研究助成
成果報告論文集（令和６年度）

公益財団法人 カシオ科学振興財団
CASIO SCIENCE PROMOTION FOUNDATION

成果報告論文
第４０回（令和４年度）研究助成

1

成果報告論文一覧※所属・職位は論文提出時点

第４０回（令和４年度）研究助成

No

研

究

テ

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マ

代表研究者

廃プラスチックのビッグデータ分析による識別モデルの構築 東北大学大学院国際文化研究科 准教授と評価手法の確立
大 窪 和 明高開口率の細胞足場シートを用いたサスティナブル食肉培養 東京医科歯科大学生体材料工学研究所 教授
2システムの開発梶弘
和
磁性扁長粒子の形状異方性を利用したナノ複相膜の磁気光学 東北大学大学院工学研究科 講師
3
効果の高感度化
青 木 英 恵磁性ワイル半金属のトポロジーに由来する駆動力を用いた 物質・材料研究機構 若手国際研究センター ICYS 研究員
4
磁気秩序の高効率制御法の確立とプロトタイプ実証
竹 内
祐 太 朗
千葉大学フロンティア医工学センター
准教授
食道癌リンパ節転移を見落とさず検知するPETを応用した
5
術中計測支援機器の開発
川 村 和 也
超臨界CO2が創出する量子空間欠陥に基づいた可視発光ドット 東京工業大学物質理工学院 助教
6の開発
織 田 耕 彦マルチロボティック測位システムの開発：リアルタイム測位 京都大学大学院情報学研究科 准教授
7の普遍化・高精度化が変える未来の情報化社会
櫻 間 一 徳神奈川大学化学生命学部 教授
8 紫外光励起-可視光検出-遷移状態分光装置開発
岩 倉
い ず み
日本大学生産工学部教授
電気光学変調コムを用いた広帯域周波数可変かつ極低ノイズ
9なマイクロ波発生石澤淳
東京大学ニューロインテリジェンス国際研究機構
講師
ウェブゲームと計算論的モデリングを通して、人の汎化及び10
弁別能力を測定し、統合失調症との関係を評価する
Cai Mingbo
名古屋大学大学院工学研究科 教授
11 機能性磁性ナノ粒子を用いた磁場誘導型がん温熱療法の開発
井藤彰
多品種少量の放射性薬品を精緻に調製するための唯一無二の 東京電機大学工学部 教授
12
自動化システムに関する研究
茂 木 克 雄室蘭工業大学大学院工学研究科
助教
機動的レーダリモートセンシングの実現に向けた小型無人機
13搭載合成開口レーダの開発
泉佑太
東北大学多元物質科学研究所 講師
14 多元系スピネル酸化物ナノ粒子の合成と水分解触媒への応用
岩 瀬 和 至公立千歳科学技術大学理工学部 准教授
15 ハロゲン架橋銅(II)錯体一次元鎖のスピン量子ビットへの展開
脇 坂 聖 憲
山形大学理学部
助教
電荷移動錯体導入による多積層型ペロブスカイト量子ドット
16
創出と高効率・長寿命LEDの開発
江 部
日 南 子
東京工業大学物質理工学院 教授
17 機能性ドメイン境界における相転移・物性発現機構の解明
横 田 紘 子
東京大学大学院工学系研究科 准教授
18 省エネルギー技術の実現に向けた強磁性酸化物材料の開拓
Hirschberger Maximilian
東京農工大学大学院工学研究院 助教
強分極薄膜を自発形成する極性分子の開発
19－分子の末端構造による分子配向制御－
田 中 正 樹電気通信大学大学院情報理工学研究科
准教授
鋭利なガラス管先端を利用した超電導ナノセンシング技術の
20
開発
小 久 保
伸 人
長岡技術科学大学大学院工学研究科 教授
21 元素戦略を考量した透明太陽電池の高効率化
田 中
久 仁 彦
二次元半導体を利用したマイクロ発光ダイオードへの機能 信州大学工学部 助教
22付与
浦 上 法 之名古屋大学大学院工学研究科 准教授
23 反力可変触覚ディスプレイ用触知ピンアクチュエータ
櫻 井 淳 平名古屋大学大学院工学研究科
講師
酸化物異相界面におけるバンド変調機構の解明と制御に24向けた原子・電子レベル解析
横 井 達 矢光生成キャリアの空間分離を特徴とする量子ドット太陽電池 豊橋技術科学大学大学院工学研究科 准教授
25の開発
山 根 啓 輔京都大学大学院工学研究科 准教授
26 接合形成と機能発現を同時に成す半導体界面材料工学
田 辺 克 明メタ表面を用いる光マネジメント科学の実践－蛍光の100％ 京都大学大学院工学研究科 助教
27
前方放出を目指して村 井 俊 介
1

2

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研

究

テ

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マ

代表研究者

送受信回路系極低温組込み核磁気共鳴法による微小物質の 大阪大学大学院基礎工学研究科 准教授
高感度測定の開発と新奇物性探索
椋 田 秀 和神戸大学大学院人間発達環境学研究科 助教
位相的データ解析による料理空間の構造解明と29
おいしい新料理の客観的な提案への応用
ESCOLAR Emerson Gaw
岡山大学異分野基礎科学研究所 助教
30 長波長側の可視光を利用可能にする螺旋型有機光触媒の開発
田 中 健 太徳島大学ポスト LED フォトニクス研究所 特任助教
31 マルチモーダル分光計測による材料認識ペプチドの機能解明
加
藤
遼
28

32 Si-CdTe一体型３次元半導体放射線イメージセンサの開発

宮崎大学工学部 准教授

武 田 彩 希兵庫県立大学大学院理学研究科
准教授
伝搬型表面プラズモンを励起子と結合して発光として系外に33取り出す技術の開発
小簑剛
兵庫県立大学大学院工学研究科 准教授
34 弾性偏光回折格子を用いた非メカ式レーザー偏向機の開発
近 藤 瑞 穂東邦大学理学部 講師
35 デュアル光コムによる非接触リモート計測技術の開発
中 嶋 善 晶早稲田大学理工学術院総合研究所 主任研究員
36 深層学習による遺伝子発現制御ネットワーク解析技術の開発
大 里 直 樹立命館大学理工学部
助教
双方向ワイヤレス電力伝送のオンライン磁気パラメータ同定
37による高効率制御に関する研究
清 水 悠 生高輝度円偏光発光材料創出を志向したキラルヘテロカーボン 就実大学薬学部 講師
38
ナノベルト開発とキロプティカル特性の解明
山 本 浩 司脳－計算機－超音波閉ループによるてんかん発作の実時間 北海道大学大学院薬学研究院 准教授
39
制御
竹 内 雄 一北海道教育大学教育学部（旭川校）
講師
ジュニアスポーツにおける主観的運動強度による40
トレーニング負荷定量化の妥当性と障害との関連性の検討
土 橋 康 平生体電気インピーダンス法を用いて骨格筋の量と質を評価 筑波大学体育系 助教
41するための電気的パラメータの検討
下 山 寛 之自動ヒト培養幹細胞動態解析による再生医療支援システムの 鳥取大学医学部医学科 教授
42
構築
難 波 大 輔藤田医科大学医学部 講師
43 MR（Mixed Reality:複合現実）を用いた気管支鏡支援
岡 地
祥 太 郎
鳥取大学医学部附属病院
助教
小児てんかん発作の頻度と気圧変動の統計的相関を調べる
44
研究荒 井 勇 人パーキンソン病患者における頸部多チャンネル表面筋電図に 広島大学大学院医系科学研究科 助教
45
よる嚥下動態の解析と電気刺激による効果の検討
中 森 正 博CEST-MRIと機械学習を組み込んだ定量的pHイメージング 徳島大学医学部 助教
46
手法の開発
金 澤 裕 樹九州大学病院
助教
人工知能および距離センサーを用いた
47
次世代手術トレーニングシステムの開発
福 田 篤 久埼玉県立大学大学院保健医療福祉学研究科 准教授
48 タイピングスキルを支える手指運動制御則の解明
国 分 貴 徳殺菌レーザーとバクテリオファージを融合した狙撃分子の 徳島文理大学薬学部 准教授
49
創成
阪 口 義 彦慢性疼痛患者に対するストレス評価方法の開発と生活習慣病 東京都健康長寿医療センター研究所 非常勤研究員
50のリスク判定への応用
守 屋 正 道東京電機大学理工学部
助教
皮膚表面形状の計測方式の差が手の動作認識の精度に及ぼす
51
影響についての検証趙崇
貴
新潟医療福祉大学健康科学部 講師
寒冷誘発性血管収縮の新規メカニズム解明
52-塩素イオンチャネルTMEM16Aに着目して藤 本 知 臣
九州大学大学院農学研究院 准教授
53 緑内障治療に向けた微弱電流刺激による眼球の若返り
池 上 啓 介柔道の初心者における頭部外傷を予防する安全な大外刈りの びわこ成蹊スポーツ大学スポーツ学部 教授
54
構築
林
弘
典
3

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研

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マ

代表研究者

腱の三次元培養技術と力学的収縮を組み合わせた抗運動器 同志社大学スポーツ健康科学部 助教
治療戦略
土 屋 吉 史立命館大学生命科学部 助教
56 光操作技術による適切な行動を生み出すtop-down入力の解明
塩 谷 和 基大阪医科薬科大学関西 BNCT 共同医療センター 助教
加速器ホウ素中性子捕捉療法における57
データ駆動型アプローチによる全身被曝線量の予測
柿野
諒
末梢神経刺激が静的ストレッチングの柔軟性向上効果に与える 九州産業大学健康・スポーツ科学センター 助教
58
影響とその神経機序齋
藤輝
山形大学学士課程基盤教育機構
准教授
変貌する日本の食文化
59－はじまりの米と魚の食文化から再考する－
白 石 哲 也
筑波大学人文社会系
教授
森林伐採と気候変動の飲み水のアクセスへの影響：高解像度
60
衛星データとGPS付き人口健康調査による分析
内 藤 久 裕感染症予防難易度の高い社会福祉施設における環境特徴量 電気通信大学 i- パワードエネルギー・システム研究センター 教授
61
抽出と空気質管理方法に関する研究
横 川 慎 二小中学生のハイリスクなネット利用行動に及ぼす規定因の 奈良女子大学研究院人文科学系 教授
62
研究：個人レベルと学校レベルの分析
中 山 満 子
岡山大学学術研究院教育学域
講師
学校数学における生徒が確率的に推論する授業の理論的・
63
実証的研究
石 橋 一 昴九州工業大学教養教育院 教授
個別最適な学びと協働的な学びの一体化を目指した
64
プログラミング教育における学習プロセス評価手法の開発
山 田 雅 之つくば国際短期大学保育科 常勤講師
幼児期の「サウンド・エデュケーション」を支援する
65
アプリケーションの開発と検証
仲 条 幸 一
自閉スペクトラム症児を支援する大学生に対するヒデュン・ 星美学園短期大学幼児保育学科 准教授
66
カリキュラムの効果
渡 邉 孝 継東京電機大学未来科学部
教授
障害者福祉拠点における利用／支援実態と拠点間連携の研究
67-共生型地域包括ケアシステムの構築を目指して山 田
あ す か早稲田大学人間科学学術院 教授
68 移民第二世代のオートエスノグラフィー
樋 口 直 人デジタル時代におけるヒト固有なコミュニケーション方策の 文部科学省 科学技術・学術政策局 事務官
69
変化予測
阪 口 幸 駿崇城大学総合教育センター 助教
70 熟練の情報科教師に見られる「翻案」の特徴の解明
古 賀 竣 也55

第３９回（令和３年度）研究助成

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代表研究者

局所配位構造・結合状態に立脚したHfO 2基薄膜の強誘電相の 熊本大学 先進マグネシウム国際研究センター 教授
安定化メカニズムの解明と強誘電性の向上
木 口 賢 紀大面積フィルム処理のための大気圧長尺マイクロ波プラズマに 名古屋大学大学院工学研究科 講師
17
おける酸素ラジカル空間分布計測
鈴 木 陽 香東北大学大学院教育学研究科 准教授
49 マタギの知と技術の継承に関する社会学的研究
鷲 谷 洋 輔
評価表現分析で読み解く医学論文査読者の嗜好と思考：査読 福島県立医科大学附属病院 特任准教授
57
自動化へ向けた基盤研究
大 前 憲 史3

第３８回（令和２年度）研究助成

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代表研究者

表現力豊かな音声の声質を決める声門流波形と声道伝達関数 富山県立大学 工学部 教授
特徴の解析
MOKHTARI Parham
立命館大学産業社会学部准教授
自然体験活動における学校教員の危機管理能力向上を目指した
54
視線特徴分析：初心者と経験者の着眼点比較
岡 本 尚 子25

4

5

【助成 40 - 01】

廃プラスチックのビッグデータ分析による識別モデルの構築と評価手法の確立

代表研究者 東北大学大学院国際文化研究科 准教授

大窪 和明

共同研究者 東北大学大学院国際文化研究科 教授

劉 庭秀

共同研究者 芝浦工業大学デザイン工学部

田邉 匡生

教授

共同研究者 東北大学大学院国際文化研究科 専門研究員 劉 暁玥
〔研究の概要〕一般家庭から排出された廃プラ（廃プラスチック）のサンプルを収集し、異なる周波数の THz(テラヘルツ)波を各サンプルに照射し、透過率を計測した。機械学習アルゴリズムを用いて、計測したデータを基に透明なプラスチックをPET と PS に、黒色プラスチックを PET、PP、PS に高精度で識別するモデルを構築した。また、(1)各周波数の透過率が識別精度に与える影響度の評価、(2)再資源化のための素材識別モデルとしての精度評価といった二つの観点から評価方法を検討した。(1)では XAI(eXplainable AI)を用い、識別精度を高めるために重要な周波数を定量的に明らかにした。(2)では機械学習の分野で用いられる Precision 値は識別から得られる再生原料の品質、Recall 値
は選別による環境負荷の低減を評価する指標として、それぞれ有用であることを示した。これらの成果は、廃プラの識別における THz 波や機械学習の有用性と将来性を示す意義のある成果といえる。

〔研究経過および成果〕
はじめに仙台市内の一般家庭からプラスチック製容
器包装廃棄物を廃プラのサンプルとして収集し、各サンプルについて FTIR(フーリエ変換赤外線分光法)などを用いて素材を特定した。それらのサンプルにつ(a) 計測装置

いて、異なる複数の周波数の THz 波の光源と検出器(b) 6 光源での計測結果を設置した装置（図(a)）を用いて透過率を計測した。

図 透過率の計測

次に透明なプラスチックでも異なる素材、同じ素材

象の透過率を入力データとして、透明な PET、PS ま

でも色の異なる廃プラの識別における THz 波の有効

たは黒色 PS であるかを識別するモデルを構築した。

性を検証するため、透明な PET、PS および黒色の PS構築した識別モデルの Precision 値は高く、透明なが混在する廃プラから、色と素材を識別する。周波数

PET と PS、黒色 PS それぞれの値は 0.92, 1.00, 0.90

0.075、0.090、0.140THz で透過率を計測した結果、であった。これらの値は、例えば、識別モデルが透明

素材ごとに傾向の違いは見られたが、サンプルに含な PET として識別したサンプルの中で、本当に透明

まれる添加剤などの影響により、同じ素材と色であっな PET であったものの割合が 0.92 であることを示す。

ても透過率にバラツキが見られた。そこで機械学習ア

すなわち、Precision 値は識別された廃プラを再資源

ルゴリズムの一つである XGBoost を用いて、識別対化したときの再生原料の品質を評価する上で重要な

6

指標であり、本識別モデルを用いることによって不純件付き GAN)を応用したオーバーサンプリング法を試

物の少ない再生原料が期待できる。また、透明なし、SMOTE または cGAN によって Precision 値やPET と PS、黒色 PS の Recall 値は、それぞれ 0.92,

Recall 値が高まることが明らかになった。また、XAI を

1.00, 0.90 であった。これらの値は、例えば、識別対

用いて周波数の影響度を評価し、黒色プラの識別に

象の廃プラに含まれる透明な PET の内、0.92 の割合

は 0.060THz の重要度が高いことが明らかになった。

で透明な PET として正しく回収されたことを示す。正

〔発表論文〕

しく回収されなかった素材が残渣として焼却処理され1.

田邉匡生、大橋隆宏、蘆澤雄亮、劉庭秀、眞子岳、ることを考えると、Recall 値が高いほど再資源化される

大窪和明、佐々木哲朗「特集：プラスチック資源

量が多く、環境負荷が低減されたと考えることができ循環（現状&取組み） テラヘルツ波を用いたプる。さらに XAI(eXplainable AI)の一種である SHAP 値

ラスチックの素材識別・劣化診断装置」JETI Vol.

を用いて識別精度への重要度を評価した結果、素材

70（2022）29-30.
2.

ごとに重要な周波数は異なることが明らかになった。

田邉匡生、大橋隆宏、劉庭秀、眞子岳、大窪和

次に、近赤外線による識別が難しい黒色プラスチッ

明、佐々木哲朗「廃プラスチックの選別装置開クを PET、PP、PS に識別することを考える。ここでは 6

発によるリサイクルの高度化」化学工業 第 73

種類の周波数での THz 波について透過率を計測し、

巻 8 号（2022）481-486.
3.

SVM(Support Vector Machine)を用いて識別モデル

佐々木哲朗、田邉匡生、劉庭秀、眞子岳、大窪和を構築した（図(b))。入力データに用いる周波数を 1

明「第2節 テラヘルツ波による廃プラスチック高

種類から 6 種類まで一つづつ増やしていったときの度識別装置の開発」第2章 リサイクル材・バイオ

精度の変化を検討した結果、より多くの周波数を用いマス活用のための分析技術、リサイクル材・バイるほど Precision 値, Recall 値は高くなることが確認さ

オマス複合プラスチックの技術と仕組（サイエンれた。また教師データ、テストデータの組み合わせをス＆テクノロジー 2023）7-13.
4.

500 通り与え、それぞれについて識別モデルを構築

劉 庭秀、プラスチック製容器包装廃棄物の高度選別装置の開発 、光学 52(11)（2023）497-499.

し、評価した。その結果、特に黒色 PS の Precision 値
5.

が高く、6 種類の周波数を用いた場合には 0.70 以上

Kazuaki Okubo, Tadao Tanabe, Jeongsoo Yu, Gakuの Precision 値を達成した識別モデルが高い確率Manago, Xiaoyue Liu, Tetsuo Sasaki, Identifying(0.78)で構築できた。一方、サンプルサイズが小さい

plastic materials in post-consumer food containers

黒色の PET と PP は、比較的、低い精度であった。

and packaging waste using terahertz spectroscopy

そこで黒色 PET、PP に SMOTE(Synthetic Minority

and machine learning, 投稿中.
6.

Over Sampling Technique)によるオーバーサンプリン

大窪和明、眞子岳、劉庭秀、田邉匡生、テラヘ

グ法を適用し、識別モデルの精度を検討した。また、

ルツ波を用いたプラスチック素材識別のための

生成 AI の発展に重要な役割を果たしている GAN(敵

機械学習モデルの開発、第 15 回廃棄物資源循環

対的生成ネットワーク)の応用の一つである cGAN(条学会東北支部研究発表会予稿集、（2024）8-9.

7

【助成 40 - 02】

高開口率の細胞足場シートを用いたサスティナブル食肉培養システムの開発

代表研究者 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 教授

梶 弘和

共同研究者 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 助教

堀 武志〔研究の概要〕世界人口は増加しており、現在の食肉供給システムでは将来的に供給が追い付かなくなると懸念されている。
さらに供給量だけでなく、自然環境への負担を小さくした持続可能な食糧供給システムを構築することの重要性が認識されている。この様な背景から、本研究では、我々がこれまでに培ってきた細胞培養技術を基盤として新
たな食肉培養システムの要素技術の構築を目指した。現在の食肉培養システムは、成形技術が不十分であり、さらに、培養肉への細胞足場材料の混入比率が高いという課題がある。本研究では、これらの課題を克服するための高開口率の細胞足場シートの開発を行った。この細胞足場シートを活用することにより、実際の食肉に近い培養肉を効率的に作製できるものと期待される。

〔研究経過および成果〕

ロースに匹敵するほど多量に存在するキトサンである。

細胞培養により食肉を作製する技術は、持続可能

キトサンは、カニやエビなどの殻の主成分となる高分な食糧供給システムに繋がる技術として世界中で開子多糖であり、サプリメントや医療用デバイスに利用

発が進んでいる。しかし、解決すべき課題が多く存在されている安全性の高い物質である。我々はまず、キする。たとえば、コラーゲンゲルなどの細胞足場材料

トサン溶液を調整し、微細加工により作製した多数のの占める割合が高いため、実際の食肉を模倣するたピラーを有する鋳型に塗布した。乾燥後に鋳型からめには足場材料の混入比率を下げる必要がある。また、実際の食肉が有する層状構造を模倣することは容易ではなく、成形技術が十分に発達していない。さらに、しばしば増殖能の高い筋芽細胞等の未熟な細胞が培養肉作製に利用されるが、これらの細胞を培養足場上で成熟させるための工夫も必要となる。
これらの課題を克服するために、我々は新たな細胞足場シートの開発を行った。足場材料の混入比率を下げ、生体組織のような細胞-細胞間接着が優位になる状況を作り出すため、高開口率のメッシュシー
図 1 キトサンメッシュシート。a) 開口部が円形、b) 菱形のメッシュシート。c)メッシュシー
トの全体写真、d)菱形メッシュの開口部の形。

トの作製を試みた。足場材料として着目したのは、バイオマスマテリアルの一つであり、生物生産量がセル8剥離することにより、マイクロスケールの目（開口部）を用いた細胞培養にも成功した。この新しい細胞培を持ったキトサンメッシュシートを作製することに成功

養方法は以下の４つの特徴を有する。①培養中、細した（図１）。開口部の形として、円形と菱形のメッシュ

胞への栄養供給に優れている、②細胞の配向性と成シートを作製した。このメッシュシートは厚さ 20 μm 程熟を開口部の形の調節により制御することができる、であるにもかかわらずピンセットで持ち上げても破れ③培養肉に対する足場材料の混入比率が低い、④ないほどの強度を有していた。

細胞シートを容易に重ねることができる。今後、筋肉作製したキトサンメッシュシートを用いた細胞培養が細胞、脂肪細胞、線維芽細胞などから細胞シートを可能かどうかを確認するために、表面張力を利用し作製し、積層化することにより、実際の食肉に似た構てメッシュシートの上に線維芽細胞の懸濁液を載せ造を有する培養肉の作製を試みたい。

た。培養液中で培養を継続した結果、細胞はメッシュ
シートの開口部を埋めるように増殖し、厚みを持った細胞シートを形成した（図２）。この細胞シートは、ディッシュ底面から浮遊させた状態で固定されている。培地中の酸素や栄養素が細胞シートの上下から細胞

図２ キトサンメッシュシートを用いた線維芽細胞の培養。明視野像（左）と蛍光色素による染色像(右)へ供給された結果、より効率的に厚みを持った細胞
シートが形成されたものと考えられる。
さらに、この細胞培養法の重要な特徴として、細胞〔学会発表〕の配向性（細胞の向き）を制御できるという点が挙げ

１． 許家誠, 堀 武志, 梨本裕司, 吉田昭太郎, 梶られる。細胞を配向させることにより、若い筋芽細胞か

弘和, 細胞培養肉作製に向けたバイオマスメッ

ら筋管細胞への成熟が促進されることが知られている。

シュシートの開発, 化学とマイクロ･ナノシステム

筋管細胞への成熟は、食肉の歯ごたえなどに関係し学会 第 48 回研究会（CHEMINAS 48） 2023 年てくるものと考えられるため培養肉の作製には重要な

11 月 7 日, 熊本

要素である。図２に示すように、本研究では、開口部

２． 許家誠, 堀 武志, 梨本裕司, 吉田昭太郎, 梶の形を菱形にすることにより、多くの線維芽細胞を一

弘和, Development of a biomass mesh sheet for

方向（菱形の長軸方向）に配向させることができた。

cell-cultured meat, 化学とマイクロ･ナノシステム

筋芽細胞を用いた検討も今後必要であるが、別の種学会 第 47 回研究会（CHEMINAS 47） 2023 年 5

類のメッシュシートを利用した研究では、マウス筋芽

月 14 日, 仙台

細胞株を菱形の開口部を持つメッシュシート上で培養することにより、効率的に筋管細胞へと成熟させる
ことができることが明らかになっている。
本研究では、キトサンを材料として高開口率の細胞
足場シートを作製することができ、さらに、このシート9【助成 40 - 03】

磁性扁長粒子の形状異方性を利用したナノ複相膜の磁気光学効果の高感度化
東北大学工学部 講師

青木 英恵〔研究の概要〕ナノスケールの極限的な磁気－光変換機能の基盤技術を確立することは、情報化社会において通信の高速化・低電力化やデバイスの小型化を可能にする。既存の YIG 系光学結晶は、ファラデー回転角(θF)が小さく、十分なθF を得るために強力(巨大)な磁石が必要である点が、素子の小型化・薄型化に向けた課題であった。本研
究提案では、結晶材料より大きなファラデー回転角を有する強磁性ナノ粒子が透明マトリクス中に分散するナノ複相膜に着目し、金属ナノ粒子を「球」から「扁長」形状へ変化させ配列させることで、形状異方性を利用し磁気光学効果の高感度化を実現することを目的とする。本研究提案の狙いである磁気光学効果の高感度化を達成できれば、わずかな磁界で大きなθF が期待でき、磁石の体積を減少または磁石自体を省けるため、光学素子の小型化・薄型化に貢献できる。

〔研究経過および成果〕を目的とする。

【背景】磁気光学効果は、近年の高度情報化社会を【実験方法】磁性金属と透明セラミクスターゲットが対支える光エレクトロニクスの分野で光の変換・制御を向して回転する基板に交互に積層可能なタンデムス

司る中心であるが、代表的な磁気光学材料はフェラ

パッタ法を用いてナノ複相膜を作製した。申請者はイトガーネット(YIG)が不動である。一方で、高品質な基板回転速度が速いと球形、中速度で扁長、低速で結晶性が求められる YIG にはナノサイズの微細化が扁平粒子化することを報告している。

望めず、光エレクトロニクスと高度集積化を基盤とす【実験結果】図１に示すように、様々な形状の Co 粒子

るナノエレクトロニクスの融合においては、材料学的からなる Co-SiO2 膜(いずれも約 30 at.%Co)を作製しな発想の転換が求められる。申請者らは、透明セラミ
クス中に磁性金属ナノ粒子を分散させた「ナノ複相膜」において、YIG 結晶の 40 倍のθF が得られることを見出した(N. Kobayashi, et al.,Sci. Rep.8, 4978, 2017)。これは YIG
結晶の原子に束縛されるスピン依存電子より、ナノ複相膜の強磁性ナノ粒子間のスピン依存トンネル伝導電子の方が、外部磁界への感受率が大きく、誘電率の非対角成分に大きく寄与するためと考えられる。本
研究では、ナノ複相膜中の金属ナノ粒子を「球」から「扁長」形状へ変化させ配列させることで、形状異方

図 1  (a) 扁平(oblate), (b)チェーン状(chained), (c)扁長(prolate)および (d)球形(Sphere)の磁性粒子からなる Co-SiO2 ナノ複相膜の性を利用し磁気光学効果の高感度化を実現すること

TEM 断面像。垂直方向が膜面垂直方向

10ン状、長円形の順に減少した。粒子形状が扁長形とた。基板回転速度を 2, 3, 5 rpm 上げることにより、粒球形の場合、通信帯域である 1550 nm 付近で最大透過 率 35 %/μm が 得 ら れ 、 こ れ は 球 形 粒 子 のCoFe-SiN ナノ複相膜の報告値の 2 倍に相当する。これらの透明性の向上は、面内方向のナノ粒子径の減少に対応する。入射光と磁界が膜面垂直方向に測定したファラデー効果(図 2(b))において、いずれの膜も負の θF 値を示した。最大 θF 値とそのときの λは、扁平粒子では-1.2 deg./μm at 1500 nm、チェーン状粒子では-2.1 deg./μm at 860 nm、扁長形粒子
では-1.8 deg./μm at 860 nm、球状粒子では-1.0
deg./μm at 860 nm であった。チェーン状および扁長
粒子膜は同等の光透過率であるが、球状粒子膜よりも 2 倍大きいθF 値を示した。今後は、粒子形状配列に起因する膜の異方性方向に合わせた、効果的な磁界印加方向や電圧などの複合的な光機能性の評
Fig.2

The wavelength spectra of

価に取り組む。

(a)transmittance and〔発表論文〕(b)Faraday rotation angle(F) of Co-SiO2 nanogranular

１． H. Kijima-Aoki, K. Ikeda, N. Kobayashi, M. Ohnuma, Y.
Honda and H. Masumoto, "Faraday effects ofmagneto-dielectric nanogranular films with various
particle shape," 2023 IEEE International Magnetic
Conference - Short Papers (INTERMAG Short Papers),
Sendai, Japan, 2023, pp. 1-2, 0305022.
２． N. Yokohama, H. Kijima-Aoki, and H. Masumoto,"Improving magnetic and dielectric performance of
Co-BaMgF4 nanocomposite films by thermal annealing
treatment." Short Papers (INTERMAG Short Papers),
Sendai, Japan, 2023,
３． 青木英恵、池田賢司、小林伸聖、増本博、遠藤恭、「光周波数帯の誘電特性に及ぼす Co-BaF2 ナノ複相膜の Co
添加量の効果」日本金属学会春期講演大会、２０２３年３月９日
４． H. Kijima-Aoki, K. Uchikoshi, T. Miyazaki, M. Ohnuma,
Y. Honda, N. Kobayashi, S. Ohnuma, and H. Masumoto,“Structure and Tunneling Magnetodielectric Effects of
Cobalt–(Barium Fluoride) Lateral Nanogranular Films”
Materials Transaction, (2024) Accepted.

子形状はそれぞれ(a)扁平形、(b)鎖状、(c)扁長形に
films with oblate(blue), chained(green), prolate(red), and
変化した。また、共スパッタ法で作製すると(d)球形粒
sphere(black) magnetic particles.
子となった。このような基板回転速度に依存する金属
ナノ粒子の変化は、非平衡状態における相分離が、粒子の核生成エネルギーまたは表面界面エネルギ
ーが成長過程に影響することに起因する。このようなナノ複相構造が、基板の回転速度のみで制御可能であることは工業的に有用である。TEM 観察および小角散乱測定からの面内方向の平均粒径は、4.4 nm
から 2.5 nm に減少した。図 2 は、扁平形（青）、チェー
ン状（緑）、扁長形（赤）、球状（黒）のナノ粒子を有する Co-SiO2 ナノ粒状膜の（a）T および（b）θF の波長（λ）スペクトルである。可視光から光通信帯域（500 <λ < 1700）までの透過率は、球状、扁長形、チェー

11【助成 40 - 04】

磁性ワイル半金属のトポロジーに由来する駆動力を用いた磁気秩序の高効率制御法の確立とプロトタイプ実証研究者 物質・材料研究機構 ICYS 研究員 竹内 祐太朗〔研究の概要〕磁性ワイル半金属はそのトポロジカルなバンド構造によって様々な新奇量子物性を示すことから新しい磁性材料として注目されている。スピントロニクス分野でも磁性ワイル半金属を利用することで更なる低消費電力化や新しい機能性の付与など革新的デバイスへの展開に向けた研究が活発になっている。本研究では反強磁性ワイル半金属を有する薄膜構造を作製し、これまで研究されてきた電流誘起スピン軌道トルクに加えて、ワイル半金属のトポロ
ジーに由来したスピントルクについて探求するとともに、それらを利用したデバイスのプロトタイプ実証を行った。反強磁性ワイル半金属に作用するスピントルクの定量的な評価手法の確立に成功し、さらにスピン軌道トルク、トポロ
ジー由来のトルクを用いて、磁気秩序の高速・高効率な電気的制御を実現した。

〔研究経過および成果〕

ラフィを用いた。

スピントロニクスでは様々な磁性材料の電気的制御

図 1(a), (b)は反強磁性ワイル半金属 Mn3Sn に作用が最重要課題であり、当該技術を利用した不揮発性

する電流誘起スピントルクの評価実験の模式図である。

メモリ・ロジックや新規コンピューティングデバイスの実

MgO(110)基板上に W(2 nm) /Ta(3 nm) /Mn3Sn(8.8現が期待されている。一方、近年では物質のトポロジnm) /Pt(5 nm)のヘテロ構造を作製し、高調波ホールーに由来した様々な新奇量子効果が報告されるよう測定法によってスピントルクの評価を検討した。図になり、とりわけスピントロニクスでは磁性ワイル半金

1(c), (d)はそれぞれホール抵抗の基本波、2 倍波の磁属を用いたデバイスにおける高速・高効率制御や新場印加角度依存性である。従来の磁性材料とは異なしい機能性の付与を目指して研究活動が活発化してる、Mn3Sn のトポロジカルな磁気構造と特異なダイナミいる。本研究では磁化がゼロの反強磁性スピン構造

クスを考慮し、ホール抵抗の計算モデルを構築するこを有したトポロジカル物質である反強磁性ワイル半金とで、Mn3Sn 内部のスピントルクの定量的評価に成功

属薄膜を用いる。磁性材料の制御のための従来手法した。さらに Mn3Sn の電流誘起スイッチングを実証し、であるスピン軌道トルクに加えて、ワイル半金属のトポ

その反転ダイナミクスも明らかにした。本成果は米国・ロジーに由来したトルクを利用した新規デバイスの実

マサチューセッツ工科大学との共同研究によるもので証を目的とする。

ある 1。

本研究で用いたすべての薄膜は DC/RF マグネトロ

続いて MgO(110)基板上に W(5 nm) /MgO(tMgO)

ンスパッタリングによって成膜した。反強磁性ワイル半/Mn3Sn(30 nm) / MgO(1.3 nm) /Ru(1 nm) [tMgO は MgO

金属として D019-Mn3Sn を使用している。デバイスへの膜厚]の薄膜を作製し、反強磁性ワイル半金属の電流

微細加工にあたりフォトリソグラフィおよび電子線リソグ

誘起反転の実験を行った。図 2(a), (b)に各 MgO 膜厚12および外部磁場における Mn3Sn の電流誘起スイッチ

(b)

(a)

ン グ の 結 果 を 示 す 。 tMgO = 0 nm の と き は
W/Mn3Sn/MgO の非対称な構造になるとめスピン軌道
トルクによるスイッチングと考えられる 1。より対称的な構造である tMgO が 1 nm 以上のとき、スイッチングの極性が反転していることから、スピン軌道トルクとは異なるメカニズムであり、Mn3Sn 内部の特異なバンド構造
や磁気構造に由来したトルクが作用している可能性がある[論文執筆中]。

図 2 外部磁場µ0Hx (a) 200 mT および(b) -200 mT のときのホール抵抗の電流依存性を各 MgO 膜厚で測定した実験結果。電流方向と Mn3Sn の結晶方位の関係は図 2(a)と同じである。外部磁場 Hx は電流方向と平行に印加している。

この他にも、反強磁性ワイル半金属の非線形ホール
効果の発現など当初の予定以外の成果も得られた。
また、反強磁性ワイル半金属のナノスケール微細ドッ
ト素子を世界で初めて作製し、その情報保持時間を決定する因子である熱安定性も明らかにするとともに 3、電流による高速・高効率制御の実証も行った 4。以上の研究は反強磁性ワイル半金属を用いたデバイスの新しい機能性を示すものであり、革新的な半導体ロジ
ック・メモリ素子および AI デバイスの実現に向けた重〔発表論文〕
１． J.-Y. Yoon, P. Zhang, C.-T. Chou, Y. Takeuchi et al.,“Handedness

anomalyinanon-collinear

antiferromagnet under spin–orbit torque”, Nat.
Mater. 22, 1106 (2023).
２． J. Han, T. Uchimura, Y. Araki, J.-Y. Yoon, Y.
Takeuchi et al., “Room-temperature flexible
manipulation of the quantum-metric structure in a

要な知見が得られた。

topological chiral antiferromagnet”, Nat. Phys.
(a)

Accepted (2024).

(b)

３． Y. Sato, Y. Takeuchi, “Thermal stability of noncollinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot”, Appl.
Phys. Lett. 112, 122404 (2023).

(c)

４． Y. Takeuchi et al., Submitted (2024).

(d)

図 1(a), (b) 反強磁性ワイル半金属 Mn3Sn に作用するス
ピントルク評価測定の模式図。それぞれ電流 I を六方晶
Mn3Sn の[12� 10]、[0001]方向に印加している。 ホール抵
抗の(c)基本波および(d)2 倍波の磁場印加角度β, γ 依存性。
赤線は本研究で考案したモデルによるフィット曲線 1。

13

【助成 40 - 05】

食道癌リンパ節転移を見落とさず検知する PET を応用した術中計測支援機器の開発

研究者 千葉大学フロンティア医工学センター

准教授

川村 和也

〔研究の概要〕食道癌治療は、広範囲に渡るリンパ節郭清により根治率を維持している一方、年々増加傾向にある術後合併症が課題である。先行研究では、食道癌に対する FDG 特異性を利用し、これを術中に計測することで転移を特定する鉗子型ミニ PET の開発を進めてきた。本研究では、鉗子型ミニ PET の抱える課題のとして、検出器と線源の相対的位置の違いによる放射線検出感度のばらつきに着目し、ロボット技術を利用した適切な食道癌の切除範囲をヒトの技量に依存せず術中に決定する支援システムの試作を目的とした。計測方向に応じた感度分布を計測・評価した結果から、ロボットアームを用いて検出感度最大点と線源位置を一致させる手法を構築した。

〔研究経過および成果〕に計測することが課題となっている。そこで、鉗子型ミ

内視鏡手術やロボット支援手術の進歩にともなっニ PET を基本構造とし、体内自由度の拡張と計測動て、外科の「取る」技術が進歩を続ける今、「術中にが作を支援するロボット技術を利用した適切な食道癌んを見る」技術が求められている。特に、術中におけの切除範囲をヒトの技量に依存せず術中に決定する

る食道癌のリンパ節転移の見極めは、術前の画像診手法の実現を目指す。本研究では、実験的検討段断を用いても、術前・術中での患者の体位差や呼吸階として、提案システムに必要な機構面と制御面に運動の影響などから非常に難しい。術中にリンパ節おける仕様選定と試作開発を目的とした。

転移を目視することはほぼ不可能であるため、現状安定しかつ正確に計測するために鉗子型ミニ PETの外科治療では、転移する可能性のあるリンパ節をの抱える課題として、検出器と線源間の角度・距離のすべて切除する治療を標準とし、根治性を高めてき違いによる放射線検出感度のばらつきがあること、検た。しかし、高侵襲な治療となるにも関わらず、切除

出器と線源の相対的位置の違いによる放射線検出後の病理検査で転移が認められたものは極めて僅か

感度のばらつきがあることの二つが挙げられる。前者

であると報告されている。術後の死亡率の高さも指摘の課題は先行研究にて、リアルタイムに計測した鉗子

されていることから。術中において適切な切除範囲の先端角度を用いた感度補正により改善できることが決定が課題となっている。先行研究として、陽電子放確認されている。そこで、検出器表面上の放射線検

出断層撮像（PET）を小型化し、術中利用する鉗子型

出感度分布を計測した（Fig.1）。この結果から、検出

ミニ PET の開発を行い、PET 機能を応用した癌検知

器表面上の水平方向(x 軸)、長軸方向(y 軸)方向でその可能性を確認した。しかし、鉗子構造を模したこと

れぞれ放射線検出感度のピーク値が発生し、それらで、検知精度が対象部位の大きさや使用者の技量にピーク値の交点で放射線検出感度が最大になること大きく依存することが確認され、術中に安定かつ正確がわかった（Fig.2）。これは、検出器中心部の方が、

14

Fig.3 支援システムの試作

Fig.1 計測実験のセットアップgyっている。動作精度を検証しつつ、その評価を進めている。
13[deg]17[deg]22[deg]Fig.2 鉗子先端角度に応じた検出感度分布〔発表論文〕
１． 中島彩乃，川村和也，伊藤繁記，高橋美和子，

放射線を検出できる立体角が広く、放射線が通過で

山谷泰賀，”鉗子型ミニ PET における放射線検

きる結晶内距離が長いことに起因する。
この結果に基づき、それぞれの方向に対して放射出感度の位置依存性評価”，日本コンピュータ外

線量のピーク値を探索し、その交点が理論的には線科学会誌，vol. 25，no. 3，p.87， 第 32 回日本コ

源位置と一致する。この検出器特性を踏まえると、検ンピュータ外科学会（JSCAS2023），鹿児島県鹿出器の感度最大点と線源位置が一致した状態で放児島市，12 月，2023

射線計測を行うことができれば、検出器と線源の相対

２． 中島彩乃，川村和也，伊藤繁記，高橋美和子，的位置の違いによる感度のばらつきを排除できると

山谷泰賀，”鉗子型ミニ PET における放射線検考えられる。これにより、放射線検出感度の補正係数

出感度補正システムの開発”，Proceedings of theは鉗子先端角度にのみ依存して決定されることとなり、2023

鉗子型ミニ PET における 2 点の課題を解決できると

Mechatronics, Nagoya, Japan, June 28-July 1,

考えた。これに加えて、鉗子型ミニ PET の操作では、

2023

JSME

Conferenceon

Robotics

and

計測対象の臓器を牽引した状態での計測が必要とな

３． 中島彩乃，川村和也，伊藤繁記，高橋美和子，る。清潔環境内における人員やタスク、医療従事者

山谷泰賀，“鉗子型ミニ PET の開発 /検出感度への被ばく抑制といった観点も含めて、補正法に関する検討”，未来 PET 創造研究ユニット」第 2 回 Bench to Clinical シンポジウム，July

本研究では放射線量のフィードバックに基づいて鉗子型ミニ PET を自動制御することで、正確な位置

12-13，宮城県仙台市，2023

制御とそれに基づく線源探索が可能なシステムとす（現在英文誌へ投稿中 1 件）ることとした。現在は、Fig.3 に示すシステム試作を行15

【助成 40 - 06】

超臨界 CO2 が創出する量子空間欠陥に基づいた可視発光ドットの開発
研究者 東京工業大学物質理工学院 助教

織田 耕彦〔研究の概要〕ZnO は紫外発光特性を有するワイドギャップ半導体であるが，量子化することで欠陥構造に起因した可視発
光特性が発現するため， Ga や In といった希少元素に代わる次世代の発光材料として期待されている．対して，
本研究は超臨界 CO2 を用いた欠陥内包 ZnO ドットの合成と欠陥制御に基づいた可視発光特性の創出に向けて，
ZnO の低温合成と量子化への展開を試みた．その結果，超臨界 CO2 を活用した ZnO 低温合成に成功するとともに，Zn(CO)x(CO2)y(acac)z 錯体の形成という CO2 自身による新奇な反応駆動メカニズムを見出した．また，
3-Butoxypropylamine（有機修飾剤）を超臨界 CO2 場に共存させることで，ZnO 量子ドットの合成にも成功し，高圧 in-situ 光吸収解析も実施することで，その形成機構も明らかにした．

〔研究経過および成果〕

みで溶媒除去ができ，洗浄・乾燥媒体としても利用可

1. 緒言

能であるため，クリーンな反応場としても期待される．

酸化亜鉛（ZnO）は日焼け止めや白色塗料など身以上より本研究は，超臨界 CO2 を用いた欠陥内包

近に利用されているが，量子化することで欠陥構造

ZnO ドットの合成と欠陥制御に基づいた可視発光特に起因した可視発光特性が発現するため， Ga や In

性の創出に向けて，ZnO の低温合成と量子化への展といった希少元素に代わる次世代の発光材料として，開を試みた．

生体イメージング材料・ディスプレイ材料としての応用

2. 研究経過及び成果も期待されている．一方で，量子ドットを合成する現耐圧容器に，所定量の Zn(acac)2・H2O，有機修飾

在主流の Heat-up 法や水熱法は，300℃以上の高温剤（3-Butoxypropylamine）を封入したのちに，CO2 を域の利用が不可欠であるため，粒子の結晶化がいち送液することで昇圧した．その後，耐圧容器をオイル

早く進行し，欠陥構造の導入や制御が困難な点が懸バスに投入し 18 h 反応させることで，ZnO 粒子を合成念される．これらに対して，本研究は超臨界 CO2 を用した．反応後は 0.5 MPa min-1 で CO2 を減圧することいた合成技術に着目した．超臨界流体は分子の運で，生成物を回収した．比較として，N2 雰囲気下（0.1

動が激しい高拡散場であり，核生成・結晶成長プロセ

MPa or 30.0 MPa）での合成検討も同様に行った．回

スにおける非平衡性が大きいため，欠陥構造の導入

収物は 2-methoxyethanol で洗浄し，24 h 減圧乾燥行に有利な媒体である．特に CO2 は 31℃という低温のう こ と で 粒 子 を 得 た ． 乾 燥 粒 子 は XRD ， TEM ，臨界点を有するため，「高拡散×低温」という，欠陥導TEM-ED，FT-IR，TG，TG-MS よって分析し，その重入と欠陥量の制御の双方において有利な条件を達量から，合成収率（合成粒子の重量/ZnO の理論最成できる媒体である．更には，超臨界 CO2 は脱圧の大生成重量）も算出した．

16

まず，有機修飾剤を用いない温度 60℃条件で，各続いて， 3-Butoxypropylamine（有機修飾剤）を超雰囲気下（CO2 or N2）での ZnO 低温合成を試みた．

臨界 CO2 場に共存させることで，ZnO 粒子の量子化

その結果，全条件で ZnO 単相を得るとともに，その合と可視発光特性の発現を試みた．その結果， Fig.3a

成収率が CO2 圧力の増大とともに顕著に向上するとに示すように，10 nm 以下のサイズを有する ZnO 量子

いう興味深い結果を得た（Fig.1 左）．この結果は，超ドットの合成に成功した．また，相挙動観察と高圧

臨界 CO2 場が ZnO の低温合成に有利であり，CO2

in-situ 光吸収解析を実施することで，超臨界 CO2 場による反応駆動効果が存在することを指し示すもの

で Zn(acac)2 と 3-Butoxypropylamine が 反 応 し ，である．この効果を詳細に検証すべく，XRD，TG，Zn(R-NHCOO)x という有機金属錯体を形成すること

TG-MS，FT-IR 分析を行い，さらには超臨界 CO2 場

で，ZnO 量子ドットが合成されることが明らかとなった．

の相挙動を直接観察した（Fig.1 右）． その結果，一方で，合成 ZnO 量子ドットの Hexane 分散液を UV

Fig.2 に示すように，CO2 が固体状の Zn(acac)2・H2O

ランプ（254 nm）に曝した所，明瞭な可視発光特性はの分子間に高速侵入し，Zn(CO)x(CO2)y(acac)z 錯体

確認できず（Fig.3b），今後はより詳細な発光解析・材を形成することで，ZnO の低温合成が可能になるとい

料設計が望まれる．

う，新奇な反応駆動メカニズムを見出した．本結果は，「CO2 自身による反応駆動」という点で，新たな学術領域の開拓に寄与するだけでなく，「CO2 のみを用いた無溶媒・低温合成」という点で，SDGs の実現を加速する技術的な意義も有している．本内容は現在，学術誌 RSC advance にて revision 中である．

Fig.3 超臨界 CO2合成した ZnO 量子ドットと発光特性〔発表論文〕
１． Yasuhiko Orita*, Keito Kariya, Thossaporn
Wijakmatee, Yusuke Shimoyama “Formation
mechanism of iron oxide nanoparticles using
controlled hydrolysis reaction in supercriticalcarbon dioxide” Colloids and Surfaces A:
Physicochemical and Engineering Aspects, 664,

Fig.1 ZnO 収率の圧力依存性と相挙動

131136 (2023).
２． Taishi Furuya, Yusuke Shimoyama, Yasuhiko
Orita* “Low temperature synthesis of ZnO
particles using CO2-driven mechanism under highpressure” RSC advance [revision]

Fig.2 超臨界 CO2下での ZnO 形成機構17

【助成 40 - 07】

マルチロボティック測位システムの開発:
リアルタイム測位の普遍化・高精度化が変える未来の情報化社会研究者 京都大学大学院情報学研究科 准教授

櫻間 一徳〔研究の概要〕本研究の目的は，非 GPS 環境のような既存システムでは高精度なリアルタイム測位ができない状況に対応する「マルチロボティック測位システム」を開発し，リアルタイム測位の普遍化・高精度化を図ることである．まず，デプ
スカメラと LiDAR を設置した構成の測位対象の全方向移動台車ロボットを製作し，移動体としてドローンを考えた．
次に，ロボットの自己位置・姿勢・物体位置の同時推定を，ノイズ及びバイアスが含まれた相対観測を用いて行う手法を提案した．最後に，ロボット群が複数のターゲットを巡回して観測するための分散制御器を設計した．さらに，数値実験によって複数ロボットが多数のターゲットを協調的に観測できていることを確認した．

〔研究経過および成果〕

1 のような測位ロボット 2 台を製作した．全方向移動台

本研究の目的は，非 GPS 環境，外部測位装置を事車ロボットに，デプスカメラを搭載したマニピュレータ

前に設置しない，自己測位では低精度になる，というーと相手ロボットを測定する LiDAR を設置した構成で

既存システムでは高精度なリアルタイム測位ができなある．測位対象の移動体としてドローンを考えた．

い状況に対応する「マルチロボティック測位システム」

協調測位法の考案（期間:2023 年 7 月〜2024 年 2を開発し，リアルタイム測位の普遍化・高精度化を図

月） 複数の測位ロボットから得られるセンサ情報を統ることである．本システムは多点に配置された測位装

合し，移動体を協調的に測位する方法論を考案

置を能動的に動作させる新しい構成のシステムであした．まず，1．システムの状態変数（ロボット・移動体

る．研究経過および成果は以下の通りである．

の位置姿勢，マニピュレーターの関節角度など)と得

ハードウェアの製作（期間：2023 年 4 月〜12 月） 図

られるセンサ値の関係から，移動体の位置姿勢を推定するアルゴリズムを考案した．さらに，2．得られた推定値をもとにロボットをより観測しやすい位置に移動して巡回するような制御法を提案した．以下，この二つの方法について具体的に説明する．
方法 1．ロボットの自己位置・姿勢・物体位置の同時推定を，ノイズ及びバイアスが含まれた相対観測を用いて行う手法を提案した．特に，相対観測値は位置情報のみであり，姿勢は含まず，不均一なバイアスを

図 1：測位ロボット 2 台

含む点に注意されたい．まず初めに，バイアス及びノ

18

イズが含まれたロボットとターゲットの相対位置の観測モデルを定式化した．ここで，エージェントの姿勢を表現するために，特殊直交群に属する回転行列を適用した．次に，エージェントの位置と姿勢，物体の位置，バイアスからなる未知パラメータを含んだ尤度関数を与えて最適化問題として定式化した．この最適化問題を分散的に解くために， 元の問題を合意
制約付き最適化問題に再定式化した．そして，この問題をリーマン多様体上の勾配に基づく主双対上昇法によって解くことで，全ての変数を同時に推定する

図 2：シミュレーション結果

分散アルゴリズムを得た．提案した分散アルゴリズム

よる累積観測領域が多数のターゲットをカバーしていの有効性をシミュレーションにより検証し，提案法は，ることが分かる．提案法の特徴は以下の通りである．

集中的な手法と同程度の精度であることを示した．提(i) ロボットの台数に依らず，多くのターゲットを巡回案法の利点は以下の通りである. (i) リーマン多 様体

するように観測できる．各ロボットは自身で記録してい上の最尤推定から導かれるアルゴリズムの意味が明る時間の重みによって，どのターゲットを観測すべき確である点．(ii) エージェントと物体の同時推定により，か判断する．したがって一部が故障しても対応できる．

エージェント情報を統合できるため推定性能を向上さ(ii) 通信機器やコンパスを必要としない．各モバイル

せられる点．(iii) 観測バイアスを考慮した推定を行う

センサが従う制御器に必要とするのは，自身が取得点．(iv) 相対姿勢の計測が不要である点．(v) 提案

した情報のみで，GPS やコンパスが使えない，あるい

した推定手法は，リーマン多様体上の定式化であるはそれらの精度が下がる屋内等でも利用できる．

ため， 空間の次元によらず適用可能である点．(vi)

社会的ニーズの探索（期間：2023 年 10 月〜2024 年

事前情報として具体的な分布(正規分布とフィッシャ

3 月） 企業の技術者と議論し，倉庫や図書館での使ー行列分布)を用いることで，分散アルゴリズムを提案

用などの社会的ニーズを探索した．

している点．

〔発表論文〕

方法 2．ロボット群が複数のターゲットを巡回して観１． Patrolling Control of Mobile Sensor Swarms Using

測するための分散制御器を設計した．分散制御とは，

Time-Varying Objective Function: Hirokazu

集中管理に頼ることなく，ロボットが観測した情報のSakata and Kazunori Sakurama, SICE Annual

みを用いた制御法である．ターゲットが観測されていConference, 2023

ない時間に応じて重みが増加する目的関数を用いる

２． 異方性センシング機能を持つモバイルセンサ群

ことで，ロボットがターゲットを巡回する新しい方法をの時間重みを用いたターゲット観測：坂田 寛知,提案した．さらに，設計した分散制御器の有効性を数

櫻間 一徳，システム制御情報学会 研究発表講

値実験で示した．実際，図 2 のように 3 台のロボットに演会，2023 （SCI'23 学生発表賞受賞）

19

【助成 40 - 08】hzrF

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1.0








0.5







0.0

40


20
0
-20

 -40
500

600

700

800



250

300

350

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21

【助成 40 - 09】

電気光学変調コムを用いた広帯域周波数可変かつ極低ノイズなマイクロ波発生

日本大学生産工学部学部 教授

石澤 淳〔研究の概要〕本研究では，電気光学変調（EO）コムに着目し，マイクロ波の位相ノイズを光で読み取り，フィードバック制御によりマイクロ波信号の位相ノイズを大幅に低減することを目指している．EO コムは，周波数間隔が可変かつ数十GHz 帯にあるため，光通信などへの応用に適しているものの，周波数の安定性に問題があった．信号対雑音比の高い EO コムを生成する光学系の工夫と独自の 2f-3f 自己参照干渉法により，EO コムの周波数安定化に成功した．この手法では EO 素子に印加を駆動するマイクロ波信号へ帰還制御するため，周波数安定化した EO コムに加えて，極低位相ノイズなマイクロ波信号が生成可能である．これにより，金融・証券分野の高頻度取引に必須である高精度な時刻同期への応用が期待される．

〔研究経過および成果〕

究では，1 台の連続波レーザー光源を種光源に使用

EO コムは，従来のファイバーコムやチタンサファイ

し，EO コムで難しかったキャリアエンベロープオフセ

アレーザーと比較して次の 2 つの利点がある．(i) 周ット（CEO）周波数の検出に成功した．これにより，EO

波数間隔が数十 GHz 程度と広いため，各光コムを分変調器に印加されるマイクロ波信号をフィードバック

離することができ，複数のモードを独立して扱う光通制御することで，EO コムの光周波数をさらに安定化

信などの応用に適している．(ii) EO 変調器に印加すさせることができた．図 2 に CEO 信号の周波数安定るマイクロ波発生器の設定周波数によって周波数モ化の結果を示す．CEO 信号の周波数揺らぎは，測定

ード間隔が容易に変えられ，応用範囲を広げられる．

時間に反比例し，ノイズの種類が(ホワイトあるいはフ

一方で，周波数軸上で EO コムは，種光源からコムモ

10-11

ード数が増加するに従ってマイクロ波の位相ノイズが

アラン偏差

10-12

重なり，周波数揺らぎが大きくなるという問題がある．

10-13

したがって，これらの応用を実現するためには，EO コ

10-14
10-15

ムの周波数を安定化させる工夫が必要である．本研

10-16
0.01

0.1
図2

1
10
測定時間(s)100

CEO 信号のアラン偏差リッカー) 位相ノイズと分かり，EO コムにおいて CEO
図1

周波数が安定化されていることを示している．また，フEO コムの光周波数安定化ィードバック制御されたマイクロ波の位相ノイズ測定を22

行った(図 3)．この結果，マイクロ波の位相ノイズが測れにより，EO コムを利用した光通信などへの活用が定器の測定限界以下まで低減し，マイクロ波の安定期待される．また，マイクロ波の位相ノイズを，非常に度が市販の高精度水素メーザーと匹敵する水準に達

正確な位相ノイズ測定器の限界以下にまで減少させしていることが確認された．．

た．これにより，マイクロ波発生器の周波数がより正確になり，マイクロ波評価装置（たとえば，周波数カウン

周波数安定化前
周波数安定化後
測定限界

位相ノイズ(dBc/Hz)

0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
10

タや位相雑音測定器）の測定もより精密に行えるようになる．同時に GPS 信号の受信が難しい場所でも正確な時刻管理が可能になる．将来的には，光ファイバーネットワークで超高精度な光源を配信し，配信先の通信局舎で光コムを使用して光をマイクロ波に変100
図3換する技術を研究開発し，高精度な周波数基準信号1k
10k 100k
オフセット周波数(Hz)が手軽に利用できるテクノロジーを目指している．

マイクロ波の位相ノイズ

本研究では，参照光源を使わずにも 12 桁の精度

〔発表論文〕

で光周波数計測が可能であることが実証した．安定

１． Atsushi Ishizawa, Tadashi Nishikawa, Kenichi

化された EO コムを活用して，種光源の光周波数 fs を

Hitachi, Tomoya Akatsuka, and Katsuya Oguri,

決定した．通常，光周波数の高精度な測定には市販“Optical referenceless optical frequency counterの波長計を用い，約 8 桁，すなわち，10 MHz オーダ

with twelve digit absolute accuracy,” Scientific

ーの精度で光周波数を計測できる．また，光コムと高Reports, vol. 13, pp. 8750-1-8750-9, May.30

精度な波長計を併用する場合には，約 12 桁，すなわ(2023).

