hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
操作量飽和情報を利用した埋込磁石同期モータの制御性能改善

本研究では,埋込磁石同期モータ(IPMSM)ドライブシステムにおける一課題である操作量飽和時の電流およびトルク制御性能改善を目的とし,「操作量の飽和量」および「操作量のマージン量」を用いた新たなフィードバック型の弱め磁束制御法を提案した。提案法の有効性を実機実験によって検証し,操作量飽和時における電流およびトルク制御性能の改善効果を評価した。この結果,提案法を用いればパラメータ変動が生じるような条件においても駆動可能領域が縮小せず,最大の駆動可能領域を維持できることがわかり,従来法よりも電流およびトルクが立ち上がり,かつ,その応答も改善することが確認できた。本研究では,埋込磁石同期モータ(IPMSM)ドライブシステムにおける一課題である操作量飽和時の電流・トルク制御性能改善を目的とし,操作量の飽和量および飽和に至るまでの量を情報源とした,新たな電流・トルク制御性能改善手法を提案した。提案法は簡易な条件分岐とPI制御のみの制御アルゴリズムで構成されており,直接的にはモータパラメータを用いないことから,ロバスト性の高い手法という点において他の手法と比較して優位性がある。当該年度に実施した研究の成果は主にシミュレーションによる提案法の有効性および電流・トルク応答改善効果の確認,シンクロナスリラクタンスモータ(SynRM)への適用およびこれに適した手法への改良である。まず,提案法による電流・トルク応答改善効果については電気学会産業応用部門大会にて報告しており,提案法のコンセプトが応答改善に貢献できることを示した。次に,SynRMへの適用については電気学会産業応用部門大会にて,これに適した手法改良に関する検討については電気学会研究会にて報告している。SynRMはIPMSMに比べて磁気飽和現象に伴うモータパラメータ(インダクタンス)変動が顕著であることが知られており,この影響について検討したものである。本報告により,他のモータへの適用可能という汎用性を確かめつつ,さらなる応答改善に向けた調整パラメータの決定法についてもその指針を示した。また,シミュレーション段階ではあるものの,これらの成果を発展させたものとして,産業的にニーズの高い位置センサレス制御系への応用についても,検討しており,平成28年度に開催される国際会議The 18th European Conference on Power Electronics and Applicationsに投稿しており,採択されている。当該年度における本研究の目標は,システムの安定性・感度解析およびアルゴリズムの最適化としていた。提案法は条件分岐とPI制御によって制御アルゴリズムが構成されており,この条件分岐を用いて電流指令値生成を2段階に分割することが電流・トルク応答改善に効果的であるといったことがわかった。これについては電気学会産業応用部門大会にて報告している。システムの安定性・感度解析についてはやや進捗が遅れており,学会等での報告は行えていないが,シンクロナスリラクタンスモータへの適用およびさらなる応答改善に向けた調整パラメータの決定法に関する指針を提示することができた。さらに,提案法の位置センサレス制御系への応用についても,その妥当性を検証することができ,これらの成果を国際会議The 18th European Conference on Power Electronics and Applicationsに2件投稿しており,どちらも採択された。以上のことから,当該研究全体の進捗としては概ね順調に進展していると言える。また,平成28年度は実機実験による検証を予定しており,これに向けた実機実験環境の整備も概ね順調に進んでおり,研究遂行に支障はないと考えている。本研究は埋込磁石同期モータ(以下,IPMSMとする)ドライブシステムにおける一課題である操作量飽和時の電流・トルク制御性能改善について取り組んだものである。近年,IPMSMドライブシステムは自動車分野に代表される操作量飽和が頻繁に生じる用途にも適用されている。この結果,操作量飽和が生じた際の電流・トルク制御性能を如何に改善するかが大きな課題となっている。通常,制御系のファインチューニングによりこの課題を解決するが,これには膨大な時間およびコストを要するため,望ましくない。そこで,本研究では操作量の飽和量および飽和に至るまでのマージン量を情報源とした,新たな電流・トルク制御性能改善手法を提案した。本手法はシステムの開発工数削減,ひいては低コスト化に貢献するものであり,工業的な意義は高いものと判断できる。最終年度は主に実機実験により,提案法の有効性を検証した。初年度に検討したシミュレーション結果も踏まえ,実機実験においても電流・トルク制御性能が改善可能であることが確認できた。さらに,従来法ではパラメータ変動によって駆動可能領域が縮小するような運転条件においても,提案法を用いれば,駆動可能領域の縮小を回避でき,マニュアル調整した駆動可能領域と同様の領域を確保できることも確認できた。したがって,実機実験により,提案法のパラメータ変動に対するロバスト性も検証することができた。以上より,申請時に掲げた目的および目標は概ね満足する成果を得ることができた。当初の研究計画に従い,今後は実機実験により,本研究の有効性を検証していく。これらの成果は主に電気学会の開催する国内学会を通して報告する予定である。
脳血管障害を伴うアルツイマー型認知症の臨床経過と動物モデルの構築

