様であるとしても，温度 T

エンジン内の気体は，理想的には，再生器の層をや比体積 v (あるいは質量密度 U)は再生器の両側境にして，温度がほぼ一様に TH である高温の気体

でたがいに大きく異なる．そのため，図 8 のエンと，温度がほぼ一様に TL である低温の気体に二分

ジンについて，無理やり１つずつの pv 図や Ts 図

される．その層の加熱部側の温度は加熱部の気体を描くときには，T や v は，気体の混合平均されの温度 TH に近く，放熱部側の温度は放熱部の気体た温度や比体積であるとして扱う．このときには，の温度 TL に近い．ディスプレーサーが上に進んで，気体の質量を m として， v=V/m である．しかし，気体が加熱部から放熱部に流れるとき，再生器を

この‘無理やり’は実に乱暴なやり口であるので，通る気体は，温度差(TH -TL)に相当する熱エネルギ

図 8 を見せられて，次に(T や v についての断りもーをこの再生器に残して(蓄熱して)冷やされる．

なく)，これがそのサイクルの pv 図や Ts 図である

逆に，ディスプレーサーが下に進んで，気体が放という図を見せられても，それで納得できるわけ

熱部から加熱部に流れるとき，再生器を通る気体がない．ついては，‘そういう’ものである―教科

は，温度差(TH -TL)に相当する熱エネルギーをこの書は ときに不親切である―と思って§2.4 に進再生器から得て(再生加熱されて)暖められる．まんでほしい．

とめていうと，再生器は，気体の冷却過程で放出すべき熱エネルギーの一部をいったんそこに蓄え，

2.4 熱力学の理論 Stirling サイクル
熱力学の教科書には，Stirling サイクルの理論サ追って(2 過程分の時間(180o 分の位相)を経て)そのイクルとして図 9 に示すようなものが示される．

熱エネルギーを気体の加熱に用いる蓄熱器(heatこのサイクルは，定積加熱(1ĺ2)，定温膨張(2ĺ3)，

storage)・熱交換器(heat exchanger)として機能する．

定積冷却(3ĺ4)，定温冷却(4ĺ1)の４過程からなる．

その結果，再生器を用いるエンジンでは，エン§2.3 に示したような，なにかのすぐれた熱交換

ジンを動作させるのに必要な，気体への熱エネル

手法を用いて，定積冷却過程で放出される熱エネ

ギーの出入りの分の一部を，作動流体の内部でのルギーのすべてを定積加熱過程における加熱に利

熱エネルギーのやりとりで賄うことができる．す用することができれば，この両定積過程における

なわち，再生器つきのエンジンの熱効率は高い．

熱エネルギーの収支は相殺され，このサイクルのところで，図 7 のエンジンでは，気体の p, v, T

熱効率は Carnot サイクルの熱効率に等しくなる．
すなわち，サイクルの最高温度と最低温度が指定される場合には，Stirling サイクルは Carnot サイクルと同一の最高の熱効率を実現する．ただし，この理論サイクルにおける定温過程や定積過程を直接的かつわかりやすく実現する外燃機関の実機

図 9. 熱力学の Stirling サイクル

図 8. 再生器つきの Stirling エンジン [3](pv 図と Ts 図)-39-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Qが想定されてきたわけではない．この意味で，図に加熱しても温度が上がらないのは，いっけん不9 のサイクルは多分に理想的・非現実的なもので思議なことであるが，非現実的なことではない(cf.

ある．図 8 のエンジンは，現実的なもののなかで§3.2)．逆にいうと，流体に熱エネルギーを加えは比較的 図 9 に表すものに近いサイクルをとるることなく(断熱)膨張させると，流体の温度は下が，定温・定積・混合平均などに関して，その間がるが，流体に適切な熱エネルギーを加えながらにはかなりの距離がある．

膨張させれば，定温膨張過程は実現できる．定温

2.5 熱力学の理想： 定温過程
理論上のことがらとして，Carnot サイクルや膨張過程で，流体は，その比内部エネルギーのう

Stirling サイクルは，サイクルの最高温度と最低温(f1-f2) をすべて絶対仕事 W12 [J/kg] に変換する．

度が指定される場合に(限り)最高の熱効率を実現

その比エンタルピーのうちの Gibbs の比自由エ

するサイクルである．それは，これらのサイクル

ネルギーの減少分 (g1-g2) をすべて工業仕事 Wt12が定温過程(温度が一定の変化過程)を含み，その[J/kg] に変換する．外部から流体に加えられる熱過程は熱エネルギーと力学的なエネルギーの変換

エネルギー q12 [J/kg] は，すべて比束縛エネルギ

を最高度に実現するからである．Note １は，このーの増加分 T1(s2-s1) になる．なお，Note 1 の説明ことを，状態 1 から状態 2 への定温膨張過程につは，理想気体のみならず実在気体・液体について，

いて説明する．この過程で，流体は加熱されるが，また，相変化があっても成立する．

ち の Helmholtz の 比 自 由 エ ネ ル ギ ー の 減 少 分

流体の温度は上がらない．流体の相変化がないの
Note 1. 熱力学の理想： 定温過程---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------一般に，熱力学の第一法則
dq=du+dW

dq=dh+dWt(1)において，次の関係が成立する．
dq=Tdsdu=df+Tds+sdT
dW=pdv

dq=Tdsdh=dg+Tds+sdT
dWt=-vdp

(2)
(3)
(4)

定温変化(dT=0)の場合，式(1)〜(3)から，次の式が得られる．
Tds=df+Tds+sdT+dW
Tds=dg+Tds+sdT+dWt
式(4)をあわせると，仕事については，次のとおりである：
dW=-df=pdv
dWt=-dg=-vdp
W12=-(f2-f1) =∫12 pdv
Wt12=-(g2-g1) =-∫12 vdp(5)式(2)から，熱エネルギーについては，次のとおりである：
dq=d(Ts) =Tds
dq=d(Ts) =Tds
q12=T(s2-s1)
q12=T(s2-s1)(6)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

伝熱2004 年 5 月-40-

エデュケイション Q

3.