ち，1 kHz オーダーの精度で光周波数を計測できる．

２． Yugo Kikkawa, Atsushi Ishizawa, Rai Kou,

ただし，波長計には既知の参照光源が必要である．

Xuejun Xu, Koki Yoshida, Tai Tsuchizawa,

種光源の光周波数 fs はコムモード次数 s (s：自然数)

Noritsugu Yamamoto, Kota Kawashima, Taiを用いると，fs = fceo + s × frep と 1 次式で表される．モ

Tsuchizawa, Takuma Aihara, Tadashi Nishikawa,ード次数 s が決定できれば，異なる 2 条件での fceo とGuangwei

frep の関係性を調べることで光周波数ｆｓが決定できる．

Cong,

Kenichi

Hitachi,Tadashi

Nishikawa, Noritsugu Yamamoto, Koji Yamada,

周波数モード間隔が広い EO コムを使用すれば，周and Katsuya Oguri, “Sub-30-fs fibre-coupled

波数が既知の参照光源が不要となり，光周波数 fs を

electro-optic modulation comb at 1.5 μm with a

12 桁の周波数精度で計測可能であることを実証し

25-GHz repetition rate,” Electronics Letters, vol.

た．

59 (11), pp. 1-3 (2023).

今回の成果により，周波数間隔が広い EO コムでもCEO 周波数の安定化が可能なことを実証できた．こ23【助成 40 - 10】

ウェブゲームと計算論的モデリングを通して、人の汎化及び弁別能力を測定し、統合失調症との関係を評価する研究者 東京大学ニューロインテリジェンス国際研究機構 講師

Ｃａｉ Ｍｉｎｇｂｏ〔研究の概要〕この研究では、強化学習における一般化と識別プロセスを測定できる新しい実験パラダイムを開発しました。私たちは、3 歳から 50 歳以上までの広範な年齢層の人々が課題を実行した際の行動を説明するための計算モデルを開発することで、これらの二つのプロセスがどのように発展し、それに対する年齢の影響を見つけました。また、観察された変化の基になるさまざまな認知プロセスの変化するパラメーターを特定しました。さらに、この課題の変種をオンラインで大規模な参加者グループに実施することで、これら二つのプロセスのバランスと統合失調症に関連する症状との潜在的な関連性を見つけました。
〔研究経過および成果〕

causedSchizophrenia (統合失調症) is a mental disordermisattributingthat creates a huge burden to the society.

people to have a disorganized view of the world,

Although with intensive research, its cause

developing into delusion (妄想). However, thisremains unclear. The major medicines to treat

hypothesis has not been tested. Importantly, toschizophrenia target a type of receptors for the

eventually transform biological findings into

neurotransmitter dopamine, named D2 receptors

the understanding of schizophrenia, behavioral(ドーパミン D2 受容体). Recently, my

experiments on human participants have to becolleagues found that this receptor is criticalconducted to confirm that people who havefor animals to learn to discriminate thetendency to develop schizophrenia indeed over-difference between similar situations ingeneralize

their predictability of future outcome (Iino,

situations. Towards this goal, my lab has

et al., Nature 2020). In other words, when

designed a web-based game to measure the degree

there is deficit in D2 receptors, animals

by which people can generalize and discriminate

over-generalize (過度の汎化) what

have

when they learn to gain rewards.

inDevelopmental

different situation fromdiscrimination

learned.
aArguably,

similarbut

theyover-generalizing

and

cause

peopleorover-generalization
causesmay

eventually

under-discriminatechange

of

and
lead

different

generalizationandWe have previously collected data of 1007 participants

past experiences can lead to wrong
prediction,bywith ages starting from 3 years old to higher than 50

toyears old, playing the game we developed. In this game,misattribute the surprising outcome to the wrong
cause. It is possible that frequent confusion

24

participants need to learn which of the 18 different

variables underlie the observed performance change inobjects lead to more reward and which lead to more

the graph above.

punishment, and to choose only those leading toFurthermore, we have examined the relationshipreward.

between generalization/discrimination in our task and

The expected amounts of rewardorthe degree of severity ofpsychotic symptoms from a
group

of

participants

recruited online. Contrary
to our original hypothesis,
wepunishment by choosing each stimulus is organized ina hierarchical way according to the semantic

found

a

positivecorrelation

betweenperformanceof

discrimination of the severity of psychotic symptoms(r=0.31, p=0.004, N=89), indicating that people withcategories (as in the figure above).
We quantified generalization by the difference in thefrequencies of choosing stimuli of the same values but
belong to different categories, and discrimination by
the difference in the frequencies of choosing stimuli inthe same categories but with higher or lower values.
We found that performance of generalization increases
with age and peaks at 30~34 years old and declines
afterwards, while the discrimination peaks at 14~15
years old and remains stable afterwards.

By modeling the behavior in more details, we foundthat age-related change of multiple learning-related

25

higher risk of schizophrenia may rely less on priorknowledge of semantical categories when learning
values of stimuli.
〔発表論文〕We are in the process of completing the manuscripts
summarizing the findings and will submit the paperssoon.

【助成 40 - 11】

機能性磁性ナノ粒子を用いた磁場誘導型がん温熱療法の開発㻌
㻌
研究代表者㻌 名古屋大学㻌 教授㻌 井藤㻌 彰㻌
共同研究者㻌 京都大学㻌 助教㻌 堀江正信㻌
名古屋大学㻌 助教㻌 金子真大㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
㻌 我々は交流磁場による磁性ナノ粒子の発熱を利用したがん温熱療法の研究を行ってきた。直接注射できる一部の腫瘍を除き、ナノ粒子は血中投与により腫瘍に送達されるが、肝臓等の細網内皮系に捕捉されて体外へ排除されることが問題となる。一方で、血中滞留性が高いナノ粒子は、enhanced permeability
and retention effect（EPR 効果）により、腫瘍組織へ蓄積しやすいことが知られている。したがって、温熱治療に十分な粒子量を腫瘍に集積させるためには、生体内で安定かつ貪食細胞に捕食され難い表面構造を有した磁性ナノ粒子が必要不可欠である。本研究では、高い生体親和性を有する 2-メタクリロイル
オキシエチルホスホリルコリン（MPC）ポリマーの磁性ナノ粒子表面への修飾技術を利用し、粒子の表面構造と特性の関係理解と生体内で利用可能な高機能性磁性ナノ粒子の開発を行った。㻌
㻌
地に MNPs-PMPC を添加し、24 時間後にナノ粒子〔研究経過および成果〕㻌
㻌 シランカップリング反応により、マグネタイの細胞内への取り込み量を鉄濃度測定により評価

ト（Fe3O4 ）のナノ粒子（Magnetite nanoparticles,

した。さらに、血中投与による腫瘍組織への蓄積

MNPs）表面に原子移動ラジカル重合法（Atom量を調べるため、マウス結腸がん CT26 腫瘍を担transfer radical polymerization, ATRP）の開始基であ持した BALB/c マウス尾静脈へ MNPs-PMPC の血る 3-(trimethoxysilyl)propyl 2-bromo-2-methyl

中投与を行い、各臓器および腫瘍への蓄積量を測

propanoate を 修 飾 し た 。 こ の 粒 子 に 対 し て 、定した。動的光散乱測定から、いずれの粒子も 100

2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC)と

nm 前後の粒径を有することが分かった。
次いで、

ethyl 2-bromoisobutyrate（EBiB）を添加して表面開タンパク質吸着性や貪食細胞に対するステルス性

始 ATRP を行うことで MPC ポリマー被覆磁性ナを検証するため、粒子に対するウシ血清アルブミ

ノ粒子（MNPs-PMPC）を調製した。MPC と EBiB

ンの吸着量およびマウスマクロファージ様細胞への仕込みモル比を調節することで、10, 50, 100 量の取り込み量を評価したところ、吸着量および取体の MPC のポリマー層（PMPC）を有する機能性

り込み量のいずれも、ポリマー鎖長の向上に伴い

磁性ナノ粒子 MNPs-PMPC(10), MNPs-PMPC(50)小さくなる傾向が認められた（図 1）。これらの結および MNPs-PMPC(100)をそれぞれ合成した。

果から、MPC ポリマーの磁性ナノ粒子表面へのコ

マウスのマクロファージ様細胞 RAW264 細胞培ートにより、血中安定性が向上して、肝臓のマク

26ロファージであるクッパー細胞による捕食を回避
1.0

できることが示唆された。
腫瘍蓄積率 （％）次に、生体内における MNPs-PMPC の動態を調べるために、蛍光物質であるローダミン B を表面に結合させた MNPs-PMPC(100)を作製し、マウスの尾静脈から投与したところ、投与 24 時間後に腫瘍内に MNPs-PMPC 由来の蛍光シグナルが検出

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

された。このことから、MNPs-PMPC(100)は血中を滞留して腫瘍組織に送達されることが分かった

MNPs

MNPsMNPsPMPC10 PMPC100

図 3 MNPs-PMPC の腫瘍への蓄積量（ 図 2 ）。 さ ら に 、 MNPs, MNPs-PMPC(10),
MNPs-PMPC(100)をそれぞれ、 マウス結腸が ん
CT26 腫瘍を担持した BALB/c マウス尾静脈へ血以上の結果は、一定鎖長以上の PMPC 層を中 投 与 し たと こ ろ 、未修 飾 の 磁 性ナ ノ 粒 子と

MNPs 表面に構築することで、マクロファージに

MNPs-PMPC(10)に比べ、MNPs-PMPC(100)を注射

対するステルス性、ひいては血中投与における腫したマウスでは腫瘍における粒子の蓄積量（鉄を瘍集積性が向上することを示している。さらに，

定量）が約 2 倍に向上していた（図 3）。

蓄積した MNPs-PMPC が MRI で造影可能であることと、交流磁場で発熱し、温熱療法に有効な温度

細胞内取り込み量 (pg/cell)50まで加温可能であることが分かってきている。

40

この研究は公益財団法人カシオ科学振興財団の30

第 40 回助成を受けて実施された。感謝申し上げる。

20

10
0

〔発表論文〕㻌
MNPs

MNPsPMPC10MNPsPMPC50

１． 金子真大，大野孝紘，井藤㻌 彰㻌 「磁性ナノ粒子

MNPsPMPC100の血中投与を指向したリン脂質ポリマー被覆磁

図 1 MNPs-PMPC のマクロファージへの蓄積性ナノ粒子の開発」㻌 第 㻟㻢 回中部ハイパーサー

24時間後

投与なし

ミア研究会学術集会㻌 㻞㻜㻞㻟 年７月 㻞㻞 日㻌 名古屋市㻌
２． 大野孝紘，井藤㻌 彰，金子真大㻌 「血中投与によるがんの診断と治療を指向したリン脂質ポリマー
被覆磁性ナノ粒子の開発」㻌 第７５回日本生物工学会大会㻌 㻞㻜㻞㻟 年 㻥 月 㻡 日㻌 名古屋市㻌

腫瘍

図 2 MNPs-PMPC の腫瘍への蓄積

27

【助成 40 - 12】

多品種少量の放射性薬品を精緻に調製するための唯一無二の自動化システムに関する研究

研究者 東京電機大学工学部 教授

茂木 克雄〔研究の概要〕微量の放射性核種を用いた非破壊的な画像診断技術は、がんの診断だけでなく社会的関心の高い疾患（アルツハイマー病や、パーキンソン病、糖尿病など）の確定診断や、創薬分野のリード化合物の評価検証に有効性が示されており、世界的にその重要性が増してきている。一方で、放射性薬品の調製にかかる膨大な運用コストと人材不足が普及を妨げる課題となっている。そこで、本研究では運用コストと人材不足の致命的な課題を、
ロボティクスと微小液滴の操作技術によって解決し、健康長寿社会の新しい枠組みを拓こうとしている。本申請者は、微量の試薬を自動操作できる知財技術を有しており、これを応用して放射性薬品の調製を安全かつ正確に行える自動化システムの開発を進めている。具体的には、本申請で以下の３つのテーマに取り組んだ。

〔研究経過および成果〕
１．システムに組み込む温調ユニットの開発
加熱処理が必要な薬品の調製に用いる温調ユニットを製作した。この温調ユニットは、センサーの値を参照して温度をフィードバック制御するもので、一定温度の試薬調製環境を保持することができる。温調ユニットは温調台と制御部で構成されており、温調台
はペルチェ素子と、電熱線シートおよび、K 型熱電対

図１．温調ユニットによる温度保持結果を積層した５×３０×３０ ｍｍ３の基板となっている。また、途に高い親和性がある。今後の展開としては、特定制御部は温調台に接続されたリレースイッチとの薬品調製で必要となる 150℃の環境を保持する運Arduino UNO R3 で構成されており、熱電対から得用テストを行っていく予定である。

られる温度をモニタリングしてリレースイッチを切り替

２．汚染基板の交換ユニットの開発

えている。

薬品の調製作業において、放射性核種が付着す試作した温調ユニットの動作検証のために、６０分る用具は基本的には使い捨てにする必要がある。本間、37℃の環境を保持する実験を行った。図１は、検研究で開発を進めている自動化システムについても、

証実験の結果である。誤差は±1.5℃となっており、一汚染基板は使い捨てにしなければならない。そのた

定の温度が保持されていることがわかる。リレースイッ

め、汚染基板を交換する際の作業者の負担を軽減

チの切り替えのみで温度制御が行える単純な機構は、小規模で故障しづらいことから放射性核種を扱う用するための交換ユニットを開発した。放射性核種を安全に扱うために、ネオジム磁石の磁力を利用した単28純な機構を考案し実装した。この交換ユニットにより、決した(２、３)。パッシブポンプへの試薬の補充作業

汚染物質と使い捨て基板を同時に廃棄できるようにについては、試薬滴下装置を試作して自動化を試みなった。交換ユニットの脱着機構は汎用性が高いた

た。我々は、滴下装置の精度検証結果を、国際学会

め、今後は放射性薬品だけでなく、抗癌剤、毒劇試

MNE2023 で発表するとともに(４)、詳細をまとめた論

薬、病原性ウイルスなどに適用できるように仕様を拡

文を国際誌に投稿した(５)。

張していく。

本テーマでは最後に、放射性医薬品の代替試薬を用いた調製作業を行い、試作したシステムによって

３．原理検証機による実証実験
調製作業を自動で行うシステムを試作し、放射性一連の作業が自動化できることを確認した。放射性医薬品の代替試薬を用いた実証実験を行った(１)。

核種を用いた実証実験については、共同研究者の試作したシステムの薬品搬送機構は、小規模な実験

新所属先の研究施設で年度内に実施しようとしてい室や診療所などで利用されることを想定し、安価かつる。本システムは、多くの有能な放射線技師を単純作

単純な構造のものとなっている(図２)。具体的には、業から解放する画期的なものであり、社会実装されれ無線通信が可能な電子ピペットをアームロボットに取ば有能な人材が高度な医療や創薬の学術研究に専り付けた機構であり、使い捨てのピペットチップの脱念できる新しい社会の仕組みが拓かれる。

着方法や、試薬の搬送先座標の決定方法などに独〔発表論文〕

自の工夫がなされている。これにより、簡単な操作で

１． 【招待講演】茂木克雄, 木村寛之, 高田尚樹,

正確な試薬搬送が行えるようになった。また、本研究第 34 回日本臨床微生物学会総会・学術集会,

では微量の液体を送液する駆動力としてパッシブポ

企業セッション, (横浜), 2023.02.

ンプの技術を取り入れた。従来の微量試薬送液には、

２． 嶋田玲皇, 木村寛之, 小此木孝仁, 茂木克雄*,

機械式のシリンジポンプが広く用いられているが、低1P28, CHEMINAS47, (仙台), 2023.05.13-14.

流量で安定した流れを発生させることが難しく、シス

３． 松 永 愛 海 , 高 田 尚 樹 , 茂 木 克 雄 *, 1P39,

テムも複雑化してしまう。そこで本研究では、シンプル

CHEMINAS47, (仙台), 2023.05.13-14.

な構造で安定した低流量の送液が可能な「表面張力４． R. Shimada, H. Kimura, N. Takada, K.
Mogi*,を利用したパッシブポンプ」を実装してこの課題を解“Developmentofanautomatic

reagent drip system for passive pumps”,
49th international conference on Micro andNano Engineering, Berlin, 25 - 28 Sep 2023.
５． R. Shimada, H. Kimura, N. Takada, K.
Mogi*,“Developmentofanautomatic

reagent drip system for micro passive
pumps”, Micro and Nano Engineering,
Elsevier (査読中)

図 2．薬品搬送機構29

【助成 40 - 13】

機動的レーダリモートセンシングの実現に向けた小型無人機搭載合成開口レーダの開発

代表研究者 室蘭工業大学 大学院工学研究科 助教

泉 佑太

共同研究者 千葉大学 環境リモートセンシング研究センター 教授 Josaphat Tetuko Sri Sumantyo〔研究の概要〕合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar: SAR）は能動的にマイクロ波を送信・受信することで地球の情報を得る環境リモートセンシング技術の一つである。SAR は一般的に人工衛星に搭載され，宇宙から地球の広範囲を計測するが，希望する時間，場所での観測が困難，さらに，橋梁の床板裏やトンネル内部などは観測できないといった課題がある。こうした課題を解決するため，本研究では SAR を小型無人機（Unmanned Aerial Vehicle:
UAV）であるドローンに搭載した，ドローン搭載型 SAR の開発を目的とする。これにより，機動的かつ準リアルタイ
ムで広域 SAR 観測を可能する計測技術を目指す。最終的にターゲットに関する形状や散乱状態を計測できる
多偏波観測が可能なシステムを開発し，災害観測，圃場観測，積雪深観測等への応用を目指す。

〔研究経過および成果〕

め，正しく画像がフォーカスしないといった課題があ

１． システムの開発る。この軌道誤差を補正するため二機の GNSS 受信本研究では，自動車周囲の障害物検知などのオ機による RTK（Real Time Kinematics: RTK）測位デー

ートクルーズ用途として低コスト化や市販化が進む

タをレーダの送受信と同時に取得する。レーダ散乱

24GHz 帯準ミリ波レーダモジュールをベースとしたシ

信号に紐づいたプラットフォームの位置データを利用

ステム試作機を開発した。使用するレーダモジュールすることで，軌道誤差を修正し画像を生成する。

は 障 害 物 の 角 度 推 定 の た め ， MIMO （ Multi-Input

レーダや GNSS 受信機は Raspberry Pi4 に接続さMulti-Output）型となっている。この MIMO 型におけれており，遠隔でデータの送受信を制御することがでるマルチチャネルの利点を生かし，送信，受信それきる。レーダ本体，バッテリー，Raspberry Pi4 は 3D プ

ぞれに二つのアンテナを実装し，多偏波システムとす

リンターで制作した治具によりドローンに固定されて

る。

いる。

また，デザイン，制作したアンテナは 4×2 のマイク
ロストリップパッチアレイアンテナとなっており，測定の３．テストベッドによる評価

結果 S11 の値が-10dB を下回ることを確認できている。
図１に開発したシステムを示す。

理想的な環境下でレーダシステムの性能を評価するため，地上実験用テストベッドを開発した。図２に開通常，SAR の画像化アルゴリズムではプラットフォ

発した地上システムを示す。テストベッドはレーダとアームの直線軌道を仮定しているが，ドローンをプラット

ンテナポジショナを同期したシステムとなっており，理フォームとして利用する場合，軌道は非線形となるた想的な軌道である直線軌道を保ちつつ移動しながら

30

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31

【助成 40 - 14】

多元系スピネル酸化物ナノ粒子の合成と水分解触媒への応用㻌㻌
研究者㻌 東北大学多元物質科学研究所㻌 講師㻌 㻌 岩瀬㻌 和至㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
㻌 本研究は、遷移金属酸化物触媒からなる新規酸素発生反応㻔㻻㻱㻾㻕電極触媒の開発および高活性化の設計指針解明を目的として行った。主な成果として、超臨界流体を用いて合成した多元系酸化物触媒であるハイエント
ロピー酸化物ナノ粒子の 㼕㼚㻙㼟㼕㼠㼡㻌 㼄㻭㻲㻿 解析による反応中の構造解析を行い、ハイエントロピー酸化物触媒が単一元素のみからなる酸化物触媒と比較して高い構造安定性を有することを明らかにした。また、スピネル酸化物
への異種アニオン㻔具体的にはフッ化物イオン㻕のドーピングを行うことにより、金属元素の価数変化に伴い 㻻㻱㻾
活性が向上することを明らかにした。これらの成果は、遷移金属酸化物からなる 㻻㻱㻾 触媒開発の有用な知見になると期待される。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌

筆者らはこれまでの研究で、超臨界流体を用い、㻡再生可能エネルギー由来の電力を用いた水分解

種の金属元素からなる多元系酸化物であるハイエン

はクリーンな水素製造方法として注目されている。水トロピースピネル酸化物ナノ粒子㻔㻴㻱㻙㼟㼛㻕の合成に成電解のアノード反応である酸素発生反応㻔㻻㻱㻾㻕は、

功し、高活性 㻻㻱㻾 触媒として機能することを明らかに

反応過電圧㻔エネルギーロス㻕が大きいことから高活性した 㻝。本研究では 㻴㻱㻙㼟㼛 のさらなる 㻻㻱㻾 活性向上触媒の開発が望まれる。遷移金属酸化物触媒は、特を目的として、㼕㼚㻙㼟㼕㼠㼡㻌㼄㻭㻲㻿 による反応中の構造解析にアルカリ性電解液中で比較的高い 㻻㻱㻾 活性を示を行った。測定は、定電位条件で行った。成果の 㻝 例すことから注目されている。本研究で著者らは酸化物として、著者等の既報に倣い合成した 㻹㼚㻘㻌㻲㼑㻘㻌㻯㼛㻘㻌㻺㼕㻘㻌

触媒の構成元素㻔金属カチオン種及び主に酸化物イ

㼆㼚 の 㻡 元素からなる 㻴㻱㻙㼟㼛 と、対照試料として同様

オンに代表されるアニオン種㻕の多元素化により高活の手法で合成した 㻺㼕 のみからなる 㻺㼕 酸化物触媒性 㻻㻱㻾 触媒の開発を試みた。特に本研究での特筆㻔㻺㼕㻙㼛㼤㻕の、㻺㼕㻙㻷 吸収端の測定結果を図 㻝 示す。本すべき成果として、以下の 㻞 点㻌

研究では、㻝㻌 㻹㻌 㻷㻻㻴 を電解液として用いた。いずれ㻔㻝㻕 㻡 種の金属カチオンからなる酸化物であるハイエのサンプルも、㻝㻚㻢㻌 Å の位置に 㻺㼕㻙㻻 のピークに対応

ントロピー酸化物ナノ粒子の 㼕㼚㻙㼟㼕㼠㼡㻌㼄㻭㻲㻿 による㻻㻱㻾 反応中の構造解析㻌㻔㻞㻕 㻯㼛 及び 㻲㼑 からなるスピネル酸化物へのフッ化物
イオンドープによる 㻻㻱㻾 活性の向上㻌
がある。以下に成果を記載する。㻌
㻔㻝㻕ハイエントロピー触媒の 㼕㼚㻙㼟㼕㼠㼡 構造解析㻌

図 1 電位印加条件での Ni-K 吸収端の in-situ での EXAFS スペクトル。(a)HE-so, (b)Ni-ox。

32

するピークが、およそ 㻞㻚㻢㻌 Å もしくは 㻞㻚㻤㻌 Å の位置にまれる金属元素の電子状態の変化を 㼄 線吸収端近㻺㼕㻙㻻㻙㻺㼕 の位置に対応するピークが見られた。ここで傍構造㻔㼄㻭㻺㻱㻿㻕スペクトルにより解析したところ、㻲 ド㻴㻱㻙㼟㼛 では、電位を 㻻㻱㻾 が起こらない 㻝㻚㻞㻌 㼂 からープにより 㻲㼑㻙㻷 吸収端にはほとんど変化は見られな㻻㻱㻾 が起こる 㻝㻚㻡㻟㻌 㼂 にすると 㻝㻚㻢㻌 Å のピークの形状かった一方で、㻯㼛㻙㻷 吸収端は低エネルギー側にシが僅かに変化した。これは 㻻㻱㻾 中間体の吸着に起フトしていた。このことから、㻯㼛 が 㻲 ドープのプロセス

因すると考えられる。一方 㻺㼕㻙㼛㼤 では、㻝㻚㻢㻌Å のピーク

により還元されたことで 㻻㻱㻾 活性が向上したことが示に加えておよそ 㻞㻚㻤㻌Å のピーク形状が大きく変化した。

唆された。㻌

このことは、電位印加により 㻺㼕㻙㼛㼤 の構造が大きく変化したことを示し、㻴㻱㻙㼛㼤 は 㻺㼕㻙㼛㼤 と比較して高い構造安定性を有することが示唆された。㻌
㻔㻞㻕㻌 スピネル酸化物へのフッ素ドープ㻌
著者らはこれまでの研究で、ペロブスカイト酸化物に異種アニオンであるフッ化物イオン㻔㻲㻕を導入することで、金属元素の価数を変化させ 㻻㻱㻾 活性を向上さ
図 2 F ドープ有無の 㻯㼛㻌㻦㻌㻲㼑㻩㻝㻦㻞 のサンプルの電せることに成功している 㻞。本研究では、同手法を 㻯㼛

流電位曲線。

及び 㻲㼑 を含むスピネル酸化物に展開した。材料合
上 記 の㻔㻝㻕㻔㻞㻕の 結 果 は、今 後 の 酸化 物 からなる

成は、水酸化物前駆体を空気中で熱処理して合成し

㻻㻱㻾 触媒の設計指針となりうる。また、関連する研究た。水酸化物前駆体を 㻲 含有前駆体と混合した後に成果として、超臨界流体を用いたハイエントロピー触同様に熱処理することで、㻲 ドープのサンプルを合成

媒の合成において、出発原料の適切な選択により粒した。㻌

子径制御に成功し、㻝㻜㻌㼚㼙 以下の極小のハイエントロ

特に本報告書では、㻯㼛㻦㻲㼑㻩㻝㻦㻞 となっているサンプ

ピースピネル酸化物ナノ粒子の合成にも成功した。

ルについての結果を示す。㻲 ドープ有無のサンプル

以上の研究成果らは学術論文として投稿準備中であについて粉末 㼄 線回折㻔㼄㻾㻰㻕パターンを測定したとこる。㻌

ろ、㻲 ドープの有無にかかわらず、単相の立方晶スピ〔参考文献〕㻌

ネル構造に帰属するピークが観測された。また、㼄 線
光電子分光法㻔㼄㻼㻿㻕により表面元素を解析したところ、

㻝㻚㻷㻚㻌㻵㼣㼍㼟㼑㻌㼑㼠㻌㼍㼘㻚㻘㻌㻭㻯㻿㻌㻭㼜㼜㼘㻚㻌㻱㼚㼑㼞㼓㼥㻌㻹㼍㼠㼑㼞㻚㻘㻌㻡㻘㻌㻤㻘㻌㻥㻞㻥㻞–㻥㻞㻥㻢㻌㻔㻞㻜㻞㻞㻕㻚㻌㻲 ドープ処理を行ったサンプルでは 㻲 の残存が確認
㻞㻚

され、㻲 ドープの成功を確認した。㻌

㻷㻚㻌 㻵㼣㼍㼟㼑㻌 㼑㼠㻌 㼍㼘㻚㻘㻌 㻯㼔㼑㼙㻚㻌 㻹㼍㼠㼑㼞㻚㻘㻌 㻟㻡㻘㻌 㻣㻘㻌㻞㻣㻣㻟–㻞㻣㻤㻝㻌㻔㻞㻜㻞㻟㻕㻚㻌得られた触媒の 㻻㻱㻾 活性を図 㻞 に示す。測定は、〔発表論文〕㻌㻝㻌㻹㻌㻷㻻㻴 の塩基性条件で行った。㻲 ドープ有無のサ㻌 現在投稿準備中㻌

ンプルを確認すると、㻲 ドープにより 㻻㻱㻾 電流が 㻟 倍程度に向上することがわかった。ここで、触媒中に含33【助成 40 - 15】

ハロゲン架橋銅(II)錯体一次元鎖のスピン量子ビットへの展開

公立千歳科学技術大学理工学部 准教授

脇坂 聖憲〔研究の概要〕電子スピンの量子二準位系は、アップスピンとダウンスピンの重ね合わせ状態をとることが可能なため、スピン
量子ビットとしての活用が期待されている。本研究は、スピン量子ビットが一次元に並んだ構造と見なせる化合物
として[CuII(chxn)2I]I を新規合成した。単結晶 X 線構造解析によって鎖構造を明らかにし、磁気測定及びスピン
共鳴スペクトル測定により、一次元の弱い反強磁性を伴うミリ秒オーダーの磁気緩和を示すことを明らかにした。
本成果は、ハイゼンベルグ型反強磁性鎖における磁気緩和挙動を世界で初めて実証したものであり、一次元量
子スピン系とスピンダイナミクスが融合する新たな領域の知見が得られた。

〔研究経過および成果〕
1. 研究背景

量子コンピュータは、「０」と「１」の重ね合わせ状態にある量子ビットと呼ばれる素子を用いる。この量子ビットを多数並べて量子もつれ合い状態にすることで、同時並列的に、膨大な量の計算を一瞬ですることが可能になると期待されている。量子ビットになる物質

図 １ . ハロゲン架橋金属錯体の模式図. M は金は数多く見つかっているが、量子ビットを多数並べる

属イオン, X はハロゲン化物イオンを示す.

ことは難しく、重要な課題である。
2. 結果と考察

ハロゲン架橋金属錯体は、金属イオンとハロゲン化物イオンが交互に一直線に並ぶ鎖構造の一次元錯

CuI、1R,2R-ジアミノシクロヘキサン (chxn)、ヨウ素体である（図１）。これまでの研究では、金属としてニッをエタノール中で加熱環流することで反応を行い、目ケルを用いた場合、d7 電子系の Ni(III)の dz2 軌道とハ的物である[CuII(chxn)2I]I を紫色結晶として収率 65%

ロゲンの pz 軌道が重なることで、一次元の半導体となで得た。単結晶 X 線構造解析により、Cu 周りに chxn

ることがわかっている。一方、銅(II)イオンは d9 電子配二分子が平面位から配位し、軸位をヨウ化物イオンが置の S = 1/2 のスピンを持つ。dx2-y2 軌道と pz 軌道は架橋した一次元鎖構造を形成していることがわかっ直交するため、一次元上に並んだ銅(II)の電子スピン

た（図２）。chxn のキラリティにより、一次元鎖は一方は、遅い時期緩和を示すスピン量子ビットとして有望向に巻いた螺旋構造を取り、対称心を持たない三方である。そこで本研究は、ハロゲン架橋銅(II)錯体を晶系 (P3221) の結晶構造を有する。

新規合成し、構造及び磁気特性を明らかにする。

直流法の磁化率測定によって、弱い反強磁性が確

34

図２. [CuII(chxn)2I]I の単結晶 X 線構造解析. (a)Cu 周り及び (b) 一次元鎖の構造.
認された。理論フィッティングから、鎖内の Cu(II)間の磁気相互作用は J = –0.3 cm–1 と見積もられた。スピンは鎖軸にほぼ直交した dx2–y2 軌道に局在するため超交換相互作用は生じず、磁気双極子相互作用によるものと考えられる。また、固体状態における電子スピ
ン共鳴法によって、Cu(II)スピンの異方性 (g|| = 2.17,g⊥ = 2.06) が確認された。
更に交流法の磁化率測定を行い、ゼロ磁場では緩和を示すシグナルが観測されなかったが、静磁場を図 ３ . [CuII(chxn)2I]I の (a) 交流磁化率 (χ")

印加することでそのシグナルが観測された（図３）。交の虚数成分, (b) 緩和時間 (τ) の温度依存性プ

流磁化率の虚数成分のピークをデバイ緩和式でフィロット. 静磁場 (0.6 T) 下で測定.

ッティングし、1.8 K で 43 ms の遅い緩和を示すことが明らかになった。この磁気緩和は、静磁場によってゼ性相互作用が働き、各 Cu(II)サイトはラマン過程で磁ーマン分裂した MS = ±1/2 スピン副準位間の緩和

気緩和することが明らかになった。本研究はハイゼンに相当すると考えられる。更に温度依存性を測定し、ベルグ型反強磁性鎖における磁気緩和挙動を世界

ラマン過程 (τ = CT -m) で磁気緩和することがわかで初めて実証し、一次元系スピン量子ビット実現に向った。フィッティングから指数 m は 4 であり、振動モー

けて重要な知見が得られた。

ドとカップリングした磁気緩和が生じていることが示唆〔発表論文〕される。

１． Masanori

Wakizaka*,

Mirosław

Arczyński,Shraddha Gupta, Shinya Takaishi, Masahiro
3. 結論

Yamashita*, Spin dynamics in a Heisenberg weak

ハロゲン架橋銅(II)錯体として[CuII(chxn)2I]I の新規

antiferromagnetic chain of an iodide-bridged

合成に成功した。ヨウ素架橋された Cu(II)サイト間にCu(II) complex, Dalton Transactions, 2023, 52,

は、鎖内で磁気双極子相互作用による弱い反強磁10294–10297.

35

【助成 40 - 16】

電荷移動錯体保護層導入による高発光ペロブスカイト量子ドット創出と多積層型 LED 開発
研究者 山形大学 理学部 助教 江部日南子〔研究の概要〕有機分子-ペロブスカイトナノ結晶 (PNC) 間のエネルギー移動は、効率的なエネルギー収集および光電特性の向上が期待でき、次世代の光電変換材料の有望な設計戦略として期待されている。我々は、電子ドナー分子
および電子アクセプター分子の組み合わせにより、エネルギー構造を自在に制御可能な電荷移動錯体に着目した。本研究では、簡便な溶液プロセスにより、電荷移動錯体 (CT) -ペロブスカイトナノ結晶 (PNC) 複合膜を創出し、CT-PNC 複合膜の創出を試みた。また、発光特性評価および励起スペクトル測定、過渡吸収スペクトル
測定により、CT-PNC 間のエネルギー移動機構を解析した。

〔研究経過および成果〕

子の組み合わせにより自在にエネルギー準位を制御(研究背景・目的)可能な電荷移動 (CT) 錯体に着目した。本研究でハロゲン化鉛ペロブスカイトナノ結晶 (PNC) は、高は、CT-PNC 複合材料の創出と材料間のエネルギー

い電荷輸送性および光吸収特性、低い欠陥密度、バ/ 電荷移動プロセスの解明を目的とする。

ンド構造制御が容易であり、次世代の半導体材料と(実験手法)

して注目されている。また、有機スペーサーで被覆さ

CT-PNC 複合膜は、一段階のスピンコート法によりれた PNC は、キャリアの閉じ込め (量子閉じ込め効作製した。前駆体溶液は、臭化鉛およびホルムアミジ果) により、高い発光量子収率 (~100%) が達成さニウム臭化水素塩、2-フェネチルアミン臭化水素塩、れている。さらに PNC は、低い三重項準位を有する

電子ドナー分子のピレン、電子アクセプター分子の色素分子や多環芳香族スペーサー (ナフタレンやピ

1, 2, 4, 5-テトラシアノベンゼン (TCNB) をジメチルホ

レンなど) の導入により、PNC から有機分子へのエネ

ルムアミド (DMF) 溶媒に溶解させ調整した。次に、ルギー移動または電荷移動を引き起こす。これらの石英基板上に前駆体溶液をスピンコート (3000 r.p.m.

PNC-有機分子間のエネルギー / 電荷移動プロセス/ 30 秒) およびアニール (100 C
̊ / 2 分) することでは、エネルギー収集効率および電荷分離能の向上

CT-PNC 膜を作製した。得られた CT-PNC 膜は、結晶が期待でき、次世代の光電変換材料の有望な設計

構造解析および膜形態の観察、光学特性評価を行戦略として期待されている。一方、PNC 複合材料にった。また、励起スペクトル測定および過渡吸収スペ

おける電荷またはエネルギー移動機構の検討においクトル測定により、材料間のエネルギー / 電荷移動て、PNC のエネルギー構造を固定しながら系統的に機構を評価した。

有機分子のエネルギー準位を調整する必要がある。

(実験結果)

我々は、電子ドナー分子および電子アクセプター分36nm) の 励 起 ス ペ ク ト ル 測 定 よ り 、PNC 由来の励起スペクトルが確認されなかった。FRET 機構によるエネ
ルギー移動が制限されていると考えられる。一方、過渡吸収スペクトル
測定より、CT-PNC 膜において 504
nm 付近に TCNB のアニオンラジカ
ルの過渡種を示し、CT-PNC 間相互作用は、電子交換を介したデクスタ
ー型エネルギー移動が支配的であると示唆された (図 1d)。

CT-PNC 膜の X 線回折測定より、PNC および CT(まとめ)結晶の形成を確認した (図 1a)。また、走査型電子顕本研究では、簡便な溶液プロセスにより CT-PNC 複

微鏡 (SEM) 画像およびエネルギー分散型 X 線分合膜の作製に成功した。また、励起スペクトルおよび光法より、PNC 膜中にワイヤー状の CT 結晶が観察さ

過渡吸収スペクトル測定の結果より、CT-PNC 間相互

れ、CT-PNC 複合膜の形成を示した。また、CT-PNC

作用はデクスター型エネルギー移動が支配的である

膜の紫外-可視 (UV-Vis) 吸収スペクトルにおいて、ことを示した。今後は、CT-PNC 複合膜を用いた光電低次元 PNC (吸収波長 400~460 nm) および CT

デバイスへの応用を進める。

に由来する吸収 (吸収波長 380, 520 nm) を示した
(図 1b)。また、蛍光スペクトル測定より、PNC 膜は〔発表論文〕

Bulk PNC に由来する緑色発光 (発光波長 550 nm)

１． H. Ebe et al., Chemical Engineering Journal 471を示した。一方で、CT-PNC 膜において、PNC 発光の(2023) 144578.

消失と CT に由来するブロードな発光 (発光波長550~600 nm) を示したことに加え、蛍光寿命測定より、
PNC 発光の短寿命化を確認した。これらの結果より、
CT-PNC 間においてエネルギーまたは電荷移動相互作用が生じていることが示唆された (図 1c)。CT-PNC
間エネルギー移動を検証するため、励起スペクトル
測定および過渡吸収スペクトル測定を実施した。
CT-PNC 複合膜における CT 発光 (検出波長 585

37【助成 40 - 17】
機能性ドメイン境界における相転移・物性発現機構の解明

東京工業大学 物質理工学院 教 授

横田 紘子〔研究の概要〕
強誘電体や強弾性体、強磁性体に代表されるような強的秩序を有するフェロイック物質はエネルギー的に等価で方位の異なる領域が存在し、それらを隔てるのがドメイン境界として知られている。これまでドメイン境界は単なる壁として取り扱われていたが、2000 年以降バルクとは異なる独自の物性が発現する可能性が示唆され注目を集めている。本研究は、ドメイン境界で発現する極性を外部制御が容易な温度や電場、光などを用いて外部制御を行うことで、ドメイン境界で発現する物性の起因を明らかにすることを目指す。

〔研究経過および成果〕
反強誘電体である Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)の反位相境界について光第 2 高調波顕微鏡(SHGM)および X 線散漫散乱を用いた実験を行った。SHGM 実験には波長1064 nm, 周波数 25 kHz の Nd:YVO4 レーザーを用いた。SHG は空間反転対称性の破れにより生じる非線形光学現象であることから極性の有無を判別するとの偏光方向を変化させ、偏光依存性を測定するこ図 1 (上) SHG2 次元画像: 色の明るい所ほど強い SHG が発生(下) 分極分布図とにより対称性を決定することが可能であるため、ドメ方向に分極成分を持つことがわかった。このことは、

イン境界研究に適した実験手法である。異なる偏光

反位相境界内における分極の起因が原子変位であ

条件で 2 次元測定を行った結果を図 1 に示す。反強ることを考えると説明がつく。

誘電体は中心対称性を有していることから SH 不活性

続いて、反位相境界において発現する分極を制御であるが、[110]方向に平行な方向に SH 活性な領域することを目指し、応力印加を行った。応力印加装置が存在していることがわかる。この方向は強弾性ドメイを自作し、反位相境界に平行な方向、垂直な方向そン境界とは異なり、散漫散乱実験から確認した反位

れぞれの方向から応力を印加し、SHG 強度に変化が相境界の方向と一致していることから、反位相境界が現れるかどうか実験を行った。応力を反位相境界に

SH 活性であることがわかった。さらに偏光依存測定

平行な方向から印加した場合には SHG 強度に大きを行うことにより、反位相境界が極性を有する、すな

な違いは見られなかったが、垂直方向から印加するとわち分極を持っていることを明らかにした。図 1 下図

図 2 に示すように SHG 強度が応力印加後に飛躍的には分極の空間分布を示す。反位相境界に平行なに増大した。

有効な手段として知られている。また、基本波と SH 波

38

る様子を確認した。この超格子回折は反強誘電体構造に由来する 2 倍周期とは異なり、3 倍周期を有しており、この超格子反射の発現は反位相境界の内部構造に起因すると考えられる。これらの実験結果から、
反位相境界の内部構造として図 4 に示すようなフェリ的な構造を提案した。このようなフェリ的な構造は MD
計算からも安定であることがわかり、反位相境界内部において電気双極子モーメントの向きが完全に打ち消されていないために極性が発現することを明らかにした。

図 2 (上) SHG2 次元画像: 応力印加前(左), 印加後(右)(下) 反位相境界 A, B の SHG 強度 1 次元断面像

そこで、散漫散乱実験においても同様に応力を印加し、印加前後の逆格子マッピングを比較したところ、応力印加によって反位相境界の数が増加すること、
図 4 反位相境界の内部構造
図の矢印が原子変位の方向に対応

またドメインスイッチングが起こっていることが分かった。これらの結果から応力印加によって、反位相境界内の極性が増大すると同時に、反位相境界自身の数〔発表論文〕も増えることによって全体として極性が増強され、それにより SHG 強度が増加すると解釈することができる。

１． 第 15 回 日 中 強 誘 電 体 応 用 会 議 , “Domain

さらに、散漫散乱実験に関しては外部電場を印加しboundaries in Ferroics”, Hiroko Yokota, 2023 年 8
月 13 日, Tai’an (China) Plenary Talk
２． Beyond Imperfections : New Structure-Property
Relationships in Ceramics and Glasses, “TheInvestigations of Polar Domain Boundary inFerroics”, Hiroko Yokota, 2023 年 5 月 22 日, Bad
Honnef (Germany) Invited Talk
３． Workshop “Trends in Topological Materials

図 3 回折強度の電場依存性
赤い枠で囲まれた回折ピークが電場印加により発現した超格子反射Science and beyond”, “Evaluation of topologicaldefect by using a second harmonic generation

外部電場依存性に関する測定を行った。その結果、microscope”, Hiroko Yokota, 2023 年 3 月 15 日,

図 3 に示すように、電場印加により新しい超格子回折Prague (Czech) Invited Talkが現れ、その強度は印加電場の大きさと共に増加す39【助成 40 - 18】

省エネルギー技術の実現に向けた強磁性酸化物材料の開拓

研究者 東京大学 大学院工学系研究科 准教授

ヒルシュベルガー マクシミリアン〔研究の概要〕この研究プロジェクトの焦点は、ジュール熱によって廃熱として浪費されるエネルギーを有用な電気に変換するプロセスである熱電効果である。現在、多くの民生・産業プロセス、例えばコンピューター設備の大規模電子回路や自動車の燃焼エンジンなどでエネルギーが失われている。熱電効果はこの問題を解決するもので、2 つのタイプに分類できる： ゼーベック効果とネルンスト効果である。最近の研究では、磁性材料におけるネルンスト効
果が、熱変換のためのエネルギー効率の高い代替手段を提供することが示されているが、これはまだほとんど未解明である。具体的には、酸化物の熱電ネルンスト効果を対象とする。酸化物は、非常に高温でも化学的に安定な材料であり、腐食に強く、化学的置換プロセスによって高度に調整可能である。

〔研究経過および成果〕

物強磁性体は、300℃までの温度で化学的に安定

この研究プロジェクトの焦点は、ジュール型加であることが特徴であるが、そのネルンスト効果

熱によって浪費されるエネルギーを有用な電気にについては詳しく研究されていない。我々は、こ変換するプロセスである熱電効果である。現在、れらの材料がネルンスト効果による熱電変換に適

多くの民生・産業プロセス、例えばコンピュータ

しているかどうかを調べることを目的としている。

ー設備の大規模電子回路や自動車の燃焼エンジン

1990 年代から将来の省エネルギー技術への可能などでエネルギーが失われている。熱電効果はこ性が注目され、広く研究されてきたゼーベック効の問題を解決するもので、2 つのタイプに分類で果とは対照的に、ネルンスト効果はあまり研究さ

きる： ゼーベック効果とネルンスト効果である。

れていない。しかし最近、Co2MnGa [NPG Asia

最近の研究では、磁性材料におけるネルンスト効

Materials 11, 16 (2019)] などの金属強磁性体が果が、熱変換のためのエネルギー効率の高い代替

巨大なネルンスト効果を示すことが報告された。

手段を提供することが示されているが、これはまだほとんど未解明である。具体的には、酸化物の熱電ネルンスト効果を対象とする。酸化物は、非常に高温でも化学的に安定な材料であり、腐食に強く、化学的置換プロセスによって高度に調整可能である。
本研究では、強磁性酸化物のネルンスト効果を探図、LSMIO の磁気相図と室温（300K）で観測さ索する。マンガン系ペロブスカイトのような酸化れた異常ネルンスト効果。

40

これらの金属の問題点は、熱電材料の最も重要な効果を持つ酸化物、特に反強磁性体に焦点を当て応用が想定される高温での腐食の可能性である。

て研究を拡大する予定である。反強磁性体は、親そこで我々は、化学的に強靭で耐食性に優れた材

結晶構造に対して特定の対称性要件が満たされて料である酸化物の熱電ネルンスト効果を提案した。

いれば、ゼロ磁場で大きな熱電応答を示す可能性

酸化物では、遷移金属イオン（マンガン、Mn ながある [Phys. Rev. X 1２, 040501]。

ど）による強磁性状態が先行研究で観測されてい〔発表論文〕る。

１． Kamil Kolincio, Max Hirschberger, Jan Masell,

室温に近い温度で強磁性を示す、
ストロンチウム

Taka-hisa Arima, Naoto Nagaosa, and Yoshinori

30% の 高 品 質 酸 化 物

Tokura, “Kagome Lattice Promotes Chiral Spin

(La0.7Sr0.3)(Mn1-yIry)O3 (LSMIO)多結晶を合成しFluctuations ” , Physical Review Letters 130,た 。 3d 元素 マ ンガ ンの 代 わ りに 少 量 (5 ～136701 (2023)

含 有 量10%) の重 5d 遷移金属元素イリジウムを使用す

２． Rinsuke Yamada, Takuya Nomoto, Atsushi

ると、この材料のスピン軌道相互作用が増加し、Miyake, Akiko Kikkawa, Ryotaro Arita, Masashi

ネルンスト効果が強化されることが期待される。

Tokunaga, Yasujiro Taguchi, Yoshinori Tokura,

合成した試料を、X 線回折測定、走査型電子顕微and鏡、および元素固有 X 線分光法 (EDX) により

high-mobility Weyl electrons enhanced by a

特性評価した。私たちの研究室では、磁化と輸送

Fermi surface nesting instability”, Submitted

特性を使用して、相転移、電子特性 (絶縁体/金属(2023)

Max

Hirschberger,“Nernsteffectofの特性) などを調べた。我々は、かなり強く置換

３． Shun Akatsuka, Sebastian Esser, Shang Gao,

された結晶（Ir 10%）であっても、磁気転移温度

Seno Aji, Yoshichika Onuki, Taka-hisa Arima,

TC が 320 K 以上と高いままであることを発見

Taro

した。これは、強磁性状態の堅牢性とそれが研究“ Non-coplanar helimagnetism in the layered

目的に適していることを示す。熱電測定では、TC

van-der-Waals metal DyTe3”, Submitted (2023)

でのゼーベック効果の符号の変化と、TC の上下

４． Nguyen Duy Khanh, Susumu Minami, Moritz M.

の間でネルンスト効果信号の明らかな変化が観察

Hirschmann, Takuya Nomoto, Ming-Chun Jiang,

された。特に、磁石のスピン軌道結合によって生

Rinsuke

成される異常ネルンスト効果の特徴であるステッHayashi, Yoshihiro Okamura, Guang-Yu Guo,

プ異常は、強磁性状態でのみ現れる。このネルン

Youtarou Takahashi, Shinichiro Seki, Yasujiro

スト効果は、Fe3Ga や Co2MnGa などの標準金Taguchi, Yoshinori Tokura, Ryotaro Arita, and属化合物に比べて大幅に小さいにもかかわらず、Max Hirschberger, “Gapped nodal planes drive a

多結晶で容易に製造できる原料を使用した耐食材

large topological Nernst effect in a chiral lattice料で実現された。将来的には、大きなネルンスト

antiferromagnet”, Submitted (2023)

41

Nakajima,

Yamada,

and

Daiki

Max

Hirschberger,

Yamaguchi,

Yudai【助成 40 - 19】
強分極薄膜を自発形成する極性分子の開発－分子の末端構造による分子配向制御－

研究者 東京農工大学工学部 助教

田中 正樹〔研究の概要〕
有機分子の自発配向を制御することで、薄膜の物性を精密に制御できる。本研究では、真空蒸着による成膜過程で、分子の永久双極子を自発配向することで分極薄膜を形成する極性分子を開発する。筆者はこれまでに、フッ化アルキル基を有する分子骨格が自発配向を強力に誘起できることを明らかにしてきた。本研究ではフッ化アルキル骨格と組み合わせる極性官能基の置換位置異性の影響を検討し、位置異性による双極子モーメントの制御が膜分極の大きさおよび極性の制御に効果的であることを明らかにした。本成果は、有機電子デバイスや環境発電デバイスの高性能化に寄与すると期待できる。

〔研究経過および成果〕

PDM 配向の根本的なメカニズムは未解明の部分が多有機半導体分子から成る薄膜の電気・光物性は分子の配向状態に強く依存することが知られている。いく、意図的に PDM 配向を誘起する分子設計はほとん
ど提案されてこなかった。

くつかの配向モードが報告されているが、極性分子の筆者のグループは、真空蒸着過程の薄膜再表面

永久双極子モーメント（PDM）を膜厚方向に平均的ににおける分子堆積過程に着目し、分子間の van der

向きをそろえて自発配向する場合、成膜するだけでWaals 相互作用を弱めるはたらきを有する官能基とし分極薄膜を形成することができる。例えば、有機 ELてフッ化アルキル基を導入する極性分子の設計指針

分野で発光分子として知られる Alq3 分子の真空蒸着を新たに提案した（M. Tanaka et al., Nat. Mater., 21,

薄膜は、成膜過程で分子の PDM が膜厚方向に自発

819-825 (2022)）。この結果、蒸着過程再表面におい配向し、膜厚に比例する巨大な表面電位を有する分て、薄膜表面に堆積した分子はフッ化アルキル基を極薄膜を形成する。巨大表面電位（GSP）の大きさは下地薄膜側から遠ざけるように真空側へ配向し、平均膜厚 100 nm で約+5 V に到達し、単位膜厚あたりの的に分子の向きが揃った分子配向および双極子配向

GSP、すなわち表面電位の成長率（GSP slope）である状態が形成される。上記の配向誘起効果により 100+50 mV/nm が指標として用いられる（E. Ito et al., J.

mV/nm を超える GSP slope を示す極性分子の設計にAppl. Phys., 92, 7306 (2002））。強分極薄膜は、有機成功した。しかし、極性分子の配向秩序や GSP 極性

EL デバイスの駆動電圧低減や静電誘導型振動発電の制御の手法に関する報告は未だ限られている。本

デバイスのエレクトレット材料としての応用も検討され研究では、フッ化アルキル骨格に組合わせる極性官ており、高性能化のためには大きな配向分極・表面電能基により、GSP slope の大きさや極性制御の手法を位を発生する極性分子の開発が必要である。しかし、

検討した。

42

唆される。6FDI 骨格において、フタルイミド部位の配座により分子形状および PDM の向きが異なる配座異性体が複数存在する。配座解析の結果、対称性が高い 6FDI-2pBN は PDM が大きく異なる配座異性体は
図 1 . 開発し たフッ 化 アルキ ル極 性分 子

3 種類であるのに対して、対称性が低い o 異性体およ双極子配向を誘起するフッ化アルキル分子骨格とし て 、 4,4'-(hexafluoroisopropylidene)diphthalicanhydride と各種アミンとの脱水反応により得られるイミド （ 6FDI ） を 用 い た 。 ま た 、 ア ミ ン と し て
aminobenzonitrile の位置異性体を用い、極性シアノ基の位置異性体が双極子配向に与える影響を検討した。合成した o 異性体 6FDI-2oBN、m 異性体 6FDI2mBN、p 異性体 6FDI-2pBN（図１）を ITO 基板上に真空蒸着し、ケルビンプローブ法により薄膜上の表面電位を測定した。それぞれの蒸着薄膜は膜厚に比例して表面電位が増大し、PDM が膜厚方向に配向して自発配向分極を形成していることがわかった（図 2）。
6FDI-2oBN が負の GSP を示したのに対して、6FDI2mBN および 6FDI-2pBN は正の GSP を示した。GSP
slope はそれぞれ、−103 mV/nm、+87 mV/nm、+218

び m 異性体では、それぞれ 36 種類および 27 種類と見積もられた。各配座異性体の存在比率を考慮した
平均 PDM は o 異性体：4.61 Debye、m 異性体：5.93
Debye、p 異性体：5.84 Debye であった。PDM の方向は、強力な電子吸引性官能基であるシアノ基が CF3
基とは反対の方向に向いている p および m 異性体では CF3 基側がδ+に分極しているのに対して、o 異性体では多くの配座異性体が反転した PDM を有し、CF3 基側の分極の極性が GSP 極性と対応することがわかった（図 3）。このことから、構成元素・分子量が全く同一である位置異性体の利用により、GSP の極性を簡便に設計できることが明らかになった。また、有機分子は一般的に多くの配座異性体を有しているため、配座構造およびその PDM を考慮した配向性極性分子の設計が必要だと考えられる。

mV/nm であった。
表面電位の極性は薄膜内での PDM の配向方向に依存する。6FDI 骨格では CF3 基側が真空側への配向を誘起すると考えられるため、極性官能基の位置異性により分子 PDM の方向が変化していることが示
図 3 . 極性 分 子の配 座 異性体(a) 6FDI-2pBN、((b) 6FDI-2oBN（一部抜粋）〔発表論文〕
１． 田中正樹、屈曲型極性分子における自発配向分極の制御、22p-B205-17、第 84 回 応用物理学会秋季学術講演会（2023）.