軽度認知障害を含めたアルツハイマー病患者を対象に、認知機能評価、頭部MRIによる海馬傍回の萎縮と脳血管障害の評価、認知機能に関連した表現型を調査し、1年毎に追跡した。1年後の追跡を完了し得た55例では、AD with CVDではADに比しMMSE18点22点の初期認知症でADLの低下が認めたが、17点未満の中等症認知症以降でこの差が消失した。また、AD with CVDモデルマウスでは、モデルの表現系のうち認知機能やsocial behaviorに大きなばらつきがあり再現性を取ることができず、ADLの評価モデルとしては不適格であった。平成27年度には、38名の認知症患者と8名の軽度認知機能障害患者をエントリーした。合計46名のうち、30名がアルツハイマー病であり、その内訳は、1アルツハイマー型認知症患者18名、2脳血管障害を伴うアルツハイマー型認知症8名、3アルツハイマー型軽度認知機能障害3名、4脳血管障害を伴うアルツハイマー型経度認知機能障害1名であった。これら全員に対し、所要時間120分程度のインタビュー形式による詳細な認知機能評価、ADLの評価、採血検体による動脈硬化のリスクファクター、内分泌・代謝異常、栄養障害の評価、頸動脈エコーによる動脈硬化の現状評価、頭部MRIのVSRADによる海馬傍回の萎縮の程度の数値化と脳血管障害の評価、筋量算出(Skeletal Muscle Mass Indexの推定式を用いる)、筋力測定(膝伸展筋力、握力)、バランス機能測定(片脚立ち時間、重心動揺検査)、パフォーマンス能測定(10m歩行速度、3m timed up & goテスト)と、超音波を用いた骨格筋評価法により、下腿筋(ヒラメ筋(遅筋)、前脛骨筋(速筋)、腓腹筋(混合筋))の筋厚、筋輝度を測定した。引き続き1年ごとに同様のフォローを続け、脳血管障害がアルツハイマー病のADLに与える影響について経過を追跡していく予定である。平成27年度の当科もの忘れ外来の新患患者は、平成26年度以前(平均MMSE23.8点)に比し、重症度が悪化していた(平均MMSE20.2点)。また、平成26年度以前の新患患者の大部分がアルツハイマー病であり、生理的もの忘れも2割程度認めたが、平成27年度はレビー小体型認知症や脊髄小脳変性症、進行性核上麻痺などが増加し、病型が非常に多様であった。安定した紹介新患患者を確保するために、近隣の医師などを対象に定期的な病診連携の会などを行ない、また、新患枠を増設し予約待機期間を大幅に短縮した結果、当科もの忘れ外来の紹介患者数は飛躍的に増加したが、患者層も変化してしまった。以前は当科が内科を標榜していることから、他科と比べ受診の抵抗感が少なく、「もの忘れがちょっと気になる」といった軽度の認知機能低下患者が多く紹介されていたが、平成27年度は患者数の大幅な増加とともに、アルツハイマー病の比率が減少し、平均MMSEが3点以上悪化していた。これらの患者においては、周辺症状が出現していることや、スタディーパートナーの介護負担度が高いことなどから、同意取得率が低下し、エントリー数が予想より下回ってしまった。前年度に引き続き、軽度認知障害を含めたアルツハイマー病患者を対象に、認知機能検査パス入院にて神経心理学検査による詳細な認知機能評価、頭部MRIによる海馬傍回の萎縮と脳血管障害の評価、さらに動脈硬化の危険因子、内分泌・代謝異常、栄養障害、日常活動度、サルコペニア、服薬アドヒアランスなど、認知機能に関連した表現型を調査した。1年毎に外来にて問診とMMSEやADLの調査を行い前向きに追跡する。これらに加え、一般的な診察や問診では評価困難な運動機能障害を検知するためのサルコペニアの調査として、血液検査(IL-6、TNFα濃度))、アンケート調査(転倒歴や運動習慣など)、筋量算出(Skeletal Muscle Mass Indexの推定式を用いる)、筋力測定(膝伸展筋力、握力)、バランス機能測定(片脚立ち時間、重心動揺検査)、パフォーマンス能測定(10メートル歩行速度、3メートルtimed up & goテスト)と、超音波を用いた骨格筋評価法により、下腿筋(ヒラメ筋(遅筋)、前脛骨筋(速筋)、腓腹筋(混合筋))の筋厚、筋輝度を測定した。1年後フォローを追跡し得た症例は28例であった。またH28年度に新規に登録した症例は38例であった。脳血管障害を伴うアルツハイマー病(AD with CVD)の動物モデルの作製については、モデルの表現系に大きなばらつきがあり再現性が取れておらず、予定通りに進捗していない。アルツハイマー病患者を対象とした臨床研究については、やや遅れているものの予定の範囲内で進捗している。H28年度より、アルツハイマー病の鑑別に難渋し、患者の承諾が得られた症例に対して、髄液採取を行うことにとなった。予想の範囲内ではあるが、手技や入院の段取りなどの不慣れのため、一時期症例が減少した。しかし、その後病診連携の会や医師会の講演などを行い対象患者を募集したことなどから、再び患者数が増加し、現在入院まで2ヶ月程度の待ちになっている。血管障害モデルマウスについては、、水迷路試験やY-maze試験を用いた認知機能とsocial behaviorやactivity scoreなどのADLの表現系のばらつきが大きく、再現性が取れていない。

前年度に引き続き、軽度認知障害を含めたアルツハイマー病患者を対象に、認知機能検査パス入院にて神経心理学検査による詳細な認知機能評価、頭部MRIによる海馬傍回の萎縮と脳血管障害の評価、さらに動脈硬化の危険因子、内分泌・代謝異常、栄養障害、日常活動度、サルコペニア、服薬アドヒアランスなど、認知機能に関連した表現型を調査した。1年毎に外来にて問診とMMSEやADLの調査を行い前向きに追跡する。これらに加え、一般的な診察や問診では評価困難な運動機能障害を検知するためのサルコペニアの調査として、血液検査(IL-6、TNFα濃度))、アンケート調査(転倒歴や運動習慣など)、筋量算出(Skeletal Muscle Mass Indexの推定式を用いる)、筋力測定(膝伸展筋力、握力)、バランス機能測定(片脚立ち時間、重心動揺検査)、パフォーマンス能測定(10メートル歩行速度、3メートルtimed up & goテスト)と、超音波を用いた骨格筋評価法により、下腿筋(ヒラメ筋(遅筋)、前脛骨筋(速筋)、腓腹筋(混合筋))の筋厚、筋輝度を測定した。1年後フォローを追跡し得た症例は17例であった。またH29年度に新規に登録した症例は25例であった。現在病棟補佐員を雇用し、週に3例まで検査可能となり、また髄液検査も開始した。今後も症例数を積み上げたいと考えている。脳血管障害を伴うアルツハイマー病(AD with CVD)の動物モデルの作製については、水迷路試験やY-maze試験を用いた認知機能とsocial behaviorやactivity scoreなどのADLの表現系のばらつきが多く、計画通りに進捗していない。軽度認知障害を含めたアルツハイマー病患者を対象に、認知機能評価、頭部MRIによる海馬傍回の萎縮と脳血管障害の評価、認知機能に関連した表現型を調査し、1年毎に追跡した。1年後の追跡を完了し得た55例では、AD with CVDではADに比しMMSE18点22点の初期認知症でADLの低下が認めたが、17点未満の中等症認知症以降でこの差が消失した。また、AD with CVDモデルマウスでは、モデルの表現系のうち認知機能やsocial behaviorに大きなばらつきがあり再現性を取ることができず、ADLの評価モデルとしては不適格であった。もの忘れ外来の新患患者の数は飛躍的に増加したが、重症度が悪化し病型分類が変化したことは予想外であった。人員に限りがあるため、これ以上の新患枠を増設するのは困難であるが、これまで以上にできる限り丁寧な診察を心がけ、試験の参加に同意していただく症例を増やしていく。また、当院と近隣連携医師との間で用いるケアパスノートが、試験的にではあるがまもなく完成予定であり、効率よくデータを蓄積するとともに、地域医療に貢献できるように順次改訂し発展させていく。アルツハイマー病患者を対象とした臨床研究については、臨床補助員1名が週1回神経心理学検査などの補助をすることになり、1週間で行える検査症例数が2例増加した。週に3例まで検査可能となり、最終年度はさらに症例数を積み上げたいと考えている。ただし、やはり人手や病床数の問題などから現在のところ週3名までが限界である。何とか週23名の入院を継続していき、可能な限り症例を増やしたいと考えている。血管障害モデルマウスについては、水迷路試験やY-maze試験を用いた認知機能とsocial behaviorやactivity scoreなどのADLの表現系のばらつきが多く、なかなか再現性が取れていない。
世代を超えて時間を測るアブラムシの季節タイマーの謎を解く