機械製作実習でつくる Stirling エンジン

である．そして，このようなエンジンをスターリ

3.1 2 ピストン型の外燃機関

ングエンジンと呼ぶのは，機械設計製作の現場で“機械製作実習” でつくる Stirling エンジンは，はむしろ一般的である．すなわち，現場の理解と図 10 の図面に示すものである．図 11 には，この熱力学の講義における理解との間にはかなりの距エンジンの動きを模式図的に示す．図 10 の突起部

離がある．

②が外から加熱(外燃)され，エンジン内部の作動
流体(空気)が加熱される．それは，図 7, 8 のエン

3.2 2 ピストン型エンジンの動作の位相図
図 11 に，“機械製作実習” でつくる Stirling エジ

ジンとは異なり，放熱フィンもディスプレーサーン(2 ピストン型外燃機関)の動作の位相図を示す．

も再生器(熱交換器)も明らかには(陽には)備えて

高温側ピストン(HP)と低温側ピストン(LP)がある．

いない．ディスプレーサーの代わりに高温側のピ

HP の位相が LP の位相より 90o だけ先行するよう

ストン(high temperature piston, HP)④がある．このに動く．図中に示す時刻が，両ピストンの動作のピストンは，ディスプレーサーとは異なり力を伝位相に対応する．zHP と zLP は，それぞれ HP と LPえることができる．図 7,8 におけるパワーピストの位置座標である．上死点が時刻 0:00 に対応し，

ン は ， こ の 場 合 に は ， 低 温 側 の ピ ス ト ン (low

下死点が時刻 6:00 に対応する．時計は時計まわり

temperature piston, LP)⑤と呼ばれる．このエンジに回転する．この図における zHP 曲線(破線)と zLP

ンは２ピストン型の外燃機関である．放熱器や再曲線(実線)の間の距離が作動流体の体積 V に対応

生器の機能の一部は，エンジン構造体によって代する．図 11 の下部に流体室内の気体の p, V, T の用される．このエンジンは，熱力学の教科書のも変化のようすを表示する．

の(図９)にはほど遠いが，Stirling エンジンとは往気体の体積 V は，おもに状態 2’→3’の過程で増復運動する密閉型の外燃機関である(表 1)という

加し，状態 3’→4’の過程で最大 Vmax になる．状態

基本的な理解に立てば，立派な Stirling エンジン

4’→1’の過程で減少し，状態 1’→2’の過程で最小
Vmin に な る ． 2 つ の ピ ス ト ン が 回 転 の 駆 動 力(power)を発生するのは，状態 2’→3’の過程であり，他の過程では，ピストンは慣性(inertia)に依って動く．気体の圧力 p と温度 T は，流体室の全域にわたって一様に変化する．温度 T は，おもに状態 1’→2’の過程で増加し，状態 2’→3’の過程で最大になる．状態 3’→4’の過程で減少し，状態 4’→1’の過程で最小になる．
気体がおもに加熱(heating)されるのは，むしろ温度があまり変化しない状態 2’→3’の過程においてであり，おもに冷却(cooling)されるのは，むしろ温度があまり変化しない状態 4’→1’の過程においてである．気体の加熱・冷却という熱エネルギ
ーの出入りと，気体の温度の増加・減少が，一対一には対応しない．それは，科学(science)における現象というより，工学(engineering)の智恵が創り出した機械の機能に属するものである．
3.3 2 ピストン型エンジンのサイクル図
さて， 機械製作実習” でつくるエンジンにおいて，作動流体は空気であり，その熱力学状態は理想気体の状態式で表される．その空気は大気
圧・室温の状態にあるものを体積既知の流体室に封入するので，その質量 m は評価できる．サイク

図 10. “機械製作実習”でつくる
Stirling エンジン

-41-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q

ク角 Tの関数として測定すれば，そのサイクルのpV 図や TS 図を描き，その性能を熱効率の形で定量的に評価することができるはずである．

ルにおける流体室の体積 V の変化は，クランク角(あるいは位相)Tの関数として計算できる．それゆえ，気体の圧力 p あるいは温度 T の変化をクラン

図 11. 2 ピストン型外燃機関の位相図

図 12. 2 ピストン型の外燃機関のサイクル (pV 図と TS 図)伝熱2004 年 5 月-42-

エデュケイション Q

図 12 には，一般的かつアバウトに，２ピストン型

謝辞 と 参考文献の外燃機関のサイクルの pV 図と TS 図を示す．

このテキストを書くにあたり，本学の吉田英生

Stirling サイクルの理論サイクル(実線)と実際のサ教授からは貴重なご示唆・ご助言を得た．また，イクル(一点鎖線)との違いは大きい．

次の web sites を参照し，一部の図 (図 6, 8) [3]を拝借した．そもそも，この実習でつくるスターリ

4. おわりに

ングエンジンは，本学のオリジナルではない．web

細かいことは，あるいは定量的にはともかく，

sites [4,5] には，すでに，基本的に同種のものが発“機械製作実習” でつくる Stirling エンジンがなぜ表されている．ここに記して，先達の方々に感謝