図 2 . 蒸着薄 膜の膜厚 と表面 電位 の関係

43

【助成 40 - 20】

鋭利なガラス管先端を利用した超電導ナノセンシング技術の開発㻌
㻌
電気通信大学情報理工学研究科㻌 准教授㻌 小久保伸人㻌 㻌㻌
〔研究の概要〕㻌
針状の石英ガラス細管の尖端を利用した超伝導量子干渉計㻔㻿㻽㼁㻵㻰㻕は，ナノスケールの空間分解能と高い磁気分解能とを両立した磁気探針として注目を集めている．これまで探針はガラス管の両側面と尖端に超伝導膜を真空蒸着することで作製されてきたが，扱える材料に起因した劣化が課題となっていた．本研究は，化学的に安定な窒化膜を成膜できる反応性スパッタに着目し，これを用いた成膜装置の開発を行った．有効径～
㻡㻢㻌 㼚㼙 をもつ窒化ニオブチタン薄膜の尖端型ナノ 㻿㻽㼁㻵㻰 を作製することに成功し，報告例がない高い温度域まで動作することが分かった．この探針の磁束感度は単位帯域幅あたり磁束量子の１００万分の１程度に達し，スピ
ン感度は単位帯域幅あたりボーア磁子の 㻝㻜 倍程度となった．㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌

タによる３方向成膜装置の開発を進めた．㻌

尖端型ナノ 㻿㻽㼁㻵㻰 は針状のガラス管尖端の超伝導ナノループとガラス管側面の電極で構成される（図 㼍）．
蒸着源の真上に針状ガラス管を配置し，これを回転させることで，両側面と尖端への３方向に超伝導膜を成膜する．点状の蒸着源とみなせるボートやバスケッ
トからの真空蒸着法が用いられてきたが，扱える材料が大気中で劣化しやすい鉛やインジウム、スズなどの単元素超伝導体に限られ，探針の寿命が課題となっていた．㻌
スパッタリングはイオン化した不活性ガスをターゲッ
ト表面に衝突させることで，ターゲットを構成する原子を弾き出し，基板表面に成膜材料を堆積させる手法である．合金や化学的に安定な窒化物など真空蒸着では扱えなかった幅広い材料の成膜が可能となる一㻌

方，様々な角度から成膜材料が堆積されるため，蒸図 尖端型ナノ 648,' の模式図（D），成膜方法の着フラックスの指向性が求められる成膜には不向きと概略図（E），電子顕微鏡像 F ，輸送特性（. にされてきた．本研究では，蒸着フラックスの方向を絞おける電流電圧特性 ｄ と臨界電流の量子干渉パるコリメータを導入し，これまで例がない反応性スパッ

ターン（H））44

探針の報告例と同程度であった．㻌

成膜装置の概略を図 㼎 に示す．溝付の石英ガラス管から引張加工で作製した針状ガラス管をチャンバー

以上，絞りを付けた反応性スパッタによる３方向成内の回転可能なホルダーにセットし，ターゲットからの膜装置を開発し，㻺㼎㼀㼕㻺 膜の尖端型ナノ 㻿㻽㼁㻵㻰 の作

蒸着フラックスを絞る貫通穴の真上に配置した．ター製に成功した．図 㼑 で示した臨界電流の量子干渉パゲットからの軸に対して±１００°に倒したガラス管のターンを 㻞㻌 㻷 から過去最高１０㻌 㻷 まで観測し，これま両側面を成膜し，その後，正面から成膜した．今回

で 報 告 され てき た 単 元 素超 伝 導 体の 尖端 型 ナノ㻺㼎㼀㼕 の合金をターゲットとし，グロー放電を持続させ㻿㻽㼁㻵㻰 の動作温度を大きく超えた．一方，磁場範囲

る不活性 㻭㼞 ガスと堆積膜を窒化させる 㻺㻞 ガスをチャについては，±１㻌 Ｔ程度までが限界であった．高磁

ンバー内に導入した．得られた窒化ニオブチタン

場では量子干渉パターンに重畳する非単調な包絡（㻺㼎㼀㼕㻺）の尖端型ナノ 㻿㻽㼁㻵㻰 の電子顕微鏡像を図 㼏

線状の寄与だけでなく，振動振幅の減少が顕著であに示す．両側面の電極膜が溝によって作られたギャった．バイアスの極性によって干渉パターンの最大値

ップによって隔たれている．尖端部の凹凸は引っ張りと最小値が現れる磁場の値が異なることから，ナノル

加工した溝つき石英管の肉厚の差に起因し，その谷ープを構成する２つの弱接合（ブリッジ）の特性が等の部分に堆積した 㻞 本の細線（ブリッジ）と超伝導電価ではない可能性が高い．このような非対称を含め

極で尖端にナノループが形成させている．㻌 㻌て，高磁場での量子干渉パターンを歪ませる要因を除くことが今後の開発のポイントとなっていくであろ

尖端径が最も細い針状ガラス管で得られた探針の輸送特性を図 㼐 と図 㼑 にまとめた．可逆で非線形な電う．㻌

流電圧特性が 㻤㻌 Ｋから超伝導転移温度の 㻝㻟㻌 Ｋ近く〔発表論文〕㻌

まで得られた。臨界電流の量子干渉パターンは包絡１． 小久保伸人、針状ガラス管先端を利用した

線の影響を大きく受けたが，フーリエ解析から振動の超伝導センサの開発：超伝導熱・磁気顕微

磁場周期は 㻜㻚㻤㻝㻌 㼀 となった．この磁場周期と尖端の鏡を目指して，電気通信⼤学ナノトライボ

超伝導ナノループの面積との積が磁束量子に相当

ロジー研究センター第４回 シンポジウム

することを利用して，尖端の超伝導ループの有効直（2023 年 3 月 8 日）㻌
２． 小久保伸人、窒化ニオブチタン膜を用いた先径を 㻡㻢㻌㼚㼙 と見積もった．㻌 㻌

端型ナノ SQUID の輸送特性、日本物理学会

探針の磁束感度を調べるため，臨界電流をわずか

第 78 回年次大会, 18a-PS23㻌

に超える直流電流をバイアスし，探針に流れる電流ノイズを測定した．白色ノイズスペクトル密度から探針

３． 磯部陽州，上原諒，小久保伸人，島田宏，ガの磁気感度を評価したところ，磁束感度は単位帯域

ラス針先端のナノ SQUID を探針とした走査幅あたり磁束量子の百万分の１（～㻝㻌 Φ㻜㻛√㻴㼦）型熱・磁気顕微鏡の開発，第 70 回応用物理に達し，スピン感度はボーア磁子㻮 の 㻝㻜 倍程度（～

学会春季学術講演会、16p-PA10-5㻌㻝㻜㻌 㻮㻛√㻴㼦）となった．単一スピン感度を達成した鉛の尖端型ナノＳＱＵＩＤには及ばないが 㻺㼎 を用いた

45

【助成 40 - 21】

元素戦略を考量した透明太陽電池の高効率化

長岡技術科学大学 電気電子情報系 教授 田中久仁彦〔研究の概要〕汎用金属酸化物 n 型半導体 ZnO ナノロッド群(ZnO NRs)の隙間を汎用金属 Cu と日本での生産量が多い Br、I からなる p 型半導体 CuBr1-xIx（CuBrI）で埋めた元素戦略的に優れた透明微細構造太陽電池の発電量増加を試みた。初めに十分な空乏層と光吸収層を確保するため、従来よりも ZnO NRs を太く成長させエッチングすることで十分な隙間のある ZnO NRs 群の作製法を確立した。しかし、シード層までエッチングされ発電量増加には至らなかった。次にハロゲン欠陥を補うためブロモエタノールに太陽電池を浸漬させた結果、わずかに開放電圧の上昇を確認した。最後に、ZnO NRs と CuBrI の間に MgO バッファ層を挿入した結果、従来よりも発電量が増加し、AM1.5、100 mW/cm 照射下で 7.4 nW/cm の発電量を示す可視光透過率約 70%の透明太陽電池が得られた。

〔研究経過および成果〕

２．実験方法：2-メトキシエタノール(2-Metho)とモノエ

１．背景：太陽光のうち紫外光が占める割合は 6%しタノールアミン(MEA)に酢酸亜鉛二水和物を溶かしかないため、本研究室では pn 接合面を増やしたた溶液を F 添加 SnO2(FTO)基板上に塗布して ZnO

Fig. 1 に示す透明微細構造太陽電池の研究を行ってシード層を作製した。続いて、純水に酢酸亜鉛二水いる。n 型半導体には汎用金属酸化物 ZnO ナノロッド

和物とヘキサメチレンテトラミンを溶かした成長溶液

群(ZnO NRs)を p 型半導体には汎用金属 Cu と日本

中で、水熱合成法によりシード層上に ZnO NRs を成での産出量がそれぞれ世界 5 位、2 位の Br と I から長させた。その後、2-Metho、MEA、純水にヨウ化銅、なる CuBr1-xIx(CuBrI)を用い、元素戦略的に優れた透臭化銅を溶かした溶液を塗布し、透明微細構造太陽

明微細構造太陽電池となっている。これまで、強力な電池を作製した。

紫外線照射下にて発電を確認していたものの、通常

３．実験結果の太陽電池評価に用いる AM 1.5、100 mW/cm2 の疑３．１微細構造の検討：発電量が少ない原因は、ZnO

似太陽光照射下では発電量が不十分で解析を行え

NRs 間の空隙が狭く光吸収層 CuBrI が十分にない、なかった。そこで本研究では①微細構造の検討、②

また ZnO NR が細すぎて十分な空乏層を確保できて

CuBrI の高品質化、③CuBrI/ZnO NRs 間へのバッフ

いないためと推測した。そこで、ZnO NRs 成長条件、ァ層挿入により発電量増加を目指した。

エッチング条件を検討した結果、ZnO NRs 成長温度を通常の 45℃から 55℃に上昇させ ZnO NRs を太く成長させたのち、純水とメタノールを 1:1 で混合した溶媒にアセチルアセトンを 1vol%溶かした溶液でエッチングを行うことで、Fig. 2 に示す様に十分な太さと空Fig. 1 Schematic of transparent solar cell46

隙を持つ ZnO NRs の作製に成功した。しかし、エッまたは酢酸亜鉛二水和物の水溶液を塗布して加熱

チングで ZnO シード層まで溶かされ FTO と CuBrI が処理することで作製した。Fig. 4 にバッファ層無し、短絡したため、むしろ発電量が減少してしまった。

ZnO ま たは MgO バッ ファ 層 あ りの AM1.5 、100mW/cm2 疑似太陽光照射下での電流密度－電圧

(a)

( b)

(J-V)特性を示す。バッファ層の挿入で開放電圧の大幅な増加が、また MgO バッファ層の挿入で短絡電流密度の増加が観測された。MgO は加熱処理によりZnO に熱拡散して ZnMgO になっていると推測でき、Fig. 2 ZnO NRs (a) before improvement, (b)after improvement

この ZnMgO はバンドギャップが大きく高抵抗であるた

３ ． ２ CuBrI 高 品 質 化 ： 発 電 量 減 少 要 因 と し てめ、短絡ならびにキャリア再結合を防止して短絡電流

CuBrI のハロゲン抜けが推測できる。そのため、作製

密度、開放電圧の増加につながったと推測している。

した透明太陽電池を濃度 50%のブロモエタノールに

最後に、MgO バッファ層挿入により発電量が増えた

5 min 浸漬（＝臭化）し、太陽電池特性の変化、太陽ため AM1.5、100 mW/cm2 照射下での解析が可能と電池の光励起発光(PL)スペクトルの観測を行った。

なり、視域で 70%の透過率をもつ CuBrI/MgO/ZnO 透

Fig. 3 に示す様に臭化後は励起子(exciton)発光が強

明微細構造太陽電池において発電量 7.3 nW/cm2、

くなり、品質が改善されたことが分かる。太陽電池特開放電圧 42 mV、短絡電流密度 0.64 µA/cm2、fill

性をみると開放電圧が臭化によりわずかに上昇して

factor 26.7%の諸特性を得ることができた。
(a)0.8
Current density J [A/cm2]

いた。しかし、素子の品質が悪く、臭化効果が本当にあるのかを再検討する必要がある。
(a)after
excitonluminescence(b)befor
e

0.6
0.4
0.2
0.0
0

MgO BL

Without BL
With ZnO BL
With MgO BL

ZnO BLW/O BL

10

20
30
40
Voltage V [mV]Fig. 4 J-V properties of transparent solar cells
wiht or without buffer layers〔発表論文〕

Fig. 3 PL spectra (a) before bromination, (b)after bromination.

１．“ZnO/CuBr1-xIx 透明微細構造太陽電池の構造改

３．３ バッファ層挿入による 発電量増加：CuBrI/ZnO善”, 辻本直也他、第 70 回応用物理学会春季学

NRs 構 造 で は 、 シ ー ド 層 と CuBrI と の 短 絡 、術講演会, 17p-PB03-7, ‘R5 年 3 月 17 日.

CuBrI/ZnO 界面でのキャリア再結合があると考え、

２．“ZnO/MgO/CuBr1-xIx 透明微細構造太陽電池の

CuBrI/ZnO 界面に ZnO または MgO バッファ層の挿構造最適化”, 辻本直也他, 第 81 回応用物理学入を行った。バッファ層は酢酸マグネシウム六水和物会秋季学術講演会, 20p-P06-2, R5 年 9 月 20 日.

47

【助成 40 - 22】

二次元半導体を利用したマイクロ発光ダイオードへの機能付与

研究者 信州大学 工学部 助教

浦上 法之〔研究の概要〕
窒化ガリウム系混晶による青色マイクロ発光ダイオード(µLED)に強い関心が寄せられており、多機能化による応用展開が期待されている。その発光層には InxGa1-xN/GaN 量子井戸構造が採用されているが、In 組成の制御では発光波長の制御に留まる。本研究では、二次元半導体が持つ固有の発光特性(偏光、黄色発光)を青色 µLED に付与することによる多機能化を目標に、多層膜化することでその実装手法を検討した。単層から赤色発光しその成分が円偏光である二硫化モリブデンや二硫化タングステン、および黄色発光が得られるヒ化ゲルマニウムを発光材料として採用し、六方晶窒化ホウ素と組み合わせた多層膜を発光層として光の導波の観点から構造を設計した。

〔研究経過および成果〕

強度は極めて小さい。そのため、二次元物質の十分

窒化ガリウム系混晶の微細加工により作製可能なな発光を得るためには、µLED の青色放射光を吸収

マイクロ発光ダイオード(µLED)は、安定して高い外して遮断しながら強い発光を得るための構造設計が部量子効率が得られるだけでなく小型端末への集積必要である。

化の親和性も高い。これらの発光波長や偏光は用い

本研究で用いる二次元半導体は、1) 円偏光(の赤る半導体材料に由来するため、これらを変えて使用

色発光)が得られる二硫化モリブデン(MoS2)や二硫するためには、素子の外部に共振器や波長板などの化タングステン(WS2)、および 2) 黄色発光が得られ付与が必要である。他方、層状物質の単分子層(0.7るヒ化ゲルマニウム(GeAs)を選定した。また多層膜のnm)からなる二次元半導体は、室温を超える励起子

もう一つの材料は、絶縁体(Eg: 6 eV)六方晶窒化ホウ

結合エネルギーにより、安定した光励起発光が得ら素(h-BN)を選定した。これらが繰り返し積層することれる。また速い発光寿命や内因性の円偏光を放出可により、MoS2(WS2)または GeAs の単層膜がそれぞれ能なことから、新奇な機能性発光素子への展開が期

独立に存在している多重量子井戸構造を作り出すこ待できる。また近年では、様々な波長で発光する材とができる。しかし多層膜は入射光の波長によるが料も発見されてきており、その材料選択性も増加して界面での反射が発生するため、µLED の青色光をいる。これらを発光材料とし µLED を光源としてその構造内に組み込むことができれば、新奇な機能性発光素子への展開が期待できる。しかし、単分子層のMoS2 や WS2 は直接遷移型のエネルギーバンド構造

を有するが、µLED の放射光と比較して実際の発光図  二次元物質の積層による多層膜の概略図

48

透過させて二次元半導体による吸収や発光に寄与ュレーションを実施し、より現実に近い光の導波を解させるために、青色光の導波を詳細に検討して多析していく予定である。

層膜を設計する必要がある。本研究では、二次元

GeAs/h-BN 多層膜構造に関しても透過率と反射率

物質を繰り返し積層した多層膜を光の導波の観点かに対する照射光の波長依存性をシミュレーションした。

ら設計し、その構造を作製することを目指した。

µLED の 475 nm 程度の光は 53 %透過することが示

多層膜構造内の光の導波には有限差分時間領域

され、単層 GeAs の 580 nm の発光は 67 %透過する(FDTD)法に基づく電磁界解析シミュレーションを用ことも分かった。本構造は、µLED の青色光と GeAs

い、MoS2(WS2)/h-BN 多層膜構造における透過率との黄色光を組み合わせた白色光を得るための設計

反射率に対する照射光の波長依存性を計算した(図である。そのため、青色光と黄色光の実際に得られる2a)。h-BN の膜厚は、20 nm とした。可視光は波長に光強度を参考に、それらを組み合わせた白色光になよらず 50 %以上透過するため、構造内で得られたるための設計指針を今後構築していく予定である。

単層 MoS2 および WS2 の発光(600-700 nm)が取り出

多層膜構造を採用することにより、二次元物質のせることが分かった。また青色 µLED の発光波長であ発光強度が増加するのかを検証した。剥離と転写のる 475 nm 程度の光は、MoS2 の場合は 80 %、WS2

繰り返しにより、MoS2/h-BN 多層膜構造を作製しフの場合は 80 %透過することがそれぞれ示された。たォトルミネッセンス(PL)スペクトルを得た。MoS2 の積層だしこれは h-BN の膜厚に依存することも分かってお数を増加することにより、PL 強度は単調に増加した。

り(図 2b)、それを 5 nm 変化させると、MoS2 の場合は二次元物質の発光強度を増加するために積層構造

40 %程度、WS2 の場合は 20 %程度、透過率が減少を採用することで単層膜の積層数を単純に増加させすることも分かった。実際に構造を作製する際は、転ることができ、その優位性を確認することができた。更写工程による手法を採用するため、h-BN の膜厚は経なる積層数の増加により、µLED の実際の青色光の験的に 5 nm 程度のばらつきがある可能性を考慮す

強度を超える多層膜を作製し、MoS2(WS2)で取得べきである。今後は実際に作製した試料に対するシミ可能な偏光を付与した µLED の実現を目指す。また
GeAs の黄色発光を放射可能な多層膜の作製によ

80

T
R

MoS2

60

Transmittance (%),
Reflectance (%)(b) 100
80
60

40
20
0
100
80

T
R

WS2

60

Transmittance (%),
Reflectance (%)(a) 100

40
20

60

40

40

20

20

0
400

0
0

500

600

Wavelength (nm)700µLED への展開にも期待できる。

R

0
100
80

り、多機能(光通信や給電など)と白色を実現する

MoS2
T

WS2
T

〔発表論文〕

R
20

40
60
80
h-BN thickness (nm)１． 上篠 雄登, 浦上 法之, 橋本 佳男, “二次元物100

質の積層による多層膜構造の設計と作製”, 2024

図 /Q5 95 J$0 多層膜構造における透過率と

年 第 71 回応用物理学会 春季学術講演会 講

反射率に対する C 照射光の波長依存性 J$0 

演予稿集, 24a-31B-6.

PO および D J$0 の膜厚依存性 波長PO 

49

【助成 40 - 23】

反力可変触覚ディスプレイ用触知ピンアクチュエータ

研究者 名古屋大学工学研究科 准教授

櫻井 淳平〔研究の概要〕高成形性 SMA 製触知ピンアクチュエータを作製し，ホットプレートによる外部加熱とアクチュエータ自身に通電加熱した際の駆動特性を評価した．いずれに場合でも，超弾性特性の駆動原理通りの挙動を示し，抵抗値計測によって温度と反力の関係が線形関係を示すことから，温度，反力の制御が可能であることが分かった．今後は，温度制御プログラムの作成を行う．また，断熱，絶縁膜の被覆を行い，実際に触ることができるデバイスの作製を目指す．

〔研究経過および成果〕【背景・目的】
触覚ディスプレイとは，皮膚の感覚受容器を刺激することで触覚情報を伝達するデバイスである(1)．これまでに，我々は，新しい触覚ディスプレ

イ用アクチュエータピンとして，高成形性形状記
憶 合 金 (High formable Shape Memory Alloy:
HFSMA)を用いた反力可変触覚ディスプレイ用

図１

触知ピンアクチュエータ

アクチュエータを開発してきた．高成形性 SMA

す．基板全体をホットプレートで加熱し逆変態温を使用することで凸形 3 次元形状の触知ピンが製

度 Af 以上の温度（70, 80, 90℃）で，触知ピン高

作でき，小型化が可能になる．本アクチュエータ

さ h と同値になるまで 5 μm ずつ押し込み，反力は触知ピンを押し込む力に対して，ピンからの反測定を行った．
押し込み量がある値を超えると反力が一定とな力をアクチュエータの温度制御により，変えることができる．

るプラトー領域が確認できた．また，除荷後の残【成果】

留ひずみも見られず塑性変形していないことが確作製した触知ピンアクチュエータを図１に示す．半導体微細加工プロセス及び金属ガラスの粘性流動特性を利用したマイクロ成形加工により，
中央が凸形状の十字はり構造を作製した．作製した触知ピンの高さは 123 mm であった．
触知ピン中心部の押込み実験の結果を図２に示
図2

50

反力と押し込み量の関係認できた．また，温度変化に伴い反力が増大する特性を示した．
次に，デバイス応用時に通電加熱によって触知
ピンの温度を変化させ反力の制御が可能であるかを評価するため，
触知ピンに直流電流を 100～800mA までの範囲で流し，その時の反力を測定した．
触知ピン温度については，図３のホットプレート

図5

通電加熱，ホットプレート加熱時の最大押込み時における反力と温度の関係【まとめ】

加熱時のデバイスの抵抗値とホットプレート温度

高成形性 SMA 製触知ピンアクチュエータを作の関係より算出した．図４は各電流値に対する反製し，ホットプレートによる外部加熱とアクチュ

力と押込み量の関係を表している．いずれのサン

エータ自身に通電加熱した際の駆動特性を評価しプルでも，反力が一定になるプラトー領域が確認た．いずれに場合でも，超弾性特性の駆動原理通でき，通電加熱時においても駆動原理通りの挙動

りの挙動を示し，抵抗値計測によって温度，反力を示すことが確認できた．図５は，通電加熱時との制御が可能であることが分かった．今後は，温ホ ッ ト プ レ ー ト 加 熱 時 の 最 大 押 し 込 み 点 (120度制御プログラムの作成を行う．また，断熱，絶µm)における反力と温度の関係である．通電加熱

縁膜の被覆を行う．

時もホットプレート加熱時と同等の反力値を示し〔発表論文〕ており，抵抗値測定による触知ピンの温度制御が１． 村瀬 正憲，南原圭汰，岡智絵美，秦誠一，櫻可能であることが示された．

井淳平，反力可変触覚ディスプレイ用アクチュエ
ータの反力特性に及ぼす触知ピン形状の影響，
電気学会論文誌 E，Vol.143（2023）236-241
２． N. INUI, M. MURASE, C. OKA, S. HATA, J.
SAKURAI, Driving Characteristics of Highly
Formable Shape Memory Alloy Pin Actuators for
Tactile Displays, 8th ISBE, P3-2 (2023.11
Hiroshima, Japan)

図3

デバイスの抵抗値と温度の関係

３． M. Murase, K. Nambara, T. Yamazaki, C. Oka, S.
Hata, J. Sakurai, Effect of tactile pin height on
drivingcharacteristics

using

high

formableshape‐memory alloy for reaction force variabletactile displays, ICM&P 2022, P1-17, (2022.11.
Naha, Japan)
図4

各電流値に対する反力と押込み量の関係

51

【助成 40 - 24】

酸化物異相界面におけるバンド変調機構の解明と制御に向けた原子・電子レベル解析㻌㻌研究者㻌 名古屋大学大学院工学研究科㻌 物質科学専攻㻌 講師㻌 横井達矢㻌
㻌
〔研究の概要〕㻌
㻌 酸化物異相界面の原子・電子構造の根源的な理解と制御指針の獲得に向け、人工ニューラルネットワーク（㻭㻺㻺）原子間ポテンシャル、第一原理計算、電子顕微鏡観察を有機的に連携させた研究基盤の確立を試みた。
本研究では、幅広い用途をもち他の酸化物としばしば異相界面を構成するα㻙㻭㼘㻞㻻㻟 を対象とした。まず、様々な格子欠陥の原子構造とエネルギー的安定性を高精度・高速で予測できる 㻭㻺㻺 ポテンシャルを構築した。そして
材料界面の一種である結晶粒界に適用し、原子構造を正確に予測できることを示した。また、計算結果と電子顕微鏡観察像は正確に一致しており、計算と実験の両面から材料界面の 㻟 次元的な原子構造を決定できた。さらにα㻙㻭㼘㻞㻻㻟 中の不純物を想定した 㻟 元系に拡張し、界面の不純物偏析も予測できることを示した。以上より、本研究により材料界面における原子・電子構造を系統的に解明するための方法が構築できた。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌
本研究では、まず酸化物の原子構造とエネルギー的安定性を高精度・高速に予測する手法を確立する
ため、人工ニューラルネットワーク（㻭㻺㻺）原子間ポテ

ンシャル（図 㻝）を構築した。㻭㻺㻺 の構成は 㻞 層の隠図 $11 ポテンシャルの概略図

れ層をもつフィードフォワード型ネットワークである。
称傾角粒界 㻣 種類も考慮した。これらの計算セルを

入力は、各原子周りの原子環境を、並進、回転、同用いて、構造緩和や 㻹㻰 計算を実行した。構造緩和

種元素との交換の不変性を満たす構造記述子を用では、参照となる計算セルをもとに、原子位置や格子

いて数値化した。本研究では、㻞 体間および 㻟 体間の定数をランダムに変化させた計算セルを複数作製し、対称関数を用いた。また、元素種および元素種の重それらを数ステップから数十ステップ構造緩和した。

複組み合わせごとに記述子を評価し、組合せごとにそして緩和途中のスナップショットも含めて学習デー

入力層のノードを割り当てることで、元素種の違いをタに加えた。また、㻠㻜㻜㻙㻞㻤㻜㻜㻌 㻷 の温度域で 㻹㻰 計算表現した。なお、この構成は任意の多元系に対してもを行い、スナップショットを学習データに加えた。㻌

同様に適用できる。㻌

㻌 学習データに含まれない㼇㻜㻜㻜㻝㼉回転軸のΣ㻣 及び

㻌 学習データは、㼂㼕㼑㼚㼚㼍㻌㼍㼎㻌㼕㼚㼕㼠㼕㼛㻌㼜㼍㼏㼗㼍㼓㼑㻌㻔㼂㻭㻿㻼㻕によΣ㻟㻝 対称傾角粒界について、㻭㻺㻺 ポテンシャルとる 㻰㻲㼀 計算を用いて収集した。学習データには、完㻮㼡㼏㼗㼕㼚㼓㼔㼍㼙 経験的ポテンシャルを用い、粒界構造を

全結晶だけでなく点欠陥や表面も含めた。また、比予測し、㻰㻲㼀 計算との粒界エネルギーの誤差を検証較的小さい計算セルでモデル化できる㼇㻝㻞 ̅㻝㻜㼉軸の対した（図 㻞）。㻭㻺㻺 ポテンシャルの場合、どちらの粒界52についてもデータ点が対角線付近に分布している。

また 㻟 元系 㻭㻺㻺 ポテンシャルを用いて、計算セル

また 㻭㻺㻺 ポテンシャルは、㻰㻲㼀 計算の粒界エネルギ

中に 㼅 が 㻝 個存在する場合のエネルギー的に安定なーの大小を精度良く予測できている。よって本手法に占有サイトを予測できるか検証した（図 㻠）。Σ㻣 粒界より、㻰㻲㼀 計算に先んじて安定な粒界構造を絞り込について、結晶学的に非等価な 㻭㼘 に 㼅 を置換し、そめ、粒界構造探索にかかる計算コストを大幅に削減

㻭㻺㻺 ポテンシャルにより構造緩和した。それらの緩和できた。他方、㻮㼡㼏㼗㼕㼚㼓㼔㼍㼙 ポテンシャルの予測値は構造を用いて 㻰㻲㼀 計算で 㻝 点計算して、㻭㻺㻺 ポテン

対角線から大きく逸脱している。また、このポテンシャ

シャルと 㻰㻲㼀 計算のポテンシャルエネルギーを比較

ルから予測された粒界エネルギー最小の粒界構造はした。この結果より、㻭㻺㻺 ポテンシャルと 㻰㻲㼀 計算で

㻟㻌 㻶㻛㼙㻞 を超えており、㻭㻺㻺 ポテンシャルの予測より 㻝㻌エネルギーが低い 㼅 占有サイトは一致していることが㻶㻛㼙㻞 以上高い。よって 㻮㼡㼏㼗㼕㼚㼓㼔㼍㼙 ポテンシャルによ分かる。他方で、図 㻠 の黒矢印で示されるように、る粒界構造の予測は困難といえる。㻌

㻭㻺㻺 ポテンシャルで最安定と予測された 㼅 占有サイト
は、㻰㻲㼀 計算では 㻞 番目に安定なサイトでありった。
このような誤差は、今後の学習データの拡張により改善できると期待している。㻌


図 $11 ポテンシャルと %XFNLQJKDP ポテンシャルの粒界エネルギー予測。

㻌 また 㻭㻺㻺 ポテンシャルから予測された粒界エネルギ
ー最小の粒界構造と、走査型透過電子顕微鏡による観察像を重ね合わせた結果を図 㻟 に示す。両者は、

図 < を  個置換し、$11 ポテンシャルでエネルギー的に安定な占有サイトを予測。

㼇㻜㻜㻜㻝㼉軸方向に投影された 㻭㼘 および 㻻 カラムともに一致している。また粒界面近傍の観察像において、
㻌
黒色が薄い 㻭㼘 カラムは、計算において 㻭㼘 の占有率

〔発表論文〕㻌
が低下しているカラムと対応している。以上より、本手
１． 㼀㻚㻌㼅㼛㼗㼛㼕㻘㻌㻭㻚㻌㻴㼍㼙㼍㼖㼕㼙㼍㻘㻌㼅㻚㻌㻻㼓㼡㼞㼍㻘㻌㻷㻚㻌㻹㼍㼠㼟㼡㼚㼍㼓㼍㻘㻌法により 㻟 次元的な粒界構造を正確に予測できるよう㻶㻚㻌㻯㼑㼞㼍㼙㻚㻌㻿㼛㼏㻚㻌㻶㼍㼜㼍㼚㻘㻌㻝㻟㻝㻌㻔㻞㻜㻞㻟㻕㻌㻣㻡㻝㻙㻣㻢㻝㻚㻌になり、原子・電子構造の定量解析が可能となった。㻌
２． 㻹㻚㻌㻹㼍㼠㼟㼡㼡㼞㼍㻘㻌㼀㻚㻌㼅㼛㼗㼛㼕㻘㻌㼅㻚㻌㻻㼓㼡㼞㼍㻘㻌㻷㻚㻌㻹㼍㼠㼟㼡㼚㼍㼓㼍㻘㻌㻿㼏㼞㻚㻌㻹㼍㼠㼑㼞㻚㻌㻞㻟㻢㻌㻔㻞㻜㻞㻟㻕㻌㻝㻝㻡㻢㻤㻡㻚㻌
図 本計算手法と走査型透過電子顕微鏡観察から得られた粒界構造の比較。

㻌

53

【助成 40 - 25】

光生成キャリアの空間分離を特徴とする量子ドット太陽電池の開発㻌
㻌㻌 豊橋技術科学大学㻌 電気電子情報工学系㻌 准教授㻌 山根啓輔㻌 㻌㻌㻌〔研究の概要〕㻌
㻌 我々は InP 積層量子ドットを Si 格子整合系埋め込み層 (Ga(As)PN)で埋め込んだ Type-II バンドア
ライメントを III-V/Si 多接合太陽電池のトップセルとして提案した。電子/正孔の空間分離に必要な伝導帯および価電子帯のバンドオフセットを実現するためのドットサイズを、計算機趣味レーションを用いて導出した。InP 量子ドットの設計値を直径 10 nm, 高さ 4 nm とし、InP 量子ドットと GaPN 埋め込み層を組み合わせた太陽電池構造の作製を行った。本研究を通して、InP 量子ドットを希薄窒化物
結晶で埋め込むことに初めて成功し、提案した InP/III-V-N 系 type-II 量子ドット太陽電池の作製が可能であることを示すことができた。
㻌〔研究経過および成果〕㻌
㻌 大面積・低環境負荷の高効率太陽電池の作製を最終目標とし、図 1 に示す希薄窒化物半導体と量子ドットを組み合わせた新たなデバイスコンセプ
トを提案する。これにより、受光により生じた正電荷と負電荷の対消滅（太陽電池の電流値低下）
を劇的に抑制することができる。具体的には、量子ドットに正電荷、希薄窒化物層に負電荷が分離され、外部負荷に取り出す。たとえるならば、駅の上り階段と下り階段を分ける構造をとることで、混雑を緩和することに相当する(専門的には

図 1 提案する太陽電池のエネルギーバンド図

type-II バンドアライメントの積層量子ドットを太陽電池に応用するものである)。本太陽電池が実できること、GaPN の成長が可能なことの３点を現できれば、航空機・自動車等への設置、災害時考慮して、480℃を採用した。窒素源には RF ラジの非常用電源としての活用が期待できる。

カルセルを用い、InP 量子ドットの成長中もブラ㻌 本構想を実現するためには、最適成長温度域のイトモードで使用した。GaP 基板上に GaP バッフ

異なる InP と GaPN 系材料を同時可能な条件を模

ァー層を成長後、InP 量子ドットを成長し、GaPN

索する必要がある。結晶成長には RF-MBE 法を用

埋め込み層を続けて成長した。InP 量子ドットのいた。成長温度については、InP の窒化がほとん

設計値は、事前検討[2]から直径 10 nm, 高さ 4 nm

ど生じないこと、目的の量子ドットサイズが実現とした。また、埋め込み層を 4 nm 成長した後、InP

54

図 2 成長中の RHEED 像の変化.       図 3 表面 AFM 像(a)量子ドット(b)埋め込
み層成長後
量子ドットの高さをそろえるための成長中断を設[2] 有本岳史他,第 82 回秋応物, 23p-P06-3 (2021)

け、その後残りの 6 nm の埋め込み層を成長して㻌〔発表論文〕㻌

完全に埋め込みを行った。図 2 に成長中の反射高

１． 山根啓輔, 若原昭浩, InP/GaP 系 Type-II 量子

速電子回折(RHEED)像を示す。InP 成長中はドッ

ドット太陽電池構造におけるバンドオフセ

トの形成を示すスポットパターンが GaP 層のスト

ットのドットサイズ依存性, 第 5 回結晶工

リークパターンの内側に観察されている。その後

学 xISYSE 合同研究会, P-13, 11.18, 2022, 大GaPN による埋め込みを行うと、再びストリーク

阪大学吹田キャンパス, 大阪府吹田市, ポ
スター.㻌 㻌パターンが表れた。図 3 に GaPN 埋め込み層成長

２． 有本岳史、山根啓輔、若原昭浩, InP/GaPN

後の原子間力顕微鏡(AFM)像を示す。RMS 値は系 Type II 量子ドット太陽電池構造の作製,

0.14 nm であり、平坦な GaPN 層を成長することが第 70 回 応 用 物 理 学 会 春 季 学 術 講 演 会 ,できている。今後この工程を繰り返すことで光吸16p-A301-4, 3.14-3.18, 2023, 上智大学四谷

収層の結晶成長が可能と考えられる。本研究を通キャンパス, 東京都, 口頭発表.㻌
３． 平井健登, 山根啓輔, 若原昭浩, 大島武, 中

して、InP 量子ドットを希薄窒化物結晶で埋め込

村徹哉,今泉充, 希薄窒化物結晶の結合状態

むことに初めて成功し、InP/III-V-N 系 type-II 量子制御に向けた GaPN 混晶への電子線照射試

ドット太陽電池の作製が可能であることを示すこ

験 (2), 第 70 回応用物理学会春季学術講演とができた。

会, 16p-A301-3, 3.14-3.18, 2023, 上智大学四谷キャンパス, 東京都, 口頭発表.㻌

[1] José Alberto Piedra Lorenzana et al., JJAP 60,
045502 (2021).

55

【助成 40 - 26】

接合形成と機能発現を同時に成す半導体界面材料工学

研究者 京都大学工学部 准教授

田辺 克明〔研究の概要〕
半導体製品の製造プロセスには，高性能化のための高密度化・微細化や低コスト化のための生産効率の向上を満足させうる技術が求められる。流体自己集積は基板(リリーサ基板)上に作成された薄膜状デバイスを液体中で単離し，ターゲットとなる，ポケットが格子状に配置されたホスト基板(レシーバ基板)上に集積させる手法であり，そのような要求を満たしうる技術である．本研究では，流体自己集積技術において，集積効率を評価する収率，選択率，総括収率を新たに定義し，「酸化膜の導入による薄膜-基板間引力の制御」と「集積後のリンス工程による外力付与」の 2 つの集積法によって厚み 200 nm の微小 Si 薄膜の高効率集積法について検討した。

〔研究経過および成果〕

FSA の実験を行った。Fig.1 のようにリリーサ基板とレ

１．緒言

シーバ基板を作成し，リリーサ基板をエタノールで希流体自己集積（Fluidic Self-Assembly, FSA）は基板

釈した HF 水溶液に 30 分間浸漬することで Si 薄膜を(リリーサ基板)上に作成された薄膜上デバイスを液体液体中で単離し，Si 薄膜の分散液を作成した。その中で単離し，ターゲットとなる，ポケットが格子状に配後，(A)の実験では，レシーバ上の酸化膜が溶解しな置されたホスト基板(レシーバ基板)上に集積させる手

いようにエタノールで分散液を希釈したのちに酸化膜法である。過去の FSA の研究例として GaAs や Si を付き SiO2 レシーバを投入し，20 時間浸漬することよ用いた例が報告されているが[1]，集積方法についてってレシーバ上に Si 薄膜を集積した。加えて，対照は定量的な評価がされておらず，微細化についても実験として，希釈していない分散液に Si レシーバを数十 µm 程度までにとどまっていた。本研究では単離投入し，同様に浸漬した．(B)の実験では，希釈してされたデバイス状薄膜の集積効率を表す評価関数

いない分散液中に Si レシーバを投入し，20 時間浸漬

(収率，選択率，総括収率)を新たに定義し，厚さ 200

することでレシーバ上に Si 薄膜を集積したのちに，純nm，数 µm 四方の微小 Si 薄膜の高効率集積を目指し

水中で Si 薄膜集積後のレシーバを 4 種類の回転数て(A)「酸化膜の導入による薄膜-基板間引力の制

で 10 秒間リンスを行った。

御」と(B)「集積後のリンス工程による外力付与」の効果を検討した。

３．結果と考察
集積効率を評価する収率 Y，選択率 S，総括収率

YS を以下のように定義した。

２．実験方法
本研究では，Si ウエハと Silicon - On - Insulator ウ，エハ(SOI ウエハ)をフォトリソグラフィーによって加工し，

56,

vertical cavity surface emitting lasers onto silicon”,
ここで，

,

,

はそれぞれレシーバ上に集積さELECTRONICS LETTERS, 31, 1448-1449, (1995)

れた Si 薄膜数，分散液中の Si 薄膜数，レシーバの[2] M. Matsuo et al, Bull. Inst. Chem. Res. Kyoto
Univ. 58, 523 (1981).

pocket に集積された Si 薄膜数であり，は Si 薄膜分

散液を全量滴下した Si ウエハの観察により算出した．

〔発表論文〕

実験結果において、pocket の広さに関わらず，レシ

１．Y. Fujita and K. Tanabe, “ Experimental

ーバに酸化膜を導入することで選択率の大幅な向上

considerations for integration method of Siが見られた。これは，Si-(溶媒)-Si 界面に働く分子間thin-film microchips for fluidic self-assembly”,

力に比べて，Si-(溶媒)-SiO2 界面に働く分子間力がJapanese Journal of Applied Physics 62 (8),小さいこと[2]によって，pocket-Si 薄膜間により大きな

086501 (2023).

分子間力が働くと考えられるためである。一方で SiO2が HF に溶解されないようにエタノールを添加するため Si レシーバに比して収率，総括収率が大きく低下することが分かった。
5 種類の pocket の大きさによる実験結果において、リンスを行うことで溶媒から Si 薄膜に外力が付与され，pocket と Si 薄膜の衝突確率が上昇し，加えて pocket
外の Si 薄膜が溶媒中に分散されることで選択率の増加と収率の減少が起こった。また，回転数をさらに増やすことで Si 薄膜の溶媒への分散が優位になり，選択率のピークが見られた。そしてその点で総括収率も最大となった。

４．結言
集積効率を定量的に評価する評価関数を新たに設定した。また，2µm 四方の Si 薄膜の FSA では 50rpm
でリンスを行うことで高い選択率と総括収率を達成することができた。

５．参考文献[1] J.K. Tu et al, “Fluidic self-assembly of InGaAs

57

【助成 40 - 27】

メタ表面を用いる光マネジメント科学の実践－蛍光の 100％前方放出を目指して研究者 京都大学大学院工学研究科 助教

村井 俊介

アイントホーフェン工科大学 教授 Jaime Gómez Rivas〔研究の概要〕指向性ある蛍光を放つ「ナノアンテナ蛍光体」の蛍光強度向上を目指した研究を行いました。これまでに二酸化チタンからなるナノアンテナと蛍光体を用い、蛍光強度の増大と指向性の付与に成功しています。正面
方向への蛍光強度はアンテナがない蛍光基板の 10 倍に迫る値に達し、また青色レーザ光から黄色蛍光への変換効率は蛍光基板と変わりませんでした。しかし、課題として、まだ有効利用できていない蛍光成分がある
ことが挙げられます。垂直方向で 10 倍の発光強度の増強を示す試料でさえ、蛍光基板内で発生した蛍光の50％程度しか前方に放てていません。残りの 50％は後方に放たれるか、側方に逃げています。本研究では、これらをすべて前方に放つことでさらに蛍光強度を高め、高輝度・狭角配光の超小型非コヒーレント指向性点
光源としての特性を評価することを目的とします。そのために基板背面に青色を透過し黄色を反射する誘電体多層膜を成膜し、前方方向への発光強度の増加を調べました。

〔研究経過および成果〕

段階（2022 年 5 月）でメタ表面の無い場合に比べ垂ナノサイズの粒子を基板上に周期的に並べた二次

直方向の発光強度では 10 倍の増強を達成しました

元構造は、光を平面内に強く閉じ込めたり、特定の方[2]。申請時点の課題として、まだ有効利用できてい向へ集めたりする性質があります。このような構造は、ない蛍光成分があることが挙げられます。垂直方向

光に対するアンテナ＝“ナノアンテナ”と呼ばれ、先端で 10 倍の発光強度の増強を示す試料でさえ、蛍光の光技術として研究が進んでいます。我々は、このナ基板内で発生した蛍光の 50％程度しか前方に放てノアンテナと蛍光体を組み合わせた“ナノアンテナ蛍ていません。残りの 50％は後方に放たれるか、側方光体”を開発し、光源や照明応用を目指した研究をに逃げています。本研究では、これらをすべて前方進めています。これまでに、黄色蛍光体基板の上にに放つことでさらに蛍光強度を高め、高輝度・狭角配ナノアンテナを作製し、青色レーザと組み合わせて、光の超小型非コヒーレント指向性点光源としての特指向性白色光源を設計・試作しました[1]。この試作性を評価することを目的とします。

品は、蛍光体から放たれる黄色光が基板表面に作製

これまでの研究で、前方への光放出を高めるため、されたナノアンテナの作用を受けて前方方向に集め

蛍光体基板背面に 2 種の酸化物の 2 層膜を成膜し、られ、青色レーザ光と均一に混ざることで、前方方向後方に放たれる蛍光を前方に反射する取り組みを行へ指向性を持った白色光を生成します。申請書作成

いました。本研究において、2 種の酸化物の 2 層膜を58

3 層成膜し、反射強度を高めることで前方への発光

図 1：ナノアンテナ蛍光体の背面に 2 種の酸化物の 2強度を更に高めることを狙い研究を行いました。

層構造を 1 組（図中赤線）、3 組（青線）成膜した試料

スパッタ法を用い、ナノアンテナ蛍光体の背面に 2

における前方方向（ em=0o）への蛍光増強。ここで蛍種の酸化物の 2 層構造を 3 層積層させ、背面から青

光増強は未加工の蛍光体基板からの発光強度に対色レーザを入射し、前方へ放たれる蛍光を検出しまする強度比として定義した。

した。未加工の蛍光体基板からの発光強度で規格化した蛍光増強度を比較すると、2 種の酸化物の 2 層構

〔謝辞〕

造を 1 層積層させた試料では最大で 10 倍程度の発本研究の実施に当たり、カシオ科学振興財団からの光強度の増強が見られたのに対し、2 種の酸化物の助成金を試料作製用の試薬や測定系構築のための2 層構造を 3 層積層させると 16 倍程度まで増強度が光学部品の購入費に充てさせていただきました。記高まることがわかりました（図 1）。また、透過スペクトルして謝意を表します。

との比較により、発光増強の波長は反射率の高い波〔参考論文〕

長と一致することがわかりました。これらのことから、誘

１． Enhanced photoluminescence and directional

電体多層膜を背面に成膜することで、前方方向へのwhite-light generation by plasmonic array,

発光強度を高めることに成功しました。今後は研究成

Ryosuke Kamakura, Shunsuke Murai, Yusuke

果を論文にまとめると共に、更に積層回数を増やし、

Yokobayashi, Keijiro Takashima, Masaru

更なる発光増強を目指します。

Kuramoto, Koji Fujita, Katsuhisa Tanaka, Journalof Applied Physics、124 213105 (2018).

また青色励起のナノアンテナ蛍光体の研究と並行して、アップコンバージョン機構を利用した赤外励起

２． Photoluminescence engineering with nanoantennaの可視ナノアンテナ蛍光体の研究も行いました。Si

phosphors, Shunsuke Murai, Feifei Zhang、Koki

ナノ粒子からなるナノアンテナを用いることで、アップAichi, Katshisa Tanaka, Journal of Materials

コンバージョン蛍光強度を大幅に増強することに成功

Chemistry C, 11, 472-479 (2023)

しました[発表論文 1]。

〔発表論文〕
1.

Enhancing Up-Conversion Luminescence Using
Dielectric Metasurfaces: Role of the Quality
FactorofResonanceataPumping

Wavelength, Yuan Gao, Libei Liu, Shunsuke
Murai,

Kenji

Shinozaki

and Katsuhisa

Tanaka, ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 39,45960–45969 (2023)59【助成 40 - 28】

送受信回路系極低温組込み核磁気共鳴法による微小物質の高感度測定の開発と新奇物性探索

研究者 大阪大学大学院基礎工学研究科 准教授

椋田秀和〔研究の概要〕核磁気共鳴(NMR)実験を用いたミクロな視点から、未解明の超伝導物質の機構の解明、従来型とは異なる超伝導機構の探索、新たな超伝導転移温度上昇機構の探索などを目標に研究を推進した。特に近年報告されてきた超高圧下や薄膜など超微小物質での新奇な高温超伝導現象へと対象を広げることが必要となってきた。本成果報告では微小物質測定の技術開発の経過と、未解明の超伝導物質の機構の解明を目指した物性探索の成果について紹介する。低温部組込みのアンプと平面コイルにより信号のより高感度での検出を行った。大きな核(電気)四重極モーメントを持つ元素で一部置換した物質系において、その置換核をプローブとし同位体 NMR 比較法を用いるアイデアで、過去の NMR では観測が難しかった
軌道揺らぎ成分が抽出できることを示し、超伝導との関連を調べる新しい手法となった。

我々は NMR 測定法をより微小物質にも適用でき〔研究経過および成果〕
格子振動(フォノン)を媒介としたクーパー対るように送受信回路系の極低温設置により高感度形成による超伝導機構(BCS 機構)で長らく理解さ化を計る測定法の開発を行いながら、新奇物性探れてきた超伝導現象であるが、近年その機構では索の実験を行ってきた。本成果報告では、この研説明が困難な超伝導体が次々と発見されている。

究期間に行ってきた微小物質測定の技術開発の成これら未解明の超伝導物質の機構を実験的に解明

果と、それと並行して行ってきた未解明の超伝導すること、フォノン以外の根本的に全く新しい超物質の機構の解明を目指した物性探索研究につい伝導機構を見出すこと、その中で新たな超伝導転て報告する。

移温度上昇の機構を見出すこと、などを目標に、前者に関しては、現在標準的に使われている固我々は核磁気共鳴(NMR)実験を用いてミクロな視

体 NMR 測定装置では、試料と NMR 共鳴回路は点から研究を推進している。特に近年、超高圧下低温クライオスタット内に設置することで外来ノや薄膜などで新奇な高温超伝導現象が報告されてイズから遮蔽されているが，室温部に置かれた受きたが、超微小試料の実験の困難さが機構解明の信側の高周波伝送路とプリアンプ周辺で，熱雑音実験研究を阻んでいる。超伝導発現機構に関わるや外来ノイズがのり感度が低下する．この問題をスピン、電荷、軌道などの動的な揺らぎを検出で解決するために、我々は、試料と共に送受信回路

きる核磁気共鳴 (NMR) 測定は，極めて重要な実系をすべて直接低温クライオスタット内へ設置を験手法であるが，未だほとんど行われていない．

試みている。この方式により熱雑音や外来ノイズ

60

を大きく抑制できると期待される．我々は低温ででは、元素置換や圧力印加により、軌道成分、軌も動作する電子部品を選別し電子回路を独自に設

道縮重度、電子ドープ量、電子相関を制御できる計した。この助成期間試行錯誤を繰り返しながらことを巧みに利用し、高温超伝導相が複数現れ、プローブに組み込める超小型化に取り組み、いく

スピンと軌道の揺らぎの臨界性との関係を明らか

つかの試作を繰り返した中で低温設置可能な超小にできる数少ない物質系である。我々はこの系に型プリアンプを試作できた。低温組み込み型プリ

おいて、大きな核(電気)四重極モーメント Q を持アンプと平面型コイルで NMR 信号を高感度で検

つ元素で一部置換した物質系を合成し、その置換出できることを確かめた。その手法や開発の詳細

核 を 核 磁 気 共 鳴 (NMR) プ ロ ー ブ と し て 同 位 体などの途中経過を日本物理学会などで報告した

NMR 比較法を用いるアイデアで、過去の NMR で(2023 年日本物理学会秋季大会 17aB103-2, 「微は観測が難しかった軌道揺らぎ成分が抽出できた

少試料 NMR を目指した極低温小型低ノイズアン(図１)。大きな単結晶を必要としない NMR で、多プの開発」、西岡颯太郎，椋田秀和ら)。

結晶試料でもスピンと軌道の両者を同時に見るこ

後者に関しては、多軌道強相関系物質の典型でとができ、広範な電子ドープ域でスピン/軌道揺らある鉄系高温超伝導においては、スピン揺らぎとぎがどのように超伝導と相関を本研究で議論でき

軌道揺らぎのどちらがどのように超伝導出現と関るようになった。本研究成果は学術誌(Phys. Rev. B

わっているか長年の議論に決着がついていない。

誌)の Editor’s Suggestion に選出された。

特に我々が着目した LaFeAsO 系高温超伝導物質〔発表論文〕
１．

Dynamics of orbital degrees of freedom

probed via isotope 121,123Sb nuclear quadrupole
moments

inSb-substitutediron-pnictide

superconductors, T Kouchi, H Mukuda, et al.
PhysicalReview

B

108,014507(2023).

[Phys.Rev B 誌の Editor’s Suggestion に選出]
２．

Isotope 121,123Sb-NMR study in iron-based

superconductor LaFe(As1−xSbx)O1−yFy, T. Kouchi,
H Mukuda et al., New Physics: Sae Mulli, inpress.
３．微少試料 NMR を目指した極低温小型低ノイ
ズアンプの開発、西岡颯太郎，椋田秀和ら、
図１ 同位体 Sb-NMR 実験により超伝導体で日本物理学会秋季大会,の軌道揺らぎの観測に成功

大、仙台、 Sep/17 (2023)

61

17aB103-2,

東北【助成 40 - 29】

位相的データ解析による料理空間の構造解明とおいしい新料理の客観的な提案への応用

代表研究者 神戸大学大学院人間発達環境学研究科 助教 ESCOLAR Emerson Gaw
共同研究者 神戸大学大学院人間発達環境学研究科 助教 湯浅正洋

〔研究の概要〕通常，新しい料理は料理人のセンスやインスピレーションにより考案されるが，料理人の主観を客観的なアイディア創出で補うと，これまでにない食材・味付け・調理法の新たな組み合わせの提案が容易になると考えられる．
そこで本研究では，既存の料理で用いられるレシピのデータセットに位相的データ解析を適用して，「料理空間」の構造を数学的に解明し，新料理をその空間の「穴」から構成する手法を提案した．この手法で得られた食材の組み合わせから，実際にビスケット様焼き菓子を調理することができた．また，この焼き菓子は官能評価では受容されるおいしい菓子であることが明らかとなった．本研究により，位相的データ解析は新しいレシピ生成法構築に有用な解析方法であることが示唆された．

シピデータの穴をサイクルとして特定する．

〔研究経過および成果〕(2) 最適化問題を解いてサイクルから新たなレシ「データの形」に着目した位相的データ解析は，材ピを生成する．

料科学，経済学，生物学など，諸科学の問題に応用(3) 得られたレシピの調理と評価を行う．

され，目覚ましい発展を遂げてきた．本解析は，対象
データが持つ「穴」や「枝分かれ」といった構造や形を正確に捉える，適用範囲が広い解析手法である．本
研究では，既存の料理で用いられるレシピデータに

図 1：本研究の概要

本解析を適用することで，「料理空間」の構造を数学

本論文では，先行研究[1]のレシピデータ(約 5 万個的に解明し，新しいレシピをその空間の「穴」から構のレシピ，Supp. Dataset 2)に適用して得た解析結果

成することに成功した．一方，通常は，新しい料理はと，実際に調理した料理の嗜好性を解説する．

料理人のセンスやインスピレーションにより考案される(１) パーシステントホモロジー解析

が，1 人の料理人が提案できる料理レシピ数に限界

パーシステントホモロジー解析の詳細に関しては，がある．本研究成果はこのような料理人が新しい料理

テキスト[5]を参照されたい．本研究では，レシピデー

提案する際に，客観的アイディアとなることが期待さ

タの各レシピを 0–1 ベクトル(特性ベクトル)として扱い，れる．

レシピ間の距離としてコサイン非類似度を適用した．

本研究の提案手法は，以下の通りである（図１）．

ripser[2]というソフトウェアを用いて，レシピデータのVietoris–Rips フィルトレーションを構成し，その１次パ(1) パーシステントホモロジー解析[3]を用いてレ62

ーシステンス図（PD）及び代表サイクルを計算した(３) 得られたレシピの調理と官能評価（図２）．各代表サイクルはレシピの列であり，レシピデ得られたレシピをもとに，ビスケット様焼き菓子を調ータのある「穴」を囲んでいるものである．PD の各点製し，その嗜好性を官能評価により明らかにした．材(b,d)は生成消滅対と呼び，それぞれの「穴」の生成ス

料の異なる 5 種の焼き菓子で評価したところ，全試料

ケール b と消滅スケール d を表している．また，d−bでおいしさと総合評価の評点が 7 件法（-3～+3）の+1

はその寿命と呼ぶ．図２では，１から９番目に長い寿前後であり，焼き菓子として受容可能と判断された．

命の生成消滅対は星印で表している．

以上より，位相的データ解析は新しいレシピ生成法
構築に有用な解析方法であることが示唆された．
〔参考文献〕[1] Y. Ahn, et al. Sci. Rep., 1(1):1–7, 2011.
[2] U. Bauer. J. Appl. Comput. Topol., 5(3):391–423,
2021.
[3] H. Edelsbrunner, et al. Discrete Comput Geom,
28:511–533, 2002.
[4] E.G. Escolar, Y. Hiraoka. In: Optimization in the

図 2：レシピデータの PD

Real World, pp 79-96. Springer Japan, 2016.

(２) サイクルから新たなレシピを生成する[5] 池祐一, E.G.エスカラ, 大林一平, 鍛冶静雄.

パーシステントホモロジー解析から得られた穴の周

位相的データ解析から構造発見へ: パーシステ

りにあるレシピの食材を，候補食材（集合 𝑆𝑆）として，

ントホモロジーを中心に. サイエンス社, 2023.