【RNA干渉による時計遺伝子の発現抑制】腹部への注射で行っていた二本鎖RNAの導入方法の見直しを行った。時計遺伝子periodおよびcycleの二本鎖RNAをショ糖溶液に混ぜて2齢幼虫に摂食させたが、子の生殖型への明瞭な影響はみられず、対象とする遺伝子の発現量にも減少は見られなかった。この方法によるRNA干渉は有効でないことがわかった。【トランスクリプトーム解析】前年度に取得した配列情報をもとに、季節タイマーがはたらいている時と切れた後とで発現量が異なる遺伝子を探索した。その結果、ヒストンアセチル化をはじめとしたエピジェネティックな修飾にかかわる遺伝子の発現量が季節タイマーのオン・オフに伴って有意に変動していることが明らかになった。【エピジェネティックな修飾の薬理学的抑制】DNAメチル化とヒストンアセチル化をそれぞれ阻害する5-azacitidineとtrichostatin Aをショ糖溶液に混ぜて2齢幼虫に摂食させたが、子の生殖型への明瞭な影響は見られなかった。これらの薬剤の濃度をさらに上げると子の発生異常が増加する傾向がみられたため、この方法はエピジェネティックな修飾の関与の検証には不適であることがわかった。【季節タイマーの生態的意義の検証】前年度の結果から考えられた「季節タイマーは秋に産むべき両性生殖型を春に誤って産むことを防ぐ」という仮説を検証するための実験を京都と札幌で行った。越冬卵から孵化した季節タイマーオンのアブラムシと、実験室で単為生殖によって世代を繰り返すことで季節タイマーオフになり、短日のもとで両性生殖型を産むようになったアブラムシを、春の自然の温度と日長のもとで飼育したが、これらの虫は羽化後に両性生殖型をまったく産まなかった。上記の仮説を支持されなかったが、前年度の結果との違いの原因も含めて季節タイマーの生態的意義を再検討する必要が生じた。RNA干渉による時計遺伝子の発現抑制については、異なる方法を試みたにかかわらず有効なものが見つからず、断念を余儀なくされた。これが遅延の一番の理由である。また、季節タイマーの生態的意義の検証について、前年度と異なる結果が札幌で得られたが、これはより妥当な結論を導くための試練と受け止めている。分子機構の解析については方針変更し、RNA干渉による時計遺伝子の発現抑制を断念する。一方、季節タイマーに関連して発現変動する遺伝子を探索するトランスクリプトーム解析は一通り完了したので、得られた結果をもとにエピジェネティックな修飾が季節タイマーに関与することを確定することに注力する。そのため、季節タイマーが働いているアブラムシにヒストンアセチル化の阻害剤などを摂食させることで季節タイマーの進行が変わるかを検証するとともに、クロマチン免疫沈降法で得た産物を次世代シーケンサーで読み取るChIP-seqによってヒストンアセチル化の定量と領域推定を行う。【RNA干渉による時計遺伝子の発現抑制】時計遺伝子periodおよびcycleの二本鎖RNAを3齢幼虫の腹部に注射したが、子の生殖型への明瞭な影響はみられず、対象とする遺伝子の発現量にも明瞭な減少は見られなかった。したがって、本種において、この方法によるRNA干渉は有効でないことがわかった。【季節タイマーの生理学的解析】季節タイマーの持続期間は世代数ではなく日数で決まる。その進行速度は温度の影響を受けるが、光周期の影響を受けないということを原著論文として発表した。【トランスクリプトーム解析】季節タイマーがはたらいている時と切れた後とで発現量が異なる遺伝子を探ることを目的とし、実験室で生まれた幹母の次の世代と、実験室で単為生殖を数年間繰り返した後の世代を、それぞれ長日および短日において飼育し、羽化後に頭部からRNAを抽出した。このTotal RNAからmRNAを抽出し、次世代シーケンサーによって100bpの長さの配列情報を各サンプル約5000万本得た。【季節タイマーの生態的意義の検証】「季節タイマーは秋に産むべき両性生殖型を春に誤って産むことを防ぐ」という仮説を検証するために、本来の生息地、札幌における検証実験に先立って、京都で予備的な実験を行った。実験室で単為生殖によって世代を繰り返すことで季節タイマーが切れて、短日のもとで両性生殖型を産むようになったアブラムシを、25月のさまざまな時期に自然の日長と温度において飼育した。これらの虫の多くは羽化後に両性生殖型を産み、4月下旬の自然の日長と温度のもとで育った個体も雄を産んだ。これは上記の仮説を支持する結果である。季節タイマーの生理学的性質の論文を発表し、トランスクリプトーム解析も開始した。また、季節タイマーの生態的意義の検証について明瞭な成果が得られた。しかし、当初計画していたRNA干渉による時計遺伝子の発現抑制ができていない。【エピジェネティックな修飾の薬理学的抑制】

DNAメチル化とヒストンアセチル化をそれぞれ阻害する5-azacitidineとtrichostatin Aをショ糖溶液に混ぜて2齢幼虫に摂食させたが、子の生殖型への明瞭な影響は見られなかった。これらの薬剤の濃度をさらに上げると子の発生異常が増加する傾向がみられたため、この方法はエピジェネティックな修飾の関与の検証には不適であることがわかった。【季節タイマーの生態的意義の検証】前年度の結果から考えられた「季節タイマーは秋に産むべき両性生殖型を春に誤って産むことを防ぐ」という仮説を検証するための実験を京都と札幌で行った。越冬卵から孵化した季節タイマーオンのアブラムシと、実験室で単為生殖によって世代を繰り返すことで季節タイマーオフになり、短日のもとで両性生殖型を産むようになったアブラムシを、春の自然の温度と日長のもとで飼育したが、これらの虫は羽化後に両性生殖型をまったく産まなかった。上記の仮説を支持されなかったが、前年度の結果との違いの原因も含めて季節タイマーの生態的意義を再検討する必要が生じた。RNA干渉による時計遺伝子の発現抑制については、異なる方法を試みたにかかわらず有効なものが見つからず、断念を余儀なくされた。これが遅延の一番の理由である。また、季節タイマーの生態的意義の検証について、前年度と異なる結果が札幌で得られたが、これはより妥当な結論を導くための試練と受け止めている。RNA干渉については、さらに方法を検討するが、これができない場合も想定した研究計画の見直しが必要である。エピジェネティックな変化の定量やその薬理学的な抑制などの方法を重視する予定である。分子機構の解析については方針変更し、RNA干渉による時計遺伝子の発現抑制を断念する。一方、季節タイマーに関連して発現変動する遺伝子を探索するトランスクリプトーム解析は一通り完了したので、得られた結果をもとにエピジェネティックな修飾が季節タイマーに関与することを確定することに注力する。そのため、季節タイマーが働いているアブラムシにヒストンアセチル化の阻害剤などを摂食させることで季節タイマーの進行が変わるかを検証するとともに、クロマチン免疫沈降法で得た産物を次世代シーケンサーで読み取るChIP-seqによってヒストンアセチル化の定量と領域推定を行う。【理由】RNA干渉の方法が確立できなかったために、それを本格的に実行するための物品費、およびトランスクリプトーム解析がやや遅れたことによる「その他」経費の使用が予定より少なくなった。【使用計画】当初の計画よりも、エピジェネティックな変化の定量やその抑制に力を入れることになり、さらに円滑な研究の遂行のために1名の博士研究員を雇用するので、次年度使用額は物品費と人件費として使用していく計画である。【理由】RNA干渉の方法が確立できなかったために、それを本格的に実行するための物品費の使用が予定より少なくなった。【使用計画】
操作、制御を目指した心機能解析