動くのかについて，納得し解ったであろうか？ もする．
[1] http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/index_j

し “Yes” ならよし，そうでなければ，エンジンを作りながらそれを考えて，もしエンジンが動いた.html

ら，まず，よろこんで，つぎに，“なぜ動き出した[2] http://jenny.mes.titech.ac.jp/jshinozu/Engine/のか” を考えてみてほしい．そして，“なぜ動きつ

engine_j.html

づけるのか” をより真剣に考えてみてほしい．と[3] http://www.rmkoubou.mce.uec.ac.jp/contents/

ころで，このテキストの図 11 の位相図は，貴兄のkisokougi/stirling/st2.html

Stirling エンジンの位相図と同じであったであろ[4] http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/

うか？

seminar/index.html[5] http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/index.htm-43-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

会議報告

東北支部秋季伝熱セミナー開催報告
A Report of Tohoku Branch Autumn Seminor on Heat Transfer

稲村 隆夫（弘前大学）
Takao INAMURA (Hirosaki University)

日本伝熱学会東北支部で例年行われている秋季

16:00〜16:40

伝熱セミナーが，本年度は青森県で開催されまし

16:40

た．その様子を報告いたします．
秋季伝熱セミナーは，例年学生さんの参加が多く，割安な会場での開催が通例化していたが，北車による移動

いわき荘到着16:40〜18:00

休憩・入浴

18:00〜20:00

懇親会

10 月 5 日（日）朝食後解散

東北ではこの時期紅葉の観光シーズンであり，有名な温泉も多いことから，せっかく遠路はるばる

当日は天気にも恵まれ，ドライブには絶好の日お出で頂くのであれば，多少割高でも気持ちの良和となった．当日の参加者は，学生さんを含め約い場所で日頃の垢を落としリフレッシュしていた50 名で，当初の予想を上回る多くの方々に参加い

だく，というコンセプトでアソベの森・いわき荘

ただいた．

で開催することとなった．いわき荘（旧国民宿舎，

講演会では，地元弘前大学で気象を専門に研究

http://www.iwakisou.or.jp/）は演歌にも良く登をされている力石教授，青森県で技術の民間への場する岩木山の麓にあり，本年は新装オープン３

移転ならびに産学官連携に携わっている毛利氏・年目で建物自体も非常にきれいである．また，例永井氏を講師にお招きし，活発な質疑応答がなさ

年この時期になると，岩木山の頂上部では紅葉がれた．北東北でも温暖化は着実に進んでいるが，始まり，眺めもすばらしく，露天風呂も高い人気

積雪量はそれ程変化していないこと，八戸市は環を誇っている．ただし，講演会に適した部屋がな

境・エネルギー産業創造特区に選ばれ，マイクロいことから，講演会は弘前大学で開催し，懇親会

グリッドシステム構想を精力的に進めていること，をいわき荘で開くこととなった．弘前大学は弘前

産学官連携に対する青森県の取り組み，ならびに市の中心部に位置し，いわき荘へは車で４０分ほ

現在行われている産学官連携共同プロジェクトのどの距離にある．

紹介，は特に印象的であった．

当日のスケジュールを下記に示す．

講演会終了後，全員車で懇親会の会場に向かい，
約 40 分ほどでいわき荘に到着した．休憩・入浴の10 月 4 日（土）13:00〜13:10
長

開会挨拶後，午後 6 時より 8 時まで懇親会が開催された．
日本伝熱学会東北支部

懇親会では，セミナー実行委員長，日本伝熱学会

三浦隆利教授（東北大学）

13:10〜15:40

東北支部長の挨拶に始まり，講師の先生方の紹介，講演会

乾杯の後懇談に入った．懇親会は，日頃会うこと

・ 力石國男教授（弘前大学）の少ない他大学の先生方・学生さん方と膝を交え「積雪寒冷地の気象と地球温暖化」て交流できるまたとない機会であり，また研究の・ 毛利邦彦氏（電源開発㈱，八戸インテリジェ

種を探し出す良い機会でもある．懇談会は午後 8

ントプラザ・技術コーディネーター）

時で終了したが，その後幹事室で二次会を開催し，「木質バイオマス発電を含めた分散電源の普及に対する提案について」

日が変わるまで他大学の先生方と学生さんの交流が続いた．

・ 永井伸樹氏（21 あおもり産業総合支援センタ

翌日 の 天 気 も朝 か ら 良 く， 車 で お 出で 頂 いたー・コーディネーター）

方々には，帰宅までの初秋のドライブを十分楽し「新事業創出をサポートして−産学連携への期待−」伝熱2004 年 5 月

-44-

会議報告

んでいただいたものと思う．また，一部の先生方

力いただいた青森県内の伝熱関連の先生方・学生は，近くのゴルフコースで日頃のうっぷんを晴らさん，ならびに遠路はるばる青森までお出で頂いしたと聞いている．

た東北支部の先生方・学生さんにこの場をお借り最後に，本セミナーを開催するにあたり，ご協して御礼申し上げます．

-45-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

伝熱2004 年 5 月-46-

行事カレンダー

行事カレンダー本会主催行事開催日

行事名（開催地，開催国）

申込締切

原稿締
切

問合先

掲載号

2004 年
5月

26 日（水）〜28 日（金）

第４１回日本伝熱シンポジウム（富山国際会議場および富山県民会館，富山市）’04.1/16’04.3/811
月

24 日（水）〜26 日（金）国際伝熱フォーラム
International Forum on Heat Transfer(IFHT2004)（京都リサーチパーク，京都市）’04.2/29’04.7/3
1