次の最適化問題を構成した．

〔発表論文〕
１． Emerson Gaw ESCOLAR，湯浅 正洋．料理空間

この最適化問題は，既存のレシピのデータセット 𝑋𝑋の位相的データ解析 ～ 新しい料理の提案へ

口頭発表（2023/12/15，龍谷大学）と最も似ていない 𝑦𝑦 を見つけ出す問題である．ただの応用 ～，2023 年度応用数学合同研究集会，し，制限として，𝑦𝑦 は候補の食材集合 𝑆𝑆 から 𝑡𝑡 個の食材を選んだ部分レシピである．この定式化はパ２． 湯浅正洋，Emerson Gaw ESCOLAR．位相的デーシステントホモロジー解析における従来の optimal

ータ解析で生成した料理レシピの調理と有用性，

cycle 解析[4]と違い，レシピの特性に合わせた最適

日本調理科学会近畿支部第 49 回研究発表会，化問題である．計算機を用いて一番長い寿命を持つ

口頭発表（2023/12/3，滋賀大学）

サイクルに対して上の最適化問題を解くと，次のよう

３． Emerson Gaw ESCOLAR ， 湯 浅

な解が得られた（食材数 5 つのレシピ案を示す．）．

正洋．ATopological Analysis of the Space of Recipes，日本数学会 2023 年度秋季総合分科会，口頭発表（2023/09/22，東北大学）

63

【助成 40 - 30】

長波長側の可視光を利用可能にする螺旋型有機光触媒の開発

代表研究者 岡山大学異分野基礎科学研究所 助教 田中 健太〔研究の概要〕近年の地球環境問題への世界的な取り組みとして「持続可能な開発目標（SDGs）」を目指した活動が活発に展開されており、有機合成化学の分野においても環境に対する負荷を軽減しうる新たな合成プロセスの開発が試みられている。可視光を光源とすることのできる光触媒反応はクリーンで持続可能な化学プロセスに応じる新戦略の１つであり注目を集めている。その一方で、現在報告されている光触媒反応は紫外領域に近くエネルギ
ーの大きい短波長側の可視光である紫～青色光(波長 380-490nm)を光源として使用しており低いエネルギー効率が課題となっている。このような背景から、本研究では長波長側の可視光である赤色光(波長 620-780nm)を光源として利用することの出来る新規螺旋型有機光触媒(TXTH)の開発と応用を検討した。

〔研究経過および成果〕
1. 新規螺旋型有機光触媒(TXTH)の合成
はじめに、新規螺旋型有機光触媒(TXTH)の合成を検討した (図１)。実験条件として、基質にチオエー
テル 1(0.2 mmol)およびサリチル酸 2(0.6 mmol)を用い、

図１ TXTH 触媒の合成

酸 触 媒 と し て TfOH(3.0 equiv.) 、 溶 媒 と し て

2. TXTH 触媒の光触媒特性評価

chlorobenzene (5.0 mL)を用いて 120 ℃、24 時間の次に、光触媒の吸収特性の比較を行うために申請

反応条件で検討を行ったところ、42%の収率で目的と者が以前開発した TXT 触媒の合成を行った。その結する TXTH 触媒を得た。一般的に TXTH のようなヘリ

果、TfOH 触媒存在下チオエーテル 1 と酸クロリド 3

セニウムイオン骨格を有する分子の合成はトリアリーの Friedel-Crafts 反応により、目的とする TXT 触媒をルメチルカチオンを予め合成した後に分子内 SNAr 反

50%で得ることに成功した(図２)。

応により合成する手法が取られており、チオエーテルとサリチル酸のような入手容易な化合物を基質としたFriedel-Crafts 反応と SNAr 反応の連続反応により一段階でヘリセニウムイオンを合成する手法はこれまで
図２ TXT 触媒の合成

報告例が無いことから、新たなヘリセニウムイオンの合成手法を確立することができた。

合成した TXTH 触媒と TXT 触媒の吸収特性の比較を行ったところ、TXT 触媒と比較し TXTH 触媒はよ64

り長波長側の可視光領域を吸収する分子であることが分かった(図３)。これは、TXT 触媒よりもπ共役が拡張したため、HOMO-LUMO のバンドギャップが小さくなり吸収波長が長波長側にシフトしたためと考えられる。

図４ TXTH 触媒と可視光を利用したラジカルカチオ
ン Diels-Alder 反応への応用
本研究では赤色光を光源として利用することの出来る新規螺旋型有機光触媒(TXTH)を合成し、光触媒反応へ応用することに成功した。今後は TXTH 触
図３ TXTH 触媒と TXT 触媒の紫外可視吸収スペクト媒を利用し、有機 EL 材料などの有用化合物の効率

ルの比較的合成法の開発や太陽光を利用した光触媒反応に

３. 光触媒反応への応用展開する予定である。

合成した TXTH 触媒の光触媒としての機能を創出するため、ラジカルカチオン Diels-Alder 反応への応〔発表論文〕

用を検討した(図４)。実験条件として、基質に１． 「フォトレドックス触媒を利用した[2+2]環化付加反trans-anethole 4(0.25 mmmol)および isoprene 5(0.75

応によるハロシクロブタンの合成」水谷 明日香・mmol) を用い 、TXTH 触媒 (1.0 mol%) 、溶媒 と して

田中 健太・髙村 浩由・門田 功, 第 33 回基礎

CH3NO2 (4.0 mL)を用いて空気雰囲気下、室温 15 分

有機化学討論会, 岡山コンベンションセンター,の反応条件で種々光源の検討を行った(図 7)。その2023 年 9 月 12 日～14 日

結果、いずれの光を光源とした場合においても円滑

２． 「 チ オ キ サ ン チ リ ウ ム 光 レ ド ッ ク ス 触 媒 に よ るに反応が進行し高収率で目的とする環化付加体 6 をRadical Cation Diels-Alder 反応」田中 健太・岸得ることに成功した。特に長波長側の可視光である

本 真実・大塚 尚哉・鈴木 敏泰・椴山 儀恵・髙Red LED(赤色光波長 640 nm)を光源として用いた場

村 浩由・門田 功・星野 雄二郎, 第 33 回基礎合に最もよい結果を示し、>99%の収率で目的物を得

有機化学討論会, 岡山コンベンションセンター,

ることに成功した。一方、Entry 5, 6 において TXTH

2023 年 9 月 12 日～14 日

触媒を加えない条件や Red LED を照射しない条件で

３． 「フォトレドックス触媒を用いた[2+2]環化付加反は反応が進行しなかったことから、TXTH 触媒と Red応によるハロシクロブタンの合成」水谷 明日香・

LED が本反応を促進していることが分かった。

田中 健太・髙村 浩由・門田 功, 第 47 回有機
電子移動化学討論会, 慶應義塾大学日吉キャンパス, 2023 年 6 月 16 日～17 日

65【助成 40 - 31】

マルチモーダル分光計測による材料認識ペプチドの機能解明

研究者 徳島大学ポスト LED フォトニクス研究所 特任助教 加藤 遼

〔研究の概要〕無機材料表面に特異的に吸着する材料認識ペプチドは、材料表面の電子特性や分子修飾性を改質できるため、バイオセンサー応用が盛んである。この生体分子―固体表面の相互作用を理解することは、重要である。これまでのペプチド–固体界面に関する研究は、材料表面上に形成する自己組織化構造の観察や、デバイスの電気特性の評価に集中しており、ペプチドの材料表面への吸着機構を明らかにする試みは少ない。
生体分子の材料表面への吸着機能は、ペプチドの立体構造の変化と材料の電子特性の局所的な変化の両方が重要である。本研究の目的は、フォトルミネッセンスと赤外吸収情報を同時にナノ計測できるマルチモーダル計測法を開発し、ペプチドの化学構造と無機材料の電子特性の相関を観察することで、材料認識ペプチドの吸着機構に新たな知見を与えることである。

〔研究経過および成果〕

二次構造及び分子構造情報を１分子レベルで計測

マルチモーダルな振動分光技術の計測には，振動した。NR7C とそのホスト材料である二硫化モリブデン

スペクトルと発光スペクトルの光信号を同時に検出すからのラマン散乱と発光（フォトルミネセンス）を同時ることが必要である。そこで、２つのアプローチの技術にかつナノスケールで計測することに成功した。得ら

開発を行なった。１つ目は、ラマンスペクトルと発光ス

れたラマンスペクトルには、タンパクの構成アミノ酸

ペクトルを計測する装置を開発した。入射光と材料の（グリシン、アラニン、フェニルアラニン等）の情報と、発光波長の関係を考慮しつつ、分散角の小さいグレ

材料の Mo-S 間の水平と垂直方向の分子振動情報

ーティングを使用することで、ラマンスペクトルと発光が観察された。これらの分子振動情報を解析し、材スペクトルを同時に計測できるシステムを開発した。こ料間での相互作用の解析を現在行なっている。

の手法を用いて、材料上の生体分子計測のデモンス

並行して、ナノスケールの赤外分光技術の開発にもトレーションを行った。生体分子は NR7C という無機取り組んだ。赤外領域の光信号を検出せずに試料の材料上に自己組織構造を形成する組み換えタンパク

赤外吸収を計測できるフォトサーマル分光を利用すを使用した。無機材料の表面特性（生体分子の修飾ることで、フォトルミネッセンス分光との共立を実現す

性や電気特性）を改質できるためバイオセンサー研る。分子が赤外吸収を起こすと瞬間的な熱膨張が生究への応用や、その剛直な機械特性からシルク産業

じる。フォトサーマル分光は、熱膨張を可視光の散乱への応用が行われている。この剛直な機械特性は、変化から計測することで、赤外吸収を計測する赤外

分子内の水素結合によって安定なβシートの２次構分光技術である。試料の熱膨張は赤外パルスレーザ

造を形成するからである。この NR7C の材料表面でのーのパルス周波数と同じ周波数で繰り返し生じる。そ66

のため、パルスと同じ周波数成分で変調される散乱変化のみを抽出することで（ロックイン検出）、赤外吸収情報が測定可能である。赤外パルス光の波長を掃引しながら、散乱情報を計測することで、赤外吸収ス
ペクトルが得られる。この手法は、試料からの散乱を計測するため、ラマン分光と異なり、フォトルミネッセ
ンスと赤外吸収の同時ナノ計測が容易である。開発
した手法を用いて、ポリマー材質の微粒子とポリマー
ブレンドの超解像イメージングを実証した。現在は、ナノメートル膜厚の二次元材料の超解像イメージングの実証に注力している。
本研究は、フォトルミネッセンスと振動分光の同時ナ
ノ計測を実現することで、生体分子の 2 次構造とホスト材料の電子特性を同じ時空間スケールで観測できる革新的なナノスケール分光計測法だと位置付けられる。化学・電子特性ダイナミクスというこれまでの１
分子計測技術で得られてきた情報とは異なる観点で生体分子機能を議論することで、材料認識ペプチドの特異な機能を明らかにすることを今後の目標としている。

〔発表論文〕
１． 現在 投稿中67

【助成 40 - 32】

Si-CdTe 一体型３次元半導体放射線イメージセンサの開発

研究者 宮崎大学工学部 准教授

武田 彩希〔研究の概要〕本研究は、Si センサ・CdTe センサ一体型の３次元半導体放射線イメージセンサを実現するための技術開発を目的とした。これまで研究開発してきた Si センサ・CMOS 回路一体型の「SOI-CMOS イメージセンサ」に対し、
CdTe センサをマイクロバンプで接合する。SOI-CMOS イメージセンサは、既に自身で設計し、製造まで完了している。本研究では、主な開発項目として、マイクロバンプによる接合を進めた。最終的に、サイズが 5 µmφの金コーン型マイクロバンプで接合を実施し、実機を製造した。

〔研究経過および成果〕
Ｘ線天文学は、アメリカ、ヨーロッパと並び日本が世界を牽引する分野のひとつである。次世代の宇宙Ｘ線観測では、0.5−100 keV の広帯域な撮像分光が要求される。現在Ｘ線天文衛星の主力である Si センサ
は、高い撮像分光能力をもつが、現実的なエネルギー
帯域は 0.5−20 keV であり十分ではない。そこで、100keV 程度までのエネルギー帯域がある CdTe センサをSi センサの後段に配置（スタック）することで、広帯域な撮像分光を実現する。しかし、この形式では Si
センサ・CdTe センサを独立した基板に配置することになり、センサ間は最小 4 mm の隙間ができる。このため焦点深度との兼ね合いで両者に対し同時に焦点を合わせられない。つまり、ピンボケした画像となる。
また、Si センサ・CdTe センサは互いに独立するためシステムとして複雑になり、排熱や機械環境の成立性を難しくする。これらの課題を解決する方策として、Si センサ・CdTe センサを一体化した半導体イメージセンサが考えられる。一体化させることで焦点深度の制限が無くなり、システムとして単純化・小型化することができる。

図１．Si-CdTe 一体型３次元放射線イメージセンサの模式図。センサ間に SOI-CMOS 回路が存在する。

図 1 は、本研究で開発する Si-CdTe 一体型 3 次
元放射線イメージセンサの模式図である。軟Ｘ線（0.5-20 keV）のエネルギー帯域は Si センサ部、硬Ｘ線(20-100 keV)のエネルギー帯域は CdTe センサ部
で主に検出する。Si センサ部は、CMOS 回路が一体化した SOI-CMOS イメージセンサにより構成する。CdTe
センサ部は、アクロラド社で製造された結晶により構成する。CdTe センサ用の読み出し回路は SOI-CMOS
イメージセンサ内へ組み込むことで一体化した構造を実現させる。回路が同一層内に存在するため、親和性の高いシステムとなる。互いは、T-Micro 社のマイクロバンプで接合する。図２は、本研究のため自身で設計した SOI-CMOS イメージセンサである。36 µm 角の Si センサ用の画素２×２を１ユニットにし、その中に CdTe センサ用の読み出し回路を組み込んだ。

68

図２．a)設計した SOI-CMOS イメージセンサのチップレイアウト。b)設計した SOI-CMOS イメージセンサの画素構成。Si センサ用回路 2×2 画素が１ユニット。

SOI-CMOS イメージセンサと CdTe センサを安定的に接合する技術として、T-Micros 社による金コーン
型マイクロバンプ接合を検討した。これは、最小 2.5µmφという微小なサイズでバンプ接合が可能な技術である。本研究で設計した SOI-CMOS イメージセンサ

図５．セラミックパッケージに実装後の完成した実機。

には、画素部・周辺回路部に CdTe センサと接続するための電極を配置している。マイクロバンプは、電極毎に４個ずつ配置することにした。電極のサイズは14 µm 角、マイクロバンプのサイズは 5 µmφとした。
図３は、実機の顕微鏡写真である。画素アレイ領域と周辺回路領域の境界付近であり、画素の中央にマイクロバンプを配置する電極、その中に４個のマイク
ロバンプを製造できていることが確認できる。点線が画素の境界を示す。また、図４は、さらに拡大した顕微鏡写真である。マイクロバンプがより鮮明に確認できる。

図３．画素アレイ領域と周辺回路領域の境界付近の顕微鏡写真。画素の中央にマイクロバンプを配置する電極があり、各電極に４個のマイクロバンプを製造している。

マイクロバンプで接合した実機は、セラミックパ
ッケージに実装した。図５は、実装後の完成した実機の写真である。本研究を経て、Si センサ・CdTe セン
サ一体型の３次元半導体放射線イメージセンサを実現するための技術開発を進めることができた。今後
は、評価系システムを準備し、実機の性能評価を進めていく。評価結果は、論文にまとめていく予定である。
最後に、本研究を進めることができたこと、本助成金に心より感謝申し上げます。

〔発表論文〕
図４．画素アレイ領域と周辺回路領域の境界付近の拡大
写真。

該当なし

69

【助成 40 - 33】

伝搬型表面プラズモンを励起子と結合して発光として系外に取り出す技術の開発

研究者 兵庫県立大学大学院理学研究科 准教授

小簑 剛〔研究の概要〕表面プラズモンは、発光の増強もしくは消光という両極端の効果を与える。増強は、主に金属ナノ粒子の局在型プラズモンと励起子の共鳴効果によって起こる。他方、消光は、薄膜などのバルクの金属の伝搬型プラズモンに励起子のエネルギーが移動することによって起こる。発光デバイスにおいて、後者の効果は悪玉となる。そこで、励起子を消光する悪玉である伝搬型プラズモンを、発光の増強を生む善玉に変えることに挑戦した。

〔研究経過および成果〕

先鋭化の起こりやすさを表す励起光強度の閾値

伝搬型プラズモンによる励起子の消光は、プラ(Ith) は、参照試料で 4.85 ± 0.73 µJ/mm2 であり、ズモンが励起子のエネルギーを吸収しつつ励起子

アルミニウム、銀、金の薄膜を用いた場合においのサイトから離れ去ることに起因する。そこで、
図 1 に示すマイクロ共振器を用いて伝搬型プラズ
モンを励起子の近傍に閉じ込める工夫を講じた。
マイクロ共振器は、直径 20 µm のシリカマイクロ
図 1 (a) デバイス構造と (b) terfluorene および(c) CBP の分子構造.

球をガラス基板上に分散させ、その上から金属薄膜と発光材料である terfluorene およびスペーサ
ー材料である CBP の薄膜を積層させることで作製した。
発光スペクトルを図 2 に示す。金属薄膜のない参照試料において、励起光強度の増大に伴って発光スペクトルが櫛型に先鋭化した (図 2a)。アル
ミニウム、銀、金の薄膜を共振器に用いた場合においても同様に、発光スペクトルの先鋭化を観測した (図 2b-2d)。各スペクトルにおけるピーク間

図 1 (a) 金属薄膜のない参照試料と (b) アルミ
ニウム薄膜、 (c) 銀薄膜、(d) 金薄膜を用いた共振器において得られた発光スペクトル.各図には、励起光強度の異なるいくつかのスペクトルを重ねて示した.

隔はウィスパリングギャラリーモード (WGM) を仮定した場合のピーク間隔にほぼ等しい。このことは、各スペクトルの先鋭化が WGM の共鳴波長における自然放射増幅光に起因することを示唆する。

70

て、それぞれ 5.10 ± 1.14、5.43 ± 1.10、32.5 ± 1.05で減衰しにくく、発光の増強効果が増大する可能µJ/mm2 であった。Ith は金薄膜を用いた場合におい性がある。実際に、実験で用いた構造と同じ積層て著しく高く、アルミニウム薄膜および銀薄膜を膜をシリカ板上に配置した構造について Lspp を用いた場合では、参照試料と同程度と言える。金計算したところ、アルミニウム薄膜の方が銀薄膜薄膜において Ith が高くなった原因のひとつとしよりも Lspp が長くなることが分かった (Al: 2.77て、バンド間遷移による光吸収が挙げられる。まµm、Ag: 0.82 µm)。(平板構造は、モデル化を容た、重要なことには、金ではプラズモンによる発易にするために用いた。)現在、市販の光学シミュ

光増強効果が得られないことも一因として挙げら

レーションソフトウェアを利用して、本研究に用れる。伝搬型プラズモンのプラズマ周波数を真空いたものと同じお椀型の構造を対象に Lspp の解中における光の波長に変換した値を λp とすると、析を進めている。

金における λp は、それぞれ約 530 nm であり、本研究の結果から、表面プラズモンによる消光

terfluorene の発光波長領域 (430 nm 付近) にお効果を抑制し、発光として系外に取り出す技術のいてプラズモンは誘起されない。これに対して、開発に成功した。伝搬型プラズモンを善玉に変えアルミニウムおよび銀では、λp がそれぞれ 300 nm

るには至らなかったが、悪玉でなくすることに成以下、約 430 nm であるため、共振器中で励起子お功した。本研究では、発光に着目したが、デバイよび発光が伝搬型プラズモンと結合し得る。アルス構造如何では、他の物理現象や化学反応として

ミニウム薄膜および銀薄膜を用いた共振器におけ余剰のエネルギーを系外に取り出すことも可能で

る Ith が参照試料の Ith と同程度であったことから、ある。今後、我々は、このことに関する新技術を当初のねらい通り、伝搬型プラズモンを共振器内創出していく予定である。

に閉じ込めることで、消光効果を抑制することが〔発表論文〕できたと言える。他の解釈として、共振器内で光１． K. Togawa, T. Komino*, T. Mikajiri, J.-I. Yamada,とプラズモンが結合しなかった可能性も考えられ

H. Tajima, Dependence of Amplified Spontaneous

るが、別途行った光学シミュレーションの結果か

Emission Threshold on Atmosphere in Whispering

ら、この可能性は排除できている。

GalleryModeResonators

Including

1,3-Diphenylisobenzofuran as a Singlet Fission

上述の通り、アルミニウムおよび銀の薄膜を用いた共振器において、Ith は同程度であった。一般

Material, Chem. Lett., 52, 280-283 (2023).

に、発光の増強効果は λp 付近で最大となるため、

２． T. Mikajiri, T. Komino*, J.-I. Yamada, H. Tajima,

銀薄膜を用いた共振器の方がアルミニウム薄膜をDevice Parameter to Evaluate Exciton Energy用いた共振器よりも Ith が低くなると予想していTransfer in Organic Whispering-Gallery-Mode

た。予想と異なる結果が得られたことについて、Microresonators and its Dependence on the

プラズモンの伝搬長 (Lspp) が関係していると考Amplified Spontaneous Emission Threshold, Phys.

えている。Lspp が長いほどプラズモンが共振器内Chem. Chem. Phys., in press.

71【助成 40 - 34】

X`3e~CřıŁíſŝWƆƊťƊ-ŋãõõ
¢©¼õ U«?E?EæNE¢©¥õ liõ õ ÖÂ¨õõĮ¢©ŋÆįõ
õ w¢©ņŌĬX`3e~CŋYcŊ^ÆŉƍÞ-`ŇŤžX`řĿgŃ ĒćĆ ƀųżƊřıŁŻƄżƊ
ŋ,cřËļŁĭĒúŸƈŦƄŮƈŚűƄƈřccŇĽŖ+:`ŜƃŧůżƊƋėĔĊƌŋ,cŊåļŅĬó
è`ŋůƄŷƇŬŠţŻƄżƊřļĬĆĕČĊėúĆėĕĔ řıŅ ĒćĆ ůƄŷƇŬŠţŻƄżƊř,cļŁĭŏ
Łƍ_­`ſũŢƈŋj°řÃłŁ´{ƍ(¾ņóıÞ-`ř¶gņķŖxoĶ[ŔŗƍX`3e~CřÅĽŖ+½`Ķ¤2ĻŗŁĭõ
õĮ¢©³ÚĴœŎc{įõ-h&ŇŀŗŊ7ńĸp`ĶÈĻŗŁĭļĵļŉõ w¢©ņŌƍŵƊžŧŭŚƄƈšřLūƁƈŲƅŋ

ĶŔƍĺŗŔŋŶśƅžřŞƃŧÓ¦TņİŖ

é5"\ŊœłŅGņķŖX`3e~CŋGřĄýīŊ$ĽŖŇ÷ęøĴœŎ÷Ěøŋß,ŇļŅƍ3e%ĶŶśƅžŋÄîYŊDĶ@ļŁĭ一方で，メトキシ基を 2 つ導入したļŉı3e~Cřƍ5éŚŠūƂŜƊŪƊŉňř

NBA を用いた共重合体(c)は熱処理によって異方ıŅ5¹ƉV

性が向上することに加えて従来の材料と比較して<YĻĿŖƍŒļĸŌ3e~CŀŋŒŋřìé9ņ<YĻĿŖĺŇĶs%Ň»ĳŁĭĺŋyřŁĽxoŇļŅŌƍ3e~Cř

Ōp`

厚膜でも高い異方性が保持できた。õ
OaŊYcņķŖ)_`óCq÷ĔĐĈĔøřcÆ¯

50

O(CH2)6O
50
O
OC4H9
p

ŇĽŖĺŇŊ$ĳƍHņŤžX`ř¤ĽĺŇĶ^Æ

O

R1

O
(a)R1=H, R2=OCH3(b)R1=OCH3, R2=H(c)R1=OCH3, R2=OCH3

N

R2

õ

ņİŖƍŀĺņw¢©ÍïņŌƍŤžX`ř¤Ľx

図 1 NBA を光応答部とする液晶高分子

oņóıÞ-`ř¤Ľxoŋj°řÃłŁĭHまた，(c)は光照射によって接着性能を制御できるÖŊŞƃŧÓ¦T÷ėĞøř¤ĽŁőŊŌ}Òŉƀ

ことから，再利用可能な異方性光応答性接着剤とųżƊřß,ĻĿŗōœıĭŀĺņƍĺŗŏņŊó

しての応用も期待できる。

ıÞ-`ř¤ĽĺŇĶ80ĻŗŅıŖ ĒćĆ ƀųżƊĴœŎŀŋð¸Br Oř)_ÝŇļļŁŷūƅſŪŠƄ
O

O(CH2)6O
60
O

N

OCH3

ƆƊůţŻƄżƊ÷4 þøř,cļƍ_­`řÌļŁĭŀŋ´{ƍıľŗŋ ĒćĆ ß,ŊĴıŅŒŷū

O

O60
OƅſŪŠƄƆƊůř ĂýģĥĢö§T.sĽŖĺŇņƍėĞ Ō

Br 60 O(CH2)6O

H§Tŏņ ļŁĭŏŁƍâ ĀăĂĤģ ŋ·řKĽŖĺŇņƍÔÜfŉ)_Ŋ7ńĸÞ

OCH3

õ

4Ɛõ ĆėĕĔ ŊœłŅ,cļŁ ĔĐĈĔ ŋCØõ72

'Ŋœŕp`ŋ;RĶ-ĽŖŁőŇ»ĳŔŗŖĭõ

ĔĐĈĔ řccŇĽŖ+:`ŜƃŧůżƊŋYc

ŻƄżƊŶśƅžÄîř Ćċđ ņÈIļŁŇĺŘƍ uřËļŁĭĺŗŏņŊ ĕĆċė řıŅ,cļŁbŇĔĐĈĔ ŦŷƇŬŠţŻƄżƊŊĴıŅŌƍ×QŋƃŦŝ

ĤģàĀûĂÿĤģøƍªÑŋØĶÈIĻŗŁĭ1u`ƅß,ņ,cļŁ ĔĐĈĔ Ň ÕļŅÞ-h&ŊÛŌFņŌŉıĶƍŽŠƇèŊœŖŒŋŇkĻÁĶŉıĺŇř80ļŅıŖĶƍĔĐĈĔ řccŇŗŖ÷4 Ā÷ĚøøĭĻŔŊƍ[ŔŗŁŻƄżƊřŭŶƇƈ7ĽŖ+:`ŜƃŧůżƊ÷ėĔĊøŌ[ŔŗŅıŉıĭ

zŊşƁŧůļŁŇĺŘƍŶƄƊŧŪƈŮśƈšŉŶś

ėĔĊ ř[ŖŊŌƍHŊõ ėĞ řsĽŖŨšſƈů

ƅžĶ[ŔŗŁĭŶśƅžŌHŊĴıŅrĹ<YĶçļƍ|Ň½ĽŖĺŇĶtŏļıĭŀ

ŊJļŅ]`ř¤ļƍ+:`xoņİŖĺŇĶ¤ŋŁőƍw¢©ņŌ`ŋıóCò~ņ2ĻŗŁĭ÷4 Ā÷ěøøZŌ[ŔŗŁ¡ÇřŒŇŊ(¾cĻŗŁůƄŷƇŬŠţŻƄżƊř!ĽŖĺŇņ

ņ3e~CřÅļƍ5é¯CŉňřıŅ3eèřÙĽŖĺŇĶ^ÆŇ»ĳƍĆėĕĔ ŋ!řËŋţƈůƇƊƅřËĽŖĭõ

ļŁĭpņ ĒćĆ ŌŝƃžŠƇżůšƃŶśƊŉňņ®

ÅĽŖŇÉĽŖĺŇĶİŖŁőƍß,ZŊŝƃžŠƇ
żůšƃŶśƊřıŉĸŅŒÀıdřıŖ^ÆĶİŖĭŀĺņáÊBàĶMŉĸƍß,ZŋŝƃžĶ^Æŉ ĆėĕĔ ņİŖ ĆĕČĊėúĆėĕĔ řıŅ ĒćĆ ůƄŷƇŬŠţŻƄżƊř,cļƍ_­

Absorbance (a.u.@332nm)µıŅƍóCò~ÝŋcřËĽŖŁőƍÕ ļ Ņ Ŷ ś ƅ ž Ķ  Ő ÷ĕđĖąÿûĄĄõ

2.5
ascoatexposed 0.5J ⊥exposed 0.5J ||annealed 110℃ ⊥annealed 110℃ ||

2
1.5
1
0.5
0
250

`řÌļŁĭHÖŊŞƃŧÓ¦TřsĽŖ

PÏŋŻƄŭůƇŴŰƇŶƃƈřıƍCàv¬Ŋ

300 350 400 450
Wavelength (nm)

500



ĆĕČĊėúĆėĕĔ ãA#řñļŁxořãA#ŇļŅıŁĭß,ŋ´{ƍmT þûā §TŋØ"\ĻŗŁŻƄżƊĶ[ŔŗŁĭõ
4 Ā÷ęøŊŶśƅžŊÞ-Ŋõ

Ĳ/*ŧŹ

Šůƅŋ<'ř¤ĽĭŶśƅžŊ·±=ř

4 Ā÷ęøõ ŷƇŬŠß, ŋ/*ŧŹŠůƅĭŧŹ

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ƀŻƄżƊœŕ?ķĸƍ_­`Ķ-ļŁĺŇĶ¤2ĮÄÎnįõ

ĻŗŁĭĺŗŌ ĆĕČĊėúĆėĕĔ řıŁĺŇŊœŕţŻƏƎ đûõ ďĥĤĜĥùõ ėûõ ĒęĞęħęùõ Ęûõ čĪĥĜĥùõ ĉûõ ēġęĠùõ čûõ

ƄżƊŋ>mTĶļƍŊÁļƍ·ŇSÃp-ř£·ƍ6p-řĆĜęěğĠùõĒûõďęĩęħĦĨġĠùõĈğĝģûõĐĝħħûõĖĨĚģĠħħĝĜûõ

Ĳ¿O²º

73

【助成 40 - 35】

デュアル光コムによる非接触リモート計測技術の開発

研究者 東邦大学理学部物理学科 講師

中嶋善晶〔研究の概要〕波長 5 µm 以上の中赤外域では、分子の基本吸収スペクトルが多数存在するため、多種分子の分光による非接
触リモート計測技術への利用が期待できる。そこで本研究では、光周波数のものさしといわれる光周波数コムを光源として用いるデュアルコム分光計を中赤外域において開発することで、新たな非接触リモート計測技術の創出を目的とした。本研究期間においては、1 台のレーザー共振器から 2 台の光周波数コムの同時発生が可能なデュアルコムレーザー光源を近赤外域において開発した。次に、近赤外域のデュアルコムレーザー光源を基に、非線形波長変換を行うことにより中赤外域と THz 域への展開を目指した。

〔研究経過および成果〕

ムファイバレーザーを構築した。図 1(b)に示すのは、あらゆる環境下におけるデュアルコム分光の使用を

デュアルコムレーザーの光スペクトルである。光コム 1想定して、環境変動による光ファイバ内での偏波揺らは中心波長 1547 nm、光コム 2 は中心波長 1558 nm

ぎが小さい全偏波保持光ファイバ構成でのデュアルであり、スペクトルの一部が重なっている。中心波長

コムファイバレーザーを開発した。独自技術である機は、PM-EDF の長さを同程度に調整することで一致さ

構共有型デュアルコムファイバレーザーを基に、超小せることが可能である。図 1(c)に示すのは高速受光型ファイバモジュール（Micro-optic component）を導器を用いて検出した電気信号のスペクトル（RF スペク

入し、さらなる小型・堅牢化を目指した。

トル）であり、光コム特有の櫛状のスペクトルが得られ

図 1(a)に示すように、半導体型の可飽和吸収ミラーていることがわかる。また、櫛状スペクトルの間隔は約（SESAM）と偏波保持 Er 添加光ファイバ（PM-EDF）、

45 MHz であり、間隔周波数 fr に相当する。図 1(d)に偏波保持ファイバ（PMF）、および部分反射ミラー

示すのは、周波数カウンタを用いて測定した光コム 1（PRM）を用いてモード同期ファイバレーザーを構成と 2 の fr とそれらの差Δfr の時間変化である。2 台のした。モード同期機構に用いる SESAM 部と、レーザ

光コムはフリーランであるため、fr は、実験室の温度ー共振器を構成するための PRM には自由空間部が変化により測定時間 1000 秒において 60 Hz 程度変存在するため、振動や温度変化に対して敏感である。

化しているが、Δfr は平均値 300 Hz において標準偏そこで本研究では、自由空間部を小型・堅牢化する

差 0.1 Hz 程度で安定化されている。これは、2 台のモ

ために、Micro-optic component を導入した。この小ード同期ファイバレーザーが密着した状態で設置さ型かつ簡便な構成のモード同期ファイバレーザーをれているために、振動などの環境変動によるレーザ

2 台作成し、可能な限り密着させた状態で固定し、密ー共振器長の変化によって生じる fr の変化が共通雑

閉箱の中に設置することで、機構共有型デュアルコ

音となり、これらの差Δfr では相殺されるためである。

74

0.8
0.6
0.4
0.2

45.0483

Comb1
Comb2

45.048245.048145.0480
400
300
200

(e)
(f)

0

200

400 600
Time (s)

800

(g)

0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10

Intensity (a.u.)

45.0484

1000

0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10

-10

-4

0
10 20x10-6
Time (s)

(h)

-2

0
2 4x10-6
Time (s)

-10

Comb1

-10

Comb2

-50

0.0
1530 1540 1550 1560 1570 1580
Wavelength (nm)Intensity (a.u.)frep (Hz) Repetition rate (MHz)

(d)

(c)

RF power (dB)

Comb1
Comb2

-50

0

Intensity (dB)

1.0

-80
-100
-120
-140

100 200 300 400
RF frequency (MHz)

500

2.8
3.2
3.6
RF frequency (MHz)

4.0

-70
-80
-90
-100
-110
3.200 3.202 3.204 3.206 3.208 3.210
RF frequency (MHz)Intensity (dB)(b)

Normalized power(a)

図 1 (a)機構共有型デュアルコムファイバレーザー、(b)光スペクトル、(c)RF スペクトル、(d)frep とΔfrep の時間変化、(e)インターフェログラム、(f)(e)の拡大図、(g)(e)を高速フーリエ変換して得られたスペクトル、(h)(g)の拡大図
次に、2 台の光コムを空間的に重ねた状態で、高速受光器に入射し、電気信号を生成し、オシロスコープ
を用いて電気信号の波形を取得した。図 1(e)と(f)は、取得した電気信号の波形であり、インターフェログラ
ムという。電気信号からオシロスコープの高速フーリエ変換機能を用いてスペクトル波形を取得した。図図 2 機構共有型デュアルコムファイバレーザ
ーを用いて取得した HCN ガスの吸収スペクト
ル1(g)と(h)は、取得したスペクトル波形であり、波長1550 nm 帯における光コムのスペクトルに相当する。

要することから、高速化を達成できた。 また、開発し

図 7(h)に示すのは、図 1(g)を拡大したスペクトルであたデュアルコムレーザー光源を基に中赤外域と THz

り、Δfr の平均値 300 Hz に相当する間隔周波数で分域への拡張を行った。中赤外域においては波長 3～解された光コムのスペクトルが観察できた。これは、24.5 µm 域と 7～10 µm 域、THz 域においては 0.1～1.2

台の光コムがフリーランでありながらも、高い相対安

THz 域における光コムの発生を実現した。

定性を有していることを示している。さらに、2 台の光〔発表論文〕

コムを重ねた後に、HCN ガスが封入されたガスセル

１． T. Yumoto, W. Kokuyama, S. Matsubara, T.

を用いて分光計測を行った。図 2 に示すのは、取得

Yasui, Y. Nakajima, Optics Continuum, Vol. 2, pp.

した HCN ガスの吸収スペクトルであり、HCN ガスによ1867-1874 (2023).

る複数の吸収線がみられる。測定に要したデータ取
得時間は 10 ms 程度であり、光スペクトラムアナライザを用いた場合に同等のスペクトルを得るには 1 s 以上

75

【助成 40 - 36】

深層学習による遺伝子発現制御ネットワーク解析技術の開発（中間報告）

早稲田大学 理工学術院総合研究所 主任研究員 大里直樹

〔研究の概要〕転写制御因子等による遺伝子の発現制御を理解し制御できれば、細胞分化のメカニズムの理解と制御や、遺伝子発現の異常による疾患の解明や治療法の開発などが期待される。本研究では、遺伝子発現制御のカスケ
ードやネットワークを解析する手法を開発し、転写制御因子の発現量を変化させたときに、他の遺伝子の発現量がどのように変化するかを、遺伝子間の発現制御の相互作用を考慮して、定量的に予測できるようにする。遺伝子ネットワーク予測のための条件検討を行い、予測精度を向上し、遺伝子ネットワークに含まれる遺伝子発現制
御の関係を予測し解明する。遺伝子発現制御の分子メカニズムに関わり、遺伝子から離れたゲノム DNA に結合する転写制御因子と遺伝子との相互作用の仕切りに関わる DNA 結合タンパク質について、深層学習を用いた手法で網羅的に探索し、特徴を明らかにした。

〔研究経過および成果〕として機能する DNA 結合タンパク質が報告されヒトの遺伝子（Gene）の発現制御の基本的な転写制ている。脊椎動物では、CTCF が主要なインシュ

御により、ゲノム DNA にコードされた mRNA 配列の転レータとして知られ、DNA のループ構造を束ね写が起こる。遺伝子の転写開始点近傍のプロモータ

る位置に二つ（二量体）の CTCF が結合する。

ー（Promoter）領域だけでなく、遺伝子から離れた位

CTCF は Forward-Reverse の向き（逆向き）に置（Enhancer 等）のゲノム DNA に結合する転写制御

DNA のループに結合することが多い(図２)。

因子（転写因子）が遺伝子の転写開始点の周辺と相Enhancer はループの内側の遺伝子と相互作用する

互作用し、転写を制御することが明らかとなった（図が、外側の遺伝子とは相互作用しない。

1）。

図２ インシュレータ機能と関わる CTCF
本研究では CTCF 以外のインシュレータ機能と関わる DNA 結合タンパク質を網羅的に探索した。生物実

図１ ゲノム DNA の転写制御遺伝子から離れた位置の Enhancer 等と近傍の験解析で多くの DNA 結合タンパク質について解析すPromoter の相互作用の仕切り（インシュレータ）76

ることは手間と費用がかかり困難である。

結果として、 既知のインシュレータ機能に関わる

その結果、インシュレータサイトにある、DNA 結合

DNA 結合タンパク質（CTCF, Cohesin）を含め、99 種

位置と重なる相互作用が、遺伝子の転写の活性と抑類の DNA 結合タンパク質が、インシュレータと関わる制の領域とよく適合することがわかった。また 99 種類

ことが示された。

の DNA 結合タンパク質は、他の DNA 結合タンパク質

論文検索により、インシュレータや、ゲノム DNA のよりも統計的に有意に多く、インシュレータサイトに結相互作用や構造変化により転写制御に関わる DNA

合することが示された。これらの結果から DNA 結合タ

結合タンパク質が 23 種類含まれていた。2021 年にンパク質の DNA 結合がゲノム DNA の相互作用と関DNA 結合タンパク質で転写因子の MAZ がインシュレ

わり、相互作用のループにより、遺伝子の転写が活ータと関わることが生物実験解析により報告された。

性な領域と抑制された領域が区切られることが示唆された。

二つの CTCF が DNA のループに結合するときに、DNA 結合配列の向きに偏りがあることが生物実験解析 に よ り 報 告 さ れ て お り 、 そ の 割 合 は 76.4% FR(Forward-reverse), 11.0% FF (Forward-Forward),
10.3%

RR

(Reverse-Reverse),

2.3%

RF

(Reverse-Forward) で、主に FR の向きになり、FF とRR が同じ程度、RF はほとんど見られない。本研究で、向きの偏りによる、遺伝子発現量の予測への影響（Contribution score, 貢献度、重要度）を、説明可能
な AI の手法（DeepLIFT）で解析した結果、同様の傾向が示され、深層学習による予測が正確であることが示された。99 種類の DNA 結合タンパク質のうち、大図３ インシュレータサイトと DNA 結合位置、部分（89 種類）が DNA 結合配列の向きの偏りを示し相互作用のゲノムブラウザによる表示

た。
mRNA が転写される活性のある領域と、転写され〔発表論文〕

ない抑制された領域を公共データベースの実験デー

１． Osato N and Hamada M (2024) Discovery ofタを用いてゲノムブラウザ（UCSC Genome browser）

regulatory motifs associated with human insulator

で表示した。その二つの領域の境界（インシュレータ

sites reveals the role of directional bias inサイト）にある、99 種類の DNA 結合タンパク質の DNA

insulator

結合位置と、結合位置と重なるゲノム DNA の相互作

https://doi.org/10.1101/2024.01.20.573595

用の実験データを可視化し、DNA 結合位置と相互作
用、活性と抑制の領域の対応について確認した（図３）。

77

function.

bioRxiv

preprint,doi:【助成 40 - 37】

双方向ワイヤレス電力伝送のオンライン磁気パラメータ同定による高効率制御に関する研究㻌㻌
研究者㻌 立命館大学理工学部㻌 㻌 助教㻌 㻌 清水㻌 悠生㻌
㻌
〔研究の概要〕㻌
㻌 近年，家電製品や電気自動車などでワイヤレス給電が注目されている。磁界共振結合を利用したワイヤレス給電では 㻿㻼 方式が代表的であるが，㻞 次側インバータにコンデンサを並列接続するため，逆方向給電ができない。
本研究では，逆方向電力伝送のための追加インダクタ回路トポロジーを提案し，パリティ時間対称理論に基づく回路設計法と周波数制御方式を明らかにする。回路設計法と制御理論を確立することで，磁気パラメータとシス
テム特性の関係性が明らかになり，磁気パラメータの同定により更なる高効率制御の可能性が見込めることが分かった。㻌
㻌〔研究経過および成果〕㻌

者らは双方向の電力伝送が可能である 㼃㻼㼀 システ

近年，カーボンニュートラルの実現に向けて，自動ムの実証と高性能化に取り組んできた。先行研究で車の電動化や再生可能エネルギーの普及が推進さは，㻝 次側に直列コンデンサ，㻞 次側に並列コンデンれている。再生可能エネルギーは発電量が時間や気サを設ける 㻿㻼（㻿㼑㼞㼕㼑㼟㻌 㻼㼍㼞㼍㼘㼘㼑㼘）補償方式の 㼃㻼㼀 シス

候によって大きく変動するため，発電した電気を蓄えテムを採用した。㻿㻼 方式の 㼃㻼㼀 システムでは，㻞 次

る蓄電システムが必要不可欠となる。そこで，台数の側インバータに並列接続されたコンデンサにより逆方増加が見込まれる電動車を系統に連携し，「動く蓄電向の電力伝送が不可能であるため，逆方向電力伝池」として活用する技術が国を挙げて推進されてい送を目的として，外付けインダクタを接続した回路トポる。㻌

ロジーを提案した。㻌

電動車は，蓄電池の性能限界による航続距離の先行研究も含めた磁界共振結合型 㼃㻼㼀 の一つの短さや充電時間の長さが課題であり，解決策の一つ

重要な問題点は，システムの結合係数により電力伝に ワ イ ヤ レ ス 電 力 伝 送 （ 㼃㻼㼀 ： 㼃㼕㼞㼑㼘㼑㼟㼟㻌 㻼㼛㼣㼑㼞㻌

達効率や出力電力が大きく影響する点である。結合㼀㼞㼍㼚㼟㼒㼑㼞）がある。㼃㻼㼀 は電動車の走行㻛停止中に無係数は送受電コイルの空間的な位置関係により変化

線給電を行う技術であり，バッテリ容量の補填というするため，㼃㻼㼀 システムの伝送特性が結合係数にロ点で注目されている。㼃㻼㼀 は既に様々な機関におい

バストであればあるほど，様々なアプリケーションへのて研究・実証が進められているが，多くが「系統→電利用が促進される。本論文では，筆者らが提案してき動車」という一方向の給電のみを想定している。しかた双方向電力伝送が可能な外付けインダクタ付き 㻿㻼し，上述した系統連系型電気自動車の実現には，

方式 㼃㻼㼀 システムに関して，パリティ時間対称理論「電動車→系統」という逆方向の電力の流れにも対応に基づいた周波数制御方式について提案する。㻌

可能なシステムが不可欠である。以上の背景から，筆78

図 㻝 に本研究で提案する回路トポロジー，図 㻞 に試作した実機構成，図 㻟 にシミュレーション結果と実験結果の比較を示す。ただし，パリティ時間対象理論に基づき，動作周波数 ω は次式の通り計算した。㻌
0


=
Q2−eq2 − 2 
 0



( k  kc )( Q − 2 ) + 4 ( k − 1)㻌㻌㻌㻌㻌㻌(k  k  1)
2 ( k − 1)
図 㻝㻌 双方向電力伝送が可能な 㻿㻼 型 㼃㻼㼀 システム㻌
−2
2 eq

2

2

2

c

1
=
kc Q2−eq1 1 − Q2−eq2 㻌4ただし，㻜 は本システムの共振周波数，㻽㻝㻘㻌㻽㻞㼑㼝 は品
質係数，㼗 は結合係数である。図 㻟 を見ると，シミュレ㻌ーション結果と実験結果はよく一致していることがわ

図 㻞㻌 試作した実験システム㻌

かり，導出した理論式の正しさを実験的に実証できた。㻌
本理論により，磁気パラメータとシステム特性の関係性が明らかになり，磁気パラメータの同定により更なる高効率制御の可能性が見込めることが分かった。
今後は電流電圧のセンシング情報と本理論を組み合わせて，磁気パラメータを同定し，磁気パラメータ情㻌

報を用いた周波数制御法の構築および実機実証を実施予定である。㻌
〔発表論文〕㻌
１． 㻴㻚㻌 㻿㼡㼓㼕㼔㼍㼞㼍㻘㻌 㻹㻚㻌 㻻㼠㼍㻘㻌 㼅㻚㻌 㻿㼔㼕㼙㼕㼦㼡㻘㻌 㼅㻚㻌 㻷㼍㼣㼍㼎㼍㼠㼍㻘㻌“Comparison of SS and SP Circuit Topologies for㼃㼕㼞㼑㼘㼑㼟㼟㻌 㻼㼛㼣㼑㼞㻌 㼀㼞㼍㼚㼟㼒㼑㼞㻌 㻿㼥㼟㼠㼑㼙㼟㻌 㻯㼍㼜㼍㼎㼘㼑㻌 㼛㼒㻌㻮㼕㻙directional Power Transmission,” Pr㼛㼏㻚㻌㼛㼒㻌㼠㼔㼑㻌㻱㻼㻱㻌㻞㻜㻞㻟㻘㻌㻰㻿㻞㼜㻌㻔㻞㻜㻞㻟㻕㻌㻌
図 㻟㻌 順方向電力伝送時の実験結果とシミュレーショ

２． 清水悠生・杉原弘樹・荒谷㻌 崚太・川畑良尚：「双ン結果の比較（実線が実験結果、点線がシミュレーシ

方向電力伝送が可能な 㻿㻼 型ワイヤレス電力伝ョン）㻌

送回路の共振設計」，パワーエレクトロニクス学会

㻌第 㻞㻡㻜 回定例研究会，㻶㻵㻼㻱㻙㻠㻥㻙㻝㻤㻌㻔㻞㻜㻞㻟㻕㻌79【助成 40 - 38】

高輝度円偏光発光材料創出を志向した
キラルヘテロカーボンナノベルト開発とキロプティカル特性の解明

研究者 就実大学薬学部 講師

山本 浩司〔研究の概要〕円偏光発光（CPL: Circularly Polarized Luminescence）は，高輝度液晶ディスプレイ用の偏光光源をはじめ，
3D ディスプレイ，セキュリティーペイント，光通信などの高度な光利用法が期待されている．本研究では，高輝度
CPL 材料として有望であるキラルヘテロナノベルトの合成法確立ならびに物性解明を目的に，ヘテロナノベルトの合成を検討した．ナノベルトの前駆体として有用な環状化合物の合成に成功した．構造は NMR および質量分析により確認した．ナノベルト前駆体を用いた反応によるナノベルトの合成を検討した．ナノベルトの生成は現在確認できていないが，目的の反応が一部進行することは確認できた．以下に，詳細を報告する．

〔研究経過および成果〕
円 偏 光 発 光 （ CPL:

代表者は，含窒素芳香族化合物の求電子的ホウ素
Circularly

Polarized

化反応を見出した．本手法を用いて，高度な歪みをLuminescence）は，高輝度液晶ディスプレイ用の偏光有するヘテロナノベルトの合成を検討した．

光源をはじめ，3D ディスプレイ，セキュリティーペイン
ト，光通信などの高度な光利用法が期待されている．
そのため，優れた有機 CPL 材料の開発は，学術的にも産業的にも要請が高く，その分子設計の確立は重要な課題である．最近，高輝度 CPL の実現には「剛直なキラル筒状構造」が重要であることが報告された
図１

本研究の目的（図 1 左）．この構造的要請から，芳香環が筒状に縮
まず，ナノベルト前駆体となる環状化合物の合成を環したキラルベルト状分子（キラルナノベルト）はさら行った．市販のカルバゾールから出発して，4 段階でに剛直であり，魅力的な標的分子と期待される（図 1
カルバゾールとベンゼンが交互に連結した環化前駆右）．さらに，そのベンゼン環の一部を他のヘテロ原体に導いた．この前駆体とジボリルベンゼンの鈴木宮子で置き換えたキラルヘテロナノベルトでは，立体構
浦カップリングにより環状化合物を得ることに成功し造および電子状態が変化し，特異な光物性の発現がた．化合物の構造は NMR および質量分析により確認期待される．しかし，高度な歪みを有するナノベルト

した．1H NMR において，環状化合物はその高い対の合成自体が極めて挑戦的であり，量的供給と物性
称性を反映した単純なスペクトルを与えた．また，解明が困難である．その解決には，まず，ヘテロナノ
MALDI-TOF-MS において分子イオンピークが観測
ベルトの効率的合成法の開発が求められる．最近，された．フェノチアジンまたはジフェニルアミンを含む

80

環状化合物の合成も検討した．フェノチアジンを含む“”Phenothiazine-,

Dihydroacridine-,

and環状化合物については，環化前駆体を得た．環化反Acridone-Based Boron Difluoride Complexes:

応を試みたが，目的化合物の生成は確認されていな

Synthesis and Structure–Property Relationships”,

い．反応効率の向上が課題であり，今後，反応条件

J. Org. Chem. 2023, 88, 4003–4007.

を精査する．また，ジフェニルアミンを含む環状化合２． Koji Yamamoto, Shun Matsui, Shin-ichiro Kato,

物については，環化前駆体の合成を検討している．

Yosuke Nakamura, “A Series of Boron Difluoride

得られたカルバゾールを含む環状化合物に鍵反応

Complexes of Azinylcarbazoles: Synthesis andである求電子ホウ素化を適用した．その結果，複雑なStructure–Property Relationships”, Org. Biomol.

混合物が得られた．現在，目的物の生成は確認でき

Chem. 2023, 21, 5398–5405.

ていない．NMR および質量分析より求電子ホウ素化が一部進行していることを確認した．今後は，条件検討および環状化合物の設計により，最適な条件および反応基質を見出し，ナノベルトの合成を達成する．
その知見をもとに，キラルナノベルトの開発に展開する．
本研究では，高輝度 CPL 材料として有望であるキラルヘテロナノベルトの合成法確立ならびに物性解明を目的に，ヘテロナノベルトの合成を検討した．ナノ
ベルトの前駆体として有用な環状化合物の合成に成功した．ナノベルトの生成は現在確認できていないが，目的の反応が一部進行することは確認できた．今後は，条件検討および環状化合物の設計により，最適な条件および反応基質を見出し，キラルナノベルトの開発を目指す計画である．
なお，本研究で得られたカルバゾールなどの官能基化に関する知見を活用して，一連の蛍光性ホウ素錯体を開発し，その諸物性を明らかにして，論文として発表した．

〔発表論文〕
１． Koji Yamamoto, Wakana Imai, Satoki Kanamori,
Koji

Yamamoto,

YosukeNakamura,81【助成 40 - 39】

脳－計算機－超音波閉ループによるてんかん発作の実時間制御

北海道大学大学院薬学研究院 准教授 竹内 雄一
北海道大学大学院薬学研究院 特任助教 Michele Chan

〔研究の概要〕
てんかん患者の約３割は薬物抵抗性であるため、非薬物療法的にその発作を制御する手法の新規開発が求められている。また臨床応用のため、当該法は侵襲性が低いことが望ましい。そこで本研究では、研究代表者らが開発してきた脳―計算機―脳深部電気刺激閉ループによるてんかん発作の制御法に関して、侵襲的な脳深部電気刺激部分を非侵襲的な脳刺激法である経頭蓋超音波照射法で置き換えた、新規てんかん制御法の創出を目的とした。てんかんモデル動物における概念実証のため、まずげっ歯類の頭蓋上にも留置可能なほど小型な経頭蓋集束超音波照射装置を作製し、その出力音場分布のシミュレーションおよび実測を実施した。さらに
てんかんモデルラットにおいて、脳活動パターンの実時間シグナル分析によるオンデマンド経頭蓋超音波照射システムを確立し、てんかん発作の非薬物性かつ非侵襲的な制御に成功した。

〔研究経過および成果〕

そこで本研究では、研究代表者らが開発した脳―（研究の目的）

計算機―脳深部電気刺激閉ループによるてんかん

てんかんやアルツハイマー病などの神経疾患、うつ発作の制御法に関して（Takeuchi et al., Brain 144:

病や依存症などの精神疾患はしばしば薬物抵抗性

885–908, 2021）、侵襲的な脳深部電気刺激部分を非である。これらの脳疾患は脳の働き方の障害であるた

侵襲的な経頭蓋超音波照射法で置き換えた、新しいめその症状制御には、ウェアラブル医療機器等を介てんかん発作制御法の創出を目的とした。

した脳刺激で疾患症状を司る脳活動に直接介入して１．小型オンヘッド集束超音波照射装置の開発
脳内神経細胞の活動を操作することで、脳の働き方
げっ歯類の頭蓋上にも留置可能なほど小型の集を整える戦略が効果的である。脳刺激による脳活動
束超音波照射装置を開発した。まず中心周波数１、５、介入は、正常生理機能を司る脳活動の阻害回避によ
１０ MHz、直径 10 mm、焦点距離 10 mm のチタン酸
る副作用減少のため、必要な際にのみオンデマンド
ジルコン酸鉛超音波振動子を特注作製した（富士セに刺激を行うことが重要である。そのためには脳活動
ラミックス）。当該振動子を収納するケースを光造形３
を常にモニターし、病的な脳活動へオンデマンドにD プリンターで作製し、エポキシ系接着剤で振動子を介入するウェアラブルあるいは埋込医療機器の開発
ケースに固定した。その後、振動子の共振周波数にが必要である。脳活動のモニター・刺激介入をオンデ
おけるインピーダンスを測定し、当該インピーダンス
マンドに行う医療機器により、神経・精神疾患を克服
を駆動用高周波増幅器（T145-4726AA, Thamway）
した社会の実現が求められている。
の出力インピーダンスと整合した。振動子の駆動波

82

形生成には一般的なファンクションジェネレーターを〔発表論文〕

用いた。超音波振動子の音場分布は k-Wave ソフトウ

１． Yoshida K, Minami M, Takeuchi Y, A closed-loop

ェアを用いてシミュレーションするとともに、

transcranial ultrasound irradiation system for an

Pulser/Receiver (1050 PRJ/ Accu-Tron) を用いて３awake rat model of absence epilepsy, The 46th

次元的に計測した。音圧の測定は、ニードル型ハイド

Annual Meeting of the Japan Neuroscience

ロフォン（NH0500 型、Eastek）を用いて実施した。

Society. Sendai, Japan. Aug 1, 2023.

例として、1 MHz 振動子のインピーダンスを計測し

２． Xu

Y,

YoshidaK,

TakeuchiY,

Towardた結果、実際の中心周波数は 0.95 MHz であり、当該

non-invasive, precise control of internal organs

周波数におけるインピーダンスは約 200Ωであった。

via ultrasound neuromodulation of the autonomic

パワーアンプの出力インピーダンスが 50Ωであるた

nervous system. Proc. SPIE 12608, Biomedical

め、パルストランスにより電気インピーダンス整合を行Imaging and Sensing Conference, 126081O. 20

った。その結果、超音波振動子の出力エネルギー

Sep 2023.

（音響放射圧）が著明に増加した。5 MHz 振動子で３． 鈴木尚也ら、超音波ニューロモジュレーション用

は、集束超音波ビームの方位方向（XY 平面）に 0.5発振回路の製作、 第 40 回「センサ・マイクロマシ

mm 程度および長軸方向（Z 軸）に 1.0 mm 程度の焦ンと応用システム」シンポジウム. 7P2-PS-25. 07

点を得た。焦点の大きさは周波数依存であり、超音Nov 2023
４． 三村聡優ら、経頭蓋ソノポレーションによる大脳波の周波数が大きいほど焦点サイズは小さかった。

神経細胞を標的とした新規遺伝子導入法、日本
２．てんかん発作の制御
薬学会第 143 年会、札幌、3 月 26 日、2023．
てんかんモデル動物として雄性 Long-Evans ラット
５． Chan M, et al., Non-invasive gene transfection to（3－12 ヶ月齢）を用い、自発的なてんかん発作の発neuronsinthecortexusing

transcranial

生を電気生理学的に確認した。次に当該ラットの頭
ultrasound irradiation, The 46th Annual Meeting
蓋上に研究項目１で作製した小型超音波照射装置
of the Japan Neuroscience Society. Sendai, Japan.
を慢性留置した。てんかん発作を実時間シグナル分
Aug 3, 2023.
析装置（RX8, TDT）でリアルタイム検出し、オンデマ

６． Li Q and Takeuchi Y, et al., Reinstating olfactory

ンドに経頭蓋超音波照射したところ、発作を直ちに終bulb derived limbic gamma oscillations alleviates
息させることに成功した。
depression-like behavioral deficits in rodents.

Neuron 111: 2065-2075. 05 Jul 2023.

本研究で、オンデマンド経頭蓋超音波照射による欠神発作の制御をプレリミナリーに達成できた。発作

７． Sierra RO and Pedrasa LK, et al., Closed-loop制御の機序として、超音波が発作リズムを生じる脳内brain stimulation augments fear extinction in male

神経回路を発作エピソードの初期において断ち切っ

rats, Nat Commun 14: 3972. 05 Jul 2023.