a)ゼブラフィッシュ心臓のダイナミクス心臓の任意の位置で共焦点断面像を連続取得することを可能とし、高速撮影することで収縮から拡張への一連の心臓内、外径変化を正確に測定した。この機器を用いて、拍動中の心臓の様々な位置にある個々の心筋細胞の大きさの変化を計測した。b)ゼブラフィッシュ心筋細胞の1細胞レベルでの動態心臓特異的プロモーターにつないだEGFP遺伝子によって、心筋細胞をラベルし、高速フレーム撮影によって観察した。画像処理によって心筋細胞ひとつひとつの位置データを取得し、1回の拍動で、心臓のどの部分がどのように動くか、また、その動きに中で、個々の心筋細胞の動態を測定した。c)アクチン骨格の心拍に伴う変形動態ゼブラフィッシュ心臓のアクチン骨格は、心房と心室で大きく異なり、この特徴的構造の形成は心拍に依存している。この構造が発生過程にどのように発達してくるかを諸段階の心臓を染色して画像取得し、3D化した。また、心房、心室の骨格の形態的差を明確化した。d)血流の測定(全身血管、心臓内)血球細胞の一部を蛍光ラベルする手法を確立し、全身の血管を動く血球細胞の速度、循環時間などのデータを取得し、心臓内の血球の移動速度、その心拍に伴う変化などを測定した。データの解析とシミュレーション上記のデータから、心室内にできる肉柱(Trabecula)形成過程が心拍依存的であることを見出し、心内膜/心筋層の物理特性、増殖などの細胞学的特性の違いから力学的に説明可能であることを見出し、力学モデルの構築を開始した。a)ゼブラフィッシュ心臓のダイナミクス申請者は先駆的な顕微鏡システムを導入し、心臓の任意の位置で共焦点断面像を連続取得することを可能とした。また、高速撮影することで収縮から拡張への一連の心臓内、外径変化を正確に測定可能である。また、心房、心室の骨格の形態的さを明確化した。d)血流の測定(全身血管、心臓内)血球細胞の一部を蛍光ラベルする手法を確立した。この胚を蛍光下で観察することで、全身の血管を動く血球細胞の速度、循環時間などのデータを取得し、心臓内の血球の移動速度、その心拍に伴う変化などを測定する。データの解析とシミュレーション構築されたデータベースを活用し、somアルゴリズムを用いて心臓、心筋のダイナミックな動きを解析し、シミュレーションソフトによって流体力学的な解析を加えることが可能となる。ソミュレーションに必要な技術、知識を集め、準備態勢を整えた。
潰瘍性大腸炎標的抗原40KD蛋白遺伝子クローニングとその機能の解析

我々はこれまでUC標的抗原40KD蛋白と相同性が認められた細胞骨格形成蛋白トロポミオシンに対する抗体が、UC活動期患者血清中に有意に高く存在すること、本抗体は患者大腸粘膜傷害機序として想定されているADCC機構に関与する抗体であることを報告してきた(第80回消化器病学会リサーチフォーラムで報告)。今年度は、細胞内蛋白であるトロポミオシンが細胞表面へ表出される機序解明のため、トロポミオシン抗原が特定のMHC分子を介して発現されている可能性をヒトHLA-DR、DQ、DP遺伝子をマウス由来L細胞にトランスフェクトして作成したヒトclass-II分子発現L細胞を用い検討した。class-II分子発現L細胞および非発現L細胞をトリプシン処理したトロポミオシンペプチドと供培養した後、抗トロポミオシン抗体を用いてその発現をFACSで検討したところ、DP分子発現L細胞でトロポミオシン陽性細胞の出現を認め、親株及びDR、DQ分子発現L細胞では差を認めなかった。この結果から、トロポミオシン抗原はHLA-DP分子に結合して細胞表面に発現されると考えられた(第36回日本消化器病学会大会で報告)。更に、トロポミオシンペプチドと供培養後のDP分子発現L細胞及びその親株であるL細胞をそれぞれ標的細胞として同一UC患者血清のADCC活性を測定したところADCC活性は親株L細胞で2.65±4.59%に対しDP分子発現L細胞に対しては15.4±6.5%と有意に高値を示した。またDR分子発現L細胞、未処理のDP分子発現L細胞を標的としたADCC活性は親株L細胞との間に有意差を認めなかった。以上より、UC患者血清中に存在する抗トロポミオシン抗体は、HLA-DP分子と結合して細胞表面上に提示されたトロポミオシンペプチドと結合し、ADCCの標的分子となり細胞障害が惹起されると考えられた(第24回日本免疫学会総会で報告)。現在はHLA-DP分子発現L細胞からのDP分子結合ペプチドの抽出を試みている。潰瘍性大腸炎標的抗原40KD蛋白は、ヒト大腸粘膜より既報の精製法に従い単離精製された。その40KD蛋白のアミノ酸組成が一部明らかにされ、細胞骨格形成蛋白であるトロポミオシンとの相同性が認められた。そこで精製トロポミオシンを固相化抗原としたELISAを新たに作製し、潰瘍性大腸炎(UC)患者血清中の抗トロポミオシン抗体価を測定した。その結果、対照に比較しUC患者で有意に高値を示すこと、またUCの活動性に一致して抗体価が変動することを確認した。さらに、このUC患者血清中に存在する抗トロポミオシン抗体が本疾患の患者大腸粘膜障害機序として想定されているADCC機構に関与する抗体であるか否かを検討するため、培養大腸癌細胞RPMI4788を標的細胞としたinhibition-ADCCアッセイを行なった。すなわち、高いADCC活性を示すUC患者血清を、トロポミオシンで吸収後、ADCC活性の変化を検討したところ、ADCC活性の有意な低下を認めた。(第80回消化器病学会リサーチフォーラム)以上から潰瘍性大腸炎患者血清中にはADCC機序に関与する抗トロポミオシン抗体が、特にUC活動期に有意に高く存在することが明らかとなった。現在は、トロポミオシン蛋白上の抗原の認識機構解明のため、ヒトMHC-classII蛋白(DP,DQ,DR)遺伝子をそれぞれトランスフェクションしたL-cellを用いて、トロポミオシンのペプチドとの結合性をin vitroで検討を行なっている。