申込締切

原稿締
切

富山大学工学部 機械知能システム工学科
第 41 回日本伝熱シンポジウム実行委
員会事務局 平澤良男，喜多野一幸
thermo@eng.toyama‑u.ac.jp
http://www3.toyama‑u.ac.jp/ thermo/〒980‑8577 仙台市青葉区片平 2‑1‑1
東北大学流体科学研究所 円山重直
Tel&Fax: 022‑217‑5243
E‑mail:maruyama@ifs.tohoku.ac.jp〒599‑8531 堺市学園町 1‑1 大阪府
立大学大学院工学研究科 機械系専攻
エネルギー機械工学分野 中部主敬
Tel:072‑254‑9224
Fax:
072‑254‑9904
E‑mail:nakabe@energy.osakafu‑u.ac.
jp
http://www.ifht2004.energy.osakafu‑u.ac.jp/

1 月号

1 月号

本会共催，協賛，後援行事
開催日

行事名（開催地，開催国）

問合先

掲載号

2004 年
5月

27 日（木）， 日本機械学会関西支部第 268 回講習会「破壊力学の基28 日（金） 礎と最新応用（実験実習・計算演習付き）

5月

31 日（日）〜6 月 3 日（水）

第 5 回混相流国際会議（ICMF2004)（パシフィコ横浜，横浜市）’03.9/1(Abstract)’04.3/20

7月

19 日（月）〜21 日（水）第 32 回可視化情報シンポジウム（工学院大学新宿校舎，東京）’04.2/27’04.5/1
7

7月

24 日（土）， 日本実験力学会 2004 年度年次講演会
25 日（日） （戦災復興記念館，仙台）’04.4/16’04.5/2
88月

5 日（木）〜
7 日（土）’04.3/26’04.6/1
1

日本混相流学会年会講演会 2004 及び第 23 回混相流シンポジウム（岡山大学津島キャンパス，岡山市）’04.5/20-47-〒550‑0004 大阪市西区靱本町 1‑8‑4
大阪科学技術センター内 (社)日本機
械学会関西支部
Tel:06‑6443‑2073 Fax:06‑6443‑6049
E‑mail:jsme@soleil.ocn.ne.jp
http://www.kansai.jsme.or.jp/〒305‑8564 つくば市並木 1‑2‑1
産業技術総合研究所エネルギー利用研
究部門
竹村文男
E‑mail:takemura.f@aist.go.jp
http://www.jsmf.gr.jp/icmf/〒 114‑0034
東京都北区上十条
3‑29‑20‑103(社)可視化情報学会事務局
Tel:03‑5993‑5020
E‑mail:info@vsj.or.jp
http://www.vsj.or.jp/sympo2004〒980‑8575 仙台市青葉区星陵町 4‑1
東北大学大学院歯学研究科 口腔器官
構造学分野
小西通雄
Tel:022‑717‑8283 Fax:022‑717‑8284
E‑mail:konishi@anat.dent.tohoku.ac.jp
http://moire.sys.wakayama‑u.ac.jp/
JSEM/〒700‑8530 岡山市津島中 3‑1‑1 岡山大学工学部機械工学科伝熱工学研究室内日本混相流学会年会講演会 2004 及び第 23 回混相流シンポジウム事務局
E‑mail:jsmf@heat6.mech.okayama-u.ac.
jp
http://heat6.mech.okayama-u.ac.jp/jsmf/in
dex.html

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

行事カレンダー

8月

9 日（月）〜
11 日（水）日本流体力学会年会 2004
（名古屋大学工学部）’04.3/31

8月

29 日（日）〜9 月 3 日（金）

第 24 回国際航空科学会議横浜大会(24th Congress of theInternational Council of the Aeronautical Sciences, 2004,
Yokohama)（パシフィコ横浜国際会議場，横浜市）’03.7/31

9月

27 日（月）〜28 日（火）可視化情報学会全国講演会（愛媛 2004）（放送大学愛媛学習センター，松山市）’04.5/28

10月

4 日（月）〜
8 日（金）

第６回原子炉熱流動と運転及び安全性に関する国際会
議（NUTHOS6）（奈良県新公会堂，奈良市）
AFI/TFI‑2004
11 日（木）， Fourth International Symposium on Advanced Fluid
and
Transdisciplinary
Fluid
12 日（金） Information
Integration（仙台国際センター，仙台市）’03.12/15(Abstract)’04.7/15(Abstract)’04.8/3
1