た可能性がある。

83【助成 40 - 40】
ジュニアスポーツにおける主観的運動強度によるトレーニング負荷定量化の妥当性と障害の関連性の検討

北海道教育大学 旭川校 教育学部 講 師

土橋 康平

岩手大学 講 師 奥平 柾道〔研究の概要〕本研究では session-RPE (主観的きつさと運動時間の積で求められる) という誰もが利用できる方法を用いて、ジュニアスポーツにおけるトレーニング時の身体的負荷の定量化の妥当性を検討した。高校生陸上競技長距離
選手 12 名を対象にトレーニング時の走行距離、心拍数および session-RPE を 3 ヶ月間計測した。その結果、11名の被験者で session-RPE と心拍数の間に強い相関が見られた。一方、走行距離との間には弱い～中程度の相関がみられる被験者が多く、相関が見られない被験者もいた。この結果から、session-RPE は内的なトレーニン
グ負荷を推定できる一方、外的なトレーニング負荷 (走行距離) の推定を必ずしも行えないことが示唆された。

〔研究経過および成果〕

る主観的指標が用いられている。この session RPE は【背景】 多くのスポーツ現場では様々な障害が発生

運動時間 (分) と RPE (Table 1) の積で求められしており、中でも陸上競技の中・長距離選手はランニ(Foster et al. 1998)、心拍数 (HR) から算出した内的ング時の毎接地で下肢に体重の 2～3 倍の力が加わ負荷や三次元加速度センサーで算出した外的トレーるため (Miller. 1990)、下腿の腱鞘炎や腱炎、骨膜炎、ニング負荷と高い相関関係を示すことが報告され、そ疲労骨折などの過労性の障害が多い (白木ら. 1983)。

の 妥 当 性 が 認 め ら れ て い る (Scott et al. 2013;

そのため、障害のリスクを最小限にするためにはトレ

Takegami et al. 2022)。しかしながら、ジュニア～ユー

ーニング時の身体への負荷を把握し、オーバートレ

スアスリートにおいて、session RPE の妥当性を検討しーニングを防ぐことが重要である。

た際の女性のサンプル数が非常に少ない。そのため、トレーニング負荷の管理にはその定量化が必要でその世代の女性アスリートにおいて、session RPE がトあり、負荷は内的 [各個人の生理学的・心理的負荷

レーニング負荷の推定に利用できるかは明らかでは(同じペースで距離を走っても心拍数や主観的なきつない。そこで、本研究では陸上競技中・長距離走をさが異なる)] と外的 [ヒトの内的特性とは無関係に測専門とする女子ユ

定される仕事量 (5 km を 5 分/km のペースで走る等)]

ースアスリートを主に分類される。このような内的・外的負荷の定量化にな対象とし、session

は三次元加速度センサーや GPS センサー、心拍計とRPE 法を用いて内いった高価な機器が必要となり誰もが利用できない。

的・外的負荷定量

簡便に内的・外的負荷を推定する方法として化の妥当性を検討

session rating of perceived exertion (RPE) と呼ばれ

した。

84

【方法】 被験者は旭川私立 R 高等学校陸上競技部(0.5<r<0.7) 、 と て も 強 い (0.7<r<0.9) 、 ほ ぼ 完 全に所属し、中・長距離走を専門としている男子高校生(>0.9) 、 お よ び 完 全 (r=1) と し た (Hopkins et al.

1 名および女子高校生 11 名であった (age: 17±12009)。

yrs; height: 1.60 ± 0.08 m; body weight: 47.0 ±【結果】 Table 2 に

6.0 kg)。なお、対象者を含む駅伝チームは全国高等全 被 験 者 のsession RPE と走行

学校駅伝競走大会に北海道代表として 12 年連続で

距離および HRTL

出場している。2023 年 3 月 1 日から 5 月 31 日までのとの相関係数を示

3 ヶ月間、走トレーニング時の主観的 (session RPE)

す。Session RPE と

お よび客観 的負荷 [ 走行距 離 、heart rate-based

走行距離において、

training load (HRTL)] 指標を継続して測定した。

12 名中 9 名で弱いSession RPE は毎トレーニング後 30 分以内に google

Table 2. 客 観 的 および 主 観 的 トレ ー ニング負 荷 指 標 の 相 関 係 数
Participantssession-RPE×
×走行距離

session-RPE×HRTL

A

0.350 *

0.434 *

B

0.513 *

0.729 *

C

0.074

0.552 *

D

0.464 *

0.704 *

E

0.347 *

0.680 *

F

0.246 *

0.569 *

G

0.370 *

0.610 *

H

0.238 *

0.559 *

I

0.324 *

0.655 *

J

0.558 *

0.712 *

K

0.436 *

0.585 *

L

0.318 *

0.711 *

form にて記録し、先行研究を参考に (Foster. 1998)、～中程度の正の相RPE (Table 1)×トレーニング時間 (分) で算出した。

関が見られ、相関がみられない被験者もいた。一方、走行距離は右手首に装着した GPS ランニングウォッ

session RPE と HRTL の間には 12 名すべての被験者

チ (Palar Pacer, Polar, Finland) によってトレーニン

で有意な正の相関が見られ、11 名で強い正の相関

グごとに測定した。内的トレーニング負荷指標であるが見られた。

HRTL はトレーニング中の HR を 5 つの zone (zone 1 =【考察】 本研究結果から、session RPE 法による主観50 – 59.9%最大 HR (HRmax), zone 2 = 60 – 69.9%HRmax,

的なトレーニング負荷の定量化は、内的負荷

zone 3 = 70 – 79.9%HRmax, zone 4 = 80 – 89.9%HRmax,(HRTL) を推定する上ではその妥当性が認められる

zone 5 = 90 – 100%HRmax) に分類し、以下の式を用いものの、相関の強さから外的負荷 (走行距離) の推て算 出 した 。HRmax は 220- 年 齢 と して推 定 した 。

定は必ずしも正確に行えないことが示唆された。このHRTL (a.u) = (zone1 のトレーニング時間 (分)×1) +相関係数の弱さは先行研究とは異なるが、それには(zone2 のトレーニング時間 (分)×2) + (zone3 のトレ

走行距離のみを評価しており、トレーニング強度を考ーニング時間 (分)×3) + (zone4 のトレーニング時間

慮していないことが考えられる。そのため、女性ユー(分)×4) + (zone5 のトレーニング時間 (分)×5)。また、

スアスリートのトレーニング負荷を定量する際は、下肢等に障害や痛みがある場合、毎トレーニング後

session RPE に加え走行距離の記録を行うことでよりに google form 内でその程度を報告するよう指示した

正確に負荷の管理が行える可能性がある。

(１～１0 スケール)。

〔発表論文〕

Abbreviations: HRTL, heart rate-based training load
* indicates significant correlations.

Session RPE と走行距離および HRTL の関係につ

１． 高校生陸上競技者における session-RPE 法を用

いて、person の積率相関係数を算出した。相関係数

いたトレーニング負荷の定量化の妥当性の検討による相関関係の強さの評価はほとんどなし (r<0.1)、(2023). 土橋 康平, 奥平 柾道. 日本体育・スポ

弱いーツ・健康学会第 73 回大会(0.1<r<0.3) 、 中 程 度(0.3<r<0.5) 、 強 い85

【助成 40 - 41】

生体電気インピーダンス法を用いて骨格筋の量と質を評価するための電気的パラメータの検討

代表研究者

筑波大学体育系 助教 下山 寛之

共同研究者

筑波大学体育系/日本学術振興会 特別研究員（PD） 近藤 衣美

共同研究者

筑波大学体育系/日本学術振興会 特別研究員（PD） 内沢 彰子〔研究の概要〕本研究では生体電気インピーダンス法を用いて得られる電気的パラメータを用いて、骨格筋の「量」と「質」の視点に着目し、次の 3 つの研究を行った。まず、①アスリートの骨格筋量評価の研究において、安定同位体を基準とした、筋量推定の有用性を示した。次に、②糖代謝評価に関する研究において、相撲選手を対象に、位相角（PhA）は相撲選手の血糖状態を評価するための潜在的なバイオマーカーとして利用可能である可能性を示した。
さらに、③女性を対象に生体電気インピーダンスベクトル解析を行い、筋の質を評価し、アスリート集団の特異性の分布を示した。これらの研究から、生体電気インピーダンス法が骨格筋量やその質の評価に有用であり、特定の集団における健康評価やバイオマーカーとしてのさらなる可能性を見出した研究となった。

〔研究経過および成果〕（R）で除した、単一周波数生体電気インピーダンス

骨格筋の減少と栄養不良は、罹患率の増加、入院期（L2/R5 および L2/R50）、多周波数生体電気インピーダ間の延長、機能的能力の低下、多額の医療費、死亡

ンス（L2/R250-5）、および生体電気インピーダンス分光率の増加など複数の有害な結果をもたらす。近年、（L2/RICW）といずれも有意な相関関係を示した（図 1）。

生体電気インピーダンスから得られるレジスタンス（R）、

また、筋量とそれぞれの指標との相関係数(r)の関係

リアクタンス（Xc）、インピーダンス（Z）、位相角（PhA）

性の強さは、単一周波数生体電気インピーダンスなど電気的パラメーターがヒトの骨格筋の量と質、さら（ L2/R50 ） 、 多 周 波 数 生 体 電 気 イ ン ピ ー ダ ン ス
AB

⾻格筋量 (kg)には栄養状態の代替バイオマーカーとして応用されることへの関心が高まっている。そこで、本研究は生体電気インピーダンス法を用いて得られる電気的パ
ラメータを用いて、特に骨格筋の「量」と「質」の視点

y = 0.6214 x – 0.9953
r2 = 0.545; SEE = 3.99 kgに着目し、次の 3 つの研究を行った。

y = 0.5226 x – 1.3962
r2 = 0.581; SEE = 3.79 kg

L2/R5 (cm2/Ω)

発表論文 1 では、アスリートを含む活動的な若者

C
⾻格筋量 (kg)の全身骨格筋量を、重水素標識クレアチン希釈法を基準として、単一周波数、多周波数生体電気インピーダンス、生体電気インピーダンス分光で得られる各インピーダンス指標との関連を分析した。その結果、

D

y = 2.3580 x + 1.4797
r2 = 0.623; SEE = 3.55 kg

L2/R250-5 (cm2/Ω)2

L2/R50 (cm2/Ω)

y = 1.0235 x + 2.9544
r2 = 0.625; SEE = 3.56 kg

RICW (Ω)

図１ 筋量と⽣体電気インピーダンス指標との相関関係
筋量とL2/R5（図A）、L2/R50（図B)、L2/R250-5（図C）

筋量は、身長の 2 乗（L ）をそれぞれのレジスタンス値86（L2/R250-5 ）、および生体電気インピーダンス分光ることからさらに筋発揮能力や有酸素性能力との（L2/RICW）と違いが見られず、いずれの電気的パラメ

関連を検証する予定である。
70

ータからの筋量推定でも同程度の精度で評価が可能

75% tolerance

2

50% tolerance

60であることが示された。したがって、生体電気インピー
2

95% toleranceGroup 1
Group 22

ダンス法による L /R50、L /R250-5、L /RICW を用い、一Group 3

Xc/H, Ohm/m

50

般的な成人とは骨格筋質の異なるアスリートにおいても、筋量を適切に推定できることが実証された。
発表論文 2 の研究では、相撲選手を対象に生体

40
30
20

電気インピーダンスを用いて位相角（PhA）および様々なバイオマーカーとの関連を検証した。二10

変量回帰分析では、年齢と体重で調整した HbA1c

0

は PhA との間に負の関係が見られた（図 2）
。こ

0

100

200

300

400

R/H, Ohm/m

500

600

700

図３ ⽣体電気インピーダンスベ クトル解析
レジスタンス（X軸）とリアクタンス（Y軸）の電気的パラメータから得られるベクトル解析の結果に基づき、PhA は相撲選手の血糖を評価するための潜在的なバイオマーカーとして利用可能である可能性が示唆された（図２）。

〔発表論文〕
１． Sagayama H, et al., “Comparison of bioelectrical
Ln Phase Angle °impedance indices for skeletal muscle mass andintracellular water measurements of physically
active young men and athletes” Journal of
Nutrition. 2023 Sep;153(9):2543-2551.
２． Khatun S, Ogawa M, Uchizawa A, Hoshi D,調整された HbA1c (%)

図２ 電気的位相⾓（Phase Angle）とヘモグロビンA1cの相関関係

Tamai S, Momma R, Kondo E, Watanabe K,

発表論文３の研究では、女性を対象として筋細Sagayama H. “Glycated hemoglobin is in

胞の質を評価する実験を行った。図 3 に示す生体

dependently associated with the bioelectrical

電気インピーダンスベクトル解析を行ったところ、女性ランナーの月経の有無によるベクトルの違い

impedance phase angle in junior sumo wrestlers”
Under Review.

は見られなかったが、女性ランナーは座位中心の

３． Uhizawa A, Kondo E, Khatun S, Sagayama H.

生活を送る集団（緑点）よりもベクトルが左上に“Assessment of menstrual status and muscle

集まる傾向が見られたことから、筋細胞量などのquality in female runners using bioelectrical

質を反映している可能性が垣間見えた。今後、122

impedance vector analysis” 投稿準備中.

名の生体電気インピーダンスデータを取得してい87

【助成 40 - 42】

自動ヒト培養幹細胞動態解析による再生医療支援システムの構築研究者 鳥取大学医学部 教授

難波 大輔〔研究の概要〕本研究は、われわれが開発した自動細胞動態追跡システム DeepACT を培養ヒト表皮幹細胞に応用し、細胞動態データを最終的な医療の成果（移植後の生体組織の状態）と紐付けすることで、移植が成功しやすい培養
幹細胞の状態を明確にし、実際の治療に活かす再生医療支援システムを構築することを目的としている。今回、われわれは、まず皮膚再生医療製品である培養表皮シートの作製過程における細胞動態を広範囲に捉えるため、システム開発を行った。さらに、培養表皮シートの品質向上に向けた培養法の改良も行った。両者を統合することで、より優れた再生医療製品が提供できることが期待される。

〔研究経過および成果〕

再生医療システムの中に組み込まれていないことが培養幹細胞を用いた再生医療が様々な疾患に対し原因の一つである。皮膚の再生医療だけでなく、今て応用されようとしている。しかしながら、発展途上に後の幹細胞を用いた再生医療をさらに前進させるにある培養幹細胞による治療は、幹細胞移植後の治療は、これらの情報を統合した治療効果予測技術の開成果を予測できるほどの精度にはなく、熟練の細胞発、及び、そのフィードバックによる治療成績の向上

培養技術者による直感、いわば暗黙知によって、治が不可欠である。

療に最適な幹細胞が選別され、その治療が行われてわれわれは、ヒト表皮幹細胞の品質を培養中に評いるのが現状である。ヒト表皮幹細胞を培養すること価する方法を開発するため、研究を行ってきた。そしで得られる培養表皮シートは、すでに臨床応用されて、実際に培養中の表皮細胞の移動速度とその後のており、多くの重度熱傷患者を救ってきた。しかしな

長期的な増殖能力に正の相関性を見出し、培養細がら、その治療効果の決定要因である表皮シートの胞の時系列位相差顕微鏡画像を解析するだけで、製造過程は細胞培養技術者の熟練度に大きく依存

培養ヒト表皮幹細胞の品質を評価することに成功したしている。このことも要因の一部となって、実際に移植(Nanba et al, J Cell Biol 2015)。これは培養幹細胞のされた培養表皮シートが正常に表皮として機能する

動態情報から移植に適しているか否かを判断する本割合は 100%ではなく、また培養表皮シートの製造プ研究が目指す再生医療治療効果予測技術の基盤とロセスに予測不能な要因が多いため、移植を待つ間なる成果である。しかし、この方法は実験者の目視にに患者が死亡する例も多い。このような現状は、培養よる細胞軌跡の解析を基盤としており、再生医療に中の幹細胞の状態に関する情報と、最終的に形成さ応用できる精度に達していない。さらに細胞移動速れる培養表皮シートの品質に関する情報、さらに移度以外のパラメータも幹細胞の性質に大きく関与して植後の治療効果に関する情報が全く乖離しており、いると考えられる。以上のことから、われわれは、非侵88

襲イメージングと機械学習による高度画像解析からできる広視野顕微鏡を使用し画像取得を行った。現得られる培養幹細胞の動態解析と、最終的に移植し在、使用できる広視野顕微鏡は、蛍光画像および明た表皮組織の状態（治療効果）を双方向的に関連さ視野画像の取得が可能であり、われわれは培養ヒト

せ、再生医療に応用するシステム構築の構想を得

表皮幹細胞の画像を明視野画像で取得し、た。

DeepACT に て 解 析 を 行 っ た 。 し か し な が ら 、以上の構想を実現すべく、われわれは、帝京大学

DeepACT は位相差顕微鏡画像を辞書データとして教授である古徳純一博士と共に、深層学習と物体追作製していることから、明視野画像を用いた解析では、

跡アルゴリズムを組み合わせた自動細胞追跡システ

十分な精度を得ることが出来なかった。現在、明視野

ム DeepACT を開発し、培養環境と細胞動態の相関、画像を辞書データとしたシステムの再構築、また、位さらに細胞動態のみからヒト表皮幹細胞を同定するこ相差画像が取得可能な広視野顕微鏡の構築に向けとに成功した (Hirose et al, Stem Cells 2021)。本研究て、検討を行っている。以上のような培養表皮シート

では、すでに熱傷治療などへの臨床応用が実現しての品質管理法を構築する一方で、われわれは、培養いるヒト表皮幹細胞培養による再生医療をモデルとし表皮シートの品質を向上させる手法の開発にも取りて、非侵襲イメージングと機械学習を用いた高度画組んできた。そして、スイス連邦工科大学ローザンヌ

像解析技術を組み合わせた DeepACT を用いて、培校とシンガポール皮膚科学研究所と共同で、低温環

養幹細胞の状態を示すパラメータを網羅的に抽出す境による mTORC1 シグナルの抑制が、培養系におけることで、細胞培養技術者の暗黙知を数量化し、さらるヒト表皮幹細胞の維持を亢進し、mTORC1 シグナに、その情報と治療成績を結びつけることで、再生医ル阻害剤であるラパマイシンを培養系に添加すること療の有効性を予測するシステムを構築することを目で、長期培養後も品質の良い培養表皮シートが作製的とした【下図】。

できることを明らかにした【発表論文１】。今後は品質管理と品質向上の両方の技術を開発し、より優れた
皮膚再生医療製品の提供ができるシステムの構築を行う予定である。
〔発表論文〕
１． Nanba D*, Sakabe J, Mosig J, Brouard M, Toki F,
Shimokawa M, Kamiya M, Braschler T, Azzabi F,
Droz-Georget Lathion S, Johnsson K, Roy K,
Schmid CD, Bureau JB, Rochat A, Barrandon Y.
(2023). Low temperature and mTOR inhibition

まず、培養表皮シートの作製過程における品質管理法を構築するには、広範囲における画像取得が必

favor

stem

cell

maintenance須である。われわれは、広範囲の視野を同時に撮影

keratinocyte cultures. EMBO Reports, 24:
e55439. (*: corresponding author)

89

in

human

【助成 40 - 43】

MR（Mixed Reality:複合現実）を用いた気管支鏡支援

研究者 藤田医科大学医学部呼吸器内科/名古屋大学メディカル xR センター 講師 岡地祥太郎
共同研究者 名古屋大学メディカル xR センター 教授 藤原道隆

〔研究の概要〕
Microsoft HoloLens と Dynamics 365 Guides を用いた気管支鏡 MR トレーニングガイドの開発と評価を行った。
ガイドは気管支の解剖、気管支鏡の操作方法、気管支内腔画像の説明などからなり、この研究では 10 人の医師がこの MR ガイドを用いた気管支鏡トレーニングを実施し、トレーニング時間や参加者のフィードバックを評価した。
結果として、MR ガイドは効果的であり、参加者からの評価も肯定的であったことが示された。
また、医療用画像をヘッドマウントディスプレイ（HMD）に表示させる試みとして、スマートグラスを活用したリアルタ
イム超音波ガイド下胸腔穿刺シミュレーションを行った。６人の医師が HMD の有り無しで手技を行い、両群とも成功率に差はなく、HMD 群で有意に頭部移動が少ないことが示された。

〔研究経過および成果〕

プリケーションを用いて指示とスキーマを作成した。次①Mixed Reality を用いた気管支鏡トレーニングガイドに、HoloLens2 を装着し、取り込んだ 3D 画像パーツと気管支鏡のトレーニングツールには、バーチャルリ

操作ガイドを仮想空間に配置した（図 1（a））。そして、

アリティ（VR）シミュレータとシリコン気管支模型があり、MR ガイドを用いた気管支鏡トレーニングのシミュレー

どちらもより良い学習結果に関連し、互いに補完し合シ ョ ン を 行 っ た 。 経 験 の 異 な る 10 名 の 医 師 がっている。気管支トレーニング模型を使用したシミュレ

Hololens2 を装着しながらトレーニングプログラムを行

ーションは、実際の気管支鏡を使ってリアルな体験をった。MR ガイドに従って、術者はまず気管支の 3D ホ提供できるが、解剖学的特徴やシミュレーション中のログラム（図 1(b)）で解剖学を学び、次に気管支鏡の指示など、参照できる情報は十分ではない。
Microsoft HoloLens は、コードレスの MR（Mixed Reality）ヘッドセットであり、現実世界には存在しないホ
ログラムを閲覧・操作することで、遠隔操作によるアドバイスやガイドを提供することができ、医療現場で活用さ れている。そこ で、 Hololens2 と Dynamics 365
Guides を使用して、学習者が気管支鏡検査を一人で

図 1.

効率的に学習できるトレーニングガイドを作成した。

操作方法を学んだ。最後に、気管支鏡を挿入し、トレ

まず、気管支解剖の学習、スコープ操作、気管支内ーニングモデルを用いて気管支内腔を観察した（図腔の観察という 3 つのタスクについて、パソコン内のア1(c)、(d)）。操作者はホログラフィックカードを操作し、90

指示と画像をアイトラッキングまたはハンドトラッキングで比較した。

で確認した。参加者全員が 1 回トレーニングを受け、参加者はすべての手技において胸水の採取に成功

所要時間とアンケートで評価された。アンケートへのした。HMD の使用は手技時間に有意な影響を与えな

回答は、5 段階のリッカート尺度（1＝強く同意しない

かったが、手技中の頭部の水平方向および垂直方向～5＝強く同意する）を用いた。

の

動

き

は

顕 著

に

減 少

し

た

。

参加者全員がトレーニングを終了し、所要時間の中
央値は 10.7 分であった。ガイドの見やすさは 5 点満
点中 4.0 点から 4.5 点であった。また、トレーニングをもう一度受けたいか、同僚に勧めたいかについても、それぞれ平均 4.7 点、4.6 点であった。装置の装着感についての平均点は 4.1 点で、ほとんどの参加者において眼精疲労や酔いはないか軽度であった。
本研究では、気管支鏡トレーニング中にガイドを参
図２

照・操作するために HoloLens2 を使用することに、参加者は好意的な反応を示した。今後は、MR ガイドの本研究は、シミュレーションされたリアルタイムの超音使用が従来の方法だけよりも効果的であるかどうかを

波ガイド下胸腔穿刺手技における HMD の使用可能

確認し、より多くのサンプルを用いて研究を行うことに性を示し、人間工学と正確性を向上させる胸腔穿刺

よって身体的負担についてもさらに確認する必要があにおける HMD の可能性を示した。これらの知見を確る。

認するためには、さらなる研究が必要である。

②スマートグラスを用いたリアルタイム超音波ガイド下〔発表論文〕

胸腔穿刺シミュレーション

１． Okachi S, Sakurai M, Matsui T, Ito T, Matsuzawa①の研究に引き続き、臨床現場で活用する医用

R, Morise M, Wakahara K, Ishii M, Fujiwara M.

画像をヘッドマウントディスプレイ（HMD）に表示させ

The Application of Mixed Reality inて参照できることが必要と考え、超音波画像をワイヤ

Bronchoscopy Simulation Training: A Feasibility

レスで HMD に表示させる胸腔穿刺シミュレーション実

Study. Surg Innov. 2023 Oct;30(5):685-686.
２． Okachi S, Matsui T, Sakurai M, Ito T, Morise M,

験を実施した。
6 名の医師が HMD とワイヤレス画像伝送システムを

Imaizumi K, Ishii M, Fujiwara M. Real-Time

用いて胸腔穿刺シミュレーションを行った（図２．A-D）。

Ultrasound-Guided Thoracentesis Simulation

所要時間、穿刺針の視認性、胸水採取成功率、およUsing an Optical See-Through Head-Mounted

び慣性計測ユニットを搭載したスマートグラスを用い

Display: A Proof-of-Concept Study. J Ultrason. In

た手技中の頭部の動きをすべて記録し、HMD の有無

press.

91

【助成 40 - 44】

小児てんかん発作の頻度と気圧変動の統計的相関を調べる研究（中間報告）㻌
研究者㻌 鳥取大学医学部附属病院㻌 脳神経小児科㻌 助教㻌 㻌 荒井㻌 勇人㻌

〔研究の概要〕㻌
てんかんは溺水や眼外傷といった大事故に繋がる危険があり、発作発生の予測ができれば危険回避に役立つと考えられる。気圧・気象の変動が、てんかん発作を増加させることが近年の研究で成人てんかん患者においては明らかにされているが、小児てんかん患者における研究にはない。我々は、小児てんかん患者は成人以上に気圧・気象の変動と発作の出現が相関していると予想しており、小児のてんかん発作と気象・気候の関連性を明らかにするために、多施設共同前向き疫学調査を行う。また、既知のリスク要因を含めた気象・気候の関連についての詳細な分析も行い、小児のてんかん発作の単位時間内発生率の高精度の予測モデルを開発することを目標とする。㻌

〔研究経過および成果〕㻌

院、山口大学医学部附属病院、広島市立舟入市民

㻌 㻌 本研究は患者の記録情報をもとに解析するため、病院、京都大学医学部附属病院、ベルランド総合病

患者が必要項目を記録しやすいよう、専用発作手帳

院、日本赤十字社㻌 和歌山医療センター、公立豊岡を作成した。㻌

病院の全 㻝㻟 病院であった。㻌
本研究は、発作低頻度群㻌 㻔グループ 㻭㻕と発作高頻度群㻌 㻔グループ 㻮㻕の 㻞 つに分けた。グループ 㻭 は
㻝 年間の追跡㻌 㻔㻟 か月ごとに手帳回収、合計 㻠 クール㻕、グループ 㻮 は 㻞 か月間の追跡であった。㻞㻜㻞㻠 年 㻝 月
㻝 日現在、グループ 㻭 は全部で約 㻝㻜㻜 症例、グループ 㻮 は約 㻟㻜 症例のリクルートが出来ており、順次手帳をゆうパックで協力病院から回収している。㻌

専用手帳には、記入例や記入手順のガイダンスを載㻌 気圧・気象との関連は気象庁 㻴㻼 のデータを参考にせ、参加患者に配慮した。㻌

する。手作業ですると非常に大変であるため、株式会

その後、令和 㻠 年 㻝㻞 月に協力病院との間でオンラ社ケイズの協力を得て本研究専用に気象情報抽出

インによるスタートアップミーティングを行い、令和 㻡

プログラムを作成した。その後、鳥取大学ダイバーシ

年 㻝 月 㻝 日から患者リクルートメントおよびデータの収ティセンターの協力のもと技術補佐員を雇い、本プロ集を開始した。本研究の協力病院は、鳥取県立中央

グラミングシステムを利用して、回収できた手帳情報

病院、鳥取県立厚生病院、島根県立中央病院㻌

から気象情報の抽出作業を現在行ってもらっている。

東部島根医療福祉センター、西部島根医療福祉セ㻞㻜㻞㻠 年 㻟 月までにはグループ 㻮 のデータ回収が終ンター、津山中央病院、和歌山県立医科大学附属病了し、㻞㻜㻞㻡 年 㻟 月までにグループ 㻭 のデータ回収が92

終了する予定である。データ回収が早めに終了する㼕㼚㼒㼍㼚㼠㼕㼘㼑㻌 㼑㼜㼕㼘㼑㼜㼠㼕㼏㻌 㼟㼜㼍㼟㼙㼟㻌 㼟㼥㼚㼐㼞㼛㼙㼑㻚㻌 㻱㼜㼕㼘㼑㼜㼟㼥㻌グループ 㻮 については 㻞㻜㻞㻠 年中に論文化できると

㻮㼑㼔㼍㼢㻚㻌㻞㻜㻞㻟㻌㻭㼡㼓㻧㻝㻠㻡㻦㻝㻜㻥㻟㻠㻤㻚㻌考えている。㻌

４． 㻭㼞㼍㼕㻌㼅㻘㻌㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌㼀㻘㻌㻷㼍㼚㼍㼕㻌㻿㻘㻌㻺㼍㼗㼍㼙㼡㼞㼍㻌㼅㻘㻌㻿㼡㼚㼍㼐㼍㻌㻌 また、助成期間の間に研究代表者はこどものてん㻴㻘㻌 㻹㼡㼞㼍㼗㼍㼙㼕㻌 㻴㻘㻌 㼅㼍㼙㼍㼡㼏㼔㼕㻌 㻷㻘㻌 㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌 㼅㻚㻌

かん・障害児医療に関連する研究を精力的に行い、㻼㼞㼑㼐㼕㼏㼠㼕㼛㼚㻌 㻹㼛㼐㼑㼘㻌 㼒㼛㼞㻌 㻸㼛㼚㼓㻙㼠㼑㼞㼙㻌 㻿㼑㼕㼦㼡㼞㼑㻌 㼍㼚㼐㻌

㻣 本の論文を投稿した。そのなかでも下記発表論文 㻞㻰㼑㼢㼑㼘㼛㼜㼙㼑㼚㼠㼍㼘㻌 㻻㼡㼠㼏㼛㼙㼑㼟㻌 㼍㼙㼛㼚㼓㻌 㻯㼔㼕㼘㼐㼞㼑㼚㻌 㼣㼕㼠㼔㻌の 㻼㼞㼛㼓㼚㼛㼟㼠㼕㼏㻌 㼒㼍㼏㼠㼛㼞㼟㻌 㼒㼛㼞㻌 㼑㼙㼜㼘㼛㼥㼙㼑㼚㼠㻌 㼛㼡㼠㼏㼛㼙㼑㼟㻌 㼕㼚㻌㻵㼚㼒㼍㼚㼠㼕㼘㼑㻌 㻱㼜㼕㼘㼑㼜㼠㼕㼏㻌 㻿㼜㼍㼟㼙㼟㻌 㻿㼥㼚㼐㼞㼛㼙㼑㻚㻌 㻲㼞㼛㼚㼠㻌㼜㼍㼠㼕㼑㼚㼠㼟㻌 㼣㼕㼠㼔㻌 㼍㻌 㼔㼕㼟㼠㼛㼞㼥㻌 㼛㼒㻌 㼏㼔㼕㼘㼐㼔㼛㼛㼐㻙㼛㼚㼟㼑㼠㻌㻺㼑㼡㼞㼛㼘㻚㻌㻞㻜㻞㻟㻌㻶㼡㼘㻧㻌㻝㻠㻦㻝㻝㻥㻡㻞㻡㻞㻚㻌㼐㼞㼡㼓㻙㼞㼑㼟㼕㼟㼠㼍㼚㼠㻌 㼑㼜㼕㼘㼑㼜㼟㼥 は、小児期発症の難治性て

５． 㻭㼞㼍㼕㻌 㼅㻘㻌 㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌 㼀㻘㻌 㻷㼡㼙㼍㼟㼍㼗㼕㻌 㻷㻘㻌 㻷㼍㼚㼍㼕㻌 㻿㻘㻌

んかんの将来の就職予後に関わる因子について検㻺㼕㼟㼔㼕㼙㼡㼞㼍㻌 㼅㻘㻌 㼀㼍㼗㼍㼔㼍㼟㼔㼕㻌 㼅㻘㻌 㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌 㼅㻚㻌 㻭㻌

討した研究であり、タイ㻌 㻔バンコク㻕で 㻞㻜㻞㻟 年 㻤 月に開㼜㼑㼐㼕㼍㼠㼞㼕㼏㻌 㼏㼍㼟㼑㻌 㼛㼒㻌 㼍㼡㼠㼛㼕㼙㼙㼡㼚㼑㻌 㼑㼚㼏㼑㼜㼔㼍㼘㼕㼠㼕㼟㻌 㼣㼕㼠㼔㻌

催された 㼀㼔㼑㻌㻝㻢㼠㼔㻌㻭㼟㼕㼍㼚㻌㻻㼏㼑㼍㼚㼕㼍㼚㻌㻯㼛㼚㼓㼞㼑㼟㼟㻌㼛㼒㻌㻯㼔㼕㼘㼐㻌㼏㼔㼞㼛㼚㼛㼘㼛㼓㼕㼏㼍㼘㼘㼥㻌 㼙㼛㼢㼕㼚㼓㻌 㼟㼑㼕㼦㼡㼞㼑㻌 㼒㼛㼏㼕㻌 㼍㼚㼐㻌 㼏㼛㼞㼠㼕㼏㼍㼘㻌㻺㼑㼡㼞㼛㼘㼛㼓㼥㻌 㻔㻭㻻㻯㻯㻺㻕の 㼀㼔㼑㻌 㻮㼑㼟㼠㻌 㼛㼞㼍㼘㻌 㼜㼞㼑㼟㼑㼚㼠㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼘㼑㼟㼕㼛㼚㼟㻦㻌 㻭㻌 㼏㼍㼟㼑㻌 㼞㼑㼜㼛㼞㼠㻚㻌 㻮㼞㼍㼕㼚㻌 㻰㼑㼢㻚㻌 㻞㻜㻞㻟㻌㼍㼣㼍㼞㼐 に選ばれた。㻌

㻲㼑㼎㻧㻠㻡㻔㻞㻕㻦㻝㻠㻢㻙㻝㻡㻝㻚㻌㻌 引き続き、本研究についても論文化を目指して愚６． 㻭㼞㼍㼕㻌 㼅㻘㻌 㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌 㼀㻘㻌 㻷㼍㼚㼍㼕㻌 㻿㻘㻌 㻻㼗㼍㼦㼍㼗㼕㻌 㼀㻘㻌

直に取り組むつもりである。㻌

㻷㼛㼟㼔㼕㼙㼕㼦㼡㻌㻱㻘㻌㻹㼕㼥㼍㼠㼍㼗㼑㻌㻿㻘㻌㻹㼍㼑㼛㼗㼍㻌㼅㻘㻌㻲㼡㼖㼕㼙㼛㼠㼛㻌㻭㻘㻌㻌㻹㼍㼠㼟㼡㼙㼛㼠㼛㻌 㻺㻘㻌 㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌 㼅㻚㻌 㻭㻌 㼏㼍㼟㼑㻌 㼛㼒㻌〔発表論文〕令和 㻠 年 㻝㻝 月～現在㻌

㻭㻸㻳㻝㻝㻙㼏㼛㼚㼓㼑㼚㼕㼠㼍㼘㻌 㼐㼕㼟㼛㼞㼐㼑㼞㼟㻌 㼛㼒㻌 㼓㼘㼥㼏㼛㼟㼥㼘㼍㼠㼕㼛㼚㻌

１． 㻭㼞㼍㼕㻌 㼅㻘㻌 㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌 㼀㻘㻌 㻷㼍㼚㼍㼕㻌 㻿㻘㻌 㻺㼍㼗㼍㼙㼡㼞㼍㻌 㼅㻘㻌㼐㼕㼍㼓㼚㼛㼟㼑㼐㻌 㼎㼥㻌 㼜㼛㼟㼠㻙㼙㼛㼞㼠㼑㼙㻌 㼣㼔㼛㼘㼑㻌 㼑㼤㼛㼙㼑㻌㻷㼍㼣㼍㼓㼡㼏㼔㼕㻌 㼀㻘㻌 㻻㼔㼠㼍㻌 㻷㻘㻌 㼍㼚㼐㻌 㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌 㼅㻚㻌 㻾㼕㼟㼗㻌㼟㼑㼝㼡㼑㼚㼏㼕㼚㼓㻚㻌㼒㼍㼏㼠㼛㼞㼟㻌㼛㼒㻌㻼㼞㼑㻙㼔㼛㼟㼜㼕㼠㼍㼘㻌㻱㼙㼑㼞㼓㼑㼚㼏㼥㻌㻯㼍㼞㼑㻌㼒㼛㼞㻌㻭㼏㼡㼠㼑㻌㻺㼛㼢㻧㻠㻠㻔㻝㻜㻕㻦㻣㻟㻞㻙㻣㻟㻢㻚㻌㻱㼚㼏㼑㼜㼔㼍㼘㼛㼜㼍㼠㼔㼥㻌 㼕㼚㻌 㼏㼔㼕㼘㼐㼞㼑㼚㻌 㼣㼕㼠㼔㻌 㼒㼑㼎㼞㼕㼘㼑㻌 㼟㼠㼍㼠㼡㼟㻌㼑㼜㼕㼘㼑㼜㼠㼕㼏㼡㼟㻚㻌㻼㼑㼐㼕㼍㼠㼞㻌㻺㼑㼡㼞㼛㼘㻚㻌㻞㻜㻞㻟㻧㻝㻠㻣㻦㻥㻡㻙㻝㻜㻜㻚㻌㻮㼞㼍㼕㼚㻌

㻰㼑㼢㻚㻌

㻞㻜㻞㻞㻌

７． 㻭㼞㼍㼕㻌㼅㻘㻌㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌㼀㻘㻌㻻㼓㼡㼞㼕㻌㻹㻘㻌㻷㼍㼚㼍㼕㻌㻿㻘㻌㻲㼡㼖㼕㼙㼛㼠㼛㻌㻭㻘㻌 㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌 㼅㻚㻌 㻼㼛㼣㼑㼞㻌 㼍㼚㼐㻌 㼏㼛㼚㼚㼑㼏㼠㼕㼢㼕㼠㼥㻌 㼏㼔㼍㼚㼓㼑㼟㻌

２． 㻭㼞㼍㼕㻌㼅㻘㻌㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌㼀㻘㻌㻺㼛㼙㼍㻌㻴㻘㻌㻷㼍㼚㼍㼕㻌㻿㻘㻌㻷㼍㼣㼍㼓㼡㼏㼔㼕㻌㼛㼚㻌㼑㼘㼑㼏㼠㼞㼛㼑㼚㼏㼑㼜㼔㼍㼘㼛㼓㼞㼍㼙㻌㼀㻘㻌 㻿㼡㼚㼍㼐㼍㻌 㻴㻘㻌 㻲㼡㼖㼕㼙㼛㼠㼛㻌 㻭㻘㻌 㼍㼚㼐㻌 㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌 㼅㻚㻌㼏㼑㼞㼑㼎㼑㼘㼘㼍㼞㻌㻼㼞㼛㼓㼚㼛㼟㼠㼕㼏㻌 㼒㼍㼏㼠㼛㼞㼟㻌 㼒㼛㼞㻌 㼑㼙㼜㼘㼛㼥㼙㼑㼚㼠㻌 㼛㼡㼠㼏㼛㼙㼑㼟㻌 㼕㼚㻌㻺㼛㼢㻧㻠㻠㻔㻝㻜㻕㻦㻣㻡㻥㻙㻣㻢㻠㻚㻌㼜㼍㼠㼕㼑㼚㼠㼟㻌 㼣㼕㼠㼔㻌 㼍㻌 㼔㼕㼟㼠㼛㼞㼥㻌 㼛㼒㻌 㼏㼔㼕㼘㼐㼔㼛㼛㼐㻙㼛㼚㼟㼑㼠㻌㼐㼞㼡㼓㻙㼞㼑㼟㼕㼟㼠㼍㼚㼠㻌 㼑㼜㼕㼘㼑㼜㼟㼥㻚㻌 㻲㼞㼛㼚㼠㻌 㻼㼑㼐㼕㼍㼠㼞㻚㻌 㻞㻜㻞㻟㻌㻶㼡㼘㻧㻝㻝㻦㻝㻝㻣㻟㻝㻞㻢㻚㻌
３． 㻭㼞㼍㼕㻌㼅㻘㻌㻻㼗㼍㼚㼕㼟㼔㼕㻌㼀㻘㻌㻷㼍㼚㼍㼕㻌㻿㻘㻌㻻㼔㼠㼍㻌㻷㻘㻌㻿㼡㼚㼍㼐㼍㻌㻴㻘㻌㻺㼛㼙㼍㻌㻴㻘㻌㼍㼚㼐㻌㻹㼍㼑㼓㼍㼗㼕㻌㼅㻚㻌㻵㼐㼑㼚㼠㼕㼒㼥㼕㼚㼓㻌㼞㼕㼟㼗㻌㼒㼍㼏㼠㼛㼞㼟㻌㼒㼛㼞㻌 㼍㼐㼢㼑㼞㼟㼑㻌 㼑㼢㼑㼚㼠㼟㻌 㼛㼒㻌 㼜㼥㼞㼕㼐㼛㼤㼍㼘㻌 㼜㼔㼛㼟㼜㼔㼍㼠㼑㻌 㼕㼚㻌93㼙㼡㼠㼕㼟㼙㻚㻌

㼕㼚㻌㻮㼞㼍㼕㼚㻌

㼜㼛㼟㼠㼛㼜㼑㼞㼍㼠㼕㼢㼑㻌
㻰㼑㼢㻚㻌

㻞㻜㻞㻞㻌

【助成 40 - 45】

パーキンソン病患者における頸部多チャンネル表面筋電図による嚥下動態の解析と電気刺激による効果の検討㻌㻌
研究者㻌 広島大学大学院医系科学研究科脳神経内科学㻌 㻌 職名㻌 助教㻌 㻌 氏名㻌 中森㻌 正博㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
高密度表面筋電図（HD-sEMG）は、運動単位の活動と動員を非侵襲的に分析することが可能な新規検査法である。嚥下関連の機能を評価するために、本研究ではパーキンソン病（PD）患者の舌骨上筋群を
HD-sEMG で評価した。さらに、頸部経皮的干渉電流刺激の介入によってもたらされる変化を評価した。
パラメータは、変動係数（CoV）、modified entropy、相関係数、および電位の平均二乗根（RMS）を用いた。22 人の PD 患者で評価した。60％ maximum voluntary contraction （MVC）時の RMS は、PD 患者では正常対照群よりも有意に低かった（p = 0.007）。頸部経皮的干渉電流刺激後、40％および 60％MVC での相関係数は有意に減少（p = 0.040、p = 0.048）、60％MVC での RMS は有意に増加した（p = 0.035）。
HD-sEMG は、電気生理学的変化を検出し、治療効果を評価できるという有用性が示唆された。

〔研究経過および成果〕

対照群よりも有意に低かった（p=0.007）。

㻌 特定臨床研究として介入試験を実施した。広島大学病院倫理委員会に提出し、令和 4 年 4 月 25
日承認、jRCT 公表を行った。症例数設計は統計解
析の結果 27 名となった。開始から 4 週間以内に、2 名が個人的な理由で参加を中止し、同意を撤回した。さらに、検査環境でノイズが混入したため、3 名が評価から除外された。その結果、最終的に、22 名のデータの評価を行った。さらに、嚥下障害

㻌

のない 14 名の高齢者も正常対照群として評価した。

＜PD 患者と正常対照群の比較＞

PD 患者と正常対照群の CoV、modified entropy、
相関係数、RMS を示す。40％および 60％MVC に

次に、頸部経皮的電気干渉電流刺激介入前後のおいて、CoV、modified entropy、および相関係数

HD-sEMG のパラメータを比較した。その結果、において両群間に有意な差は見られなかった。ま40％および 60％MVC での相関係数は有意に減少

た、40％MVC における RMS も有意な差はなかっ（p=0.040、p=0.048、それぞれ）、および 60％MVC

たが、60％MVC において PD 患者の RMS は正常での RMS は有意に増加した（p=0.035）。

94

Ushio K, Yoshikawa K, Shimizu Y, Mikami Y,
Maruyama H. Detailed findings ofvideofluoroscopic examination among patientswith Parkinson's disease on the effect of cervicalpercutaneous interferential current stimulation.
Front Neurol. 2023 Nov 7;14:1279161. doi:
10.3389/fneur.2023.1279161. PMID: 38020611;
PMCID: PMC10664245.

㻌 3. Nakamori M, Shimizu Y, Takahashi T, Toko M,
Yamada H, Hayashi Y, Ushio K, Yoshikawa K,＜頸部経皮的電気干渉電流刺激介入前後の比較＞

Hiraoka A, Yoshikawa M, Nagasaki T, Mikami Y,
Maruyama H. Swallowing sound index analysis

さらに、PD 患者において正常対照群と比較しusing electronic stethoscope and artificialて有意に低かった 60％MVC での RMS に注目し、探索的な統計分析を行った。運動症状のサブタイ

intelligence for patients with Parkinson's disease. J
Neurol Sci. 2023 Nov 15;454:120831. doi:

プごとにわけての検討を行い、UPDRS part3 の四10.1016/j.jns.2023.120831. Epub 2023 Oct 10.

肢スコアが高いと 60％MVC での RMS が低いといPMID: 37837871.

う有意相関を認めた（p=0.048）。

4. Nakamori M, Toko M, Yamada H, Hayashi Y,
Ushio K, Yoshikawa K, Haruta A, Hiraoka A,〔発表論文〕

Yoshikawa M, Nagasaki T, Mikami Y, Maruyama

1. Nakamori M, Toko M, Yamada H, Hayashi Y,

H. Association between motor symptoms of

Yoshikawa K, Yoshikawa M, Nagasaki T, Hiraoka

Parkinson's disease and swallowing disorders.

A, Shimizu Y, Mikami Y, Maruyama H. Impact of

Neurol Sci. 2023 Dec 6. doi:neck percutaneous interferential current sensory

10.1007/s10072-023-07238-1. Epub ahead of print.

stimulation on swallowing function in patients

PMID: 38055077.

with Parkinson's disease: A single-arm, open-label
study protocol. Contemp Clin Trials Commun.
2023 Jun 10;33:101158. doi:
10.1016/j.conctc.2023.101158. PMID: 37342176;
PMCID: PMC10277457.
2. Nakamori M, Toko M, Yamada H, Hayashi Y,
Haruta A, Hiraoka A, Yoshikawa M, Nagasaki T,95【助成 40 - 46】

CEST-MRI と機械学習を組み込んだ定量的 pH イメージング手法の開発
研究者 徳島大学医学部 助教

金澤 裕樹〔研究の概要〕本研究の目的は，Chemical Exchange Saturation Transfer Magnetic Resonance Imaging（CEST-MRI）において，生体内組織の pH を定量的に可視化するために，内因性 CEST イメージング手法と機械学習を組み込んだ pH キャリブレーションの手法をすることである．3 テスラ MRI 装置を用いて，ファントム実験を行った．水，異なる濃度のウ
シ血清アルブミン（BSA），Creatine 溶液のサンプルを封入したファントムを作成した．そして，異なる送信磁場（B1）
強度を用いて CEST-MRI のデータセットを取得した．本手法は水の Z-spectrum の対称性を利用し，静磁場（B0）補正後，Lorentzian 関数でフィッテイングした水の Z-spectrum を基線に設定した．その結果，水の Lorentzian Zspectrum を基線としたとき，各オフセット周波数の濃度勾配を算出することにより，CEST 効果と nuclear Overhauser

effect（NOE）を分けて評価することができた．

〔研究経過および成果〕

剤物質のキレートの影響を受けるので，生体の静的なChemical exchange saturation transfer（CEST）イメー

pH 変化を捉えることはできない．

ジ ン グ は ， 核 磁 気 共 鳴 画 像 （ magnetic resonance

本研究は，MRI を用いて，生体内組織の pH を定量

image：MRI）診断装置を利用して，可動性タンパク・的に可視化するために，内因性 CEST イメージング手ペプチド内のアミド基（-NH）やヒドロキシル基（-OH）の法と機械学習を組み込んだ pH キャリブレーションのプロトンが周囲のバルク水と水交換されているために，手法を開発する．単に信号を取得する従来手法とはその濃度や交換速度に基づくコントラストを得ることが異なり，物理的および科学的な数値を算出し，機械学可能である．最初に CEST イメージングを用いた pH

習により精度を向上させることで，生体内組織のダイに起因すると提唱した手法（Zhou J, Nature Med. 2003）

ナミックな物性を評価することを目的とした．

では，ラット脳の生体と剖検による過去の文献値から3 テスラ MRI 装置（GE Healthcare 社製，Discovery

算出している．ヒトを対象にしたとき，また異なる組織

750）にて，前処置パルスとして phase cycling 法を付を想定したときに，Zhou らの手法によって算出した pH

加した single-shot fast spin-echo 法にて撮像を用いては直接的に求めているとは言えない．MTRasym による

ファントム実験（A）（B）を行った．

評価は，-NH の平均共鳴周波数のバルク水を挟んで（A） ファントム物質の pH ダイナミックレンジおよび反対側の周波数に nuclear Overhauser effect（NOE）

CEST イメージングの pH の変化の検討．

が現れるため，確実であるとは言えない．また，MR

キャリブレーションを行うためには，溶質として生体内

spectroscopy においても pH の測定は行われているが，で起こりえる pH 変化に対応する必要がある．ファント

多くの場合造影剤を投与する必要があり，その造影

ム溶質は，ウシ血清アルブミン（BSA），Creatine を用

96

いて検討を行った．このとき，溶液の pH を一定に保える．各オフセット周波数でアルブミンの Z-spectrum とつためにリン酸緩衝液を用いた．さらに，CEST イメー

基線との差をとり，濃度勾配を算出した（図 1）．各オフ

ジングは，特定の周波数を持つプロトンに対して適切

セット周波数の濃度勾配を算出することにより，CESTにプリサチュレーションパルスの選択を行う必要があ

効 果 と NOE を 分 け て 評 価 す る こ と が で き た ．

るので，-NH2（+2.0 ppm）および -NH（+3.5 ppm）の周WSLorentzian を基線としたとき，各 B1 強度（0.5，1.0，1.5

波数で検討した．その結果，pH による CEST 効果は，

µT）の+3.5 ppm のアルブミン濃度勾配は 0.01，0.018，

BSA よりも Creatine の方が高くなった．

0.022 /wt%となった．この各 B1 のアルブミン濃度勾配（B） 水スペクトルを基線として適応した CEST イメーの関係から二次関数で近似することで，B1 に依存しなジングの可視化プログラムの開発．

いアルブミン濃度関数として評価することができた．

MR 信号は装置や撮像条件に依存するため，これを以上の結果から，濃度勾配を関数化することで生体補正する必要がある．補正には，溶質とバルク水との組織の CEST 効果をアルブミン濃度に換算可能で定作用である CEST 効果を最大に抽出するために，送量評価指標として使用できる可能性があり，本実験で

信磁場（B1 ）に依存しない基線を定義することで，溶取得した溶液濃度とｐH の関係を機械学習に組み込

質のタンパク質濃度を算出する手法を開発した．基線

むことで精度向上に期待できる．今後は，生体温度では，取得した CEST データを静磁場（B0 ）補正し，のｐH 計測を行いデータを取得し，機械学習及びファ

Lorentzian 関数を用いて水の Z-spectrum をフィッティ

ントムから取得したデータとのパターンマッチングを行

ングすることで定義した（WSLorentzian ）．その結果，基い，生体に適応できるシステムを構築する予定である．

線に設定した水スペクトルは B1 に依存しないことから，溶質の濃度勾配の定量評価に有用であることがわか〔発表論文〕った．Lorentzian 関数でフィッティングした B0 補正後

１． 富永羽香，金澤裕樹，三好光晴，原田雅史．

の水スペクトルは，中心周波数を中心に対称性があ

CEST イメージングの高分子濃度と pH 緩衝液依った．理想的な水スペクトルも対称性があることから，存性の検討．日本放射線技術学会雑誌 2023:

提案した基線はオフセット周波数に適応しているとい79(9); 986.

図 1 ．各アルブミン濃度の Z-spectrum と Lorentzian 関数を当てはめた 1.0μT 水スペクトル間の信号差のプロット図．

97

【助成 40 - 47】

人工知能および距離センサーを用いた次世代手術トレーニングシステムの開発

研究者 九州大学小児外科 助教

福田篤久〔研究の概要〕本研究では artificial intelligence(AI)を用いて内視鏡手術トレーニングシミュレータにおける鉗子操作の客観的評価システム開発検証を行った．トレーニングボックス上部から iPad で撮影した動画を用いて鉗子の動きを計測した．鉗子の認識と位置計測には，DeepLabCut と呼ばれる AI を用いた姿勢推定手法を使用し key
point における追従安定性を検証した。検証の結果、改善すべき点はあるものの AI を用いた鉗子軌道評価シ
ステムは，内視鏡技術を客観的に視覚化し，将来的には内視鏡外科医の研修や技術評価に有用なツールになり得ると考えた．

〔研究経過および成果〕

検証

本研究では、トレーニングキットに鉗子の動きを計

図 1 中の tip1-tip7、stick1-4 に示す keypoint を 300測する機能を実装する方法について検証を行った。

フレーム分ラベル付けした。図２は、DLC が検出した追跡手法

鉗子上の各パーツを丸印(●)、人によるラベル付けを本研究では、トレーニングキットを上部から撮影した十字印(+)で示したものである。動画全体のフレーム

動画から鉗子の動きを計測した。

のうち、学習に使用されていないフレーム 5%をランダ

動画からの鉗子の認識と位置計測には、

ムにピックアップして丸印(検出結果)と十字印(正解デDeepLabCut（DLC）と呼ばれる AI(深層学習)を用いータ)の位置の比べた結果、ピクセル距離の差分の平た姿勢推定手法を使用した。DLC は、マウスや猿な

均値は 9.2 ピクセルであった。

ど動物各パーツ(例えば指や尻尾など)がどのように移動しているか定量的に計測するために用いられており、特に生物の行動解析や医療領域の研究に幅広く活用されている。DLC は AI による追跡手法であり、学習データセットを必要とする。学習データセットの作成にはラベル付けが必要となる。ラベル付けとは、

図 1:ラベル付けされた鉗子の keypoints

AI に追跡対象を学ばせるために必要となる手続きでなお、図２中のクロス印(×)は誤検知であると判断さあり、動画から複数のフレーム（画像）を抽出し、抽出れ追跡から取り除かれた点を示す。クロス印も DLC がしたフレームに映る対象物の特定の部分を選択する

パーツとして検知した点ではあるが、confidence score

ことを指す。ラベル付けされたそれぞれの点はと呼ばれる検知の信頼性を示す値が低いため、誤検

keypoint と呼ばれる。

知であると判断された点を示している。

98

近いほど精度が向上する特徴がある。結果として、図３左の動画を入力した場合には安定した追跡が可能であることが確認されたが、図３中心のオレンジ色の紐がある箇所、図３中心右の青色のオブジェクトがある箇所においては、検出の安定性が大きく低下することが確認された。
図 2:ラベル付けした keypoints と検出された keypoints の比較

リミテーション
鉗子の検出が不安定になる要因として、大きく分け

図 3:検証に使用したトレーニング内容と背景の見た目の違いて 3 つの種類の要因が確認された。
1.

Keypoint が観測不可になるケース

対策

トレーニングキット上のオブジェクト等の遮蔽により

比 較 的安定 し て計測が 可 能 であ っ た tip1,2,3,

keypoint が確認できない、鉗子の回転により keypoint

stick1,4 のそれぞれの位置の関係（ジョイント）情報をが 確認できない、高速移動時の激しいブレにより用いて追跡を安定化させる対策が考えられる。例え

keypoint が確認できない、などの要因により検出が不ば、鉗子は剛体であるため、tip1,2,3, stick1,4 それぞ安定になることが確認された。

れの検出位置の関係が大きき歪むことは考えられな

2.

Keypoint の見た目上の特徴が少ないケースい。そのため、検出された keypoints のうち 1 点のみが

図１中の tip1,2,3, stick1,4 は比較的安定した追跡が歪んだ位置に検出された場合には、その点が誤検知可能であることが確認された、しかし、stick2,3 には検であると検知可能となる。また、1 点がトレーニングキ

出位置のずれが発生するケースが多く見られた。原

ット上のオブジェクトによって遮蔽された場合にも、他因として、stick2,3 の見た目上の 特徴が tip1,2,3,の keypoints の 位 置 情 報を 用 い て 視 認で き ない

stick1,4 に比べて少なく、かつ stick2,3 のそれぞれのkeypoint の位置を推測可能となる。トレーニングキット

見た目の特徴とラベル付けの位置がお互いに近いこの背景ごとの検出精度のブレに関しては、それぞれとが原因であることが想定される。

の背景を満遍なく学習データとして使用することによ3.

ラベル付けをした際の背景と追跡を行う際の背って解決されることが予測され、更なる改良開発中で景に違いがあるケースある。

本研究では、図３に示すような 3 種類のトレーニング〔発表論文〕

内容の動画を検証に使用した。DLC の機械学習モ

１． Fukuta A,et al: Innovative endoscopic surgical

デルの学習には、図３左の動画から収集した学習デ

skill validation system using artificial intelligence

ータセットを用いた。機械学習モデルは、学習をおこ

technology: The first joint IPEG/ESPES congress

なったデータと実際に推論(位置計測)を行うデータがin Sorrento, Italy, July 5-8, 2023.