又、ヒト大腸粘膜のcDNAライブラリーをcos細胞へトランスフェクションし、抗40KD蛋白抗体および抗トロポミオシン抗体を用いたpositive selection法で大腸粘膜のトロポミオシン遺伝子クローニングを行なっている。我々はこれまでUC標的抗原40KD蛋白と相同性が認められた細胞骨格形成蛋白トロポミオシンに対する抗体が、UC活動期患者血清中に有意に高く存在すること、本抗体は患者大腸粘膜障害機序として想定されているADCC機構に関与する抗体であることを報告してきた(第80回消化器病学会リサーチフォーラムで報告)。今年度は、細胞内蛋白であるトロポミオシンが細胞表面へ表出される機序解明のため、トロポミオシン抗原が特定のMHC分子を介して発現されている可能性をヒトHLA-DR、DQ、DP遺伝子をマウス由来L細胞にトランスフェクトして作成したヒトclass-II分子発現L細胞を用い検討した。class-II分子発現L細胞および非発現L細胞をトリプシン処理したトロポミオシンペプチドと供培養した後、抗トロポミオシン抗体を用いてその発現をFACSで検討したところ、DP分子発現L細胞でトロポミオシン陽性細胞の出現を認め、親株及びDR、DQ分子発現L細胞では差を認め無かった。この結果から、トロポミオシン抗原はHLA-DP分子に結合して細胞表面に発現されると考えられた(第36回日本消化器病学会大会で報告)。更に、トロポミオシンペプチドと共培養後のDP分子発現L細胞及びその親株であるL細胞をそれぞれ標的細胞として同一UC患者血清のADCC活性を測定したところADCC活性は親株L細胞で2.65±4.59%に対しDP分子発現L細胞に対しては15.4±6.5%と有意に高値を示した。またDR分子発現L細胞,未処理のDP分子発現L細胞を標的としたADCC活性は親株L細胞との間に有意差を認めなかった。以上より、UC患者血清中に存在する抗トロポミオシン抗体は、HLA-DP分子と結合して細胞表面上に提示されたトロポミオシンペプチドと結合し、ADCCの標的となり細胞障害が惹起されると考えられた(第24回日本免疫学会総会で報告)。現在はHLA-DP分子発現L細胞からのDP分子結合ペプチドの抽出を試みている。
脚車輪型移動ロボットの対地適応自己計画システムの開発

林業,建設業などの分野では,未知の不整地を移動できるベースマシンの開発が急がれている.本研究では,林地などの未知の不整地を対象とし,脚と車輪を独立に配置し,両機構の利点を生かした4脚2車輪の脚車輪型移動ロボットを利用する.これまでに,通常の脚車輪型移動ロボット移動として車輪のパッシブサスペンションと脚先に一定のコンプライアンスをもたせ,未知の不整地の凹凸を吸収し移動することを実現した.しかし,この方法では脚車輪型移動ロボットの脚先軌道があらかじめ与えられていることと,脚先のコンプライアンスを一定としているため,凹凸の大きな障害物の移動は不可能であった.そこで,非常モードとして大きな段差や溝に遭遇したときの移動方法の確立が必要になる.本研究では,進行中に大きな障害物に遭遇したとき,操縦者が簡単な指令(行動のヒント)を与えるだけで,脚車輪型移動ロボット自身が移動の計画をたてる方法を考える.この方法の第1段階として,脚車輪型移動ロボットが大きな凹凸の障害物に遭遇したとき,操縦者が1脚のみの行動を支持する方法を確立する.この指示には,3自由度のジョイスティックを用いる.1脚の軌跡を指示することにより,脚車輪型移動ロボットは前方の障害物の形状を把握することができる.この情報を基に,脚車輪型移動ロボットは,自ら脚の軌道,脚関節のコンプライアンス,胴体の姿勢角度を計画するアルゴリズムを構築する.以上のような脚車輪型移動ロボットの対地適応自己計画システムを開発した.これを用いて,脚車輪型移動ロボットを用いた実験を行い,大きな段差の移動が行えることを示した.林業,建設業などの分野では,未知の不整地を移動できるベースマシンの開発が急がれている.本研究では,林地などの未知の不整地を対象とし,脚と車輪を独立に配置し,両機構の利点を生かした4脚2車輪の脚車輪型移動ロボットを利用する.これまでに,通常の脚車輪型移動ロボット移動として車輪のパッシブサスペンションと脚先に一定のコンプライアンスをもたせ,未知の不整地の凹凸を吸収し移動することを実現した.しかし,この方法では脚車輪型移動ロボットの脚先軌道があらかじめ与えられていることと,脚先のコンプライアンスを一定としているため,凹凸の大きな障害物の移動は不可能であった.そこで,非常モードとして大きな段差や溝に遭遇したときの移動方法の確立が必要になる.本研究では,進行中に大きな障害物に遭遇したとき,操縦者が簡単な指令(行動のヒント)を与えるだけで,脚車輪型移動ロボット自身が移動の計画をたてる方法を考える.この方法の第1段階として,脚車輪型移動ロボットが大きな凹凸の障害物に遭遇したとき,操縦者が1脚のみの行動を支持する方法を確立する.この指示には,3自由度のジョイスティックを用いる.1脚の軌跡を指示することにより,脚車輪型移動ロボットは前方の障害物の形状を把握することができる.この情報を基に,脚車輪型移動ロボットは,自ら脚の軌道,脚関節のコンプライアンス,胴体の姿勢角度を計画するアルゴリズムを構築する.以上のような脚車輪型移動ロボットの対地適応自己計画システムを開発した.これを用いて,脚車輪型移動ロボットを用いた実験を行い,大きな段差の移動が行えることを示した.
非コンパクトなエネルギー構造をもつ勾配系における特異閾値解の漸近挙動の研究