11
月

13 日（土）， 熱工学コンファレンス 2004
14 日（日） （東北大学工学部，仙台市）’04.6/11’04.9/10

12
月

4 日（土），
5 日（日）

11
月

伝熱第 11 回エコテクノロジーに関するアジア国際シンポジ
ウム（ASET11）（富山国際会議場，富山市）

2004 年 5 月-48-’04.6/1
8’04.7/2
3

日本流体力学会年会 2004 運営委員会
http://fluid.nuae.nagoya‑u.ac.jp/jsfm‑c/NENKAI2004/ あるいは
http://www.nagare.or.jp/〒 105‑0004 東 京 都 港 区 新 橋 1‑18‑2
日本航空宇宙学会 第 24 回国際航空科
学会議事務局
Tel：03‑3519‑4808 Fax:03‑3519‑9998
e‑mail: icas@jsass.or.jp
http://www..jsass.or.jp/icas〒790‑8577 松山市文京町 3 愛媛大学工学部機械工学科 檜原秀樹
Tel/Fax: 089‑927‑9721
e‑mail: vsj2004@adm.ehime‑u.ac.jp
http://www.vsj.or.jp/ehime/e‑mail: info@nuthos6.org
http://www..nuthos6.org

http://www.ifs.tohoku.ac.jp/afi-tfi-2004/〒980‑8579 仙台市青葉区荒巻字青葉
東北大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 熱工学コンファレンス 2004 実
行委員会委員長 太田照和
e‑mail:ota@cc.mech.tohoku.ac.jp
http://www.e-kenkyu.com/JSME-TEC2004〒939‑8630 富山市本郷町 13 富山工業高等専門学校内 ASET 事務局 袋布昌幹
Tel：076‑493‑5479 Fax：076‑492‑3859
http:/www.toyama-nct.ac.jp/event/aset/お知らせFirst International Conference on Flow Dynamics
主催
21世紀 COE プログラム「流動ダイナミクス国際研究教育拠点」，国立大学法人東北大学
趣旨
21世紀 COE プログラム「流動ダイナミクス国際研究教育拠点」は，流動ダイナミクスの発展を通じて，人類社会の持続的発展に貢献するような，高い実用展開能力と国際性を兼ね備えた人材を育成すること，また同時に流動ダイナミクス研究の世界的中核となることを目的としています．本国際会議では，複雑系の代表的事象である「流動ダイナミクス」の様々な時間・空間スケールでの現象解明，機能創成，応用に関する議論の場を設け，分野を横断する流動研究の最新の情報の発信や討論を行います．招待講演
およびオーガナイズドセッションを企画するとともに，AFI‑TFI 2004と同時開催で執り行いますので，多くの方々のご講演及びご参加をお待ちしています．
開催日・場所2004 年 11 月 11 日(木)，12 日(金) 仙台国際センター（仙台市青葉区青葉山

電話 022‑265‑2450）

国際会議構成
○招待講演
Hideki ISHIDA (INAX Corporation)“Dynamic activity of water on the nature technology”○オーガナイズドセッション[A. Highly-Coupled Flow Systems] OS1: Research and development of Japan made high performance jet
plane, OS2: Nano-mega ground effect and applications, OS3: Functional fluids flow dynamics in interactive
systems[B. Shock-Wave-Driven Flow Functions] OS4: Force generation through shock wave dynamics, OS5:
Alleviation of shock-induced hazards, OS6: Planetary entry flow physics[C. Energy and Material Flows] OS7: Water Dynamics[D. Interdisciplinary session] OS8: International Students/Young Birds Session on Flow Dynamics
アブストラクト申し込み方法
2004年8月20日(金)締切，OS 番号，著者名，題目，連絡先，アブストラクト(100‑200words) を記入の上，下記電子メール宛へお申し込み下さい．詳細は， 下記ホームページをご参照願います．
なお，2004年9月 3日(金)までに研究発表の採否をお知らせ致します．
問い合わせ先〒980-8577

仙台市青葉区片平2-1-1

21世紀 COE 事務局

国立大学法人東北大学流体科学研究所

Tel.&Fax: 022-217-5301，E-mail : flowconf@nana.ifs.tohoku.ac.jp

ホームページ: http://www.ifs.tohoku.ac.jp/21coe/flowconf2004/-49-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

お知らせ

第 4 回高度流体情報および融合流体情報に関する国際シンポジウム (AFI/TFI-2004)
主催
国立大学法人東北大学 流体科学研究所

趣旨
IT 技術の進展によってもたらされた流体情報学と異分野・異手法の融合による融合流体
情報学をテーマに，人類の永続的発展に必要不可欠な 21 世紀の流体力学を議論する国際シンポジウムを仙台で開催いたします．是非ご参加ください．このシンポジウムでは招待
講演や口頭発表，ミニシンポジウムが開催されます．
皆様のご講演及び参加をお待ちしています．

開催日・会場2004 年 11 月 11 日(木)，12 日(金)仙台国際センター(宮城県)

参加費10,000 円 (含バンケット代)

参加申込締切日
2004 年 7 月 15 日(木)講演申し込み方法
学会ホームページ(http://www.ifs.tohoku.ac.jp/afi-tfi-2004/)の「研究発表申し込み」欄に必要事項を入力してください．