99【助成 40 - 48】

タイピングスキルを支える手指運動制御則の解明

代表研究者 埼玉県立大学大学院保健医療福祉学研究科 准教授 国分 貴徳
共同研究者 埼玉県立大学大学院保健医療福祉学研究科 博士後期課程 伊藤 貴紀〔研究の概要〕手部に特徴的な 2 つの構造特性の選択性がタッピングやタイピングの筋活動制御に及ぼす影響を分析した．結果として，MP 関節の側副靭帯の制動作用には共通性が示された．一方，指屈筋腱の作用には多様性が見られた．タッピング中，MP 関節の運動自由度を拘束するために，これらの構造特性を利用した運動選択を行う対象者が確認された．この運動選択は，筋の制御コストを軽減する可能性が示唆された．また，タイピン
グ中では，多くの対象者が MP 関節屈曲位となり，構造特性を選択した制御を選択した．複雑な指運動課題
において，MP 関節の自由度拘束による制御の簡略化は，より顕著に行われることが明らかとなった．

〔研究経過および成果〕

実験 2：指屈筋腱による手関節と MP 関節の拘束性

従来の研究では，収縮要素である筋の協調機能

健常成人 10 名を対象とし，手関節の受動背屈課

からヒトの運動制御則が語られてきた．しかし，非収題を実施した．課題中の手関節と MP 関節の関節角

縮要素である靭帯や腱といった構造体も関節運動の度の回帰式における二次の項の係数はばらつく結果

安定化や力伝達に寄与する．これら非収縮要素によとなった．腱は筋と骨を接続するため，骨同士の位る作用は筋の制御コストを変化させ得るにも関わらず，置変化だけでなく，接続する筋の物理的特性の変制御変数として含まれないまま制御則が述べられて化にも影響を受け，長さや張力が変化する．指屈きた．この課題解決を目的に，実験 1-3 を実施した．

筋腱の受動特性は側副靭帯の制動作用よりも難し

実験 1：側副靭帯による MP 関節の制動作用

い制御変数であることが示唆された．

健常成人 10 名を対象とし，示指をできるだけ大きく動かす課題を実施した．課題中の中手指節(MP；Metacarpo Phalangeal)関節屈曲角度と外転角度の相関性を評価したところ，全ての対象者で，負の相関を認め，側副靭帯による制動作用は共通特性であることが示された（右図）．運動に貢献する筋の選択や個々の筋線維における筋張力の調整，複数筋の協調作用などといった筋に関する制御変数に対し，側副靭帯による制動作用は関節自由度を拘束する
単純な制御変数であると考える．

100

実 験 3 ： タ ッ ピ ン グ や タ イ ピ ン グ に お け る 靭 帯 や 腱のに生じた適応であると考えられる．また，タッピ

構造特性の選択性が筋活動制御に及ぼす影響

ングで MP 関節を伸展させていたクラスター③に(A)タッピング課題

対して，両課題で MP 関節を屈曲させていたクラ

健常成人 18 名を対象とし，右示指を使ってテンキ

スター①②では，総指伸筋に対する浅指屈筋の筋

ーの 7 と 9 の反復入力課題を実施した．課題中の MP

活動比は，有意差は認めなかったが低値であった．

関節屈曲・伸展角度データに対して，k-means 法を運動指令が生じて筋収縮が生じるまでの短い時間

用いたところ，3 つのクラスターに分類された（右図）．

に，タイピング中の連続的な指先の力調節を筋のクラスター①②では，MP 関節の内転・外転角度を収縮作用に依存すると，時間的限界が生じる．そ大きく変化させず，手関節と MP 関節の角度変化のため，指屈筋腱の受動的な張力変化を効率的にによって指先を横方向に動かしていた．従って，利用して手部の関節運動を制御することで，制御側副靭帯の制動作用によって MP 関節の外転方向を簡易化していると考えられる．

の自由度を拘束した運動を選択していることが示された．また，クラスター③に対して，MP 関節の屈曲を伴うクラスター①②では，総指伸筋に対する深指屈筋の筋活動比は低値であった．従来研究では，腱の伸張作用に伴って指先剛性が増加することや，キーを速く正確に入力するための指先剛性の調整の重要性が示されている．これらのクラスターでは腱の受動特性を用いて手関節を背屈し，MP 関節を受動的に屈曲させた姿勢を選択することで，筋の収縮作用による制御を減少させていたと考えられる．
(B)タイピング課題〔学会発表〕(A)と同一の対象者とし，ミスがないようにできるだ

１． 伊藤貴紀，国国分貴徳．指屈筋腱の受動特性は手け速く入力を行うよう指示し，文章入力課題を実施し指運動を簡易化させ筋活動制御コストを軽減すた．課題中，右示指による入力区間を抽出し，マーカ

る．第 17 回 Motor Control 研究会 2023.8

位置と筋活動を分析した．タッピングと異なり，タイピ

２． Takanori Ito, Takanori Kokubun. Non-contractive

ングでは全対象者の MP 関節角度は屈曲位に収束

tissue is an important component in regulating

し，指先の横方向の動きに貢献する手関節と MP

the degree of freedom of fingers during the

関節の内転・外転方向の動きは連動していた．複

tapping task. Neuroscience 2023 2023.11

雑な指運動課題にはコンテキストの影響や指先の３． 伊藤貴紀，国国分貴徳 ．靭帯・腱の構造特性は手到達位置の変更といった制御の難しさがある．運指運動制御を簡易化させ筋活動負担を軽減する．

動選択特性の変化は課題の複雑さを解消するため

第 28 回日本基礎理学療法学会学術大会 2023.12

101

【助成 40 - 49】

殺菌レーザーとバクテリオファージを融合した狙撃分子の創成

研究者

徳島文理大学薬学部 准教授 阪口 義彦

共同研究者 北里大学医学部 助教 武 晃
岡山大学学術研究院保健学域 准教授 後藤和義
岡山大学学術研究院医歯薬学域 教授 阪口政清
藤田医科大学 教授 大宮直木
東京慈恵会医科大学医学部 教授 岩瀬忠行
東京慈恵会医科大学医学部 准教授 光永眞人
京都産業大学総合生命科学部 教授 津下英明

〔研究の概要〕Clostridioides difficile 感染症（CDI）は、C. difficile が原因で引き起こされる難治性の下痢症・腸炎である。
我々は、C. difficile を特異的に殺菌する手法として、バクテリオファージ（ファージ）および蛍光プローブ IR700 に着目した。ファージは、特定の細菌にのみ結合する特徴を有する。一方、IR700 は、近赤外光を殺菌レーザーに変換することで、様々な病原体に強い殺菌活性を示す。そこで、我々は、これらの分子を融合させた新しい狙撃分子を考案した。本研究において、まずは、推定したファージ由来結合分子（CDPX、CDPY）を発現・精製した。これらの分子は、C. difficile に対して結合が認められたが、菌株間の特異性が認められなかった。その特異性には、複数のタンパク質が関わっていることが示唆された。

請者らが着目した蛍光プローブ IR700 は、近赤外光〔研究経過および成果〕
Clostridioides difficile 感 染 症 （ CDI ） は 、 C.

を殺菌レーザーに変換することで、様々な病原体にdifficile が原因で引き起こされる難治性の下痢症・腸強い殺菌活性を示す。そこで、我々は、これらを融合炎である 1 。CDI の治療には抗菌薬が用いられるが、させた新しい狙撃分子を考案した。本研究テーマで再発を繰り返し治療が難渋することがある。抗菌薬では、まずは、C. difficile に特異的な結合分子を同定

は、C. difficile のみを特異的に死滅させることは困難

することとした。

であり、腸内の有益な細菌までも死滅させる。そこで、

C. difficile に特異的に感染するファージ A のゲ

我々は、C. difficile のみ特異的に殺菌する手法を開ノム解析から、他のファージのゲノム上の遺伝子との発するために、バクテリオファージ（ファージ）に着目

相同性およびタンパク質機能予測解析により 2, 3、2 個した。ファージは、特定の細菌にのみ結合する特徴をの遺伝子（cdpX および cdpY）がファージ尾部の結合有する。その特異性は、菌株を認識することができる

分子をコードしていると推察した。そこで、これらの遺ファージ尾部が重要な役割を担っている。一方で、申伝子を人工合成し、大腸菌に組換えタンパク質として102

発現し、アフィニティーカラムにより可溶性タンパク質に特異的な結合分子を同定するため、隠れマルコフとして精製することができた。

モデルを用いた遺伝子機能予測解析を行うと、C.

精製 His-CDPX と His-CDPY について、C.

difficile ファージ A のゲノム上には、新たに細菌の結difficile ま た は 粗 細 胞 壁 に 対 す る 結 合 性 を合に関与する遺伝子群が推定された。今後、これら

Enzyme-Linked Immunosorbent Assay（ELISA）およの遺伝子を個々に発現・精製し、C. difficile への結合

びウエスタンブロット法により解析した。両タンパク質性を調べる必要がある。C. difficile に対して特異的なともに C. difficile PCR-リボタイプ（RT）027 株に対して結合分子を同定した後、本結合分子との IR700 の連

濃度依存的および時間依存的に結合が認められた。

結を検討し、近赤外光による C. difficile への殺菌活

また、ウエスタンブロット法による解析では、性を検証する。今回実施した研究成果から得られた

His-CDPX は、C. difficile RT 027 またはその粗細胞問題点を解決することにより、C. difficile 感染症の原壁に対して結合することが判明した。一方で因となる C. difficile を特異的に殺菌する狙撃分子の

His-CDPY は、C. difficile RT 027 に対して結合性を創出が期待される。

示したが、粗細胞壁においては、上清および沈渣ともにシグナルが検出されなかった。同様に、2 種類の結〔参考文献〕

合タンパク質について C. difficile の他の菌株（RT 001、

1.

RT 017、RT 018、RT 027、RT 060）に対する結合性も調べたが、いずれも株間に対する結合の有意差が認められなかった（図 1）。このことは、Bacillus subtilis ファージおよび Lactococcus lactis ファージで報告されている尾部の 3 次元構造解析から、ファージの尾部2.

先端は複数のタンパク質で構成することで特異性を示すことが予想され、1 種類のタンパク質では特異性が低いことが推察される 5, 6。そこで、さらに C. difficile

3.

1
0.9
0.8

OD450

0.7
0.6

4.

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

RT001
001
: CDPX 62.5 ng: CDPX 125 ng

RT017
017
62.5ng

RT018
018
125ng

250ng

RT027
027
500ng

5.

RT無毒
060

: CDPX 250 ng: CDPX 500 ng

図 1 ELISA による結合分子の C. difficile に対する結合性103

Gotoh, K., Sakaguchi, Y., Kato, H., Osaki, H.,
Jodai, Y., Wakuda, M., Také, A., Hayashi, S.,
Morita, E., Sugie, T., Ito, Y., Ohmiya, N., Fecal
microbiota transplantation as therapy forrecurrent Clostridioides difficile infection isassociated with amelioration of delirium andaccompanied by changes in fecal microbiota andthe metabolome. Anaerobe, 73, 102502, 2022.
Oliva, M. A., Martin-Galiano, A. J., Sakaguchi, Y.,
Andreu, J. M., Tubulin homolog TubZ in aphage-encoded partition system. Proc. Natl. Acad.
Sci. USA, 109(20), 7711−7716, 2012.
Sakaguchi, Y., Hayashi, T., Kurokawa, K.,
Nakayama, K., Oshima, K., Fujinaga, Y., Ohnishi,
M., Ohtsubo, E., Hattori, M., Ogma, K., The
genome sequence of Clostridium botulinum typeC neurotoxin-converting phage and the molecularmechanisms of unstable lysogeny. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA, 102(48), 17472−17477, 2005.
Farley, M. M., Tu J, Kearns, D. B., Molineux, I. J.,
Liu, J., Ultrastructural analysis of bacteriophageΦ29 during infection of Bacillus subtilis, J. Struct.
Biol., 197(2), 163−171, 2017.
Spinelli, S., Veesler, D., Bebeacua, C., Cambillau,
C., Structures and host-adhesion mechanisms oflactococcal siphophages, Front. Microbiol., 5(3),1−13, 2014.

【助成 40 - 50】

慢性疼痛患者に対するストレス評価方法の開発と生活習慣病のリスク判定への応用

代表研究者

東京都健康長寿医療センター研究所 非常勤研究員

守屋正道〔研究の概要〕本研究では，慢性疼痛患者のストレスを NIRS（Near-Infrared Spectroscopy）を用いて評価可能か検証すると同時に，既に社会実装されているディープニューラルネットワーク(DNN)モデルを用いて認知機能を推定した．
ストレスは NIRS から得られた酸素化ヘモグロビン（oxy-Hb）の左右偏奇性から laterality index at rest（LIR）
を算出し評価した．認知機能は，初診時の血液データから DNN モデルを適用し推定 MMSE 値を算出した．さらに，本邦の慢性疼痛研究に用いられている共通質問紙との関連性を調査した．NIRS と質問紙との統計学的な関連はなかった．推定 MMSE 値は MCI のカットオフ値を下回っており，さらに質問紙の結果が不良な者ほど推定 MMSE は低値であった．
〔研究経過および成果〕

痛患者に対して実施し，空調設備を備えた静かな診【背景】

察室で，背臥位安静時 2 分のデータを測定した．取慢性疼痛患者にとっての痛みは，存在そのものがストレスとなり不安などの心理的影響を受け，生活の得した酸素化ヘモグロビン（oxy-Hb）の左右偏奇性から LIR を算出した．

質（quality of life; QOL）を低下させる．そのため，痛みによるストレスは QOL の低下，更には ADL を低下させ痛みの悪化要因となりうると考えられる．ADLが低下するこの一連のプロセスを考慮すると，痛みが生活習慣病のリスクになる可能性もある．そこで本研究の目的は，①痛みによるストレスを患者自身が計測・管理する評価システムを確立できるか検証すること，②痛みが生活習慣病，特に認知症のリスクとなるかを検証することである．

正の LIR（LIR>0）は安静時において右前頭前野が，負の LIR（LIR<0）は安静時において左前頭前野の神経活動が活発であることを示し，正の LIR はストレ
ス状態（交感神経活動）を，負の LIR はリラックス状態（副交感神経活動）を反映している 1）．
認知機能は，血液検査データをすでに社会実装されている DNN モデルに投入し MMSE 値を推定し評価した 2）．多層フィードフォワード DNN は，H2O【方法】
対象は当院のペインクリニック内科に筋筋膜性腰痛症をはじめとする身体の様々な部位に慢性疼痛を患って受診した 114 例（男性 48 例，女性 66 例）である．NIRS 計測はアステム社 Hb133 を使用し，国際脳波 10-20 システム Fp1 と Fp2 に相当する前頭前野をターゲットとした．測定は同意を得られた慢性疼

104

オープンソース機械学習ライブラリを使用した．入力
層は対象者の年齢と血液データで構成し，2 つの隠れ層を構造した．
さらに，NIRS で計測したストレスデータおよび
DNN で用いた認知データと，痛みの主観的な評価
8 種類の質問紙（厚生労働省慢性の痛み研究班参加 31 大学・医療機関共通）との関連性を調査した．

【結果】
10

定して取得できた 10 例の左右の oxy-Hb から LIR を算出し（Fig. 1），質問紙との相関解析をしたが有意BPI (w)

まず，NIRS を測定した患者 16 例のうちデータが安な関連は示されなかった．次に，全ての慢性疼痛患

06026.8 点と MCI のカットオフ値を下回っていた．カット

PDAS

者 114 例の初診時の血液データから DNN モデルを適用し推定 MMSE 値を算出したところ，中央値は

5

40

20

オフで 2 群に分類すると，MCI 群（＜27 点）が 62 例
0100

（54.4％），non MCI 群（≧27 点）が 52 例（45.6％）

80

れた．質問紙との相関解析を行ったところ，non MCI

locomoであり慢性疼痛患者のうち半数以上が MCI と推定さ

6040

群の推定 MMSE 値と BPI および PDAS，Locomo

20に有意な相関を認めた（Fig. 2）．このことから，痛み

0

26

27

28

29

30

Estimated MMSEの強さ，痛みによる日常生活への影響，身体機能低下による移動能力障害の程度と認知機能との間に何Fig. 2 Scatter plot of estimated MMSE andらかの関係がある可能性を示唆した．

assessment battery【結論】【参考文献】

慢性疼痛が日常生活活動に影響し全身性の代謝1. Ishikawa W, et al. Correlation between asymmetry of

障害を引き起こすことによって，認知障害を呈する可spontaneous oscillation of hemodynamic changes in the

能性を示唆した．

prefrontal cortex and anxiety levels: a near-infrared
spectroscopy study. J Biomed Opt. 2014;19(2):027005.
2. Sakatani K, et al. Deep Learning-Based Screening
Test for Cognitive Impairment Using Basic Blood Test
Data for Health Examination. Front Neurol. 2020;14;
11:588140.
〔発表論文〕Moriya M, et al. Estimation of cognitive impairment inchronic pain patients and characteristics of estimatedFig. 1 Average value of left and right oxy-Hb at

Mild Cognitive Impairment. Front Neurol. 2024. (inrest and LIR

press)

105

【助成 40 - 51】

皮膚表面形状の計測方式の差が手の動作認識の精度に及ぼす影響についての検証

研究者 東京電機大学理工学部 助教 趙 崇貴

〔研究の概要〕筋肉・腱の伸縮，骨の変位などの体組織活動によって変化する皮膚表面形状（以下，皮膚変形）に基づいて手の動作を認識し，人の動作意図を検出する手法が提案されている．これまでに皮膚変形は様々な計測方式（力，距離，歪みセンサなど）により取得されてきたが，計測方式ごとの得手不得手は未だ明確になっていない．
そこで本研究では，計測方式の特性により得られる皮膚変形に差が生じるか，その差が認識精度に影響を与えるか検証した．実際に距離と力で同時に皮膚変形を計測可能なユニットを開発し，計測値に基づく手関節角度推定の精度を検証した結果，特性の異なる距離と力の計測値を複合的に用いた場合に最も推定精度が高くなることが確認された〔研究経過および成果〕
本研究では図１に示すよう，先行研究でも広く用いられている距離と力により皮膚変形を計測可能なセForcesensor

PLA
plate

Top view
Distance
sensorSponge

PLA
mountSide view

Reflection
sheet

ンサユニットを開発した（図 1）．開発したユニットは距

Unit: [mm]離センサ（SG-105, Kodenshi），力センサ（FSR402,
Measurements

Interlink Electronics），スポンジ，PLA プレートとマウント，反射シートにより構成される．力センサは筋隆起

Force by skin deformation

Distance between
PLA plate and distance sensorなどによる皮膚変形により PLA プレートにかかる力を，

Fig ur e 1 Dev eloped sensor unit

距離センサはその力による PLA プレートの変位をそ
6.00

れぞれ計測する．図 2 はプレートの変位と各センサの出力電圧の関係を示しており，変位が小さい範囲でサがそれぞれ反応し皮膚変形を広い範囲で計測可

4.00

Voltage [V]は力センサが，変位が一定以上大きければ距離セン

Distance sensor
Force sensor

5.00

3.00
2.00
1.00

能なことが確認できる．

0.00

センサごとの特性が計測される皮膚変形に影響を与える場合，徐々に変化する皮膚表面形状を連続的に計測する必要がある，関節角度推定の精度が変化

0

1

2

3

4

Displacement [mm]Fig ur e 2 Rela tionship b etween
displac ement of the PLA plate a ndsensor outputs.

すると考えた．そこで，皮膚変形に基づく掌背屈動作した．5 名の被験者を対象に，掌背屈動作の主導筋・時の手関節角度推定の精度を検証する実験を実施

拮抗筋である尺側手根屈筋と長橈側手根伸筋上に

106

0.7

0.6

0.6

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1

TargetEstimated

0.0
0

200

400
600
800
1000 1200
Samples (sampling rate: 100 Hz)

1400

Angle (normalized)

0.7

0.6
Angle (normalized)

Angle (normalized)

0.7

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1

0

200

400
600
800
1000 1200
Samples (sampling rate: 100 Hz)(a) Distance

0.4
0.3
0.2
0.1

TargetEstimated

0.0

0.5

TargetEstimated

0.0

1400

0

(b) Force

200

400
600
800
1000 1200
Samples (sampling rate: 100 Hz)

1400(c) Distance and force

Fig ur e 1 Exa mple of estima ted joint a ng les a t the motion speed of 120 b pm

開発したセンサユニットを 2 チャンネルそれぞれベルることが，推定・認識に有効であることが示された．今トによって固定し，動作時の皮膚変形を計測した．動後は，開発したセンサユニットの改良に加え，どのよう作速度によって皮膚変形の傾向が異なると考えな動作条件で大きく変化量とパターンが変化するか，

60bpm（遅い動作）と 120bpm（早い動作）の異なるテ

光学式のモーションキャプチャなどにより調査し，動ンポに合わせて動作を実施する動作条件を設定した．

作認識における皮膚変形の有用性をより密に検証し計測したデータに対し，距離のみ，力のみ，距離と力ていく．

の複合の 3 種類の特徴ベクトルをそれぞれの入力とした MLP-NN によって，手関節角度を推定した．

〔発表論文〕

同一速度内で学習・推定を実施し推定精度を決

１． Sung-Gwi Cho, Shinnosuke Odan, Masahiro

定係数によって評価した結果，60bpm と 120bpm の双Yoshikawa, and Kengo Ohnishi, "Wrist Joint

方で，距離と力の複合の特徴ベクトルが 0.93 以上のAngle精度となり，距離もしくは力のみを単独で用いる場合

Measurement of Distance and Force on theに比べ 0.15 以上精度が向上した．図 3 に 120bpm でForearm," in Proc. of SICE Annual Conferenceの推定結果の例を示す．距離および力を単独で用い(SICE2023), pp.964-969, 2023.

Estimation

Based

on

Simultaneous

る場合は動作の起始もしくは最大可動域近辺で推定

２． 岡安海斗, 趙崇貴, 大西謙吾: "皮膚変形に基が不安定になり，距離と力を複合的に用いる場合は，づく手関節動作認識における前腕姿勢変化の影

可動域全体で安定して推定できていることが確認で響を考慮した曲げセンサ貼り付け方向の検討",きる．また，学習とは異なる速度を推定対象とした精The

度は，120bpm で学習した際の距離と力の複合の特Breakthroughs (ROOB2023), 2023.

徴ベクトルが 0.86 と最も高い値となった．

7th

WorkshopofRobotics

Ongoing

３． 長谷川賢太郎, 趙崇貴, 大西謙吾: "準備度合

以上の成果[発表論文 1]より，同じ動作であっても動作いの推定に向けた棒反応時間測定テストにおけ

速度によって皮膚変形の量およびパターンが変化す

る前腕の FMG 解析", The 7th Workshop of

るため，それらの変化を細かく取得するためには，異Robotics Ongoing Breakthroughs (ROOB2023),

なる特性のセンサを組み合わせた計測方式を採用す

2023.

107

【助成 40 - 52】

寒冷誘発性血管収縮の新規メカニズム解明-塩素イオンチャネル TMEM16A に着目して-代表研究者 新潟医療福祉大学 健康科学部 健康スポーツ学科 講師

藤本 知臣

共同研究者 筑波大学 体育系 助教

藤井 直人〔研究の概要〕本研究では、局所皮膚寒冷刺激時のヒトの皮膚血管収縮反応における塩素イオンチャネル TMEM16A の機能を検討した。健康な成人男女 7 名を対象に、前腕部真皮 (皮下 1 mm) に、2 本のマイクロダイアリシスのチュー
ブを挿入し、5%ジメチルスルホキシド溶液 (Control 部位) および 2 mM ベンズブロマロン溶液 (TMEM16A 阻害薬, Benzbromarone 部位) を投与した。その後、局所冷却装置を用いた 20 および 10℃の局所冷却 (各 20 分)を行い、マイクロダイアリシス処置部の皮膚血流量 (レーザードップラー血流計) を測定した。その結果、Control
部位と比較して Benzbromarone 部位で 20℃の局所冷却時の皮膚血管収縮反応は減弱したが (P < 0.05)、10℃の局所寒冷刺激に対する反応には差がなかった。これらより、TMEM16A は中程度の寒冷刺激 (20℃) に対す
る皮膚血管収縮反応には関与するものの、より強い寒冷刺激 (10℃) には関与しない可能性が示唆された。

トの皮膚血管収縮反応における塩素イオンチャネル〔研究経過および成果〕
ヒトは寒冷環境下において皮膚血管収縮を引き起TMEM16A の機能を検討した。

こすことで放熱を抑制し、体温を維持する。この反応

健康な成人男女 7 名 (年齢: 28±5 歳、身長:には、主にアドレナリンおよびニューロペプチド Y の165.1±6.8、体重: 64.6±11.2) を対象として実験を放出が関与していることが知られているが (Johnson行った。実験では、前腕部真皮 (皮下 1 mm) に、計

et al. 2014)、皮膚の寒冷刺激によってどのようにアド2 本のマイクロダイアリシスチューブを挿入し、1) リン

レナリンやニューロペプチド Y の放出量が調節されてゲル液を用いて作成した 5%ジメチルスルホキシド

いるかについては不明な点が多く残されている。

(DMSO) 溶液 (Control 部位)、および 2) リンゲル液2008 年に新たにカルシウム活性化塩素イオンチャ

および 5%DMSO を用いて作成した 2 mM ベンズブロ

ネルの 1 種として認められた TMEM16A は、血管平滑マロン溶液 (TMEM16A 阻害薬, Benzbromarone 部筋や器官平滑筋などに存在するイオンチャネルであ位) を 2μL min-1 でそれぞれ投与した状態で 60-90

る。これまで、血管の収縮・弛緩における TMEM16A

分の安静を維持した。その後、5 分間の baseline 測定の役割についていくつかの研究で報告されているがを行い、局所冷却装置 (ADT1045, Advance, Japan)(Tammaro 2023)、寒冷刺激に対するヒトの皮膚血管を用いて 20 および 10℃の局所冷却 (各 20 分) を行

収縮反応にどのように関与しているかは明らかでなかった。さらに、最大血管拡張反応を測定するためにったことから、本研究では、局所皮膚寒冷刺激時のヒ25 mM ニトロプルシド溶液 (SNP) を投与して 43℃の108

局所加温を行った。
測定項目は、皮膚血流量、局所皮膚温、動脈血圧、心拍数などとした。また、皮膚血流量および動脈血圧から皮膚血管コンダクタンス [CVC (皮膚血管の拡張度合の指標, 皮膚血流量/平均動脈血圧)] を算出した。局所の皮膚血流量には部位差が存在するため、各部位において最大皮膚血管拡張時を 100%とした
相対値を算出した。さらに、冷却時の皮膚血管収縮

図 2. 20℃の局所冷却時における CVC の低下率の程度は冷却直前の 5 分間の baseline 測定時のデ
これらの結果は、塩素イオンチャネル TMEM16A

ータを基準とした相対値で評価した。
1 名の代表的な対象者における CVC の経時変化が中程度の寒冷刺激 (20℃) 時に生じる皮膚血管を図 1 に示す。CVC は局所冷却によっていずれの部収縮反応に関与するが、より強い冷却刺激 (10℃)

位においても baseline から徐々に低下した。これは、時の皮膚血管収縮には関与しない、あるいは別のメ

局所冷却による皮膚血管収縮が生じていることを示しカニズムが混在する可能性を示している。本研究のている。

成果は、ヒトの体温調節における皮膚血管調節の新
たなメカニズムが存在する可能性を示唆するものであり、今後はデータ収集の継続、他の刺激による皮膚
血管収縮反応への関与、他のイオンチャネルなど(TRP チャネルなど) との相互作用について検討することで、ヒトの体温調節における皮膚血管調節の全容解明に寄与すると考える。
〔参考文献〕
１． Johnson JM, Minson CT, Kellogg DL. Cutaneous
vasodilator and vasoconstrictor mechanisms in

図 1. 1 名の対象者における CVC の経時変化

temperature

regulation.

Compr

Physiol.

4(1):33-89, 2014.
また、20℃の局所冷却時における CVC の baseline

２． Tammaro P. The TMEM16A anion channel as aからの低下率を図 2 に示す。20℃の局所冷却時には、

versatile regulator of vascular tone. Sci Signal.

CVC の低下率は Control 部位よりも Benzbromarone

16(811):eadk5661, 2023.

部位で高値を示した (P = 0.0156)。その一方で、〔発表論文〕

10℃の局所冷却時には、CVC の低下率は部位間に

現在、学会発表準備および投稿準備中である。

差は見られなかった (P > 0.05)。

109【助成 40 - 53】

緑内障治療に向けた微弱電流刺激による眼球の若返り㻌
㻌研究者㻌 九州大学大学院農学研究院（前所属㻌 愛知医科大学医学部）㻌 准教授㻌 㻌 池上啓介㻌
㻌〔研究の概要〕５～８行程度㻌
㻌 本研究では加齢などに伴う眼の疾患の治療に役立てるため、マウス眼球や網膜を用いて微弱電流刺激により眼球機能が亢進し、眼球細胞が若返るかを検証することを目的とした。微弱電流刺激装置を改良し、マウス眼球や細胞、培養網膜を刺激できる評価系を開発した。眼球線維柱帯細胞への刺激で細胞増殖能の亢進傾向が確認されたが、単回刺激ではマウス眼圧を抑制する効果は確認できなかった。現在網羅的遺伝子発現解析により分子レベルでの若返りを検証中である。また、生体における長期的反応は全く分かっていないため眼圧制御や緑内障予防に向けて解明しなければいけない課題である。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌

るが、微弱電流刺激は筋再生を加速させたり、神経“緑内障”は中途失明原因第一位の疾患で、世界の軸索伸長を促したりする（㻸㼕㼡㻌 㼑㼠㻌 㼍㼘㻚㻌 㻭㼘㼦㼔㼑㼕㼙㼑㼞㻓㼟㻌では 㻝 億人近くが罹患しているといわれ、予防や根治㻾㼑㼟㼑㼍㼞㼏㼔㻌 㻒㻌 㼀㼔㼑㼞㼍㼜㼥㻌 㻞㻜㻞㻜）ことが知られているため、の方法が未だ見つかっていない。網膜神経節細胞か本研究ではマウス眼球や網膜組織、初代培養細胞をらなる視神経が傷害され、加齢に伴い増加する。眼用いて微弱電流刺激により眼房水産生排出部位の球内の圧力（眼圧）が緑内障の主な原因で、近年増機能が亢進し、眼圧リズムの乱れが改善され網膜神加しているといわれる高眼圧を伴わない正常眼圧緑経節細胞（視神経）の細胞死が抑制または若返るか

内障も原因が不明なことが多く減圧抑制が主な対処の検証を試みた。㻌

療法となる。進行が遅く自覚症状が少ないため、気づいた時には悪化している場合が多く、高齢化に伴い新たな予防方法や検査方法の開発および治療法の

１）微弱電流刺激装置の開発と検証㻌
本研究では、ヒト用の治療用 㻱㻿㻼㼁㻾㻳㻱（伊藤超短波株式会社、図 㻝）の電極で眼球を直接挟み込み微開発が重要な課題になっている。㻌
眼圧は毛様体からの眼房水の産生と線維柱帯からの排出のバランスで生み出されているが、加齢に伴弱電流刺激する方法と、その電極を白金線を介して細胞培養ディッシュ（㻢㼣㼑㼘㼘）に繋ぎ、培養細胞さらにいそれらの調節機能は低下し、眼圧が上昇しやすく、視神経も障害されやすくなる。これらから、我々は外的環境の調整で加齢に伴う眼圧リズムの乱れや視神経障害といった老化を抑制または若返り効果が期待できるのではないかと考えた。再生誘導や細胞活性化の外的刺激の一つに微弱電気刺激が知られてい図１ '5274)'

110

はそこに入れたカルチャーインサート上で培養するマ

図１ マウスの夜間

ウス組織を微弱電流刺激（㻝㻜μ㻭，㻢㻜 分）できる評価の眼圧上昇に微弱電系を開発した。申請者の異動に伴い、検証が遅れて流単回刺激が及ぼすおり現在検証途中である。㻌

影響。有意な差はな
かった（VVGUV ｐ＜２）微弱電流刺激による眼球細胞への影響㻌）

加齢による眼圧上昇は眼房水排出部位である線

網膜神経節細胞が減少することを発見した。視覚機

維柱帯の線維化などの老化が原因ではないかと考え能の低下を確認するため視覚機能テストを実施したられる。そこで、申請者が保有する線維柱帯細胞のところ有意に低下していた。㻌

継代を繰り返し増殖効率が低下した老化細胞を作成する。そこに微弱電流刺激（㻝㻜μ㻭，㻢㻜 分刺激）を負荷し、その後の細胞増殖の変化を刺激後 㻞㻠 時間後

このマウスと、加齢に伴い緑内障様症状を呈す
㻰㻮㻭㻛㻞㻶 マウスおよび 㻝 年齢を超えると視神経が減少し始め緑内障様症状になる野生型マウスを用いて、と 㻠㻤 時間後に 㻯㼑㼘㼘㻌㼏㼛㼡㼚㼠㼕㼚㼓㻌㼗㼕ｔ㻙㻤（Ｄｏｊｉｎｄｏ）を用い眼球に若年期から微弱電流刺激を定期的に刺激して測定した。その結果、現在Ｎ＝１であるが微弱電流

眼圧変動をモニタリングしながら視神経障害抑制効

刺激した方が細胞増殖効率が良いという傾向が観察

果を生体レベルで検証していく予定である。㻌

できた。また、微弱電流刺激後 㻢 時間後に 㻾㻺㻭 シー
ケンシング（㻾㻺㻭㻙㼟㼑㼝）により網羅的時系列解析（シー５）考察㻌
本研究は世界に先駆けて微弱電流の眼球機能改

ケンス受託中）を行い、微弱電流への応答性の詳細

善効果を細胞と実験動物を用いて検証するものであを明らかにする予定である。㻌

り、緑内障の予防・治療法の確立にも期待でき、将来
３）微弱電流刺激によるマウス眼圧への影響㻌

的には微弱電流（または電子）を発生するようなコン

マウスやヒトは昼行性夜行性関係なく夜間（暗期）に眼圧が上昇し、高眼圧の緑内障患者でも夜間眼圧抑制治療が鍵となる。そこで、微弱電流を麻酔下の野生型 㻯㻡㻣㻮㻸㻛㻢㻶 マウスの眼球に明期に 㻝 時間刺激
し、夜間の眼圧上昇を抑制できるかをポータブル眼圧測定器 㼀㼛㼚㼛㻸㼍㼎 を用いて検証した。その結果、㻝
日一回の刺激では眼圧上昇抑制効果は見られなかった。刺激時間や頻度を変えた検証が必要であろう。㻌

タクトレンズ型緑内障治療の確立に繋げられる基盤研究を実施する。㻌
微弱電流刺激を用いた緑内障治療予防法はこれまで確立されておらず、これまでは生活習慣の改善
や、眼圧抑制剤の薬理的対処療法が主であったが、手術を伴わない微弱電流刺激により視神経障害を抑制、さらには視神経再生できるのであれば、失明による生活の質（㻽㻻㻸）低下を劇的に改善できる可能性があるため本研究は非常に意義がある。㻌

４）微弱電流刺激による老齢緑内障眼球への影響㻌
申請者の実験で網膜の概日時計遺伝子 㻮㼙㼍㼘㻝 が特異的に欠損したマウス（㼏㻮㼙㼍㼘㻝㻷㻻）は加齢に伴い111〔発表論文〕㻌
なし㻌【助成 40 - 54】

柔道の初心者における頭部外傷を予防する安全な大外刈りの構築㻌㻌
研究者代表者㻌 びわこ成蹊スポーツ大学スポーツ学部㻌 教㻌 授㻌 㻌 林㻌 弘典㻌
共同研究者㻌 㻌 㻌 石川工業高等専門学校機械工学科㻌 㻌 准教授㻌 穴田賢二㻌
共同研究者㻌 㻌 㻌 大阪教育大学表現活動教育系㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 准教授㻌 石川美久㻌
共同研究者㻌 㻌 㻌 大阪体育大学体育学部㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 准教授㻌 生田秀和㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
㻌 日本柔道において、大外刈りで投げられたことによる頭部外傷が深刻な問題となっている。全日本柔道連盟の安全対策によって、死亡事故や急性硬膜下血腫等の重篤な頭部外傷は減少したが、未だに死亡事故や重篤な頭部外傷が発生しており、脳震盪も報告されている。先行研究では、大外刈りによる頭部外傷の危険性を検証した研究が非常に多く、海外でも同様の研究が行われている。そのために、どのような大外刈りの投げ方が頭部外傷の危険を高めるのか、どのような投げ方が安全であるかは解明されていない。そこで、本研究は、①一般的な大外刈り（㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼓㼍㼞㼕）、②頭部外傷の危険があると想定した投げる者が身体を捻らない大外刈り（㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕）、③頭部外傷を予防する大外刈りに代わる大外落とし（㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕）を比較した。その結果、③の大外落としの
頭部最大角加速度が最も低かったことから、最も頭部外傷の危険が低い技であることが明らかとなった。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌

で 投 げ た 。 そ の 際 、 加 速 度 計 （ 㻹㼂㻼㻙㻾㻲㻤㻙㻳㻯 、

㻝㻚 研究経過㻌㻹㼕㼏㼞㼛㻿㼠㼛㼚㼑 社）で頭部角速度を測定した。㻌

【予備実験】㻌㻞㻜㻞㻟 年 㻟 月 㻣 日～㻟 月 㻝㻜 日、大阪体育大学において予備実験を実施した。被験者は男性柔道熟練者 㻝㻜 名（年齢 㻝㻥㻚㻥±㻜㻚㻣㻠 歳、身長 㻝㻢㻥㻚㻤±㻞㻚㻥㻜㼏㼙、㻌

体重 㻣㻟㻚㻞±㻡㻚㻢㻥㼗㼓、頚部前屈筋力 㻝㻟㻜㻚㻟±㻟㻝㻚㻞㻺、段
位 㻝㻚㻤±㻜㻚㻠㻞 段）とした。被験者を投げる者は大外刈りの得意な男性柔道熟練者 㻝 名（年齢 㻞㻜 歳、身長㻝㻣㻠㼏㼙、体重 㻤㻝㻚㻢㼗㼓、初段）とした。投げる者は、①一般的な大外刈り（㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼓㼍㼞㼕、図 㻝）、②頭部外傷の㻌

危険があると想定した投げる者が身体を捻らない大外刈り（㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕、図 㻞）、③頭部外傷を予防する
大外刈りに代わる大外落とし（㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕、図 㻟）でヘッドギアを付けた被験者をそれぞれ 㻟 回マットの上112

㻌【本実験】㻌

れなかった原因は、投げる者が②㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕 の投㻞㻜㻞㻟 年 㻥 月 㻢 日～㻥 月 㻤 日、大阪体育大学におげ方に習熟していなかったためであると考えられる。

いて本実験を実施した。被験者は男性柔道熟練者

ただし、両者とも危険な技であることが確認できた。㻌

㻝㻟 名（年齢 㻝㻥㻚㻞±㻝㻚㻜㻥 歳、身長 㻝㻣㻜㻚㻤±㻟㻚㻤㻡㼏㼙、体重 㻣㻞㻚㻝±㻤㻚㻞㻣㼗㼓、頚部前屈筋力 㻝㻤㻥㻚㻜±㻠㻡㻚㻝㻟㻺、段
位 㻝㻚㻤±㻜㻚㻠㻠 段）とした。被験者を投げる者は大外刈りの得意な男性柔道熟練者 㻝 名（年齢 㻞㻝 歳、身長㻝㻣㻠㼏㼙、体重 㻣㻣㻚㻠㼗㼓、二段）とした。予備実験と同様に、㻟 種類の大外刈り（①㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼓㼍㼞㼕、②㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕、③㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕）で被験者をそれぞれ 㻟 回マットの上㻌

で 投 げ た 。 そ の 際 、 加 速 度 計 （ 㻹㼂㻼㻙㻾㻲㻤㻙㻳㻯 、㻹㼕㼏㼞㼛㻿㼠㼛㼚㼑 社）で頭部角速度を、慣性式モーションキ
ャプチャ（㻹㼂㻺㻌 㻭㼚㼍㼘㼥㼦㼑、㻹㼛㼢㼑㼘㼘㼍 社）で頭部伸展角度を、筋電計（ワイヤレス 㻱㻹㻳㻌 㻰㼑㼘㼟㼥㼟㻌㼀㼞㼕㼓㼚㼛㻌 システ
ム、㻰㻱㻸㻿㼅㻿 社）で頚部筋力の筋活動を測定した。㻌
㻌
㻞㻚㻌 成果㻌【予備実験】㻌

㻌

㻟 種類の大外刈り（①㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼓㼍㼞㼕、②㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕、③㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕）について、被験者の 㼄 軸回りの頭部【本実験】㻌

最大角加速度（図 㻠）、頭部最大合成角加速度（図 㻡）㻌 現在、被験者の頭部角速度、頭部伸展角度、頚部を比較した。いずれの頭部角加速度においても、③筋力の筋活動を分析している。㻌

㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕 が最も低く、頭部外傷の危険が低い技

㻌であることが分かった。また、② 㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕 は①〔発表論文〕㻌㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼓㼍㼞㼕 よりも値が高かったが有意な差がなった。㻌

１． 林弘典，石川美久，生田秀和（㻞㻜㻞㻟）柔道の頭部①㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕 では、投げる者が投げられる者の外傷を引き起こす大外刈りの解明．日本体育・ス

軸足を刈らずに、投げられる者を捻るように投げていポーツ・健康学会第 㻣㻟 回大会（京都・同志社大ることによって、投げられる者は後方へ倒れるスピー学）．㻌

ドが低下する（偶力が弱まる）ためであると考えられる。

２． 林弘典，穴田賢二，石川美久，生田秀和（㻞㻜㻞㻟）①㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼛㼠㼛㼟㼔㼕 を導入することよって、頭部外傷を予

柔道の頭部外傷を予防する大外刈に代わる大防できることが示唆された。㻌

外落の検討．日本武道学会第 㻡㻢 回大会（大阪・②㻴㼕㼚㼑㼞㼕㻙㼚㼍㼟㼔㼕 と①㻻㼟㼛㼠㼛㻙㼓㼍㼞㼕 に有意な差が見ら113

大阪教育大学）．㻌

【助成 40 - 55】
腱の三次元培養技術と力学的収縮を組み合わせた抗運動器治療戦略㻌同志社大学㻌 スポーツ健康科学部㻌 助教㻌 㻌 土屋吉史㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
加齢は体重や脂肪量増加だけでなく筋骨格系組織の機能を惰弱にし、㻌 㻽㻻㻸㻌 低下をもたらす。本研究課
題では、「腱の臓器連関特性」に着目し、これを上手く利用することで筋肉へ負荷をかけることなく、加齢に伴う筋量低下に効果的な戦略構築に挑戦した。先ず、エストロゲン減少をもたらす閉経後女性を模倣したマウスを作出し、筋肉と腱組織から細胞をそれぞれ単離した。その後、腱細胞の存在下で、筋芽細胞の増殖能がどのように変化するのかを観察した。その結果、エストロゲンを減少させたマウス由来腱細胞の存在下では細胞増殖の指標である㻌 㻱㼐㼁㻌 陽性の筋芽細胞数が減少していたことが示された。これは、エストロゲンが筋‐腱臓
器連関における筋芽細胞増殖に重要であることを示唆するものであった。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌

骨格系臓器の機能低下などを呈することが知られて加齢に伴う筋量や筋力が減少するサルコペニアは、いる。本研究では閉経後の高齢女性を模倣したマウ

運動器機能低下症の主要因であり㻌 㻽㻻㻸㻌 低下をもスを作出することで、ヒトでは解明することのできない誘発する。そのため、サルコペニアを抑える試みは、

これらメカニズムの解明に迫る。このため先ず、エスト

心身ともに健康を維持する上で欠かせない。さらに、ロゲンが減少する閉経後女性モデルマウスを正確に昨今の㻌 㻯㻻㼂㻵㻰㻙㻝㻥㻌 感染拡大の影響による外出機

作出することが求められた。㻌

会の減少・活動量の低下が問題視されており、ますま

閉 経 後 女 性 モ デ ル マ ウ ス は 㻌 㻢㻌 週 齢 の 雌㻌す運動器の惰弱性を軽減する研究の発展が求めら㻯㻡㻣㻮㻸㻛㻢㻌㼣㼕㼘㼐㻙㼠㼥㼜㼑㻌 マウス㻌 㻔㻿㻸㻯㻘㻌㻿㼔㼕㼦㼡㼛㼗㼍㻘㻌㻶㼍㼜㼍㼚㻘㻌㼚㻌れている。しかし、筋量や骨量の減少により運動器に㻩㻌 㻠㻕㻌 の卵巣切除㻌 㻔㼛㼢㼍㼞㼕㼑㼏㼠㼛㼙㼥㻦㻌 㻻㼂㼄㻕㻌 手術により作悩みを抱える高齢女性などは、効果の現れにくい低出された。㻻㼂㼄㻌 手術は、㻟㻌 種混合麻酔を用い麻酔

用量の運動を繰り返さざるを得ない現状にある。そこ下にて行われた。先ず、腹部を 㻝㻌㼏㼙㻌 程度切開し、子で本研究課題では、これまで殆ど治療対象にされて宮の末端にある卵巣を完全こなかった臓器「腱」に着目し、腱の臓器連関特性をに切除した。その後切開部上手く利用することで筋肉へ負荷をかけることなく、サを縫合し、覚醒までモニタリ

ルコペニアの進行を遅らせる治療戦略構築を目的とングを行った。対照群は、卵した。㻌

巣を切除しない㻌 㻿㼔㼍㼙㻌 コント【成果㻌 㻝㻦㻌 後高齢女性モデルマウスの作出】㻌

ロールとした㻌 㻔㼚㻌 㻩㻌 㻠㻕。㻻㼂㼄㻌

図 ⇝⇚⇌ 子宮サイズ⇌
左⇦⇌ 通常のマウスの子宮⇌
右⇦⇌ 卵巣切除マウスの子宮⇌

高齢女性は、女性ホルモン㻌 㻔主にエストロゲン㻕㻌 が後㻌 㻞㻠㻌 週間までは通常飼育を行い、その後解剖を実著しく低下することで、体重および脂肪量の増加、筋施した。その際、子宮サイズと体重、そして内臓脂肪114

量を測定した。その結果、㻻㼂㼄㻌 マウスの代表的な表【成果㻌 㻟㻦㻌 共培養実験】㻌

現型である、子宮サイズの著しい減少が確認された㻌㻻㼂㼄㻌 由来の腱細胞と筋芽細胞を共培養し、エスト㻔図㻌 㻝㻕。また、体重および内臓脂肪量も㻌 㻻㼂㼄㻌 マウス

ロゲン減少が腱細胞存在下における筋芽細胞の増群で大幅に増加していた㻌 㻔㼐㼍㼠㼍㻌 㼚㼛㼠㻌 㼟㼔㼛㼣㼚㻕。これは、殖能に及ぼす影響を観察した㻌 㻔図㻌 㻟㻕。㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌

本研究で実施した㻌 㻻㼂㼄㻌 手術が、ヒトの閉経後女性を模倣し得ることを示している。㻌
【成果㻌 㻞㻦㻌 細胞の単離】㻌
図 ⇟⇚⇌ 腱細胞と筋芽細胞との共培養と、腱細胞が因子を放出するイメージ⇌ ⇔右⇕⇌㻻㼂㼄㻌 マウスの腱の臓器連関特性を理解するために、㼕㼚㻌 㼢㼕㼠㼞㼛㻌 の実験を行った。まず、解剖で得られた筋および腱組織からそれぞれ筋芽細胞と腱細胞の単離・初代培養を行った。筋組織には筋芽細胞だけでなく様々な細胞が混在しているため、先行研究の方法に基づき㻌 㻯㻰㻡㻢㻌 磁器ビーズ抗体を用いた細胞単離法にて、筋芽細胞を特異的に単離した。次いで、単離した細胞の純度を確認を、筋芽細胞の指標である㻌 㻰㼑㼟㼙㼕㼚㻌 と、線維芽細胞の指標である㻌 㼀㻾㻙㻱㻾㻣㻌
抗体を用いた蛍光免疫染色にて行った㻌 㻔図㻌 㻞㻕。その結果、両群共に筋芽細胞分画において、筋芽細胞の指標である㻌 㻰㼑㼟㼙㼕㼚㻌 の陽性細胞が㻌 㻤㻤㻑㻌 ～㻌 㻥㻤㻑㻌の割合で存在していたことを確認した㻌 㻔図㻌 㻞㻕。腱は両群ともに㻌 㼀㻾㻙㻱㻾㻣㻌 陽性かつ、㻰㼑㼟㼙㼕㼚㻌 陰性を示し

筋芽細胞は、筋分化制御過程で先ず増殖期に入る。
そこで、腱細胞の存在下で筋芽細胞がどの程度増殖するのかを、細胞の増殖能評価に用いられる細胞周期㻌 㻔細胞分裂の過程㻕㻌 の指標である㻌 㻷㼕㻢㻣㻌 や㻌 㻱㼐㼁㻌の陽性細胞数を比較した。その結果、㻷㼕㻢㻣㻌 陽性細胞数は両群とも差は認められなかったものの、㻱㼐㼁㻌
陽性細胞数は㻌 㻻㼂㼄㻌 群で有意に減少していた。これは、㻻㼂㼄 マウ ス由 来腱細 胞が 筋 芽細胞の 㻿㻌 期㻌㻔㻰㻺㻭㻌 合成期㻕㻌 への移行を抑えていることを示唆するものであった。以上のことからエストロゲンの減少は、腱細胞存在下による筋芽細胞の増殖能を負に制御してしまうことが明らかになった。これにより、エストロ
ゲンは筋量維持に重要な筋と腱の臓器連関に必要であることが示唆された。㻌

たことから、単離した腱細胞集団の中には筋系譜を有する細胞が殆ど存在していないことを確認した㻌 㻔図㻌㻞㻕。これらのことから、今回採取した筋芽細胞と腱細胞は純度よく単離することができたものと考えられる。㻌

図 ⇠⇚⇌ 左⇕⇌∗∕⇢⇣⇌ 陽性細胞数、右）⇱∐∁⇌ 陽性細胞数、平均±標準偏差⇌

今後は、㻻㼂㼄㻌 マウス由来腱細胞の三次元培養、プロテオーム解析によるタンパク質の特定、筋‐腱臓
器連関の惰弱性が運動などによって回復させることができるか否かを明らかにしていきたい。㻌
図 ⇞⇚⇌ 免疫蛍光染色による筋芽細胞および腱細胞の精製度確認⇌〔発表論文〕㻌 該当なし㻌

上２列の画像⇦⇌⇿∔∍∙⇌ コントロールマウスの筋芽細胞および腱細胞⇌
上２列の画像⇦⇌⇻∂∄⇌ マウスの筋芽細胞および腱細胞⇌

115

【助成 40 - 56】

光操作技術による適切な行動を生み出す top-down 入力の解明

研究者 立命館大学 生命科学部

助教 塩谷 和基〔研究の概要〕我々は、その時の状況（文脈）に依存して感覚情報を処理し適切な行動を取る。しかし、文脈に応じて感覚情報を正しい行動に結びつける神経メカニズムはいまだ十分解明されていない。そこで私は、感覚器官からの入力と適切な行動に必要な高次領域からの入力の双方を受ける嗅皮質を対象として、感覚－行動を結ぶ神経メカ
ニズムの解明に取り組む。これまでに、嗅皮質の一亜領域である ventral tenia tecta(vTT)の神経細胞が文脈に依存した動物の行動状態に対して応答することを見出した。そして vTT が高次領域である medial prefrontal
cortex (mPFC)から解剖学的な直接入力を受けていることから、vTT で見られる行動状態に対する文脈依存性の応答は、mPFC からの入力を反映したものであると考えた。単一ニューロン活動記録法と光遺伝学的手法を組み合わせることで、mPFC から vTT へ行動状態の情報が伝達されることを明らかにすることを目的とする。

〔研究経過および成果〕

的高次の情報処理段階で行われると考えられてきた

突然、部屋から焦げ臭さを感じた時には、とっさに(Miller et al., 2005）。しかし、情報処理が高次な段階

火元や匂い源を確認する。しかし、家族の誰かが料へ進めば進むほど、感覚情報の持つ意味が不明瞭

理をしているような状況（文脈）であれば、同じ匂いをとなるという問題があった。そこで私は、嗅覚系に注

感じてもそのような行動はとらない(図 1)。このような、目することで、その問題を回避できると考えた。嗅覚

文脈に基づき感覚入力を行動出力に正しく結びつけ

は五感の中で唯一、感覚受容器からの入力が、視床るための神経回路の働きは、動物の生存においてきを経由せずに、一次中枢である嗅球から二次中枢のわめて重要である。しかし、末梢からの感覚情報が文

嗅皮質へ最短でわずか 1 シナプスで到達するという脈に応じた意味を持つためには、高次領域からの情シンプルな解剖学的構造をもつ。さらに、これまでに報と統合されなければならないが、どこでどのように

私は、mPFC から vTT へ解剖学的な直接投射がある

情報統合が行われるのかはほとんど不明である。これ

こと、vTT の神経活動が文脈に依存した行動状態をまで感覚入力と高次領域からの入力の統合は、比較表象すること、の２点を明らかにしてきた。この結果は、
mPFC から vTT への投射経路が、文脈に基づいた行
動情報を vTT に供給していることを示唆している。この示唆を仮説として検証するために、私は単一ニュ
ーロン活動記録法と、光遺伝学的手法を組み合わせることで、vTT の行動状態の情報が mPFC からもたらされるかどうかを確かめることが可能であると考えた。

図 1. 文脈に基づく嗅覚情報処理116

mPFC から vTT への投射経路が、文脈に基づいた行においても vTT の神経動情報を vTT に供給しているのかどうかの検証する

活動は、光抑制を行わために、マイクロインジェクターを用いて、mPFC に遺ない条件では文脈に依伝子組み換えアデノ随伴ウイルス(AAV)を投与するこ存した様々な行動に対とによって、mPFC 神経細胞に特定波長の光を照射して応答する神経細胞することで発現ニューロンの活動を抑制させるオプシが見られた(図 3 青線:

ン(Arch3.0)を発現させた。さらに、vTT に光ファイバ

光抑制がない条件下でーと記録電極の挿入を行った(図 2 左)。こうすることで、の vTT 神経細胞応答)。

mPFC から vTT へと投射する mPFC 神経細胞の軸索

こうした応答特性を持つを人工的に抑制(光抑制)することができる。その時の細胞に対して、mPFC かvTT の神経活動を記録電極から前置増幅器（ヘッドら vTT へ と 投 射 す るアンプ）と最新の PLD（プログラマブル集積回路）を組

mPFC 神経細胞の軸索み合わせ増幅させたシグナルの記録を行った。マウを光抑制することによって、光抑制を行わない条件にスが匂いから適切な行動を取るように、行動制御装置

比べて vTT 神経細胞の活動が減ることが明らかとなである Bpod を用いて匂いと報酬の有無を連合させたった(図 3 緑線:光抑制条件下での vTT 神経細胞応

嗅覚古典的条件付け課題の訓練を行った(図 2 右)。

答)。現在、複数の個体において vTT の神経細胞の図 3. mPFC→vTT の神経軸索抑制時における
vTT 神経細胞応答記録ができた段階であり、全体で見ても、光抑制を行った条件では、光抑制を行わない条件と比べると、行動状態に応答した vTT 神経細胞の活動が有意に下がることが示された。これらの結果から、mPFC から
vTT に行動状態の情報が送られていることが明らかと

図 2. (左) mPFC→vTT 投射の神経軸索抑制概略

なった。

(右) 嗅覚古典的条件付け課題の概要

訓練後、マウスが行動課題遂行中に、mPFC から

今後、光抑制するタイミングを試行開始から終了で

vTT へと投射する mPFC 神経細胞の軸索を特定のタはなく、任意に匂い提示区間や報酬区間などの短いイミングで光抑制し、その際の vTT の活動を記録する

時間で区切っていき、mPFC から vTT への入力されることで、mPFC から vTT に行動状態の情報が送られる

重要なタイミングを調べると共に、個体数を増やす予のかどうかを明らかにした。マウスは、行動課題を 1 日定である。さらに、mPFC から vTT の神経軸索の光抑に 300-400 試行繰り返し行うことが出来、その中のラ制によって、マウスの行動変化について課題遂行中

ンダムな試行において、試行開始から終了まで光抑のマウスの行動動画について人工知能を用いた行動制を行った。光抑制を行わない条件を統制条件とし、動画解析手法である DeepLabCut を用いて、より詳細

これらの比較を行った。結果として、これまでの自身に定量化した評価を行いたいと考えている。

の研究で見られたように、嗅覚古典的条件付け課題117

【助成 40 - 57】

加速器ホウ素中性子捕捉療法におけるデータ駆動型アプローチによる全身被曝線量の予測(中間報告)

代表研究者 大阪医科薬科大学 関西 BNCT 共同医療センター 特別職務担当教員(助教)柿野 諒

共同研究者 大阪医科薬科大学 関西 BNCT 共同医療センター 特別職務担当教員(講師)／京都大学複合原子力科学研究所 特定助教 呼 尚徳
大阪医科薬科大学 関西 BNCT 共同医療センター 専門教授・副センター長補佐 粟飯原輝人
大阪医科薬科大学 放射線腫瘍学教室 教授／関西 BNCT 共同医療センター センター長 二瓶圭二
大阪医科薬科大学 関西 BNCT 共同臨床研究所 所長 小野公二

〔研究の概要〕ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)は，中性子とホウ素薬剤との反応を利用し，腫瘍細胞を選択的に破壊する治療法である． BNCT を施行する際，全患者の人体複数個所にて，被曝線量をオフラインで測定するが，その手技の煩雑さ故，抜本的な改善策が求められる．そこで，機械学習を活用して，高精度に被曝線量を予測することを目的とした． 最終的には，患者個別に行っている被曝線量測定の省力化を目指し，被曝線量を低減するような治療計画の立案方法を確立する．

〔研究経過および成果〕

人体複数個所にて，治療中の被曝線量をオフライン

ホウ素中性子捕捉療法(Boron Neutron Captureで測定しているが，その手技が煩雑かつ多大な時間

Therapy: BNCT)は，原子炉から照射される中性子と，を要するため，抜本的な改善策が求められる．そこで，中性子に増感効果のあるホウ素薬剤との反応を利用

加速器 BNCT における全身被曝に影響を与える因

し，腫瘍細胞のみを選択的に破壊する治療法である．

子を解明し，機械学習アルゴリズムを活用して，高精

我が国では世界に先駆けて BNCT のプロジェクトが度に被曝線量を予測することを目的とした．

進行し，近年では原子炉に替わり病院に設置可能な

現在，被曝線量の予測に用いる機械学習アルゴリ

加速器 BNCT システムが国内の病院に導入され，次ズム の 選 定 を行 っている．これ ま で 行わ れ てきた世代放射線治療法として期待されている． 2020 年 6