本年度は1.非有界領域上で定義された、ソボレフ劣臨界半線型スカラー放物型方程式の解の漸近挙動に関し、安定集合・不安定集合とそこから導かれるダイナミクス2.ソボレフ臨界指数をもつ半線型放物型方程式の、タイプ2爆発解のソボレフ空間における有界性3.変動指数をもつソボレフ埋め込みのコンパクト性4.ソボレフ臨界指数に達する変動指数をもつ半線型放物型方程式の時間大域解の最大値ノルムの時間大域的有界性に関する研究を行った。1については安定集合、不安定集合の構成に成功し、同時に「非自明な挙動を行う時間大域解」の存在も示すことができた。このことにより、本研究のターゲットである「逃げ去り解」の存在が確立され、次年度の「逃げ去り解の挙動の具体的解析」への基礎ができた。2については後方自己相似変換後に、ソボレフ空間におけるプロファイル分解定理を用いることで、タイプ2爆発の仮定の下でのソボレフ空間における有界性を示そうとしたが、元の解と「初期値のプロファイルから出発する解の重ね合わせ」との関係が明らかになれば結果を得られるところまで到達し、次年度の研究目的が明確化された。3については、変動指数が十分臨界指数に早く接する場合、埋め込みがコンパクトになることが判明した。この結果を用いることで、変動指数をもつ半線型放物型方程式について、変動指数に関する上記と同じ仮定の下で、時間大域解が最大値ノルムでの時間大域的有界性を持つことが示された。研究計画書にある、平行移動変換群に由来する軌道のコンパクト性の破れの解析は、空間一次元の場合について安定集合・不安定集合の構成がなされ、ターゲットとなる非自明挙動を取る時間大域解の存在が得られた。また、臨界ソボレフ指数をもつ放物型方程式の時間大域解の解析について、指数が原点でのみ臨界指数に接しその他の場所では劣臨界である問題について、時間大域的有界性を与える十分条件を導いた。さらに関連する話題として、臨界型関数不等式、特に有界偏導関数空間のルベーグ空間への埋め込みに関する最大化問題についての結果を得た。以上より、おおむね順調に研究が進展していると判断した。「研究業績概要」1にある通り、本研究のメインターゲットである「逃げ去り解」(領域の非有界性による定常解の非存在によって生じる進行波解状の解)の存在が確立されたので、空間無限遠におけるプロファイルの周りでのリャプノフ・シュミット逓減法などを用いて、重心座標のダナミクスを記述する有限次元運動方程式を導くことを考える。その際、領域が半空間である場合には、領域の境界が解析の技術的困難を導く可能性があるので、これが実際に生じた場合には、同様の構造をもつ単調ポテンシャルをもつ全空間上での放物型方程式の解析を行い、元の問題に対する手がかりを得ることを考える。「研究業績概要2」にある、ソボレフ臨界指数をもつ半線型熱方程式のタイプ2爆発解の解析については、時間発展に伴う凝集現象に付随するプロファイル分解と、時間発展の可換性を解析することにより、所望の結果を得ることを考える。「研究業績概要3、4」にある、変動指数を持つソボレフ埋め込みのコンパクト性、及び付随する放物型方程式の解の時間大域有界性については、同様の構造が非線型放物型方程式にも存在するため、半線型性を覗いた非線型問題について同様の結果を得ることを狙う。ユークリッド空間上で定義された、ソボレフ臨界指数を持つ半線型放物型方程式(エネルギー臨界熱方程式)の時間大域解の漸近挙動、特にソボレフノルムの時間大域的有界性に関する研究を行った。このクラスの方程式はスケール不変性を持つため、時間大域的挙動は「空間全領域での非自明定常解がスケールによって凝集したもの(バブル)の重ね合わせになる」といういわゆる「ソリトン分解予想」に従うと考えられているが、現在までこれを厳密に証明した例は存在しない。本研究では当初、バブルの周りのリャプノフ逓減法と爆発解析を併用する手法を考えており、基本理論の展開と個別事実の計算に多くの時間を要すると考えられていたが、リャプノフ逓減法の代わりに実解析的プロファイル分解定理と放物型方程式に対する基本手法であるエネルギー法を用いることで、煩雑な計算を行うことなく上記時間大域的有界性を示すことができた。臨界型関数不等式に付随する変分問題の研究では、可換ゲージ場とカップルしたハーディ型不等式の最小化問題を考察した。類似の系は、正準交換関係の表現論の観点から解析され、磁束が量子化されていることと、物理的運動量を含む正準交換関係の表現がシュレーディンガー表現と同値になることは知られていたが、表現の非同値性と具体的な変分問題の可解性の関係は知られていなかった。本研究では当初の予想通り、表現の同値性と最小化問題の可解性が対応することが分かった。また、この過程で、可解性を特徴づける幾何学的量として「逓減されたコホモロジー」の概念が有効であることがわかりつつある。

当初計画していたエネルギー臨界熱方程式の時間大域解のソボレフ空間における時間大域的有界性の研究は、リャプノフ逓減法と爆発解析を併用する大掛かりなもので、基本理論の展開と個別事実の計算に多くの時間を要すると考えられていたが、リャプノフ逓減法の代わりにプロファイル分解とエネルギー法を用いることで煩雑な計算を行うことなく上記事案大域的有界性を示すことができたため、おおむね順調に進展していると判断した。臨界型関数不等式の査証化問題に関する研究では、当初の目論見通り可換ゲージ場と相互作用するハーディ型不等式に付随する変分問題の可解性が、磁束の量子化と密接に対応することが分かった。この結果も当初の計画とほぼ同じペースであるので、おおむね順調に進展していると判断した。本年度は1.非有界領域上で定義された、ソボレフ劣臨界半線型スカラー放物型方程式の解の漸近挙動に関し、安定集合・不安定集合とそこから導かれるダイナミクス2.ソボレフ臨界指数をもつ半線型放物型方程式の、タイプ2爆発解のソボレフ空間における有界性3.変動指数をもつソボレフ埋め込みのコンパクト性4.ソボレフ臨界指数に達する変動指数をもつ半線型放物型方程式の時間大域解の最大値ノルムの時間大域的有界性に関する研究を行った。1については安定集合、不安定集合の構成に成功し、同時に「非自明な挙動を行う時間大域解」の存在も示すことができた。このことにより、本研究のターゲットである「逃げ去り解」の存在が確立され、次年度の「逃げ去り解の挙動の具体的解析」への基礎ができた。2については後方自己相似変換後に、ソボレフ空間におけるプロファイル分解定理を用いることで、タイプ2爆発の仮定の下でのソボレフ空間における有界性を示そうとしたが、元の解と「初期値のプロファイルから出発する解の重ね合わせ」との関係が明らかになれば結果を得られるところまで到達し、次年度の研究目的が明確化された。3については、変動指数が十分臨界指数に早く接する場合、埋め込みがコンパクトになることが判明した。この結果を用いることで、変動指数をもつ半線型放物型方程式について、変動指数に関する上記と同じ仮定の下で、時間大域解が最大値ノルムでの時間大域的有界性を持つことが示された。研究計画書にある、平行移動変換群に由来する軌道のコンパクト性の破れの解析は、空間一次元の場合について安定集合・不安定集合の構成がなされ、ターゲットとなる非自明挙動を取る時間大域解の存在が得られた。また、臨界ソボレフ指数をもつ放物型方程式の時間大域解の解析について、指数が原点でのみ臨界指数に接しその他の場所では劣臨界である問題について、時間大域的有界性を与える十分条件を導いた。さらに関連する話題として、臨界型関数不等式、特に有界偏導関数空間のルベーグ空間への埋め込みに関する最大化問題についての結果を得た。以上より、おおむね順調に研究が進展していると判断した。プロトタイプである半線型熱方程式について、エネルギー臨界の場合に、ソボレフ空間での時間大域的有界性を示すことができた。本研究で開発された手法と知見は、個々の方程式の細部の構造によらず、エネルギー散逸の存在するスケール不変な方程式系であれば適用可能と思われる。今後は後方自己相似変換されたエネルギー臨界熱方程式。エネルギー臨界消散型波動方程式、スケール不変な重み関数をもつエネルギー臨界放物型方程式、ケラー・シーゲル型方程式系など、類似の構造を持つ系について同手法が適用可能かを検討する。また、ナビエ・ストークス方程式についても、ソボレフ空間での時間大域的有界性とプロファイル分解の観点から、どのような知見が得られるかの検討を開始する。臨界型関数不等式については、現在可換ゲージ場と相互作用するハーディ型不等式に付随する変分問題の解析が終了しつつある。これは領域のコホモロジーがゲージ場の磁束の量子化を通じて最小化元の存在・非存在に影響を及ぼすというものであり、幾何学的視点と解析学的視点の共同が必要なものであった。
新規アドレノメデュリン誘導体を循環器疾患治療薬として開発するための基礎研究