連絡先〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平 2-1-1
東北大学流体科学研究所
大林茂

Tel&Fax：022-217-5265

E-mail : obayashi@ifs.tohoku.ac.jp※21COE「流動ダイナミクス国際研究教育拠点」と同時開催で執り行います．

伝熱2004 年 5 月

-50-

お知らせ

「伝熱」会告の書き方-51-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

事務局からの連絡事務局からの連絡１．学会案内と入会手続きについて【目的】
本会は，伝熱に関する学理技術の進展と知識の普及，会員相互及び国際的な交流を図ることを目的としています．
【会計年度】
会計年度は，毎年４月１日に始まり翌年３月３１日までです．
【会員の種別と会費】
会員種資格

会費（年額）

伝熱に関する学識経験を有正会員 する者で，本会の目的に賛 ８,０００円
同して入会した個人

賛助
会員

本会の目的に賛同し，本会１口の事業を援助する法人また
３０,０００はその事業所，あるいは個
円
人

学生
会員

高専，短大，大学の学部および大学院に在学中の学生
４,０００円で，本会の目的に賛同して入会した個人

名誉会員

本会に特に功労のあった者 ８,０００円
で，総会において推薦され 但し，70才
以上は０円
た者

推薦
会員

本会の発展に寄与することが期待できる者で，当該年度の総会において推薦された者

2. 「日本伝熱シンポジウム講演論文集」を無料でさしあげます．
・正・学生・名誉・推薦の各会員に１部，賛助
会員に口数分の部数（但し，伝熱シンポジウ
ム開催の前年度の３月２５日までに前年度分までの会費を納入した会員に限る）【入会手続き】正会員または学生会員への入会の際は，入会申込用
紙にご記入の上，事務局宛にファックスまたは郵送で送り，郵便振替にて当該年度会費をお支払い下さい．賛助会員への入会の際は，入会申込用紙にご記入の上，事務局宛にファックスまたは郵送でお送り下さい．必要があれば本会の内容，会則，入会手続
き等についてご説明します．賛助会員への申込みは何口でも可能です．
（注意）・申込用紙には氏名を明瞭に記入し，難読文字にはJISｺ-ﾄﾞのご指示をお願いします．
・会費納入時の郵便振替用紙には，会員名（必要に応じてフリガナを付す）を必ず記入して下さい．
会社名のみ記載の場合，入金の取扱いができず，
会費未納のままとなります．
・学生会員への入会申込においては，指導教官による在学証明（署名・捺印）が必要です．
２．会員の方々へ【会員増加と賛助会員口数増加のお願い】
個人会員と賛助会員の増加が検討されています．
会員の皆様におかれましても，できる限り周囲の関連の方々や団体に入会をお誘い下さるようお願いします．また，賛助会員への入会申込み受付におきまして，Ａ（３口），Ｂ（２口），Ｃ（１口）と分けております．現賛助会員におかれましても，できる限り口数の増加をお願いします．

０円【会員の特典】【会費納入について】
会費は当該年度内に納入してください．請求書はお申し出のない限り特に発行しません．会費納入
状況は事務局にお問い合せ下さい．会費納入には折込みの郵便振替用紙をご利用下さい．その他の送金方法で手数料が必要な場合には，送金者側の負担にてお願い致します．フリガナ名の検索によって入金の事務処理を行っておりますので会社
名のみで会員名の記載がない場合には未納扱いになります．

会員は本会の活動に参加でき，次の特典があります．
1. 「伝熱」,「THERMAL SCIENCE AND
ENGINEERING」を郵送します．
（本年度発行予定：5，7，9，11，1，3月号）
・正会員，学生会員，名誉会員，推薦会員に１冊送付
・賛助会員に口数分の冊数送付

伝熱2004 年 5 月-52-

事務局からの連絡【変更届について】（勤務先，住所，通信先等の変更）
勤務先，住所，通信先等に変更が生じた場合には，巻末の「変更届用紙」にて速やかに事務局へお知らせ下さい．通信先の変更届がない場合には，郵送物が会員に確実に届かず，あるいは宛名不明により以降の郵送が継続できなくなります．また，再発送が可能な場合にもその費用をご負担頂くことになります．
（賛助会員の代表者変更）
賛助会員の場合には，必要に応じて代表者を変更できます．
（学生会員から正会員への変更）
学生会員が社会人になられた場合には，会費が変わりますので正会員への変更届を速やかにご提出下さい．このことにつきましては，指導教官の方々からもご指導をお願いします．
（変更届提出上の注意）
会員データを変更する際の誤りを防ぐため，変更届は必ず書面にて会員自身もしくは代理と認められる方がご提出下さるようお願いします．
【退会届について】
退会を希望される方は，退会日付けを記した書面
にて退会届（郵便振替用紙に記載可）を提出し，未納会費を納入して下さい．会員登録を抹消します．
【会費を長期滞納されている方へ】
長期間，会費を滞納されている会員の方々は，至急納入をお願いします．特に，平成 12年度以降 の 会 費 未 納 の 方 に は 「 伝 熱 」「 THERMALSCIENCE AND ENGINEERING」の送付を停止しており，近く退会処分が理事会で決定されます．