BNCT の治療計画情報や被曝線量データを収集次月に切除不能な局所進行および局所再発の頭頸部

第，それらを入力・出力情報として，機械学習モデル

癌が保険診療となった．一方，加速器 BNCT では中を構築していく．

性子のみならず，照射野内外からγ線が発生するこ最後になりましたが、本研究を遂行するにあたり，ごとが知られ，全被曝線量の多くを占める．また，患者助力頂きました貴財団に深く感謝申し上げます．

の全身状態や照射部位に応じて，患者設定体位が様々であるために，患者毎に全身被曝線量は異なる〔発表論文〕と考えられる．そのため，BNCT を施行する全患者の

準備中．

118

119

【助成 40 - 58】

末梢神経刺激が静的ストレッチングの柔軟性向上効果に与える影響とその神経機序㻌㻌
研究者㻌 九州産業大学㻌 健康・スポーツ科学センター㻌 助教㻌 齋藤㻌 輝㻌
名古屋大学㻌 総合保健体育科学センター㻌 准教授㻌 水野㻌 貴正㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
本研究の目的は、末梢神経刺激で誘起した感覚神経活動が静的ストレッチング後の関節可動域の変化に与える影響を明らかにすることであった。20 分間の末梢神経刺激と 5 分間の静的ストレッチングが足関節の柔軟性に与える影響を調べた。感覚神経を優先的に活動させる末梢神経刺激の比較対象として、骨格筋電気刺激と電気刺激なしの安静条件を設けた。末梢神経刺激は静的ストレッチング後の関節可動域変化 (2.3 ± 2.3°) を骨格筋電気刺激 (0.7 ± 3.5°) や安静条件 (1.2㻌 ± 2.1°) と比べて有意に改善させなかった。㻌
㻌
ッチングの直前に下腿三頭筋の支配神経に 20 分間〔研究経過および成果〕㻌
静的ストレッチングは関節可動域の限界まで筋をの電気刺激を与えた。感覚神経を優先的に刺激する

伸ばし、数十秒間その姿勢を維持する。これを繰り返

末梢神経刺激と比較するため、骨格筋の皮膚上の電し行うことで、関節可動域の拡大が期待できる。随意極から末梢神経を刺激する骨格筋電気刺激を行う条運動と静的ストレッチングを組み合わせて効果的に件を設けた。電気刺激の頻度は 10Hz であり、刺激強柔軟性を向上させるストレッチング法がスポーツ現場

度は随意最大収縮の 5%の筋力が誘起される強度とで活用されている（例、PNF ストレッチング）。しかし、した。末梢神経刺激中にヒラメ筋から表面筋電図を記

静的ストレッチング効果が向上する神経メカニズムは録してホフマン反射（H 反射）を計測した（図 1）。なお、不明な点が多い。そこで、我々は末梢神経刺激を用

電気刺激を付加しない条件も設け、これらと静的スト

いて静的ストレッチングにより柔軟性が向上する神経

レッチングによる変化率を比較した。

メカニズムの研究に取り組んでいる（Saito & Mizuno,2023）。本研究は末梢神経刺激で誘起した感覚神経
活動が静的ストレッチング後の関節可動域の変化に与える影響を明らかにすることを目的とした。
対象者は健常な成人男性 13 名（年齢 19.7 ± 0.8
歳, 身長 169.0 ± 5.6cm, 体重 62.9 ± 6.7 kg）であった。
対象者の足首を等速筋力計に固定し、足関節を最大限の伸張感を生じる角度まで背屈させて下腿三頭㻌

筋にストレッチングを与えた。1 分間の静的ストレッチ

静的ストレッチングの前後に、等速筋力計を用いてングをセット間休息なしで 5 回繰り返した。静的ストレ

足関節を 1°/秒で受動的に背屈させ、足関節の柔軟120

性を計測した。最大背屈角度で足関節全体の柔軟= 0.194, 図 3)。

性を評価した。最大背屈位における受動トルクで知覚的な柔軟性（筋や腱の伸張に対する痛みの耐性）を評価し、角度―受動トルク曲線の傾きで組織の柔軟性（筋や腱の硬さ）を評価した。㻌
㻌 末梢神経刺激は静的ストレッチング後の最大背屈角度を 2.3 ± 2.3°増加させた (p < 0.01)。骨格筋電気刺激は静的ストレッチング後の最大背屈角度を 0.7 ±3.5°増加させた (p = 0.44)。電気刺激のない条件では静的ストレッチング後の最大背屈角度を 1.2㻌 ± 2.1°増加させた (p = 0.05)。静的ストレッチングによる最㻌 末梢神経刺激は静的ストレッチング後の角度―トル

大背屈角度の変化に条件間で有意な主効果は認め

ク曲線の傾きを 12.3 ± 6.8%減少させた (p < 0.01)。

られなかった (p = 0.285, 図 2)。

骨格筋電気刺激は静的ストレッチング後の角度―トルク曲線の傾きを 14.2 ± 12.3%減少させた (p < 0.01)。
電気刺激のない条件では静的ストレッチング後の角度―トルク曲線の傾きを 11.0 ± 10.4%減少させた (p< 0.01)。静的ストレッチングによる角度―トルク曲線の傾きの変化率に条件間で有意な主効果は認められなかった (p = 0.622, 図 4)。

㻌 末梢神経刺激は静的ストレッチング後の受動トルクの最大値を 4.5 ± 13.1%増加させた (前：16.4 ± 4.9
Nm；後：17.1 ± 5.3 Nm, p = 0.28)。骨格筋電気刺激
は静的ストレッチング後の受動トルクの最大値を 1.2 ±
14.9%減少させた (前：17.2 ± 6.0 Nm；後：17.0 ± 6.6

㻌 以上の結果から、末梢神経刺激は静的ストレッチン

Nm, p = 0.79)。電気刺激のない条件では静的ストレッ

グによる関節可動域の向上効果を改善させなかった。

チング後の受動トルクの最大値を 2.6 ± 6.0%減少さ

末梢神経刺激条件に静的ストレッチング後の関節可せた (前：16.6 ± 5.5 Nm；後：16.0 ± 4.9 Nm, p = 0.13)。

動域の有意な向上が認められた。これは末梢神経刺静的ストレッチングによる受動トルクの最大値の変化

激条件に静的ストレッチング後の知覚的な柔軟性の率に条件間で有意な主効果は認められなかった (p増加が認められたことが関与した可能性がある。

121

【助成 40 - 59】
変貌する日本の食文化－はじまりの米と魚の食文化から再考する－
㻌
研究者㻌 山形大学学士課程基盤教育院㻌 准教授㻌 㻌 白石㻌 哲也㻌
㻌〔研究の概要〕㻌
㻌 本研究では、現代日本に繋がる「米と魚」の食文化の開始期である弥生時代の魚食文化の解明を目的として、内陸部と沿岸部の食文化比較を行った。対象とした弥生遺跡は、内陸部では滋賀県下之郷遺跡、静岡県白岩遺跡、沿岸部では静岡県梶子北遺跡、同県登呂遺跡、神奈川県中里遺跡などである。㻌
㻌 これらの遺跡から出土した調理用鍋（甕形土器）について、使用痕跡の分析と土器に残存する脂肪酸の分析を実施した。これは調理方法を復元することで内容物を推定、評価するものである。これらの分析の結果、内陸部においても一部で海産魚介類を食していることが判明し、弥生人の志向性として、淡水魚類よりも海産魚類の利用が多く、かつ動物性タンパク質の利用も魚介類が多い傾向が確認された。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌㻝．㻌 分析方法と対象㻌

はじめに㻌

㻌 分析方法と対象資料は以下の通りである。㻌

海に囲まれた日本列島の食文化は、「米と魚」を基【分析方法】㻌

本としてきた。その食文化の体系は、弥生時代に稲①㻌 調理方法と内容物を「調理土器の使用痕」と「土作農耕が導入され、縄文時代以来の魚食文化と融合

器残存脂質分析」から復元・推定する（図 㻝）。土器残したことで、日本独自の「米と魚食」の食文化が形成

存脂質分析は、土器に付着した炭化物やその胎土され、「和食」へと昇華されていったと考えられる。㻌

に浸み込んだ脂質を分析すること、調理した内容物

しかし、近年、日本の「米と魚」の食文化は、衰退をある程度、把握することが可能となる。㻌

の一途を辿っている。その結果として、伝統的な米と②㻌 ①から抽出された結果に基づき、沿岸部と内陸

魚を中心とした日本の食文化が消えつつある。だが、部の弥生集落の食文化比較を行う。㻌

「米と魚」は食糧安全保障上の要でもあり、日本の風【対象地域と資料】㻌

土に適した「米と魚」の食文化を守ることは、多様化

本研究では、内陸部としては滋賀県下之郷遺跡とする食習慣のなかでも、守るべき大切な文化である。㻌

静岡県白岩遺跡、沿岸部では静岡市登呂遺跡、神本研究では、そのような現代日本に繋がる「米と奈川県中里遺跡などを中心として分析を行った。㻌

魚」の食文化について、その開始期である弥生時代

㻌に焦点を当て、和食の起源となる米と魚食の文化の㻞．㻌 分析結果㻌

はじまりを解明することで、「米と魚」の食文化の再考

㻌 現時点では、解析途中にあり、本稿では下之郷遺を目指す。㻌

跡と登呂遺跡の結果を報告したい。㻌

㻌㻌 まず、下之郷遺跡は予想に反して淡水性魚類よりも122

陸獣の割合が高い結果が示されている。これまでのまでよりも高い解像度で弥生時代の食文化像を解明

筆者らの調査では、あまり見ない結果であった。ただしていくことが重要である。㻌

し、土器の使用痕跡からは他の遺跡と変わらず、米の炊飯が想定された。次に、登呂遺跡では、これまでにも米の利用が非常に高いことが判明しており、水田も確認されている。筆者らの研究でも、雑穀はほとん
ど確認されなかった。ただ、魚介類の使用割合は高く、特に海産魚類に偏る傾向にあった。㻌
㻌㻌
㻟㻚㻌 考察㻌
これまでの研究成果（白石ほか 㻞㻜㻞㻝）と今回の研㻌

究結果を総合すると、弥生時代の人々は日常的に米図 䢳䢢 分析対象とした土器の使用痕跡䢢

を利用していたことは間違いない。さらに、魚（特に、㻌

海産魚介類）の利用頻度も非常に高いことが明らか引用文献䢢になった。つまり、まず間違いなく「米と魚」の食文化

白石哲也㻘㻌 藤田三郎㻘㻌 柴田将幹㻘㻌 堀内晶子㻘㻌 宮内

は弥生時代に成立していたと言える。しかし、内陸部

信雄㻘㻌 吉田邦夫㻘㻌 宮田佳樹 㻞㻜㻞㻝「奈良県清水風では淡水魚を利用する地域と白岩遺跡のように、陸遺跡の食と調理－土器使用痕分析と脂質分析か獣系が多くなる地域があることが見えてきた。この背ら－」『日本文化財科学会第 㻟㻤 回大会研究発表

景には、遺跡の立地環境や技術力の問題が考えら要旨集』㻘㼜㼜㻚㻟㻜‐㻟㻝㻌

れ、灌漑水田の技術が未熟であったり、規模が小さ〔発表論文〕䢢

い場合には水田漁撈などで十分な魚類が取れない

１． 白石哲也・佐藤兼理・宮田佳樹・宮内信雄・堀内

可能性も考えらえる。その場合は、陸獣が主なたんぱ

晶子・小澤仁嗣 㻞㻜㻞㻟「神奈川県間口洞穴遺跡出く質源になるのだろう。一方で、高い灌漑水田技術を

土土器の脂質分析」『日本文化財科学会第４０持つと考えられる遺跡では、魚類の利用割が非常に回記念大会研究発表要旨集』㻘㻌 㼜㼜㻚㻞㻞㻞‐㻞㻞㻟㻌

高い傾向を示しており、今後の精査が必要である。㻌

２． 白石哲也㻘㻌 小泉祐紀㻘㻌 梶山倫裕㻘㻌 篠原和大㻘㻌 宮㻌

内信雄㻘㻌 堀内晶子㻘㻌 宮田佳樹 㻞㻜㻞㻟「登呂遺跡出

さいごに㻌

土土器の脂質分析から見えてきたもの」『日本考㻌 本研究により、弥生時代の食文化として、米と魚の古学協会第 㻤㻥 回総会要旨集』㻌

食文化の基本が成立し、かつ海産魚介類への志向

３． 㼀㼑㼠㼟㼡㼥㼍㻌 㻿㼔㼕㼞㼛㼕㼟㼔㼕㻘㻌 㻷㼍㼦㼡㼔㼕㼞㼛㻌 㻿㼔㼕㼚㼛㼔㼍㼞㼍㻘㻌 㼅㼛㼟㼔㼕㼗㼕㻌性の高さが確認された。しかし、集落の環境などによ㻹㼕㼥㼍㼠㼍㻚 㻲㼛㼛㼐㻌 㻯㼔㼍㼚㼓㼑㻌 㼕㼚㻌 㼠㼔㼑㻌 㻱㼍㼞㼘㼥㻌 㻭㼓㼞㼕㼏㼡㼘㼠㼡㼞㼍㼘㻌って多様な食文化も見えてきた。㻌

㻵㼚㼕㼠㼕㼍㼠㼕㼛㼚㻌 㼕㼚㻌 㻿㼛㼡㼠㼔㼑㼍㼟㼠㼑㼞㼚㻌 㻶㼍㼜㼍㼚㻘㻌 㻞㻥㼠㼔㻌 㻱㻭㻭㻌㻌 今後、さらにデータの蓄積を行っていくことで、これ㻭㼚㼚㼡㼍㼘㻌㻹㼑㼑㼠㼕㼚㼓‐㻭㼎㼟㼠㼞㼍㼏㼠㻌㻮㼛㼛㼗㻘㻌 㻞㻜㻞㻟㻌123【助成 40 - 60】

森林伐採と気候変動の飲み水のアクセスへの影響：高解像度衛星データと GPS 付き人口健康調査による分析研究者 筑波大学人文社会系 教授

内藤久裕〔研究の概要〕
安全な飲み水へのアクセスは SDGs6 の中でも主張されているとおり、人間らしく生きていくために本質的に必要なことである。本稿では、気候変動によって、降水量が減少した場合、安全な飲み水へのアクセスの変化が森林あることによって、どれほど緩和されるのか、あるいは緩和されないのかを、衛星データと Demographic Health
Survey(人口健康調査)というマイクロデータを用いて分析した。これまでの持続可能性研究の分野では、森林の老が河川の水の量にどのような影響を与えるかの物理的な分析は行われてきたが、社会科学の見地から、世帯の安全な飲み水へのアクセスがどのように影響をあたえるかの分析は行われてこなかった。本稿では、気候変動
による降水量が変化した場合に、周りの森林面積の大小が、安全な飲み水へのアクセスにどのように影響をあたえるのかを分析した。分析対象は、安全な飲み水へのアクセスが重要サブサハラアフリカ２０か国とした。

〔研究経過および成果〕
分析にあたり、全世界ベースのマイクロサーベイである人口健康調査を用いた。サンプルは、１９９６から
２０２０年まで使い、サンプル数は 138,444 世帯であった。本来人口健康調査は、単年度のクロスセクション
データであるが、同じ国内での複数のクロスセクショ
ンをプールし GPS 情報を使って、異なる年の異なった集落の GPS で測った距離が５ｋｍ以内であれば、ほぼ同じような集落であるとして、おなじ集落インデッ
クスを付与し、データをパネル化している。悔過として、

図 1

サ ンプ ル 集 落 図

図１が分析に使った集落の地図である。このような操作により仮想的な集落を長い期間観察することが可分析における被説明変数は安全な飲み水へのアク能になった。それにより、これらの集落周辺での森林セスがあるかどうかを表すダミー変数で本稿のデータ

伐採が進んだ場合に、安全な飲み水へのアクセスがでは、約６割の世帯がそのような安全な飲み水にアクどのように変わるかの観察が可能になった。図１が本セスがあると答えている。分析における主要な説明変研究の分析でつかわれた集落の分布を表す地図で数は各集落における半径７．５ｋｍの円における森林ある。

の比率である。森林面積には、衛星画像とＧＰＳ情報124

をつかい、各集落の中心から半径 7.5 キロの円をかい、そのなかにおける森林面積を計算することによって、森林面積と森林面積比率を計算した。その計算を毎年おこない、その結果森林面積比率が変化した
場合、降雨量が飲み水へのアクセスにあたえる影響がどのように変わるかを分析した。たとえば以下の図は、マラウィにおける森林の変化量である。

図 2

マラウィにおける森林伐採

このように森林面積が変化していくときに、飲み水へのアクセスがどのように変わるか観察することにより、降水量が変化したときに飲み水へのアクセスがどのように変わるのかを検証できる。
推定方法としては時間固定効果と集落固定効果を含んだＯＬＳを用いた。コントロール変数としては、世帯
主の年齢、教育年数、世帯人数、世帯資産の有無、
家の材質、子供の数を用いた。 表１が基本統計量である。表２が推定結果である。表２は、降水量の１ｃｍの増加は、安全な飲み水へのアクセスができる確率を 0.07 パーセンテージポイント増加させることを示し、それは統計的に１パーセントで有意である。一方
森林の面積および森林の面積と降水量の交差項は、〔発表論文〕

予想に反して、安全な水への影響を与えないことが現在原稿を準備中です。２⽉末までに完成の予定

分かった。

です。

125

【助成 40 - 61】

感染症予防難易度の高い社会福祉施設における環境特徴量抽出と空気質管理方法に関する研究

電気通信大学 i-パワードエネルギー・システム研究センター 教授

横川 慎二

電気通信大学 国際社会実装センター 特任教授
産業医科大学 産業医実務研修センター 准教授

石垣 陽

喜多村 紘子〔研究の概要〕感染症予防難易度の高い社会福祉施設における空気質管理のために，実際に感染症クラスタが発生した施設
における現地調査（フィールドワーク）による環境特徴量の抽出と，空気質管理方法について検討した．換気量だ
けでは定義出来ないリスクをトレーサガス法，熱流体シミュレーションなどで明らかにした．それらの結果に基づき，自己診断と改善のツールとしての感染症対策レベル表を設計，提案した．さらに，CO2 濃度の時系列データからエ
アロゾル感染リスクを定量判定する手法を開発した．これらの結果は，動画やガイドブックとして広く展開している．

気流によるものであることを明らかにした 4)．

〔研究経過および成果〕
これまで我々は，COVID-19 の感染症クラスターがさらに，集団検診に用いられる循環器健診車（レン発生した職場への立ち入り調査を多数行い，いずれトゲン車）内の換気に関する調査も行った 3)．自動車

も施設管理または安全組織運営に何らかの問題を抱は建築基準法の対象ではないことや，放射線を扱うこ

えていたことを示した 1, 2, 4, 5)．製造工場で発生した感とや，受診者が軽装となる必要があることなどから気染症クラスターの調査では，当時の１時間あたりの換密性が高く，季節に応じて適切な換気経路を確保す

気量（Air Change per Hour; ACH）が平均で 0.73 回る必要があることを，トレーサーガス法による実験や，/h であり，厚生労働省が推奨する 2 回/h を下回るこ

熱流体シミュレーションなどで示した．

とがわかった．また，換気経路の確保などの対策により 3.41〜8.33 回/h まで改善することができた５）．

クラスターが発生した保育園の調査においては，換
気設備，窓，布団の位置に依存して昼寝時に発生し典型的な社会福祉施設として，50 人を超える感染た局所クラスターの事例に遭遇した 6, 8)．社会福祉施者が報告された宮城県の高齢者介護施設で実施した設は施工から長年経過した建物を使用していることが調査では，居室の ACH が 2.0〜6.8 回/h であったも多く，一般の飲食店や事務所の対策が適用し難いこのを，窓開けなどの低コストの介入によって 2.2〜5.7

とも判明した．また，COVID−19 により職員の業務負倍改善することができた．さらに，感染者が滞在する

担が大幅に増加しており，対策効率を上げる支援策

個室から多数の入居者が集うデイルームへのエアロの必要性が非常に高い場所ともいえる．このような制ゾル移流を，CO2 センサーネットワークを用いた測定と約の多い場所では，ファシリティの改善だけでは改善

熱流体シミュレーションで確認し，集団感染の要因がが難しく，マネジメントから現場に至るまでの業務オペ

126

レーションの自律サイクルの体制構築し，全国の施設

３． 齋藤彰，石垣陽，横川慎二，川内雄登，田中晴にノウハウを展開する必要がある．空気質改善に向け

美，浅野美穂，小川美紀，石川正悟，高橋里美，た活動を支援するフィードバック機能を持ったオンライ

齋藤泰紀; “CO2 センサを活用した循環器健診車

ン診断システムを開発し，その効果を検証した 6)．

内の換気可視化の検討,” 日本人間ドック学会誌,

また，センサーデータを用いた客観評価として，さVol.37, No.4, pp.699-707 (2022).

まざまな業態の場所において観測された CO2 濃度変４． Yo Ishigaki, Shinji Yokogawa, Yuki Minamoto,

化のデータを用いた時系列クラスタリングにより，観測

Akira Saito, Hiroko Kitamura, and Yuto Kawauchi;

されるデータが４つのクラスタに分けることができること，“Pilotその違いを生じる要因には「クローズドスペース」，「呼Transmission in a Geriatric Care Facility Using

気が溜まりやすい空間」，「空気の澱みの発生しやす

Carbon Dioxide Tracer Gas: Case Study,” JMIRさ」などの環境特徴量が影響することがわかった．また，Form. Res., Vol.6, e37587 (2022).

EvaluationofPossible

Airborne

ナイーブベイズ分類器を用いて，測定されたデータか

５． Hiroko Kitamura, Yo Ishigaki, Hideaki Ohashi,ら属するクラスタを推測する方法を示した 7)．これらのand Shinji Yokogawa; “Ventilation improvement

方法に基づいて，CO2 センサーの時系列データのみ

and evaluation of its effectiveness in a Japaneseによって，感染症リスク診断を行うことが可能となる．

manufacturing factory,” scientific reports, Vol.12,以上の研究結果を広く社会還元するために，現場の担当者に向けた解説動画やガイドブックとして編集

17642 (2022).
６． 横川慎二, 石垣陽, 喜多村紘子, 齋藤彰, “感染し，無償で公開して成果を展開している 9)．

症予防難易度の高い社会福祉施設の空気質管〔発表論文〕

理,” 第 14 回横幹連合コンファレンス, E-1-3 (202

１． Shinji Yokogawa, Yo Ishigaki, Hiroko Kitamura,

３).

Akira Saito, Yuto Kawauchi, and Taisei Hiraide;

７． 川内雄登, 横川慎二, 石垣陽, “CO2 センサを用“Estimation of air change rate by CO2 sensor

いたフィールドワークと時系列データ解析に基づ

network in workplace with COVID-19 outbreak,”くエアロゾル感染リスク診断,” 第 31 回日本信頼

Environmental and Occupational Health Practice ,性学会春季シンポジウム, S2-4 (2023).

Vol.5, 2023-0007-OA (2023).

８． 横川慎二, 石垣陽, 喜多村紘子, 齋藤彰, “保育２． Yo Ishigaki, Yuto Kawauchi, Shinji Yokogawa,園・幼稚園・高齢者施設の感染症抑制に向けた

Akira Saito, Hiroko Kitamura, and Takashi

課題と現状分析,” 第 13 回横幹連合コンファレン

Moritake; “Ventilatory effects of excessive plastic

ス, B-3-2 (2022).

sheeting on the formation of SARS-Cov-2 in a

９． 病院の換気対策ガイド（動画版）／保育園の換気

closed indoor environment,” Environmental and対策ガイド（動画版）／高齢者施設の換気対策ガ

Occupational Health Practice, Vol.5, 2022-0024-

イド（動画版）, エアロゾル感染対策ガイド,

OA (2023).

https://www.design4humanity.com/kanki.

127【助成 40 - 62】

小中学生のハイリスクなネット利用行動に及ぼす規定因の研究-個人レベルと学校レベルの分析研究者 奈良女子大学文学部 教授 中山満子

〔研究の概要〕本研究は、小中学生がネット上で知り合った人とコミュニケーションを取ったり、直接会ったりするハイリスクな行動に影響を与えるものとして、学校適応・友人関係といった心理的要因と学校から貸与・配布される情報端末の利用に焦点を当てて調査を実施し、小学生 200 名、中学生 630 名のデータを分析した。また学校による情報機
器の貸与・配布と管理の実態について、学校教員 300 名を対象として調査した。調査の結果、小中学校では学校で情報端末を生徒に配布し自由に使える環境になっていることが多いこと、中学生ではハイリスク行動をとる
生徒の割合に学校差がみられるとともに、学校適応感がハイリスク行動に影響を与えていることが示唆された。

１．背景と目的

２．小中学生に対する調査

今日、小中学生でもスマートフォンやタブレット、ゲ

２．１ 方法ーム機器などを用いてインターネット（以下、ネット）を

主な調査項目：情報機器、SNS の利用、友人関係、利用し、ネット上のコミュニケーションに対するハード

ネット上での交流経験、対面経験。

ルが下がっている。見知らぬ相手とも簡単に SNS 等

方法：小学校 3 校の 6 年生と中学校 7 校の１、２年生でコミュニケーションをとり、その結果、犯罪被害（性を対象に、担任もしくは教科担当教員から回答は任

被害、誘拐など）にあう事件も起きている。しかしネット

意であること等倫理的配慮についての説明ののち、上で見知らぬ人とコミュニケーションをとり（以下、交各自でオンライン調査サイトで回答を行った。その結流経験）、実際に会う（以下、対面経験）といったハイ

果、小学生 200 名、中学生 630 名から回答を得た。

リスク行動についての学術研究はほとんど行われて

２．２ 結果いない。

①情報機器の利用 表１に示す。小学生については、研究では、小中学生のネット上のハイリスク行動

学校による差はほとんど見られなかった。中学生につ（以下、ハイリスク行動）を規定する要因について、学

いては、学校差がみられ、学校で配布されたタブレッ

校や友人関係に焦点づけて検討する。近年の GIGA

トは全く利用せず、学校で配布された PC を利用してスクール構想やコロナ禍の影響により、学校からタブいる率が高い学校が 2 校あった。

レット端末が配布され、配布された端末を学外で利用

表 1 学校外の情報機器利用（％）

することがハイリスク行動につながっていると推察されるため、教員対象の調査も実施し、学校からの端末の貸与や利用、教員の情報セキュリティへの意識にPC（家庭）PC（学校）

タブレット タブレット
（家庭）

（学校）

小学生

28.0

9.5

36.5

55.5

71.5

中学生

20.2

11.7

29.5

51.6

82.9

注）（家庭）は家庭で購入、（学校）は学校で配布

ついても調査する。

128

スマホ

②交流経験、対面経験 結果を表２に示す。小学生

全体で 86％で、高校に比べて小学校（98.7％）、中学については学校による差はほとんどなかった。本調査

校（94％）で高かった。また、ある程度生徒自身がアでは見知らぬ人と実際に会う対面経験を報告したのプリ等をインストールして、自由に使える状態であるとは全体の 1 名のみであった。また、ハイリスク行動と友の回答が 80％を超えており、高校では、娯楽やコミュ

人関係のあり方には関連は見いだせなかった。

ニケーション目的で利用しているとの回答が 30％を中学生については、対面経験があると答えたのは超えていた。一方で、小中学校教員の情報セキュリテ

全体の 4％であり、「誘われたから」「興味があったかィへの意識は総じて高く、情報端末の利用も学習目ら」との回答も多い。これらの生徒は、学校適応感（居的が想定されていることがほとんどであり、教員側の心地の良さ、被受容感）が低いことも明らかになった。

意識は高いことも示された。

またボイスチャットや写真や動画の送受信などのハイ

４．考察

リスクな交流経験の割合には学校差がみられ、ハイリ

小中学生を対象としたハイリスク行動についての調

スク行動の割合が高い学校は、学校で配布された

査と、教員を対象とした実態調査を実施した。その結PC を学外で利用する割合が高い傾向がみられた。

果、多くの生徒が学校で配布・貸与している情報機

限定された学校のデータであるので、慎重な解釈が器を学外で自由に利用していること、ネット上で知り必要ではあるが、学校で配布する機器の利用とハイリ合った人と実際に会うというリスクの高い行動をとった

スク行動との関係について、さらなる検討が必要であ

経験のある生徒は、学校適応感が低いことが明らかることが示唆される。

になった。またハイリスク行動をとる生徒の割合には

表２ 交流経験、対面経験（％）

学校差がみられた。また教員を対象とした調査からは、

テキスト

ボイス

画像・

メッセージ

チャット

動画

小学生

29.5

17.0

8.0

0.5

器を生徒に貸与・配布していること、教員の情報セキ

中学生

46.8

18.1

9.4

4.1

ュリティへの意識は総じて高いものの、実態としては小中学校ではほぼすべての学校で何らかの情報機

対面

３． 教員に対する調査

多くの学校で生徒が自由にアプリをインストールして３．１ 方法利用できることが明らかになった。これらのことから小主な調査項目：学校で情報機器を貸与（配布）してい中学生のハイリスク行動の規定因としては、学校へのるか、どの程度自由な利用を認めているか、教員や適応感の低さと、制限なく貸与された情報機器（特に学校の情報セキュリティへの意識などを尋ねた。

ＰＣ）を利用できる環境があると思われる。

方法：楽天インサイトに委託し、小中高校の教員を対

本調査では SNS 利用者にのみハイリスク行動を尋象に Web 調査を実施し、300 名（小学校 77 名、中学

ねており、オンラインゲームをきっかけにしたものをと

校 84 名、高校 139 名）から回答を得た。

らえることが出来なかったこと、小学校の協力を得るこ

３．２ 結果とが難しく、限定されたデータしか取得できず予定し回答者が勤務する学校において、情報端末（タブレット、PC など）を貸与・配布していると回答した人は129

た分析ができなかったことが課題である。引き続き、小学生のデータを収集して分析する予定である。

【助成 40 - 63】

学校数学における生徒が確率的に推論する授業の理論的・実証的研究㻌
㻌
代表研究者㻌 岡山大学教育学部㻌 講師㻌 㻌 石橋㻌 一昴㻌
㻌
〔研究の概要〕㻌
㻌 本研究の目的は，先行研究でデザインされた実験と理論の往還により確率的に推論する力を育む高等学校数学 㻭「確率」の授業の構成原理を明らかにすることである。この目的を達成するために，文献研究を基本としながら，大学 㻝 年生を対象とした予備研究と，高校 㻝 年生を対象とした教授実験を行った。授業実践の結果，大学生の場合も高校生の場合も，授業者や他の学生・生徒と相互作用しながら，授業の目標を達成することができたと考えられる学生・生徒の存在が確認された。またこの結果から，授業の構成原理を同定した。㻌
㻌
〔研究経過および成果〕㻌

ない。㻌

１． 本研究の背景と目的㻌

あるまちに，㻞 つの病院があります。小さい病院で

㻌 急速に変化する現代社会では，我々市民は不確定

は，一日平均，約 㻝㻡 人の赤ちゃんがうまれ，大きい病さを定量化しながら意思決定しなければならない。そ院では，一日平均，約 㻠㻡 人うまれます。男の子がうまのため，全ての市民に対して確率的に推論する力をれる可能性㻌 㻔かのうせい㻕㻌 は，約 㻡㻜㻑といわれていま身に付けることが要請されている㻌 㻔㻮㼍㼠㼍㼚㼑㼞㼛㻌 㼑㼠㻌 㼍㼘㻚㻘㻌す。しかしながら，㻡㻜㻑以上男の子がうまれる日もあれ㻞㻜㻝㻢㻕。確率的に推論する力とは，「㼇㻝㼉㻌 自然，技術，ば，㻡㻜㻑以下の時もあります。小さい病院では，㻝㻡 人

社会における偶然事象を同定する」，「㼇㻞㼉㻌 そのようなの 㻢㻜㻑にあたる 㻥 人以上男の子がうまれた日を，一年事象の条件を分析し，適切なモデル化の仮定を導間記録しています。大きい病院では，㻠㻡 人の 㻢㻜㻑にあく」，「㼇㻟㼉㻌 確率論的㻌 㻔㼟㼠㼛㼏㼔㼍㼟㼠㼕㼏㻕㻌 状況の数学的モデたる 㻞㻣 人以上男の子がうまれた日を一年間記録してルを構築し，これらのモデルから様々なシナリオと結います。㻞 つの病院のうち，どちらが，そのような日が果を探索する」，「㼇㻠㼉㻌 確率・統計の数学的方法や手多かったでしょうか？㻌

順を適用する」という 㻠 つの力を含む㻌 㻔㻮㼍㼠㼍㼚㼑㼞㼛㻌㼑㼠㻌㼍㼘㻚㻘㻌⚫

大きい病院の方が多かった。㻌

㻞㻜㻝㻢㻘㻌 㼜㻚㻌 㻥㻕。また，その力を育むためには，実験の結⚫

小さい病院の方が多かった。㻌

果から確率の理論値を予測・修正したり，反対に確率⚫

㻞 つの病院とも等しかった。㻌

の理論値から実験の結果を予測したりすることを繰り図  病院問題

返す㻌 㻔実験と理論の往還㻕㻌 学習が重要視されている㻌㻌 そこで本研究では，上記授業を実践し，そこから生㻔㻮㼍㼠㼍㼚㼑㼞㼛㻌㼑㼠㻌㼍㼘㻚㻘㻌㻞㻜㻝㻢㻕。㻌

徒が確率的に推論する授業の構成原理を明らかに

このような背景のもと，石橋㻌 㻔㻞㻜㻞㻝㻕㻌 では病院問題㻌

することを目的とした。この目的を達成するために，文㻔図 㻝㻕㻌 を教材として高等学校数学 㻭「確率」の授業を

献研究を基本としながら，まずは国立大学の 㻝 年生をデザインした。しかしながら，その実践には至ってい対象に予備研究を行い，その結果の分析と考察をし130た。次に，その分析と考察から授業をデザインし直し，徒の存在が確認された。㻌

国立大学附属高等学校の 㻝 年生を対象に教授実験

㻌 例えば，「数学系のサイトを使うのはおもしろい。こうを行った。㻌

いう問題を普段テストで解くような問題におとしこむ㻌㻌

㻔男子が…とかでややこしくなっているけど実際はサイ

２． 授業の概要㻌

コロ 㻝㻡 回ふって 㻥 回以上おもてが出る確率は？と聞㻌 授業の目標は，「確率的に推論する力を働かせるこ

かれているのと同じと考える）㻌 のがむずかしかった」ととができる」と「現実場面で確率の活用を意識するとと答えた高校 㻝 年生がいたことからは，「㼇㻞㼉㻌 そのようなもに，確率を考えるためのモデルとしてのランダム生

事象の条件を分析し，適切なモデル化の仮定を導成器の役割も意識することができる」の 㻞 つである。こく」の活動が実現できたと考えられる。また，「初め問れらの目標を達成するため，まずは現実場面の文脈

題を見た時は，どちらが確率が高いのか，それとも等を意識して病院問題を提示し，実験の結果から確率

しいのか全然わからなくて，どうすればいいのか困っの理論値を予測・修正したり，反対に確率の理論値

たけど，㻼㻯 で試行を繰り返してやることで，実際の確から実験の結果を予測したりすることを繰り返す授業

率を確かめることができて，どうゆう計算をすればいを 実 践 し た 。 実 験 で は ， 㻯㼛㼙㼙㼛㼚㻌 㻻㼚㼘㼕㼚㼑㻌 㻰㼍㼠㼍㻌

いのかがよくわかるようになった」と答えた高校 㻝 年生㻭㼚㼍㼘㼥㼟㼕㼟㻌㻔㻯㻻㻰㻭㻼㻘㻌

がいたことからは，「㼇㻟㼉㻌 確率論的㻌 㻔㼟㼠㼛㼏㼔㼍㼟㼠㼕㼏㻕㻌 状況㼔㼠㼠㼜㼟㻦㻛㻛㼏㼛㼐㼍㼜㻚㼏㼛㼚㼏㼛㼞㼐㻚㼛㼞㼓㻛㻕㻌㻔図 㻞㻕㻌 を用いてランダムの数学的モデルを構築し，これらのモデルから様々生成器をモデルとしたシミュレーションを行わせた。㻌

なシナリオと結果を探索する」の活動が実現できたと㻼㼘㼍㼠㼒㼛㼞㼙㻌

考えられる。さらに，「確率を通して今までの授業にはないような問いで，計算だけでない数学的な思考力を使えたような気がして楽しかった。考え方は複雑でも，式にしてみると意外と単純だったりすることもあり面白かった」と答えた高校 㻝 年生がいたことからは，「㼇㻠㼉㻌 確率・統計の数学的方法や手順を適用する」の活動が実現できたと考えられる。㻌
㻌 またこの結果から，授業の構成原理も同定した。今㻌
図  %1&#2 によるシミュレーション

後はそれを，学術誌の査読等を通して精緻化する。㻌
㻌

㻌

〔発表論文〕㻌

３． 成果と今後の課題㻌

１． 石橋一昴㻌 㻔㻞㻜㻞㻟㻕㻚㻌 実験と理論を往還する高等学㻌 授業実践の結果，大学生の場合も高校生の場合も，

校数学Ａ「確率」の授業：大学１年生を対象とした授業者や他の学生・生徒と相互作用しながら，授業

予備研究㻚㻌 日本科学教育学会年会論文集㻘㻌 㻠㻣㻘㻌の目標を達成することができたと考えられる学生・生㻢㻜㻥㻙㻢㻝㻞㻚㻌131【助成 40 - 64】

個別最適な学びと協働的な学びの一体化を目指したプログラミング教育における学習プロセス評価手法の開発

研究者 九州工業大学教養教育院 教授

山田 雅之

静岡大学情報学部 講師 遠山 紗矢香〔研究の概要〕本研究は，プログラミング教育における個別最適な学びと協働的学習の一体化を目指した．従来の「正解に基づくプログラミング」から，「目標達成と協働的改善を重視するプログラミング」へのシフトが求められている．子供たちの創造的なプログラミングプロセスに焦点を当て、「不適切な手続き」をバグとして分類し、学習プロセスの特徴を明らかにする手法を開発した．本研究では，３つの実践を実施し、①小学生の自由なプログラミング過程でのバグ分類、②プログラミング教室の開催と教育支援者の学習観に関する変容、③小中学生ペアのテキスト型
プログラミング過程の分析，について検討した．

〔研究経過および成果〕

したい，プログラムを作る過程やそれを協働的に改善

プログラミング教育が 2020 年に小学校で開始され，する過程に関する知見が求められていると言える．

一人一台端末を活用した実践が進みつつある．加え

本研究では，創造的なプログラミング実践場面におて，「個別最適な学び」と「協働的な学び」の一体的なける，一見「不適切な手続き」に着目し，それを「バ充実が求められている．両者を踏まえると，プログラミ

グ」と同定してアノテーションすることで，学習プロセス

ング教育における個別最適な学びと協働的な学びをにおいてバグの特徴を顕在化させる評価手法の開発

一体的に引き起こすことで，学習指導要領で求めらを目指した．本研究で子供の学習プロセスに着目しれている「主体的・対話的で深い学び」の実現を目指

た質的な分析結果を蓄積することで，AI 等を用いたした取り組みが求められていると言える．

分析の自動化を進める知見が得られると期待される．

従来のプログラミングにおけるバグを対象とした研究では，正解からどれだけ逸脱するかが主として検討されてきた．ここでは，プログラミングにおいて「与えら本研究では，３つの実践を実施した．
① プログラミング過程におけるバグのアノテーションによる分類れた問題について正解を導く」ことが暗黙のうちに期一つ目の実践では小学生が一人でプログラミングを待されることが多かった．一方で AI が定型的なプログ実施している画面の操作ログを用いて，自由な発想

ラムを自動生成するようになった現代では，自分で設でプログラミングを進める過程において発生するバグ

定したゴールに向けてプログラムを作り，それを協働の事例をアノテーションした．小学生が Scratch を用の中でより良く作り替えていけるような資質能力が重いてプログラミングを実施した際のパソコンの画面を要である．こうした背景を受け，小学校段階から実現

録画した動画データを分析対象のデータとした．ここ132

から，本人の思い描いた実行結果が得られた場合，のビジュアルプログラミング言語を用いていた．しかし思い描いた結果とは異なり，それが良い挙動である

ながら，テキスト型の言語とへの移行には時間がかか場合，悪い場合，思い描いた挙動ではない場合等のることなどが懸念されている．そこで，テキスト型での多様なパターンが存在し，さらに子供達がそれを言

バグ収集も含め，小学生と中学生を対象とした協調語化できていない場合も存在する可能性が示唆され的なプログラミング場面を設定した．実践では，中学た．ここから，創造的なプログラミング課題においては

1 年生と小学 4 年生の兄弟を対象に，先のプログラミ

学習プロセスが探索的になり，それに伴って発生する

ミング教室で用いた課題をテキスト型で実施した．本

バグも多様性が見られることが示唆された．

実践については現在解析を進めているが，先のプロ② プログラミング教室の開催とプログラミング教育支

グラミング教室で実施した同様の課題を対象者はテキスト型でも遂行可能であった．

援者における学習観の変容に関する検討
上記の分析結果を踏まえ，プログラミング教育を支

これらの３つの実践を踏まえ，個別でプログラミング

援する教師側の学習観に着目した．この実践では，課題に挑戦し，そこでの学びの様子も踏まえその後協調的なプログラミング教室を実施し，子供たちのプ

協調的な学習を支援することでより良い実践へとつな

ログラミング過程のデータを収集しつつ，質問紙調査がることが示唆された．加えて，多様なバグについてを用いて情報教育支援士を目指す実習生の学習観

教師や補助者が理解し，学習観を変容させていくことについて検討した．

が重要であると考えられた．

プログラミング教室は九州工業大学で 8 月 26 日に〔発表論文〕

実施した．参加者は小学校高学年（4 年生から 6 年

１． 山田雅之，遠山紗矢香（2023）．小学生を対象と生）の 14 名であった．実践では，プログラミングロボッ

した創造的なプログラミング課題における探索的ト「Root」1 を用いた．子供たちの学習プロセスのデーな学習プロセスに関する検討．日本教育工学会

タについては，動画およびタブレットの画面録画によ2023 年春季全国大会論文集，pp.523-524って，先の分析と同様にバグの分類について解析を２． 山田雅之，遠山紗矢香（2024）．情報教育支援進めている．一方で，支援士を目指す受講生の学習者の養成講座における受講生のプログラミング教

観については検討が進みつつある．本実践を通して，育に関する学習観の変容．日本教育工学会

受講生の学習観は，プログラミングでも子どもたちが2024 年春季全国大会論文集，（印刷中）

主体的に学習していけると言う学習観へと変容した可〔その他：プログラミング教室の開催〕

能性が示唆された．

本助成を活用し，九州工業大学の情報教育支援③ テキスト型のプログラミング言語における小中学

士・情報基盤整備支援士養成講座における支援士生のペアでのプログラミングに関する検討

実習，教育支援士実習の一環として，「第 1 回小学生

先のプログラミング教室および分析では，ブロック型

対象プログラミング教室 “プログラミングロボットを動かしてみよう！”」を九州工業大学において 2023 年 8https://www.irobot-jp.com/root/（2024 年 1 月
24 日確認）1

月 26 日に開催した．

133

【助成 40 - 65】

幼児期の「サウンド・エデュケーション」を支援するアプリケーションの開発と検証

研究者 つくば国際短期大学

講師

仲条幸一

〔研究の概要〕カナダの作曲家マリー・シェーファーによって提唱された「サウンド・エデュケーション」を研究の背景に，レズニックが提唱したティンカリングの概念を参照としながら，アプリケーション＜MimiCanvas＞を開発した。＜
MimiCanvas＞は，幼児が主体的に操作できる UI のもと，絵を描く機能，写真を撮る機能，音を多重録音する機能を実装している。このアプリケーションを搭載したタブレット８台を活用して，C 幼稚園の４歳児クラス 24 名と，５歳児クラス 22 名を対象に，絵あるいは写真と音を統合していく実践を行った。子どもたちの反応や完成された作品から，＜MimiCanvas＞が，学習者の聴く力や表現力の高まりを期待できることを明らかとした。

〔研究経過および成果〕

筆者は，21 名の５歳児を対象に，音楽アプリケーショ

本研究では，カナダの作曲家マリー・シェーファー

ンをティンカリングする幼児の学習にはどのような姿

によって提唱された「サウンド・エデュケーション」を背があるのか，すでにリリースされているアプリケーショ

景としながら，幼児のためのアプリケーションを開発しンを用いた実践を通じて検証した。

実践を行った。研究の経過と成果としては次の通りでまた，幼稚園・保育所・認定こども園における ICTある。

活用の現状を調査した先行研究を概観すると，インタ〔予備的研究〕 アプリケーションを活用した幼児の音ーネットに接続した環境や Wi-Fi を学習用に使える

楽表現を実践するにあたり，Resnick, M.（以下，レズ

状況は，初等以上の学校教育現場に比べて，充分ニック）が提唱するティンカリング（手を動かしながら物に整備されていないことが明らかとなった。

事を試行錯誤するプロセス）の概念を参照しながら，〔 研 究 Ⅰ 〕 研究Ⅰでは，絵の描写，写真撮影，音声

プログラミング概念を含む音楽アプリケーションで遊録音を組み合わせた多機能 Web アプリケーション＜

ぶ幼児の観察を行った。幼児の創造力や思考力を

MimiCanvas＞を開発した。利用する現場は主に幼児育むために，レズニックは「クリエイティブ・ラーニン

教育・初等教育現場とし，教育現場での多様な表現

グ・スパイラル」（創造的な学びのスパイラル）の観点

活動の支援ツールとして提案した。

を示し，創造的なプロセスとして，【発想】（Imagine），

開発したアプリケーション＜MimiCanvas＞は Web【創作】（Create），【遊び】（Play），【共有】（Share），

ベースであり，絵を描く機能，写真を撮る機能，およ【 振 り 返 り 】 （ Reflect ） に 続 き ， そ し て ま た 【 発 想 】

び音を多重録音する機能を備えている。学習者は，（Imagine）へとつながること，そしてこのプロセスは，撮影した写真に絵を描き加えることができるほか，完幼稚園の中で何度も繰り返されているとした。そこで，成した絵もしくは写真に自身の声や身の回りの音を134

録音し，それを視聴する作品を提出することができる。

①の対象者から得ることのできた修正点を実装したの録音機能には，５秒間をループしながらオーディオを

ち，②③を対象とした実践については，それぞれ複生成する多重録音方式を採用し，学習者は最大５ト

数回実施した。次の画面３と画面４は，幼児が＜ラック分（25 秒）まで，５秒間の音声を録音し，１つのMimiCanvas＞を活用して作成した画像と，幼児が録オーディオトラックを生成することが可能である。これ音したデータを抽出し，波形で表示した内容である。

によって，自分達がつくった音の聴こえる絵画作品を

画面３ A グループの作品データ

生成・共有する活動ができる。次の画面１と画面２はそのアプリの一部である。
画面１ トップ画

画面２ 録音中の画面

画面４ B グループの作品データ

また，＜MimiCanvas＞はオフラインでも全ての作業が完結できる動作が可能になるように設計されているため，インターネット環境に依存しない。これにより，リモートエリアやネットワーク接続が不安定な場所

現在，これらの作品データ・実践中のビデオ・発話（例：Wi-Fi 設備のない幼稚園や，屋外等）でもこのア

内容の分析と考察を行っている。また，引き続き，実プリケーションを活用した学習活動が可能となり，教際の教育現場で＜MimiCanvas＞の効果について実

育現場での利用の幅が広がると考えられる。

践を続けていく予定である。

〔研究Ⅱ〕 研究Ⅰで開発した＜MimiCanvas＞をタブ〔 注 〕 アプリケーション＜MimiCanvas＞は，鈴木優

レット８台に搭載し，①幼稚園教諭免許状と保育士資貴氏の協力を賜り開発された。

格の取得を目指す短期大学学生 23 名，②C 幼稚園〔発表論文〕

４歳児クラス 24 名，③C 幼稚園５歳児クラス 22 名を対１． 仲条幸一(2023)「プログラミング概念を含む音楽

象に実践を行った。次にその概略を示す。

アプリケーションの教育的価値―Resnick のティ①を対象とした実践については，②③を対象に実ンカリングに基づく実践と分析―」つくば国際短施するための修正点や改善点といったフィードバック

期大学紀要第 49 輯，pp.35-48．

を得るために行った。またこの＜MimiCanvas＞を活

２． 現在，〔研究Ⅰ〕〔研究Ⅱ〕に関する論文を執筆中用することが，保育における子どもたちの「聴く」というである。口頭による発表と，学会誌への投稿を予営為にいかに貢献できるのか検討した。

定している。

135

【助成 40 - 66】

自閉スペクトラム症児を支援する大学生に対するヒデュン・カリキュラムの効果研究者 星美学園短期大学 准教授 渡邉孝継〔研究の概要〕本研究では，将来自閉スペクトラム症（以下，ASD と表記）児への対人援助職を志望する大学生を対象として、
臨床発達心理領域のヒデュン・カリキュラムを開発することを目的とした。2022 年度から心理系学部に通い、臨床
発達心理学を学び、卒業後に ASD 児の対人援助職を志望する大学生５名と大学院生３名に、ASD 児の行動変容を引き起こす上で必要な専門能力（知識とスキル）を促進する教育プログラムを作成し、実施した。２名の ASD
児への支援プログラムの実施と、事前・事後の事例検討を含む打ち合わせを行う教育プログラムを実施した結果、応用行動分析に関する知識が獲得されること、特に、応用行動分析に関する知識の変動が大きかった大学生・
大学院生は、支援プログラムを経験するに連れて、ASD 児の行動や発言の意図の推測の種類と数が増加することが明らかとなった。

〔研究経過および成果〕

研究成果

研究目的

（方法）参加者は X 大学の心理系学部の３年生３名と自閉スペクトラム症（Autism Spectrum Disorder：以下、ASD）児を援助する職に就くことを志望する大学

４年生２名と修士１年生３名の合計８名であった。なお、参加者 C は、療育施設でアルバイトを行っていた。

生は、学外のボランティアなどに積極的に参加する。

支援プログラムは、30 分の事前の打ち合わせとしかしその場合、ASD 児と関わる体験を得ることがで50 分の ASD 児への支援プログラム、30 分の振りきても、スーパービジョンが脆弱であり、大学生は悩返りで構成された。参加者全員の主な活動は、支みや困り感を抱え易い。この点を解決するために、海援プログラムへの参加と行動観察、記録であった。

外の医学教育システムでは、ヒデュン・カリキュラム

支援プログラムは、１年を通して、合計で 16 回

（Hidden Curriculum）と呼ばれ、一定の歴史がある手実施された。振り返りは、X 大学の応用行動分析

法を用いている。それは、正課外で行われ、大学生を専門とする教員がスーパーバイズを行った。

の専門能力の開発に強力な影響を与える学習形態

研究開始前、終了後に参加者全員へ応用行動分の一型をなしている。以上をふまえ、本研究では将来

析に関する知識を測定する KBPAC の簡易版を実

対人援助職を志望する大学生への臨床発達心理領

施し、評価点の変動を検討した。また、支援プロ

域のヒデュン・カリキュラムの効果を検証することを目

グラムごとに、参加者は学習した内容を自由記述的とする。具体的には、大学生が ASD 児の行動変容した。支援プログラム前期、後期で、テキストマを引き起こす上で必要な専門能力を促進する教育プ

イニングを用いて、共起ネットワーク分析を行い、ログラムの効果を検証することを目的とした。

支援プログラムの効果を質的に分析した。

136

(結果)
参加者
A
B
C※
D
E
F
G
H

学年
経験年数
3年
1年
3年
1年
3年
1年
4年
2年
4年
2年
修士１年
3年
修士１年
3年
修士１年
1年

pre

post

9
18
20
12
17
17
19
12

12
21
21
18
21
18
16
20

変動値
3
3
1
6
4
1
-3
8

図１

自由記述の共起ネットワーク図（前期）

表１ KBPAC の評定値の推移

変動値は、post の評定値−pre の評定値の数値を示している（表１）。ASD 児への支援プログラムの反復参加を実施した結果、変動値は、参加者 G以外が１〜８上昇し、参加者 G のみ３下降した。
参加者の KBPAC の評定値の平均は pre で 15.5、post で 18.375 であり、その差は 2.875 であった。

図２ 自由記述の共起ネットワーク図（後期）

参加者の支援プログラムごとの自由記述では、加した。このことから、支援プログラムの反復参

前期分において、
「対象児」
、
「好み」
、
「話」
、
「学ぶ

加は、対象児の行動や発言の意図の推測・読み取

＋できる」
、
「先生」
、
「SV」
、
「事後ミーティング」

りの数と種類が増加することが明らかになった。

などの単語の繋がりが示された（図１の左側）。後

参加者は、自発的に対象児の見立てを行い、仮説期分においては、前期分に加えて、
「特徴」
、
「変化」
、

を生成するようになったと推測された。以上のこ

「社会性」
、
「発言」
、
「思う」
、
「行動」
、
「視点」な

とから、対人援助職を志望する大学生への臨床発

どの単語の繋がりが示された（図２の左側）。

達心理領域のヒデュン・カリキュラムは、ASD 児

参加者の KBPAC の評定値は、１名を除いて上の行動変容を引き起こす上で必要な応用行動分析

昇傾向であったことから、支援プログラムへの反の専門能力を促進する効果があると指摘された。

復参加は、応用行動分析の知識を向上させると指〔発表論文〕

摘された。参加者 A・B・D・E・H は変動値が３

１． 渡邉孝継（2023）ASD 児を支援する大学生へのヒ以上となったのは、経験年数が１〜２年であり、デュン・カリキュラムの効果－応用行動分析の知

未獲得の知識を得たことが要因であると考えられ識の変容に関する分析－．日本特殊教育学会

た。参加者 C の変動値が１であることは、本研究第 61 回大会（横浜国立大学）．ポスターP３C-４.