アドレノメデュリン(AM)は本研究代表者が発見した強力な降圧作用を有した循環調節に重要な生理活性ペプチドである。その後、循環器疾患や炎症性疾患ではAMの産生が増加しAMが抗炎症・循環器保護因子として作用していることを見出した。しかしAMはペプチドであるため、半減期が短く治療薬として臨床応用するためには経静脈持続投与が必要であり、循環器疾患治療薬として実用化されるのが困難であった。最近、我々は月12回の皮下投与で循環器疾患や炎症性疾患の治療薬として実用化可能な新規AM誘導体(PEG化AM誘導体)を発明して、特許申請を行った。本研究ではPEG化AM誘導体を循環器疾患治療薬として臨床応用するための、基礎的研究を行い、本研究が終了後に開発治験を開始できるようにしたい。具体的には次の3つのサブテーマで研究を推進する。1PEG化AM誘導体の各種細胞への作用と作用機序の検討PEG化AM誘導体はAMと同様の受容体を介して、同様の作用機序で効果を発揮すると考えられるが、PEG化されたことでAM受容体に対する作用や、各種細胞に対する作用がAMとは異なっている可能性がある。AM受容体を安定発現している細胞や各種培養細胞に対するAMとPEG化AM誘導体の作用と作用機序を明確にする。2PEG化AM誘導体の血行動態に対する効果PEG化AM誘導体をラットに投与した時の血行動態を明らかにする。また、各種循環調節因子への影響についても明らかにする。3循環器疾患モデル動物でのPEG化AM誘導体の有用性PEG化AM誘導体の治療薬としてターゲットになる疾患としては、治療抵抗性高血圧症、肺高血圧症、慢性心不全、脳血管性認知症等を想定しているが、これらの疾患のモデル動物を用いた実験的治療を行うことで薬効を証明し、薬効を発揮する機序について明らかにしたい。新規アドレノメデュリン(AM)誘導体であるPEG化AMを用いて、循環器疾患治療薬としての有用性を検討するため基礎的研究を推進している。1型AM受容体(CLR/RAMP2複合体)と2型AM受容体(CLR/RAMP3複合体)を安定発現している細胞株を用いて、AMや各種のPEG化AM誘導体のcAMP増加活性を検討した。PEGの分子量が大きくなるにしたがいcAMP増加活性は低下したが、5%程度までであり、PEG化することで血中での半減期が著明に延長することを考慮すると有用性が高いことが判明した。各種の各種培養細胞(血管内皮、血管平滑筋、心筋、メサンギウム細胞など)にPEG化AM誘導体を作用させた時のcAMP増加活性はAMと同様な結果であることが判明した。当教室で確立しているラットを用いたテレメトリーシステムを利用してAM(PEG化されてないもの)とPEG化AM誘導体をラットに投与したときの血行動態を観察した。投与方法は臨床で実施予定の皮下と経静脈投与の単回投与で実施する。臨床での治療薬として推定される525nmol/kg/回では有意な降圧を示さず、最大投与量は125nmol/kg/回dreamえ降圧が認められた。12週のSHR-SPを用いPEG化AM誘導体を量を変えて、2週間に1回皮下投与し、8週間血圧の推移を観察したところ、正常血圧ラットでは2)に示したように25nmol/kg/回で有意な降圧が認められなかったが、SHR-SPでは降圧効果が認められた。また、心臓、腎臓、大血管および脳組織を摘出して病理学的に臓器障害を評価したところ、高血圧による臓器障害を改善していた。これらの結果から、PEG化AMは高血圧治療薬として有望であることが明らかになり、正常血圧に対してはあまり血圧を下げないことから安全性が高いことが判明した。以上のことからおおむね順調に進展していると自己評価している。2018年度の研究を継続して発展させるが、2019年度はつぎのような研究も推進する1PEG化AM誘導体の各種細胞への作用と作用機序の検討1型AM受容体(CLR/RAMP2複合体)と2型AM受容体(CLR/RAMP3複合体)を安定発現している細胞株を用い、AMやPEG化AM誘導体のcAMP増加活性Ca++増加活性を見る。2019年度はCGRP受容体(CLR/RAMP1複合体)についても同様に検討する。また、PEG化AM誘導体のうちAMのリング構造からN末に延長したペプチドの長さを変えたものも検討する。また、受容体とのinternalizationについても明確にしたい2PEG化AM誘導体の血行動態に対する効果2018年度に引き続き、当教室で確立しているラットを用いたテレメトリーシステムを利用して各種のPEG化AM誘導体を投与したときの血行動態をモニターする。血圧、心拍数以外にも行動量や体温などを無麻酔、無拘束の条件で長期間(2週間以上)モニターすることができる。さらに、投与後に血液を経時的に採取し、PEG化AM誘導体血中濃度と血行動態変化や各種の循環パラメータとの関連をみる3循環器疾患モデル動物でのPEG化AM誘導体の有用性2019年度は心不全モデルであるDOCA食塩高血圧ラットを用い、PEG化AMの用量や投与法を検討し、臨床応用する際の最適な方法を明らかにする。具体的には、12週のDOCA食塩高血圧ラットを用い、PEG化AM誘導体を量を変えて、2週間に1回皮下投与し、8週間血圧の推移を観察する。8週後に尿蛋白量測定と心エコーによる血行動態の評価を行った後に、採血し各種循環ホルモン(レニン、アルドステロン、ANP、BNP他)を定量する。