事

務

局

《業務内容》ⅰ )入 会 届 ， 変 更 届 ， 退 会 届 の 受 付ⅱ )会 費 納 入 の 受 付 ， 会 費 徴 収 等ⅲ )会 員，非会 員から の問 い合わ せに 対する 応
対，連絡等ⅳ )伝 熱シンポ ジウム 終了 後の「 講演 論文集」の 注文受 付， 新入会 員へ の学会 誌「 伝熱」，
論文集「 THERMAL SCIENCE AND
ENGINEERING」 発 送 ， そ の 他 刊 行 物 の 発
送ⅴ )そ の 他 必 要 な 業 務《所在地》〒 113-0034 東 京 都 文 京 区 湯 島 2-16-16
社団法人 日本伝熱学会
TEL, FAX： 03-5689-3401
E-MAIL: htsj@asahi-net.email.ne.jp
HP: http://www.htsj.or.jp（ 土日，祝祭 日を除 く，午 前10時〜 午後 5時 ）（注意）
１．事務局への連絡，お問い合わせには，電話によらずできるだけ 郵 便 振 替 用 紙 の 通 信 欄 やフ ァ ッ ク ス 等 の 書 面 に て お 願 い し ま す．
２．学会事務の統括と上記以外の事務は，下記にて行なっております．

〒 113-8656 東 京 都 文 京 区 本 郷 7-3-1
東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻
笠木 伸英
TEL: 03-5841-6417
FAX: 03-5800-6999
E-Mail : htsj@thtlab.t.u-tokyo.ac.jp

３．事務局について
次の業務を下記の事務局で行っております．

-53-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

事務局からの連絡

寄付会費（2004.1〜2004.3.31） 8 名 15,000 円
資格

勤務先

資
格

氏

名

正

山田

昇

東北大学

正

小山

繁

九州大学

正

藤田

恭伸

九州大学

正

桃瀬

一成

大阪大学

正

瀧本

昭

金沢大学

正

柘植

綾夫

三菱重工業（株）

正

藤井

照重

神戸大学

正

多田

寿雄

明治大学

伝熱

2004 年 5 月

-54-

氏

名

勤務先

事務局からの連絡

日本伝熱学会正会員・学生会員入会申込み・変更届出用紙（右の該当に○を記入）（注意）

１．正会員・学生会員入会申込書
２．変更名（書面による届出のみ受付け）・楷書体で明瞭に記入
・氏名にふりがなを付す
・通信文は余白に記入
・申込時に郵便振替にて会費納入

申込年月日
0
年
会員資格
正・学
1
氏名
2
ふりがな
3
生年月日
4
1
9
年
5
名称
6
*
7 勤
〒
―
務
8
所在地
先
9
・
10 学
TEL
11 校
FAX
12
電子メール
13
〒
―
14
住所
自
15
宅
16
TEL
17
FAX
18
勤務先・自宅
通信先＊＊
19
学位
20
最終出身校
21
T・S・H
卒業年次
22 分 専 基礎的分野
・
野
門
23
応用分野
・
24
学生会員の場合：指導教官名＊＊＊

月

日

月

日

共通・専用

自宅情報を会員名簿に記載しない・・・←（下記の専門分野の番号）
印

※専門分野
基礎的分野
1: 強制対流
2: 自然対流 3: 表面張力駆動対流 4: 沸騰・蒸発・凝縮 5:混相流
6: 融解・凝固
7: 熱伝導8: 放射
9: 反応・燃焼
10:物質移動
11: 多孔質伝熱 12: 極低温
13: 熱物性
14: 計測・可視化
15:数値シミュレーション
16: EHD・MHD 17: 混合物
18: マイクロ伝熱19: 分子スケール伝熱 20:その他（）
応用分野
1: 熱交換器
2: 畜熱
3: 冷凍・空調
4: 電子機器・情報機器 5: ﾋｰﾄﾊﾟｲﾌﾟ・熱ｻｲﾌｫﾝ
6: 航空・宇宙機器 7: 海洋機器 8: 火力発電プラント 9: ガスタービン
10: 地熱11: 燃料電池
12: 熱電変換 13: エネルギー貯蔵 14: 原子力発電プラント 15: 製鉄
16: 材料・加工
17: 流動層 18: 廃棄物処理
19: 生体・人間熱科学 20: バイオ・食品
21: エンジン
22: 住環境 23: 都市環境
24: 地球環境
25: 建築・土木
26: MEMS
27: レーザー 28: グリーンエネルギー・小型分散エネルギー29: その他（
）
*）
**）
***）
****）

学生会員入会申込者は学校名，学部，学科，研究室名，学年（M2，D3 など）を記す．
郵送物発送先として通信先を必ず記入する．
学生会員入会申込者は，指導教官の署名・捺印を受ける．
会員名簿等作成時に自宅情報の掲載を希望しない場合はレ点をつける．

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Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

事務局からの連絡

日本伝熱学会
０ 申込年月日賛助会員新規入会申込み届け用紙
年月日※ご記入に際しての注意
日本伝熱学会からの郵送物は代表者にお送りしておりますので，代表者の所属に変更がありましたら，書面にて事務局宛ご連絡くださるようお願いします．
１

会員資格

２

代表者氏名

３

ふりがな

４
５
６
７
８
９
10
11

名称
(所属)