開始前から参加していた、療育施設でのアルバイ

２． 渡邉孝継（2023）保育者養成校の大学生へのス

ト経験が影響している可能性がある。また、自由

タッフトレーニングの効果－活動プログラムへの

記述のネットワーク図を前期と後期で比較すると、参加により習得される応用行動分析の知識の分

対象児の行動や発言、特性に関する抽出単語が増

析－．日本人間関係学研究＊査読あり

137【助成 40 - 67】
障害者福祉拠点における利用／支援実態と拠点間連携の研究-共生型地域包括ケアシステムの構築を目指して-

代表研究者 東京電機大学未来科学部 教 授 山田あすか
共同研究者 東京電機大学未来科学部 研究員 古賀 政好〔研究の概要〕本研究では共生型地域包括ケアシステム構築に向けて，東京都の足立区と練馬区でのヒアリング調査から障害者福祉の事業所・施設の利用と連携状況を把握し，障害者福祉の地域でのマネジメントの可視化を明らかにした。
また関東／東北４県の障害者支援施設へのアンケート調査とヒアリング調査から入居者像やニーズの特徴，地域との交流機会や施設間連携などを把握し，施設の重度化と地域課題への取り組み実態を明らかにした。さらにドイツの「多世代の家」の現地調査を行い，多世代交流や地域の実情に応じたプログラム提供の実態を明らかにした。

〔研究経過および成果〕■障がい児者福祉拠点の実態と拠点間連携

現在，高齢者福祉では重度の要介護状態でも住

東京都の各自治体の障がい者登録者数，障がいみ慣れた地域で自分らしい暮らしを人生の最後まで

児・者の各福祉関連サービス事業数を収集し，各自続けられる「地域包括ケアシステム」の構築が進めら治体の支援ニーズと障がい「児・者」の相対的な事業れている。しかし人口減少で物的・人的資源が縮減す

充実度を類型化した（図２）。そして最近隣選択ないしるこれからの社会で地域密着型の支援／ケア体制を

地域内利用を越えた事業所選択や定員不足の相互持続するには障害者福祉の施設や事業所等（以下，補填など，拠点間連携によるネットワークでの支援体

拠点）もまた地域資源として組み入れる「共生型地域制構築に着目し，支援ニーズが【高・中】で，「児・者」

包括ケアシステム（図１）」として再構築し，高齢／障がい／疾病等で何らかの支援やケアが必要な人たちを包摂する必要がある。本研究では多様な支援サービスが提供される障害者福祉の拠点での利用／支援実
態と拠点間連携について，ドイツでの世代等によらない共存の場：「多世代の家」についての調査を行った。

138

の相対的な事業充実度が比較的低い足立区と練馬■ドイツ「多世代の家」での共存の場づくり

区を対象として自治体／ネットワーク基点／事業所へ

ドイツ連邦政府が 2006 年に地域交流を促進し，誰のヒアリング調査を行った。足立区では中心となるセもが気軽に参加できる場「Mehrgenerationenhaus（以ンターを構えて連携等を図り，練馬区は４つのエリア

下：多世代の家）」を開始している。約 530 事例のうちそれぞれにセンターを設置し，各エリアで支援体制をの９事例への現地調査を行った。多世代交流だけで整えていた。ともに事業所間連携や利用者のマネジメ

なく，周辺地域の実情に応じて，世代ごと，障害者，ントの可視化が行われており，地域の支援体制を明

移民・難民，ユダヤ人家系などへの多種多様なプログ

快とし，障がい当事者だけでなく支援者も支援しやす

ラムも展開されている。一例である高齢者住宅併設例

い環境がつくられている。地域全体で障がい当事者

ではウィンターガーデンと呼ばれる中庭とサンルーム

を支える環境として，区内で事業所ネットワークを構築（図４）で活動を行っている。日本の高齢者施設や障し，事業所間での連携を促し，区内に限らず区外の害者施設にしばしば置かれている地域交流スペース

自治体，事業所・施設間での連携が重要と考える１）。

も，属性によらない共生型の地域包括ケアシステムの■障害者支援施設の重度化と地域拠点機能一環であるプログラムとして「多世代の家」のような活地理的条件が異なる関東地方と東北地方から「比動の展開可能性が期待できると考える。

較的大規模な施設」の比率に着目して，比率が高い〔発表論文〕A 県（東北），C 県（関東）と比率が低い b 県（東北），d

１． 梶川龍星・入佐奈都実・古賀政好・山田あすか：

県（関東）」の４県の障害者支援施設へのアンケート調

東京都の障がい児者福祉拠点における利用/

査とヒアリング調査を行った。比較的大規模施設の割支援実態と拠点間連携の研究 ‐足立区と練馬区合が高い県では重度・高齢の入居者が多く，グルーの障がい児者拠点の現状分析‐，日本建築学会，

プホームへの移行が困難な状況にあると考えられる。

地域施設計画研究 41，pp.319-326，2023.7

地域との連携・交流機会（図３）では地域の障がい児

２． 柳田紗希・古賀政好・山田あすか：関東/東北地者・高齢者を対象としたサービスや施設内外問わない

方４県における障害者支援施設の重度化と地域交流や高齢者への支援やこどもの居場所づくりといっ拠点機能に関する研究，日本建築学会，地域施た地域課題への取り組みがみられる。今後，地域が設計画研究 41，pp.337-346，2023.7

抱える課題への取り組みが施設にも求められるなかで，障がい者支援を主たる事業としながら地域の実情に応じた拠点機能の展開が必要になると考える２）。

139【助成 40 - 68】

移民第二世代のオートエスノグラフィー

研究代表者 早稲田大学人間科学学術院 教授

樋口直人

研究分担者 長崎大学多文化社会学部 准教授 南誠
桃山学院教育大学人間教育学部 准教授 オチャンテ・村井・メルセデス・ロサ
LEC 会計大学院大学准教授 劉昊
奈良学園大学人間教育学部 講師 オチャンテ・カルロス
中部大学人文学部 助教 王昊凡
東京都立大学国際センター 特任助教 ラファエラ・オリバレス・ヨシイ獨協大学 非常勤講師 小波津ホセ
明治学院大学 非常勤講師 白晧
大阪大学大学院人間科学研究科博士課程 大川ヘナン
一橋大学大学院社会学研究科博士課程 山崎哲〔研究の概要〕本研究の目的は、移民第二世代の研究者が自らの経験を分析する、「オートエスノグラフィー」という手法を用いて、次の２点に取り組むことにある。(1)マジョリティの研究者が問うてこなかった論点を自らの経験をもとに提示し、従来の研究とは異なる問題設定と知見を導き出す。(2)第二世代自身の執筆による論文集を刊行し、移民は研究対象であるのみならず、研究主体でもあることを可視化する。そのため、研究代表者以外は中国系 5 名、ラテン系 5 名の移民第二世代研究者で研究組織を形成し、アイデンティティ・クライシス、パスポート、進学、同胞
社会との軋轢、出自の隠蔽、宗教、次世代への文化継承、帰属意識、ネットワークといったテーマで自己分析を行った。

〔研究経過および成果〕

これを論文の形にまとめていく際に、口頭報告の場を

オートエスノグラフィーという手法は、日本で導入さ何度も設定して論点を整理し、質疑をもとに修正するれるようになってから 5 年程度しか経過しておらず、手続きをとることとした。そのため、まず 2023 年 1 月に日本語での先行研究は決定的に不足している。その早稲田大学でシンポジウムを開催し、代表者と分担ため、まず英語を主とした文献購読と検討会、実際に者全員が報告した。次に、６月の AAS-in-Asia 会議

オートエスノグラフィーを書いた経験のある外部講師

で大川、山崎、ヨシイが報告した。また、７月の ASCJを招聘して討議するといった形で進めていった。それ

会議でオチャンテ・ロサ、大川、山崎が報告した。最をもとに各自が分析するテーマを決めて、自己の経後に、2024 年 2 月に長崎大学でシンポジウムを開催

験を思い出し資料を集めて文脈も含めて再現した。

し、王、オチャンテ・カルロス、ヨシイが報告した。

140

こうした過程を経て、テーマを変更・微調整し逃されてきた傾向が強くあるため、その意味でもつつ以下のようなテーマで書き進めることになっ当初の予想以上の知見が得られたと評価している。

た。
「生活世界」（南）、「アイデンティティ・クラ

第三に、こうした知見を受けて、代表者の樋口イシス」（白）、「同胞の裏切り」
（劉）
、
「出自の隠

が担当する序章も、オートエスノグラフィーの一蔽」（山崎）、オチャンテ「世代間の文化継承」（オ

般的なレビューを書く方針から変更した。すなわ

チャンテ・カルロス）、「宗教的アイデンティティ

ち、こうした第二世代の痛みは従来の研究が看過の継承」（オチャンテ・ロサ）、「日系の再構築と帰してきた論点であり、問われなかった経験を分析

属意識」
（小波津）
、
「移民二世における継承語の役

して言語化する「サバルタン・オートエスノグラ

割」（ヨシイ）、「大学進学」（大川）。

フィー」としての意義を強調する必要がある。

本研究の目標は、移民第二世代を書き手とする

第四に、討議の過程で生じた課題として、経験

オートエスノグラフィーの論集を刊行し、「書き手を言語化する際に必要な概念の問題がある。オーとしての移民第二世代」を可視化することにあっトエスノグラフィーを単なる個人的経験の語りでた。その目標に向けては着実に進んできたが、そ済ませず、個々の経験の普遍性を言語化するには、れ以外に 4 つの点で当初予想していなかった知見

社会理論や社会哲学の概念を援用する必要がある。

が得られた。

具体的には、ベンヤミンの想起、ゴフマンのカバ

第一に、ほぼ全員のメンバーが自らの「痛み」

ーリング、シュミットの主権、ルーマンのシステを取り上げ、かつ３分の２くらいが痛みを主題とム分化と適応といったアイデアが出されている。

している。マイノリティ性を持つ者がオートエス

こうした古典の思考を援用することで、議論に普ノグラフィーを書くときには、マイノリティ性ゆ遍性と深みを与えてオートエスノグラフィーの可えに経験した痛みを言語化することの必要性を示

能性を最大限に提示することが、最終的な成果刊している。これは、婚活や就職支援といった形で行に向けた課題となる。

近年刊行されている日本人のオートエスノグラフ〔発表論文〕

ィーにはない特徴で、それが最終的な成果のイン

１． 南誠「オートエスノグラフィの実践と中国帰国者のパクトを高めるものと思われる。

アイデンティティの問い――個人史研究の可能

第二に、一般に進学率が高くモデル・マイノリテ

性をめぐって」『日中社会学研究』30 号、2023 年

ィと言われる中国系の第二世代の方が、痛みを伴２． 大川ヘナン「『当事者』と『研究者』の関係を問いう悩みを主題として取り上げていた。ラテン系の直す――移動する『私』のオートエスノグラフィー

場合、実存的な問題よりは生活苦や進学の困難とを手がかりに」『異文化間教育』57 号、2023 年。

いった経済的問題が背景にあるため、痛みの性質

３． 劉昊「“移民創造的場所”的小叙事――基于自が異なる。ラテン系のメンバーが、中国系の人は

我民族志的论述」『国際社会科学』40 巻 3 号、

何でそんなに悩むのかと驚いていたのが、印象的

2023 年。

であった。中国系第二世代の問題は、これまで見141【助成 40 - 69】

デジタル時代におけるヒト固有なコミュニケーション方策の変化予測

文部科学省 事務官

阪口 幸駿

〔研究の概要〕デジタル化が叫ばれ高度に情報化されつつある昨今の潮流では、経済的な豊かさを増強させる一方で、本来アナログな生き物であるはずの人間の、「人間らしさ」や「人間性」の喪失につながることが懸念される。したがって、「加速度的に進展する高度なデジタル社会やそれを後押しするデジタル技術」と、「心の豊かさが担保された環境下でのつながりの維持」の両立は、現代社会における喫緊の課題であり、“人間本来コミュニケーション”の
持続可能性向上を目指す新たなコミュニケーション様式の模索とその精緻化が不可欠となる。そこで本研究では、「人間らしさ」や「人間性」といった定義が曖昧で且つ定量化が困難な概念をどのように理解できるか学際的に整理し、わたしたち人間がそもそもどのような認知・心理的特徴を持つ固有な生物であるのか捉え、コミュニケーシ
ョンにおいて、どの部分でデジタルとの親和性を低下させてしまう可能性があると考えられるのか、探究した。

〔研究経過および成果〕

ションを実施した。

【研究方法】【研究成果】

研究方法としては主に、①文献調査と②研究会開

コミュニケーションを巡る有名な考え方の１つに、シ催、③セミナーシリーズの３つを実施した。①まず文ャノン・ウィーバーが提案した情報通信のコミュニケー

献調査では、コミュニケーションにおける人間固有なションモデルがある（Shannon & Weaver, 1949）。この

認知・心理的要因とそのメカニズムについてテーマド

モデルではコミュニケーションの送信者は伝えたい情

リブンな発想に基づき、心理学、哲学、言語学、知能報を何らかの媒体に符合化し、それを受け取った受情報学など分野を問わず、幅広く学際的に調査を行

信者はもとの情報に復元して情報を得るといった、った。②研究会では、2 個体間以上の間におけるコミ「情報伝達」の側面に注目している。このモデルではュニケーションに関する発表を募り、2 回の開催で合コミュニケーションという曖昧な行為を定式化し、シス

計 21 名からの知見の提供を受けた。また、研究会内

テマチックに理解可能とさせる反面、このような古典

部で「デジタルコミュニケーションとアナログコミュニケ的な見方では人間行為における何か重要な要素をーションのギャップ」に関するワークショップを開催し、見落としている可能性もある（三木、2022）。

参加者同士による議論を重ね、意見交換を行った。

例えばわたしたち人間は日々顔を合わせる際には③セミナーシリーズでは、コミュニケーションや最新の挨拶を欠かさないし、2 人以上で集まって時間をもて

デジタル・人工知能の動向に詳しい専門家を招聘し、遊ぶ際には、そこに自然と雑談がはじまる。このような多様なジャンルからの合計 22 回におよぶ連続講演と、コミュニケーション形態を考えてみると、ここではいっ

今後のコミュニケーションの在り方に関するディスカッ

たいいかなる「情報」を伝達していることになるのであ142

ろうか？そこには情報性は皆無であって、目的もなく、さんが何を考えている」と考えているか」がわかる）のあるのは社交性のみであると想定される。人類学者

実行が不可能とみられるヒト以外の動物では観察さのマリノフスキーはこれを交感的コミュニケーションとれず、また、現状の人工知能においても未だヒトと同呼び（Malinowski）、情報伝達機能をほとんど持たな等のレベルには達しておらず、ヒト固有であると考えいような言葉のやりとりがあるのではないか、と主張し

られる。

ている。

デジタル社会では情報伝達が加速する一方で、人また別の視点では、あなたとわたしで明日から毎日と人とをつなぎ合わせる「情報伝達を目的としない」コ

ジョギングをしようと約束したとする。これはわたしから

ミュニケーションの機会が少なくなってきている。相互

あなたに誘いかけたという意味では情報の伝達というの了解は相互の承認をもたらすことから、現代では翻側面も一部内包されるが、しかし重要なことに、あなって、つながりの希薄がＳＮＳでの攻撃行為などといたとわたしとで共同の約束事（ジョギングする）を形成

った、存在承認のための欲求行為の発露となってみし、それを互いに「了解する」という行為には、情報のられるのかもしれない。したがってデジタルツールで伝達以上の機構と作用がはたらいていると考えられる。

これを補完するしくみの実装が急務であり、特に、最哲学者のギルバートはこのような行為を、共同コミット

近著しい技術革新を見せる人工知能への心の理論

メントと呼んでいる（Gilbert, 1989）。

の実装が、期待される。

本研究では、交感的コミュニケーションや共同コミ〔発表論文〕

ットメントはじめとした、情報伝達では説明しきれない１． 阪口幸駿、『危ぶまれつつある人間本来コミュニ

人間固有な心的作用について観察し、それらの間のケーション』、第 1 回デジタルコミュニケーション

共通項の抽出を実施した。その結果、これらのコミュ研究会、2023

ニケーションの根底に、「わたしたちを主語とする 2 重

２． 阪口幸駿、『「ヒトらしさ＝概念化×象徴性×階層の入れ子構造的心理」を構築させる機構が存在する

性×共同志向性」か？―ヒトと動物や機械とを分ことを提案した（図１；阪口、2024）。

ける認知機能群解明のための基礎的考察 2―』、
日本心理学会第 87 回大会、2023
３． 阪口幸駿、『ヒトってどうやってつくるの？―ヒトに固有な認知機能群の探求―』、第 10 回認知科学
若手の会ワークショップ、2023
４． 阪口幸駿、『共調をまとめよう―多分野を統合した新しい学問体系の構築』、第 5 回共調的社会
脳研究会、2023
５． 阪口幸駿、富田健太（編）、『「合う」のメカニズム

図１ 2 重の入れ子構造的心理と相互了解
この機構は 2 次の心の理論（わたしは「A さんが「Bを科学する ——影響し合う「あなた」と「わたし」の心理学』、ミネルヴァ書房、2024143【助成 40 - 70】

熟練の情報科教師に見られる「翻案」の特徴の解明

研究者 崇城大学総合教育センター 助教 古賀 竣也〔研究の概要〕情報科教師を対象とした研究機会の展開を背景に、本研究では知識に焦点を置き、熟練の情報科教師の「翻案」の特徴を明らかにすることを研究の目的とした。そして、教師 4 名を対象とした授業観察と半構造化インタ
ビュー調査を実施し、得られたデータを分析した。その結果、様々な知識を活用しながら「翻案」過程を経て教材を開発してること、「翻案」ではある特定のカテゴリの知識が様々な段階で活用されているというよりは、各段階で活用されている知識カテゴリが異なっていたこと、研修では様々な知識カテゴリを導入しその活用方法を明示的に指導することで、参加者の教材開発に関する能力の成長が促されること、という 3 点が考察された。

〔研究経過および成果〕て質的向上が図れるのではないかと考えられる。

１．研究の背景２．研究の目的

高等学校共通教科情報(以下「情報科」と呼称)は、

教育学の分野において教材開発の過程は、「翻案」

2022 年度から科目「情報Ⅰ」と「情報Ⅱ」が新設され、と呼称される。高校のように教科によって担当する教学習内容が高度化した。また、2025 年度以降の大学師が異なる状況では、この「翻案」に教科の教師の専入学共通テストに新たに出題教科として「情報」が追門性を見出せるため、情報科教師の専門性の一側加される。こうした動向もあり、近年情報科教師を対面に情報科の「翻案」が位置づけられる。また、「翻象とした研修の機会が、様々なところ(文部科学省や案」の過程においては、教師が有する知識の活用が学会など)で展開されている。研修の主な目的は、情重要な役割を果たすことが指摘されてきた。

報科教師の日々の授業改善である。つまり、研修に以上のことを踏まえ、本研究では情報科教師が有参加し様々なアイデアを得て、自身の授業で用いるする知識に焦点を置き、情報科教師の「翻案」の特徴

教材の改善や開発に、それを活かすのである。

を明らかにすることを、研究の目的とした。

一方で、これらの研修の内容をみると、実践した授３．研究の方法

業や用いた教材の紹介が中心である。こうした「でき本研究の目的を達成するために、熟練の(情報科のあがったもの」の紹介だけでなく、「どのようにしてでき授業を長年担当しており、かつ、教科書の編集や研あがるのか」という教材開発の過程も示すことができ究会での発表の経験が豊富な)教師 4 名を対象として、

れば、参加者である情報科教師は教材を開発するた

授業観察と半構造化インタビュー調査を実施した。授めの新たな観点や方法を習得することができるので

業はビデオカメラで撮影するとともに、インタビューのはないだろうか。つまり、情報科教師の教材開発の過音声は IC レコーダーで録音した。インタビューの質

程を明らかにしていけば、情報科の授業改善におい問項目は、「翻案」を構成する「準備」、「表現」、「選144

択」、「生徒の特徴への適応と仕立て」という 4 つの段していたということである。

階を参考にして作成した。作成した質問項目と実際

2 点目は、「翻案」では、ある特定のカテゴリの知識の授業での指導内容などをもとに、インタビュー調査

が様々な段階で活用されているというよりは、各段階を実施した。

で活用されている知識カテゴリが異なっていたという

そして録音した音声を、全て文字として書き起こした。

ことである。「翻案」の各段階で活用される知識カテゴ

次に、意味ごと(話している話題を解釈できる程度ごリが異なっているとすると、教材を開発する過程におと)に分割し、分割したデータごとに、翻案の 4 つの段

いて、情報科教師が有する知識の各カテゴリ間の重階のどこに位置づくのか(もしくはどこにも位置付 か

要度に顕著な差はないということである。具体的には、ないのか)を判断し、データを 4 つの段階ごとに分類し「準備」や「表現」の段階では「身近な事象との結びつた。その後、各段階のデータを再度確認し、情報科

き」や「学習内容の関連」についての知識が活用され教師が有する知識に関する内容を含むデータに「知ていた。一方で、「選択」の段階では「身近な事象との識ラベル」を付けた。これまで本助成申請者は、情報結びつき」についての知識以外に、「体験的な学習」

科教師が有する知識のカテゴリとして 10 種の知識がや「生徒自身で考える方法」についての知識が活用あることを明らかにしてきた。そこで、「知識ラベル」とされていた。「生徒の特徴への適応と仕立て」の段階

してこれら 10 種の知識カテゴリを採用した。最終的に、では「生徒の興味」や「生徒の苦手」についての知識

類似する内容ごとに「知識ラベル」 を整理し、「翻案」に加え、「生徒が意識しないこと」や「生徒の情報科のの各段階でどんな知識が活用されたのかを明らかに捉え方」についての知識が活用されていた。熟練のすることを通して、「翻案」の特徴の解明を図った。

情報科教師は、教科書や身の回りの題材を「翻案」の４．結果と考察4 つの段階の観点から批判的に解釈し、様々な知識

4 名の教師の、分析対象とした単元とそこで用いられた教材の概要を表 1 に示す。調査データを分析した結果、本研究では以下の 3 点が考察された。

を活用して教材を開発しているのである。
3 点目は、自身の教材開発に活かすことを目的とするような研修においては、ある特定の知識カテゴリ

1 点目は、熟練の情報科教師は様々な知識を有し、の習得を目指すのではなく、様々な知識カテゴリを導これらを活用しながら「翻案」過程を経て教材を開発入し、その活用方法を明示的に指導することで、参加

表 1 分析対象の単元と教材の概要

者の教材開発に関する能力の成長(つまり様々な知

ID
A

単元
「情報デザインのプレゼ
ンテーション」(時数:3)

教材
生徒への配布プリント(A4 サイズで計 4 枚)B

「モデル化とシミュレーシ
ョンの実施」(時数:3)

授業中に提示するスライド(計 46 枚)，生徒が編集する Google スライドとス
プレッドシートC「アルゴリズムとプログラ
ミングの導入」(時数:3)

授業中に提示するスライド(計 61 枚)D「プログラミングの演習と発表」(時数:10)

授業中に提示するスライド(計 65 枚)識を活用しながら「翻案」の過程を経て教材を開発できるようになること)が促されるということである。
〔発表論文〕
古賀竣也（2023）熟練の情報科教師の「翻案」過程において関係する知識―情報科教師が作成した教材の構成と意図に着目して―．日本情報科教育学会第16 回全国大会講演論文集，40-41．

145【助成 39 - 03】

局所配位構造・結合状態に立脚した HfO2 基薄膜の強誘電相の安定化メカニズムの解明と強誘電性の向上研究者 熊本大学工学部 教授

木口賢紀〔研究の概要〕本研究では、ZrO2 に 7 配位形成ドーパントである FeO1.5, HfO2、相変態抑制ドーパントである CeO2 を種々の濃度で固溶した薄膜について、組成比と基板による弾性場の観点から、局所配位構造-単斜晶相への相変態抑制
効果の関係を調べた。特に、従来バルク結晶では単斜晶相形成への抑制効果が期待されないと考えられてきた 7 配位形成ドーパントである FeO1.5 をドープした ZrO2 において、初め直晶晶相エピタキシャル薄膜の創製に成功し、強誘電特性の発現を確認した。XRD や STEM による微細組織解析から、6 at%Fe:ZrO2 により直方晶相が約 70%の体積分率と本研究で最大となり、HZO と同様の直方晶相のナノドメイン構造形成を見出した。

〔研究経過および成果〕

が観察さ

(a)

ZrO2 に 7 配位形成ドーパントである FeO1.5, HfO2、れたのに相変態抑制ドーパントである CeO2 を種々の濃度で固対 し 、 Fe

溶した薄膜について、組成比と基板による弾性場の

6 at% お観点から、局所配位構造-単斜晶相への相変態抑制

よ び 14効果の関係を調べた。初めにスパッタリング法でat% で は

YO1.5 安定化(ZrO2)YSZ(001)単結晶基板上に種々の

主に直方組成の薄膜を堆積し、ポストアニールによって固相エ

晶相のナ

ピタキシーを行異、結晶相と配向性を X 線回折ノドメイン(XRD)と電子線回折(ED)により調べた。図１に Fe ドー

構造から

プ ZrO2 に 関 す る 結 果 を 示 す 。 直 方 晶 相 のなり一部

100/010/001 のいずれかの配向でエピタキシャル成にナノサ長していることが分かったが、共存しうる単斜晶相とのイズの単判別が XRD では難しい。ED を見ると 002 反射にサ斜晶相がみられた。しかし、単斜晶相は大きな変形をテライトが弱い存在することから単斜晶も共存する。

伴うことから局所的に巨大な弾性場を発生し、大きく次に、収差補正 STEM 法により Fe 濃度が 0,6,14at%

成長しないと考えられる。直方晶の体積分率は、Fe

試料断面の HAAD-STEM 像(a)-(c)と単斜晶相や直6at%で最大の約 70%に達した。

(b)

図 1 Fe:ZrO2 薄膜の(a) XRD, (b)EDパターン。

方晶相の HAADF 像のシミュレーション像(d)-(i)を図

Fe:ZrO2 と YSZ 基板の間に下部電極として ITO 層

2 に示す。シミュレーション結果とのパターンマッチン

をエピタキシャル成長し、上部電極として Pt 電極を堆グから Fe 0at%では単斜晶相のみからなる双晶組織

積することでキャパシタ構造を作製し、P-E ヒステリシ

146

斜晶相と極性斜方晶相が形成されていることは確認していた。しかし、正方晶相の回折ピークは基板の回折ピークと被っていることか25

x = 0.06

15

x=0

10
5

@10 kHz

-2

0

2

4

6

0
1

図 3 Fe:ZrO2 薄膜におけるP-E 特性。Fe 濃度(a) 0 at%,(b) 6 at%。

ては判別が不可能であった。今回の XAFS 測定から Hf
添加により正方晶相が形成されていることが示唆された。
現在、微小領域から高感度に検出可能なエネルギー損
失吸収端微細構造による解析を進めている。

ス測定を行い、結果を図３に示す。Fe 0 at%では、電本研究では、従来バルク結晶では単斜晶相形成へ場に対して分極がリニアに変化しており、常誘電性をの抑制効果が期待されないと考えられてきた 7 配位形示している．これは図２(a)の単斜晶相単相であること

成ドーパントである FeO1.5 をドープした ZrO2 において、と整合する。一方、6 at%ではややいびつな形状では初め直晶晶相エピタキシャル薄膜の創製に成功し、強あるが P-E ヒステリシスを確認できた。ただし、図２(b)誘電特性の発現を確認した。XRD や STEM による微細から分かるように常誘電相である単斜晶相が 30%程

組織解析から、6 at%Fe:ZrO2 により直方晶相が約 70%度存在することから、常誘電相の線形成分が重畳さの体積分率と本研究で最大となり、HZO と同様の直方れていると考えられる。しかしながら、Fe:ZrO2 におけ晶相のナノドメイン構造形成を見出した。

る直方晶相の形成と強誘電性の発現を世界に先駆

最後に、XANES の測定にご協力いただきました九州

けて実現できたことは大きな進捗であると考えられる。

大学 吉岡聡助教に謝意を表します。

最後に、XAFS による局所構造解析から動径分布を解析し、配位状態を調べた。しかし、Fe:ZrO2 薄膜では Fe の濃度が少なすぎて精密な解析が困難であった。
ここでは、代わりに標準試料である HfO2 と Hf を 50mol%
添加した ZrO2 薄膜における XANES を調べた。標準試料である HfO2 の結果は単斜晶相に起因したスペクトルと類似し、既往研究とも一致したのに対し、薄膜のスペ
クトルにおいて 9577eV に特徴的なピークが観測された。
これは正方晶相に起因したピークであると考えられる。

147

2

3

4

Electric Field (MV/cm) Maximum Electric Field

ら形成の有無につい

図 2 Fe:ZrO2 薄膜における Fe 濃度 0,6,14at%試料断面の HAAD-STEM 像(a)-(c)、直方晶相(d)-(f)や単斜晶相(g)-(i)の HAADF 像のシミュレーション像。

(b)

20

Pr (µC/cm2)

折測定の結果から、単6050 (a)
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-6 -4

Polarization (µC/cm2)

事前測定した X 線回

〔発表論文〕
１．【論文】T. Shiraishi, S. Choi, T. Kiguchi, T.
J. Konno, “Structural evolution of epitaxial
CeO2–HfO2 thin films using atomic-scaleobservation: Formation of ferroelectric phaseand domain structure”, Acta Mater., 235 (2022)
118091.
２． 【招待講演】木口賢紀, 「STEM 観察の基本
原理と強誘電体薄膜のナノ組織解析」, 応用物理学会 強的秩序とその操作に関わる第 17 回夏の学校, 2023.9.24（福岡）.

【助成 39 - 17】

大面積フィルム処理のための大気圧長尺マイクロ波プラズマにおける酸素ラジカル空間分布計測

研究者 名古屋大学 大学院工学研究科 講師 鈴木 陽香〔研究の概要〕近年の電子デバイス製造においては、フィルム上へのデバイス形成など新しい展開が始まっており、これらに伴い革新的なプロセス技術が要求されている。高価な真空容器が不要な大気圧プラズマ装置は次世代のフィル
ムプロセス装置として期待されるが、従来技術では処理速度や処理面積に限界があり、実用化に向けてプラズ
マ生成・応用技術のさらなる向上が求められている。本研究では、申請者が開発を行ってきた長尺の大気圧マイ
クロ波プラズマ装置に関して、酸素ラジカル供給による樹脂フィルム表面のエッチングプロセスにおいて、処理に寄与する活性種の評価と、活性種量とプロセスとの関連を明らかにすることを目的として、吸収分光による酸素
原子密度評価と XPS による表面分析を組み合わせ、大気圧プラズマ照射による樹脂のエッチングレートの妥当性の検討を行った。

〔研究経過および成果〕
図 1 に本研究で製作した実験装置図を示す。
Ar/O2 混合ガスを導波管に導入し、スロット（ギャップMHCL

幅：0.1 mm）から排出する。プラズマは、2.45 GHz パ
ルスマイクロ波電力（ピーク電力：3.5 kW、パルス周
波数：15 kHz、デューティ比：30%）を印加することにより、スロットギャップ内に生成される。ガス純度を向上させるため、スロット付き導波管の両端に気密窓を設置した。マイクロホローカソードランプ（MHCL）からの原子状酸素の発光は、スロット内プラズマから放出されたガス中の原子状酸素に一部吸収され、真空紫外（VUV）分光器で検出される。MHCL と VUV 分光器
は共にドライポンプで排気される。光路の真空シールには MgF2 窓を使用し、吸収長は 2 つの窓の間隔（2.5 mm）で定義される。これらの分光計測系はプラズマ発生用のスリットに対して平行・垂直に走査可能である。

図 1. 実験装置図.
Ar ガスに対しての酸素添加率が 0.07%において、スロットから 5 mm 離れた位置における酸素原子密度の長手方向分布は 60 cm の範囲においてほぼ均一であり、密度は 3×1013 cm-3 程度であった。また、入射電力の増加に伴い、原子密度は単調に増加した。
酸素添加率を 3%として、ガスの流れ方向に沿った空間分布を測定したところ、スロットからの距離が長くなるにつれて酸素原子密度は指数関数的に単調減少することがわかった。この結果を外挿すると、スロットの位置での酸素原子密度は約 1015 cm-3 と推定され148た。また、酸素原子の減少は、ガス吹き出による拡散(a)とガス粒子との衝突による失活であると考えられる。
酸素原子密度の測定結果と、過去に実施された樹脂
エッチング実験との結果を比較すると、処理対象物の位置における酸素原子フラックスは 2×1018 /cm2/sと計算されたのに対し、フィルムからの炭素原子の除去速度/は 4×1017/cm2/s であった。酸素原子のフラックス/は炭素原子の除去速度を上回っており、酸素(b)原子は重要な要因の一つと考えられる。
表面処理中の試料への熱の影響を調べるため、
温度チョークを用いて試料温度を簡易的に測定した。
掃引処理（ステージ走査速度 3m/min）において、処理前 20℃であった試料温度は、プラズマ処理により40～50℃に増加することが確認された。従って、本装置を用いた場合、処理に対する熱の影響は小さく、また、樹脂フィルム試料への熱ダメージはほとんどない

図 2. C1s スペクトルと考えられる。

(a)処理前、(b)処理後.

次に、プラズマ装置下部に設けた搬送ステージ(速結論として、酸素ガスを添加した大気圧マイクロ波

度 3 m/min、スロットからの距離 0.5 mm) にポリイミド

プラズマを用いた樹脂表面処理プロセスにおいては、フィルムを設置し、サンプルに複数回のプラズマ照射

酸素原子が重要な役割を果たしていると考えられる。

処理を行い、処理前後のサンプル表面を X 線電子

また、本研究では温度による反応の促進の影響は示

分光法（XPS）により解析した。図 2 (a)プラズマ処理

されなかったが、基板表面において局所的に生じる

前と(b)プラズマ処理後（プラズマ照射時間 8 s）のサ

加熱の影響も考えられるため、熱量の評価が必要でンプルの C1s スペクトルを示す。プラズマ処理後にある。XPS 分析により、プラズマ照射によって樹脂表

C-O、C=O 結合が減少している。ポリイミドの構造式

面のポリマー構造が破壊され、処理が進行しているこから、C-O 結合は鎖状構造を構成しており、プラズマとが示唆された。

処理を行うことで鎖状構造が破壊されることを示している。また、C1s に対する O1s の割合はプラズマ処〔発表論文〕

理前が 0.16、プラズマ処理後が 0.10 であった。これ

１． 岩田 悠揮、小笠原 知裕、鈴木 陽香、豊田らの結果は、酸素添加アルゴンプラズマの照射によ

浩孝、第 69 回応用物理学会春季学術講演会ってポリイミド表面のポリマー構造が大きく変化してい(2022).

ることを示している。

149

【助成 39 - 49】

マタギの知と技術の継承に関する社会学的研究

研究者 東北大学教育学部 准教授

鷲谷 洋輔〔研究の概要〕本研究は、現代的な文脈においてマタギの知と技術はいかに継承されるかを問いとした。秋田県湯沢市南部の S 氏を対象とする徒弟的なエスノグラフィーを通じ、そこに見られる旅マタギの系譜とからだでの学びを強調する継承形式が観察された。さらに、マタギによる継承のプロセスは、自らの経験に依ること、積極的な教示よりも最低限の安全確保の指示が優位であることが明らかになった。これらをふまえ、知識と経験を重ねつつも、常に変化に開かれたかたちで継承がなされること、そこでは自然環境、人間社会、マタギ自身を含めた事象が可変的にとらえられていることが示された。同時にマタギの知もまた動的な対象として探究する視角が提示された。

本研究の問いタギはいかなる知識を持つか」という体系的な記録以現代的な文脈において、マタギの知と技術はいか

上に、そういった知識がいかに編み上げられ、伝えらに継承されるのか。この問いを本研究の出発点とした。

れていくのかを現在進行形でとらえる試みである。

これまで、マタギは伝統的な狩猟採集の実践者として対象と方法

だけでなく、その独特な習俗も含めて多様な関心をこれまでフィールドワークを続けてきた秋田県湯沢

集めてきている。学術的には、主として民俗学的な見市南部のマタギである S 氏を対象とした。さらに、調査

地からの蓄積がある（たとえば田口 1994、佐藤ら者自らが見習いとして弟子入りし、参与観察を行う徒2004）。その一方で、気候変動や過疎化など、マタギ

弟的エスノグラフィーを行った。調査は 2022 年の 1 月

もまた影響を受けている現代的なコンテクストに即しからおよそ週に 1 度の現地調査を継続した。フィールた検証は限定的である。野生動物と人間の交錯が社

ドでの観察、聞き取りによるデータを整理・検討するこ会問題となっている昨今において、「自然と人間とのとで得られたのが以下の考察である。

調整役としてのマタギ」に学ぶ学術的・社会的意義は

考察

小さくない。

１． 旅マタギの系譜と単独狩猟
フィールドワークの現場において、調査者は「二番弟子」「最後の弟子」として言及されるようになったことなどからも、本調査が徒弟的な関係性の中で進んでいることが示されるだろう。銃を譲り受け、猟に帯同するだけでなく、銃の構え方や道具の手入れ、猟場で以上をふまえ、本研究は現在のマタギを取り巻く現状を整理し、マタギの知の継承に焦点を当てた。「マ150の位置取りから獲物の調理方法などに至るまでの知
識とスキルとが、明示的に、そして丁寧に伝えられている。マタギに関する研究の多くが指摘してきた独特みであり、若くして家長となった環境において手の届

なことばの運用や通過儀礼はほとんどない。おそらくくしかたで家族を養う限られた選択肢であったという

S 氏らがいわゆる旅マタギの系譜に位置づくことがそ事情もある。「自分でできることを自分で拡げていく」との背景にある。S 氏自身が語るように、当該地域のマいう構えが、自らに依って立つマタギとしての習熟に

タギ集団の始まりは、より北部に位置する地域のマタつながっている。この点は、旅マタギが単独ないし少ギ（通称「阿仁マタギ）」の一部が単独、あるいはごく数で猟場を開拓した経緯にも重なっている。

少数で逗留したことに起因している。その折にマタギ

一方後者の特徴は、しないこと（禁止）が強調されるの技術とマタギとしての経脈とが引き継がれたと推測点である。多くの場合、それは危険の抑止（安全の確される。阿仁マタギにみられるような集団での狩猟で保）が求められる場面で生じる。反対に、動きや動作はなく、単独あるいは少数で行う形態が当地で継承さを積極的に促す教示（たとえば「こちらの道を歩いた

れているのも、その経緯を反映していると思われる。

ほうがよい」というようなコーチング的声掛け）は極め

２．自らの体を通じて学ぶて少ない。これらは、最低限度として安全確保が念頭

うちの先祖に教えたのは、月山とか山形の山を専にあることを示唆しているが、そこにはまずは自らが門に歩いてたんだな。そういう人たちの伝達のしかた

動き体験することに任せるという、自らのからだで覚えって、自分で実感して体験して語るから、違うんだよ

ることへの信頼がみられる。習い覚えるべき型を予めな。

示すよりも、為すべきではない事柄を示すことで、為旅マタギの系譜に位置づくということは、教科書的すべき大まかな方向性を示すものである。

な情報ではなく、「自らのからだを通じて学ぶこと」の３．可変性とその継承へ重要性にも通じている。ここでは、＜自らに依る＞とS 氏にとって、変わり続ける環境の前では、教科書いうことと、＜からだで学ぶ＞ということの二つの側面的な情報や過去の経験則は現状を把握する足掛かが重要になる。

りに過ぎない。ここでいう環境とは、自然と人間社会とS 氏が教えるしかたは、明示的な説明（情報）と、大の双方も、さらには老いと向き合うＳ氏自身も含みこ

まかな動きの修正を促すこととに大別できる。山菜の

むような、可変的で重層的なものである。これらを踏ま見分け方やランドマークの説明は前者、きのこの採りえると、マタギの知と技術とは自然との関係性におい方や猟銃の扱いは後者の例である。前者については、てこそ成り立つものであり、不変の伝統ではなく、常S 氏自身がマタギとなり、経験を得た過程そのものがに変化に開かれたものとしてとらえられる。とすれば、徒弟的な指導ではなく、自身による探究に大きく依存

マタギの知に迫る試みには、マタギそのものも変化のしていたことが背景にある。たとえばＳ氏の父方にマ只中にある対象としてとらえ直すことが求められるだ

タギの系譜が認められる一方で、大型の動物を対象

ろう。知識や経験を足掛かりにしつつ、いかにマタギにするような今日知られるマタギの狩猟実践はほとん

は変わり続けているのか。その可変的で動的な実践

どなされていなかったという。S 氏にとって、山とのかが、マタギの知をめぐる今後の具体的な課題となる。

かわりは自らが知る山の境界を一人で拡げていく営

発表論文 未発表151

【助成 39 - 57】

評価表現分析で読み解く医学論文査読者の嗜好と思考：査読自動化へ向けた基盤研究（中間報告）
研究者 福島県立医科大学附属病院臨床研究教育推進部 副部長・特任准教授

大前 憲史〔研究の概要〕論文の質を複数人の専門家で評価する査読の仕組みは、医学エビデンス創出の基盤を成す。しかし、日本
では、臨床医が忙しい臨床の傍ら研究に従事することも多く、査読を学ぶ機会は劇的に不足する。また、査読そのものも、性質上閉鎖的で、実態が不透明な部分も多く、査読教育を行う上での大きな障壁となってきた。本研
究は、実証的エビデンスに基づき現行の査読の実態を明らかにし、効果的な査読教育の開発に繋げることを目的とする。そのため、まず、公開査読制を採用する医学研究雑誌の査読レポートを集積し、査読に特化した膨大な言語表現データベース（コーパス）を構築する。さらに、コーパスを利用して、医学研究のデザインや方法論的枠組みに着目した疫学的分析と査読特有の構造や評価表現に着目した言語学的分析から、査読者の思考や嗜好を質と量の両面から明確化する。

〔研究経過および成果〕

するアノテーションを行った。今回は、公開査読制を

本研究の計画当初の最も大きな目的は、医学論文採用し、かつ 4 大トップジャーナルの１つとして知られ査読に特化したコーパスの構築であった。しかし、る The British Medical Journal (BMJ)に焦点を絞り、2022 年 11 月に米国の Open AI 社が ChatGPT をリリ

BMJ に掲載されたランダム化比較試験（RCT）論文にースしたことを皮切りに、膨大なテキストデータを用い対する査読レポートを解析した。BMJ では一流の査て訓練された先進的な自然言語処理モデルが次々

読者が査読を行うため質の高い査読レポートの入手と登場し、比較的安価で簡単に利用できるようになっが期待できた。また、観察研究と比較して、RCT ではた。訓練に用いられたテキストデータには医学研究

研究の方法論がある程度決められており、査読レポや論文に関するものも多く含まれており、医学分野でートも構造化しやすいことが想定される。さらに、RCTの応用事例もいくつか報告され、さらに自身の使用は医学以外の領域でも広く用いられる研究デザイン

感覚も踏まえ、その性能の高さからコーパス構築の必であり、得られた知見の汎用性も期待できる。BMJ で要性は大きくないと考えるに至った。一方で、このよう出版された RCT 論文のうち、出版時期が最近のもの

な大規模言語モデルを本研究の中でテキストデータから適当に 10 本抽出した（うち、2 本は最初の査読結の言語解析に活用したり、さらには、実際の査読作業

果で Reject と判断されたものを含めるようにした）。査の一部のタスクを担ったりすることもできるのではない読を受ける前の原稿とそれに対する初回の査読レポ

かという仮説に発展した。

ートを BMJ のウェブサイトから PDF ファイルで入手し、我々はまず、研究の第一段階として、査読者コメン

Python を用いて査読者のコメント部分のみ自動的にトを意味的なまとまりに分類し、各パートに意味づけ抽出できるようにした。その上で、2 本の RCT 論文に152

対する計 10 名の査読者コメンに対して 2 名の臨床疫なる工夫や利用の仕方により、人の作業を補完でき学専門家が独立してアノテーションを行った。その後、る可能性が高いことがわかった。

互いの作業結果を照らし合わせたが想定以上に見この結果からは、実際の査読作業自体においても解の相違が多く、言語学および教育学の専門家も加最新の大規模言語モデル活用の可能性が示唆されわって最終的に合意形成がなされた。

た。そこで、我々は査読作業における大規模言語モ

そ も そも 査読 者がコメ ン トす る対 象 は元 論文のデルの有効性を検討した先行研究について文献レビ

IMRAD 形式に依存するので、コメントの対象場所としューを実施した。その結果、医学研究領域では、て、「論文全体」に関するものから、「タイトル」、「抄2023 年 9 月に、少なくとも比較的簡潔な症例報告の録」、「背景」、「方法」、「結果」、「考察」に加えて、査読では ChatGPT の利用が有効である可能性が「図表や補足資料」、「参考文献」や「謝辞」、「そのBiswas らにより報告されていた（ChatGPT and the他」に関するものに分類した。さらに、それぞれの下

Future of Journal Reviews: A Feasibility Study. Yale Jの階層としてより細かな分類を設定し、最も多いもの

Biol Med. 2023;96(3):415-420）。さらに研究領域を広では、「方法」について、「報告の形式」や「研究デザ

げ、医学以外も含めると、Liang らスタンフォード大学

イン」、「解析手法」など、計 38 に細分類した。一方で、の研究チームが Nature 系雑誌 15 誌からの計 3,096

コメントの内容については、「挨拶」、「賛辞・評価」、

論 文 と International Conference on Learning「研究の強みの列挙」、「疑義・懸念」、「査読者の見Representations （ICLR）からの計 1,709 論文につい解」、「統計家の見解」、「改善策の提案」、「重要情報て GPT-4 を用いて査読を行わせ、人間の査読結果との追記や明確化の提案・依頼」、「不適切・不要な記比較した結果が 2023 年 10 月に報告されている（Can

述の修正や削除の提案・依頼」、「事務的報告・指large language models provide useful feedback on

示」、「その他」の計 11 の項目に集約された。

research papers? A large-scale empirical analysis.

次に、医学論文の執筆経験および臨床疫学の専

arXiv:2310.01783）。GPT-4 と人間の査読者による指門性を有し、上記作業には関わっていない臨床医 2

摘の重なりは 30.9～39.2％であったが、人間の査読

名に、査読者コメントをこれらの項目に基づき改めて者間の重なり 28.6～35.3％に匹敵するものであった。

分類してもらった。評価者間の一致割合は平均８０％

さらに、研究者を対象にしたアンケート調査では、回以上と比較的良好な結果が得られ、不一致部分につ

答者の 52.4％が GPT-4 による査読が有用あるいはいても評価者間の議論を通して全て解決可能であっ非常に有用と感じていた。ただし、GPT-4 のトークンた。さらに、同様の分類作業を、今度は Open AI の数の制限などから、本研究では「意義と新規性」、「受API を利用して ChatGPT（モデル：GPT-3.5-turbo）を理される可能性のある理由」、「拒否される可能性の用い、行った。プロンプト上で査読者としての役割をある理由」、「改善のための提案」の４項目についての明示し、分類とともにその理由まで記載するよう指示

み評価されていた。使用したプロンプトも公開されてした。平均一致割合では 50％を下回ったが分類理由

おり、我々は医学論文においても同様の作業が行えの多くは妥当と考えられるものが多く、プロンプトの更ることを実際に確認した。

153

これまでの研究で得られた成果は、下記の論文や学会、講演などの中で報告することができた。今後は、引き続き GPT-4 をはじめとする大規模言語モデルを活用しながら、さらに査読者コメントの言語解析を進

Ethical, Relevant. 日本臨床疫学会第 6 回年次
学術大会. 2023 年 11 月. 東京.
４． 大前憲史．ミニ講義. 第 11 回臨床研究てらこ屋
in 福島. 2023 年 9 月． オンライン.

め、特に統計査読者や患者査読者など、査読者の立５． 大前憲史. 量的研究論文、私はこう書く. PCR

場の違いがコメントの対象や内容にどのような影響を

Connect 2022. 2022 年 12 月. オンライン.

与えるかに着目していく。さらに、特に日本の臨床家

６． 大前憲史. 研究論文のどのパートが最も重要なが論文執筆の際、簡単ですぐに参照できるようなの か ？ Introduction,

Reviewer at Hand といった仕組みを実装できるよう引

Discussion. 日本臨床疫学会第５回年次学術大

き続き研究を進めていく。

会. 2022 年 11 月. 東京.

Methods,

Results,

７． 大前憲史. 効果的な論文査読を行うために知っ〔発表論文〕ておきたい重要な視点. 日本老年看護学会第１． 大前憲史. Cutting Edge 論文解説：Longitudinal

27 回学術集会. 2022 年 6 月. オンライン.

Associations between Concurrent Changes inPhenotypic Frailty and Lower Urinary Tract
Symptoms among Older Men. 排尿障害プラクテ
ィス（メディカルレビュー社） 第 31 巻第 2 号. 2023
年 12 月.
２． 大前憲史. 効果的な論文査読を行うために知っておきたい重要な視点. 老年看護学（日本老年看護学会） 第 27 巻第 2 号. 2023 年 1 月.

〔発表学会・講演・セミナー〕
１． 大前憲史. まるわかり！医学論文査読のお作法
その① 査読ってなに？ Dr’s Prime Academia.
2024 年 2 月. オンライン.
２． 大 前 憲 史 ． デ ー タ ベ ー ス 研 究 初 級 者 が 学 ぶ
Clinical Question から Research Question へ. 第1 回疫学初級ウェビナー. 2024 年 2 月. オンライン.
３． 大前憲史. リサーチクエスチョンにおいて何が最も重要なのか？: Feasible, Interesting, Novel,

154

155

【助成 38 - 25】
表現力豊かな音声の声質を決める声門流波形と声道伝達関数特徴の解析

代表研究者 富山県立大学工学部 教授 MOKHTARI Parham
共同研究者 富山県立大学工学部 講師 森川大輔
共同研究者 富山県立大学工学研究科 大学院生 河内太一
共同研究者 富山県立大学工学研究科 大学院生 松本幸輝

〔研究の概要〕This research aimed towards automatic analysis and synthesis of speech that is rich in expressivity. In line withthe classical source-filter model of speech production, we sought improvements in the performance of algorithms
designed to separate the influence of the glottal flow and the vocal-tract on the speech signal. We improved abenchmark algorithm for estimation of the glottal flow from the speech signal, and we quantified the relationshipbetween physiological parameters of Titze’s vocal fold model and acoustic parameters describing the shape ofthe simulated glottal flow.

that algorithm. However, the conventional method〔研究経過および成果〕
Aiming toward physiologically relevant analysis,

typically analyses a frame of speech spanningmodelling and synthesis of expressive human voices,30-50 ms, which includes several glottal cycles; it

our research prioritizes automatic estimation of thetherefore suffers from inaccuracy due to the inclusion

laryngeal source (glottal flow) from the acousticof the glottal open phase, during which there is

speech signal, and its synthesis with physiologicalacoustic influence of the sub-glottal tract (themodels and computer simulation methods.
In the mid-term report we summarized our research
results on automatic formant estimation [1], glottal
flow estimation [2][3], and a new database of recorded
voice qualities [4]. Here below, we additionallysummarize our subsequent research results obtainedsince the mid-term report.
Iterative adaptive inverse filtering (IAIF) is abenchmark method for estimating the glottal flow fromthe speech signal, and iterative optimal preemphasis(IOP) has also been proposed as an improvement of

156

Fig.1

Glottal flow estimation error

decreased with closed-phase (CP) analysis [5]glottal flow waveforms, then extracted 3 acoustic
parameters describing the shape of the glottal flow
pulse (OQ, NAQ, and openNAQ). As a result, wewere able to quantify the relationship between the
vocal-fold model (physiological) parameters and theglottal flow (acoustic) parameters [6].
〔発表論文〕
Fig.2

１． 河口竜馬、モクタリパーハム、森川大輔（22021.6）

Titze’s vocal-fold model [6]「ラーモニック減算法を用いたフォルマント周波
trachea) and the glottis itself. We therefore proposed

数の自動推定法の検討」、情報処理学会研究報

to combine the benchmark IAIF algorithm with

告、Vol.2021-SLP-137 No.22、5 pages.

closed-phase (CP) analysis, so that the vocal-tract

２． 平野雄大、モクタリパーハム、森川大輔(22021.9)characteristics and therefore the glottal flow signal「プリエンファシスの適用回数が IAIF に基づく声

too, could be potentially derived more accurately. As

門流推定の精度に与える影響」、日本音響学会

shown in Fig.1, evaluation using the OpenGlot

講演論文集、939-940.

dataset revealed overall lower errors for the proposed

３． 平野雄大、モクタリパーハム、森川大輔(22021.9)methods involving CP analysis, and the lowest overall「音声のスペクトル傾斜モデリングが IAIF に基error was obtained for the IOP-IAIF-CP method [5].

づく声門流推定の精度に与える影響」、日本音

Another ongoing project in our laboratory is

響学会音声研究会資料 Vol.1 No.2 SP-2021-26、

physiologically-based modelling and synthesis of135-137.

various voice qualities, aiming at expressive speech

４． Mokhtari P., Morikawa D.（22022.3） “Introducing

synthesis. For this purpose, we investigated thea Japanese multi-talker database of laryngeal

characteristics of a vocal-fold simulation model

voice qualities,” 日本音響学会講演論文集.

originally proposed by Titze, to assess whether it is

５． 河内太一、モクタリパーハム、森川大輔(22023.9)capable of producing various voice qualities. As「声門の閉鎖期の音声信号による IAIF に基づく

shown in Fig.2, Titze’s model is represented by 3

声門流推定」、日本音響学会講演論文集、

parameters Qa, Qs, and Qb that describe the1115-1116.

pre-phonatory posture of the vocal folds, plus one

６． 松本幸輝、モクタリパーハム、森川大輔(22023.11)

additional parameter Qp that controls the phase「Titze の声帯モデルのパラメータが声門流波形

difference between the upper and lower folds duringの音響特徴に与える影響の検討」、日本音響学

dynamic oscillation. We used this model with a wide

会音声研究会資料 Vol.3 No.5 SP-2023-42、range of parameter settings to synthesize numerous

9-14.

157

【助成 38 - 54】

自然体験活動における学校教員の危機管理能力向上を目指した視線特徴分析：初心者と経験者の着眼点比較代表研究者 立命館大学産業社会学部 准教授

岡本 尚子〔研究の概要〕大学生を対象に，危険要因が含まれた自然体験活動場面のイラストを用いて，その中の危険を指摘する過程の視線移動を計測し，自然体験活動引率の経験者群と初心者群の特徴を比較した。「経験者群は半数以上が指摘したが，初心者群は半数未満しか指摘しなかった危険箇所」に着目すると，経験者群の方が視線の停留時間が有意に長かったのは，知識がなければ指摘が難しいと思われる箇所であった。その他の箇所は，停留時間に有意差はなかったことから，初心者群も視線が停留しているものの，知識や経験の不十分さが，危険を指摘できない状況を引き起こしたことが予想された。

〔研究経過および成果〕

なく，引率経験のない「初心者」に対して，自然体験

１．目的

活動場面での危険予測時の視線移動を計測し，そ現在，日本の小学校における宿泊を伴う自然体験の特徴を明らかにすることを目的とする。具体的には，活動（自然の中で自然を活用して行われる活動）の危険要因が含まれた自然体験活動場面のイラスト

実施率は，およそ 90％となっており，多くの学校で実（危険予知トレーニングシート）を用いて，その中の危施がなされている。自然体験活動は，通常の学校生

険を見つける過程における視線移動を計測し，経験

活よりも事故が発生しやすいことから，引率する教員者と初心者の特徴の違いを比較する。

の危機管理能力が重要となる。しかし，小中学生や

２．方法

10 代・20 代の若者が，学校外で自然体験活動（キャ対象：次の 2 群を設定し，合計 23 名の大学生（平均ンプ含む）を行う機会は減少していることが報告され，21.7 歳，標準偏差 1.1）を対象とした。

教員を目指す大学生が，十分な自然体験活動の経①経験者群：指導員として自然体験活動に 3 年以

験をしてきているとはいえない（内閣府 2013）。また，

上携わっている大学生 7 名

教員養成を行う大学においても，その位置づけの難②初心者群：指導員として自然体験活動の経験がしさから，自然体験活動に関する十分な学習や引率ない大学生 16 名

研修を行っているとはいえない状況にある。有する経

手続き：危険因子が含まれたキャンプ場面のイラスト

験も知識も不十分であることを前提にした，危機管理である危険予知トレーニングシート（公益財団法人

能力育成のための教員養成支援が求められている。

全国子ども会連合会発行）を見て，危険と考えられそこで，本研究では，自然体験活動経験・引率経る箇所に丸を書き込んで指摘する実験課題を設定

験ともに豊富な「経験者」と，自然体験活動経験が少した。実験後には，丸を書き込んだ各箇所につい158

て，なぜ危険と考えたかの理由記述を求めた。実

知識がなければ指摘が難しかったり，経験がなけ験課題は，3 問（川遊び，調理，薪割りの 3 場面）とれば危険が予測しづらかったりするものと考えら

し，1 問を 30 秒間に設定した。

れる。初心者群は，知識や経験が不十分であるた

記録：アイトラッカー（Tobii pro グラス 2：トビーテクノ
ロジー製）を用いて，視線計測を行った。

めに，経験者群ほど危険箇所が目に留まらず，十分に目を配れなかったと推察される。

３．結果および考察

その他の箇所については，2 群間に有意差は認

3-1.行動指標

められなかったことから，初心者群も視線が停留

表 1 は，各被験者が，危険と判断した箇所に丸をしているものの，危険と回答するまでには至らな付した個数の平均を示したものである。いずれの課

かったことが指摘できる。知識や経験の不十分さ

題においても経験者群の方が指摘箇所数が有意にが，危険箇所を見ていても危険を指摘できない状多かった。経験と知識が，より多くの危険の予測や気況を引き起こしたことが予想される。

付きにつながったと考えられる。

表 2 危険指摘箇所ごとの群別平均視線停留時間（ms）

表 1 危険と指摘した箇所の個数

課題

課題

経験者群

初心者群

川遊び

7.0

4.6

調理

7.3

5.1

*

薪割り

4.3

2.4

**

川
遊
び

***

***p<.001，** p<.01，*p<.05
調
理

3-2.視線移動データ
各課題について，群間の視線移動回数を比較した結果，有意な差は認められなかった。課題全体の移動頻度には，群による差はないといえる。

薪割り

危険指摘箇所

経験者群

初心者群

割れた瓶が落ちている

1217.1804.8

裸足で川に入っている

5106.92847.6

釘が落ちている

694.3

596.1

モリを持ちつつ不注意である

2165.71353.8

まな板が机からはみ出ている

1291.0601.2*

地面に物が散らばっている3524.91911.9*

包丁使用中の人の後ろから手を出そうとしている1545.32774.1

まな板の台が不安定である

868.6

262.4

*

ナタを持つ手の手袋を外す

1596.9521.1**

割る前の薪や，それをまとめるロープが地面に置いてある

4407.93475.1

ナタと逆の手に手袋をつける

1299.61403.4薪割りの土台が不安定である

1351.0814.9

危険と指摘した箇所のうち，「経験者群は半数以上の参加者が危険と指摘したが，初心者群は半数未満の参加者しか危険を指摘しなかった箇所」を取り上げ，各箇所の視線停留時間を群別に算出し** p<.01，*p<.05〔発表論文〕
1.

験者の比較―，日本教育実践学会第 25 回研間に有意差が認められたのは，「裸足で川に入ってが散らばっている」「ナタを持つ手の手袋を外す」
であり，いずれも経験者群の方が停留時間が長い結果となった。これらは，「刃物を人に向けない」などの危険が直接的に想像しやすいものと違い，

159

岡本尚子，黒田恭史（2022）自然体験活動場面
における危険予測時の視線特徴―初心者と経た。表 2 は，その結果を示したものである。2 群いる」「まな板が机からはみ出ている」「地面に物

*

究大会
2.

岡本尚子，黒田恭史（2023）経験の違いが危険判断時の着眼点に違いをもたらすのか―キャンプ活動場面の視線計測―，第 41 回日本生理心理学会

本冊子のPDFを掲載しています

https://casiozaidan.org/naiyou/past/公益財団法人 カシオ科学振興財団〒151-8543 東京都渋谷区本町一丁目6番2号
TEL (03) 5334-4747
令和6年5月1日 発行