また、心臓、腎臓、大血管および脳組織を摘出して病理学的に臓器障害を評価する。PEG化AM誘導体の降圧効果と心不全抑制効果を明確にできるアドレノメデュリン(AM)は本研究代表者が発見した強力な降圧作用を有した循環調節に重要な生理活性ペプチドである。その後、循環器疾患や炎症性疾患ではAMの産生が増加しAMが抗炎症・循環器保護因子として作用していることを見出した。しかしAMはペプチドであるため、半減期が短く治療薬として臨床応用するためには経静脈持続投与が必要であり、循環器疾患治療薬として実用化されるのが困難であった。最近、我々は月12回の皮下投与で循環器疾患や炎症性疾患の治療薬として実用化可能な新規AM誘導体(PEG化AM誘導体)を発明して、特許申請を行った。本研究ではPEG化AM誘導体を循環器疾患治療薬として臨床応用するための、基礎的研究を行い、本研究が終了後に開発治験を開始できるようにしたい。具体的には次の3つのサブテーマで研究を推進する。1PEG化AM誘導体の各種細胞への作用と作用機序の検討PEG化AM誘導体はAMと同様の受容体を介して、同様の作用機序で効果を発揮すると考えられるが、PEG化されたことでAM受容体に対する作用や、各種細胞に対する作用がAMとは異なっている可能性がある。AM受容体を安定発現している細胞や各種培養細胞に対するAMとPEG化AM誘導体の作用と作用機序を明確にする。2PEG化AM誘導体の血行動態に対する効果PEG化AM誘導体をラットに投与した時の血行動態を明らかにする。また、各種循環調節因子への影響についても明らかにする。3循環器疾患モデル動物でのPEG化AM誘導体の有用性PEG化AM誘導体の治療薬としてターゲットになる疾患としては、治療抵抗性高血圧症、肺高血圧症、慢性心不全、脳血管性認知症等を想定しているが、これらの疾患のモデル動物を用いた実験的治療を行うことで薬効を証明し、薬効を発揮する機序について明らかにしたい。新規アドレノメデュリン(AM)誘導体であるPEG化AMを用いて、循環器疾患治療薬としての有用性を検討するため基礎的研究を推進している。1型AM受容体(CLR/RAMP2複合体)と2型AM受容体(CLR/RAMP3複合体)を安定発現している細胞株を用いて、AMや各種のPEG化AM誘導体のcAMP増加活性を検討した。PEGの分子量が大きくなるにしたがいcAMP増加活性は低下したが、5%程度までであり、PEG化することで血中での半減期が著明に延長することを考慮すると有用性が高いことが判明した。各種の各種培養細胞(血管内皮、血管平滑筋、心筋、メサンギウム細胞など)にPEG化AM誘導体を作用させた時のcAMP増加活性はAMと同様な結果であることが判明した。当教室で確立しているラットを用いたテレメトリーシステムを利用してAM(PEG化されてないもの)とPEG化AM誘導体をラットに投与したときの血行動態を観察した。投与方法は臨床で実施予定の皮下と経静脈投与の単回投与で実施する。臨床での治療薬として推定される525nmol/kg/回では有意な降圧を示さず、最大投与量は125nmol/kg/回dreamえ降圧が認められた。
方向の制限された平面上での最短路問題に関する研究

前年度までは、方向の制限された幾何の中でλ-幾何を扱った。ここで、λ-幾何とは、全ての図形がπ/λ方向の線分だけからなる幾何である。λ-幾何は、原点で交わるようなλ本の直線を軸と考え、いずれかの軸に平行な線分だけを扱った幾何とみなせる。このとき、λ-幾何では、軸同士の成す角度が均等である。これに対して、平成12年度には、方向の制限をλ-幾何より一般化した凸距離幾何を扱った。ここで、凸距離幾何とは、原点で交わるようなk本の直線を軸と考え、いずれかの軸に平行な線分だけを扱う幾何である。このとき、凸距離幾何では、軸同士の成す角度は均等とは限らない。なお、2点x,y間の凸距離d_c(x,y)は、点対称な凸多角形Cの中心点をx(あるいはy)において、相似なままCをd_c(x,y)倍したときy(あるいはx)がその境界上に乗るような値である。この凸距離幾何において、凸多角形Cを正2λ角形にすれば、凸距離幾何はλ-幾何と同等である。前年度においては、λ-幾何で、n個の母点に対するボロノイ図をO(λnlogλn)時間で求めるアルゴリズムを2種類開発した。ここで、一つは分割統治法に基づく手法であり、もう一つは平面走査法に基づく手法である。本年度は、これらの2つの手法が、λ-幾何から凸距離幾何に拡張可能であることがわかった。即ち、凸距離幾何上でのボロノイ図を求める高速なアルゴリズムを2つ開発した。一つは、分割統治法に基づいたO(kn log kn)時間アルゴリズムであり、もう一つは平面走査法に基づくO(kn log kn)時間アルゴリズムである。なお、従来はこれらの方向制限幾何上でボロノイ図を求めるアルゴリズムの解析は、kあるいはλを定数として扱っている。これに対して、本研究ではkあるいはλは定数とは限らない。平成11年度には、方向の制限された幾何の1つであるλ-幾何を扱った。ここで、λ-幾何とは、すべての図形がπ/λ方向の線分から成るような幾何である。本年度は、特に、計算機何学上の最も基本的な概念の1つであるボロノイ図に焦点を絞った。すなわち、良く知られているユークリッド幾何でのボロノイ図の作成法を基に、λ-幾何におけるボロノイ図の作成法の開発を行った。ユークリッド幾何でのボロノイ図作成法として、分割統治法、平面走査法、逐次添加法、3次元凸法帰着法等が知られている。このなかで、分割統治法および平面走査法を修正することにより、λ-幾何でのボロノイ図を効率良く作成できることがわかった。分割統治法を修正して得られるアルゴリズムは、λ-幾何のボロノイ図をO(λnlogn)時間で求めることができる。また、平面走査法を修正して得られるアルゴリズムは、λ-幾何のボロノイ図をO(λnlogλn)時間で求めることができる。なお、従来の方向制限幾何では、2点の"2等分線"や2本の"2等分線"の交点をO(1)時間で求められるという仮定の下で、O(nlogn)時間でボロノイを求めるアルゴリズムが知られていた。λ-幾何で2点の"2等分線"や2本の"2等分線"の交点を求めることは、単純に行なうとO(λ^2)時間かかってしまう。よって、従来の手法を単純に行なうと、λ幾何のボロノイ図を求めることに、O(λ^2nlogλn)時間かかってしまう。これに対して本研究で開発した手法は、従来法より効率良くボロノイ図を作成できる。

なお、従来はこれらの方向制限幾何上でボロノイ図を求めるアルゴリズムの解析は、kあるいはλを定数として扱っている。これに対して、本研究ではkあるいはλは定数とは限らない。