代
表

賛助会員

〒

−

者
勤
務
先

所在地
TEL
共通・専用

FAX

口数

口

日本伝熱学会入会のご案内
１．学会の会計年度は毎年 4 月 1 日から翌年 3 月末日までです．
２．賛助会員の会費は１口３０，０００円／年で，申し込みは何口でも結構です．申し込み口数により，次のように分けております．（３口），B（２口），C（１口）
３．会員になりますと「伝熱」「THERMAL SCIENCE AND ENGINEERING」をお申し込み口数１口につき各１部お送りします．
「日本伝熱シンポジウム講演論文集」等をお申し込み口数１口につき１部無料でさしあげます．この伝熱と THERMAL SCIENCE AND ENGINEERING は通常，年６回（５，７，９，１１，
１，３月号）発行しております．但し，日本伝熱シンポジウム講演論文集につきましては，前年度の会費を年度末までに完納された会員に限り当該年度のものを無料でさしあげます．なお，年度途中でご入会された方には残部の都合でお送りできない場合もありますので，あらかじめご承知おきください．
４．本学会では，事務作業簡素化のために会費の領収書の発行は郵便振替や銀行振込の控えをあてています．
簡単な書式の領収書はご用意できますが，それ以外の場合には貴社ご指定の書式をご送付下さいますようお願い申しあげます．
申込書送付先 ;〒113‑0034

東京都文京区湯島 2‑16‑16
社団法人日本伝熱学会事務局

TEL＆FAX；03‑5689‑3401
会費の振込先；(1)郵便振替の場合―郵便振替口座 00160‑4‑14749
社団法人日本伝熱学会(2)銀行振込の場合―みずほ銀行 大岡山支店 普通預金口座 145‑1517941
社団法人日本伝熱学会(3)現金書留の場合―上記の事務局宛に御送金下さい．

伝熱2004 年 5 月

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Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

広告有）テクノオフィス

3 月号

更新版

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◇編集後記◇
今月は川柳で綴ってみました．編集作業泣かせのクセ原稿が時
たまあります．「大した図 無いのに重い このファイル」「何か
変 さてはマックで作ったな」 よくあるのが遅い原稿で，「締め
切り日 ほんとの締め切り いつですか」と言うのはまだ良心的，「まだですか 返った答えは 今からさ」となると版下作成に影響が出ます．ちょっとした油断でこの一年の印刷費が跳ね上がってしまい「カラーやめ ページ減らせと 上の指示」とあいなりました．しかし，特集記事のきれいな図面はやはりカラーが一番です．今月は石黒委員の企画で最先端のバイオ・メディカル系の特集を組むことができました．「ありがたや 原稿そろって ナンマイ(何枚)ダ」と手を合わせて感謝しております．
本誌への原稿の投稿，また，本誌に対するご意見・ご要望など，
お近くの下記委員ないしは編集出版事務局，第 42 期編集出版部会
委員までお寄せください．

副会長
部会長
委 員
（理事）

（評議員）

（事務）

太田
高田

照和
保之

近久 武美
北村 健三
平田 哲夫
藤井 照重
奥山喜久夫
栗山 雅文
稲田 茂昭
花村 克悟
白樫
了
吉田 英生
石黒
博
久保田裕巳

TSE チーフエディター
西尾 茂文
TSE 出版担当
永井 二郎

東北大学
九州大学
北海道大学
豊橋技術科学大学
信州大学
神戸大学
広島大学
山形大学
群馬大学
東京工業大学
東京大学
京都大学
九州工業大学
九州大学

東京大学
福井大学

平成 16 年 5 月 10 日
編集出版事務局：〒812-8581 福岡市東区箱崎 6-10-1
九州大学 大学院工学研究院 機械科学部門
高田 保之 ／ 久保田裕巳
Tel : 092-642-3398 ／-3402
Fax : 092-642-3400
e-mail: takata@mech.kyushu-u.ac.jp

複写される方に本誌に掲載された著作物を複写したい方は，日本複写権センターと包括複写許諾契約を締結されている企業の従業員以外は，著作権者から複写権等の委託を受けている次の団体から許諾を受けて下さい．
なお，著作物の転載・翻訳のような複写以外許諾は，直接本会へご連絡下さい．
〒107-0052

東京都港区赤坂 9-6-41

乃木坂ビル 3F

学術著作権協会（Tel / Fax : 03-3475-5618）
アメリカ合衆国における複写については，次に連絡して下さい．
Copyright Clearance Center, Inc.(CCC)
222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923 USA
Phone : +1-978-750-8400

Fax : +1-978-750-4744

Notice about photocopying
In order to photocopy any work from this publication, you or your organization must obtain permission from thefollowing organization which has been delegated for copyright for clearance by the copyright owner of thispublication.
Except in the USA
The Copyright Council of the Academic Societies (CCAS)
41-6 Akasaka 9-chome, Minato-ku, Tokyo 107-0052 Japan
Phone / Fax : +81-3-3475-5618
In the USA
Copyright Clearance Center, Inc. (CCC)
222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923 USA
Phone : +1-978-750-8400

伝

Fax : +1-978-750-4744

熱ISSN 1344-8692

Journal of The Heat Transfer Society of Japan

Vol. 43, No. 180
発行所

2004 年 5 月発行
社団法人 日 本 伝 熱 学 会〒113-0034 東京都文京区湯島 2-16-16
電話

03(5689)3401

Fax.

03(5689)3401

郵便振替
Published by

00160-4-14749

The Heat Transfer Society of Japan
16-16, Yushima 2-chome, Bunkyo-ku,
Tokyo 113-0034, Japan
Phone / Fax : +81-3-5689-3401