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膨潤性粘土及び硫化岩の物理化学的・力学的挙動に関する研究 -廃棄物処分場における遮水システムとしての応用-

膨潤挙動のモデリングあるいはこれを考慮した岩盤の応力-浸透流解析は,膨潤性岩盤中に設ける構造物の設計・施工と安全性評価や廃棄物地層処分施設の安定で信頼性のある遮水システムへの応用を考える際に,非常に重要な役割を果す。そのため,実験によって膨潤性岩盤・土質材料の特性を把握し,膨潤に関するモデリング及び解析手法の開発を行なった。また,開発した膨潤力学モデルの感度分析を行い,モデルに含まれるパラメータについて,感度分析も行った。さらに,自由膨潤試験から得られた膨潤異方性も考慮できるような膨潤面内等方性モデルを提案した。圧縮ベントナイトを対象とした一軸ひずみ条件における一定荷重膨潤試験と自由膨潤試験から得られた測定結果を検討するとともに,構成関係に含まれる材料定数の同定方法を明らかにした。また,有限解析による予測値と実験結果を比べ,構成モデルの妥当性や膨潤特性について検討を加えた。廃棄物処分施設を地下に設けたとき,岩盤の中に天然に存在する割れ目を流れる浸透流の水力学的メカニズムを明らかにしなければならない。というのは廃棄物周囲の膨潤性粘土鉱物からなる1次バリアに問題があったときに,岩盤は天然の2次バリアとして,有害物質を吸収することが期待できるからである。それ故,岩盤内割れ目の浸透流モデルは,トータルとしての,地下廃棄物処分場の安全性を維持するためにも,評価するためにも欠かすことができない。本研究では地下深部で高い応力が作用しているときには岩盤割れ目は一部閉じた状態となっているはずであることを考慮して,地下浸透流について研究を行った。開いた割れ目に当てはまるであろう平行平板モデルとこれから導かれる流れの三乗則は当てはまらないはずである。理論的な考察を基にして,一部閉じた割れ目に当てはまる流れの非三乗則を提案した。平成12年度は以下のことを行った。(1)膨潤性粘土と硫化岩の物理化学的・力学的挙動に関する文献調査を行った。(2)文献調査結果と海外の協力関係にある研究グループの研究成果を基に,膨潤性を有する粘土および粘土質岩石の力学的特性を明らかにするための実験装置に求められるスペックを検討し,発注した。(3)実験装置について慎重に検討を行ったため,発注と納入が遅れたので,実験の成果として,今年度は十分なものが得られなかったが,次年度で挽回できるものと考えている。(4)膨潤性粘土及び硫化岩の物理化学的・力学的挙動を記述し得る数学モデルの開発を,文献調査と実験結果を基に行った。また,応力-浸透流-膨潤挙動を解析するためのFEMコードの基本設計を行い,モデルと解析コードの検証を行った。次年度以降は,実験で明らかとなった事実も組み込んだ,モデルと解析コードの開発を行うが,その準備が終わったと言える。(5)平成12年度に開発したFEM解析コードを使って,その膨潤特性・力学特性が公表されているモンモリロナイト質粘土について,膨潤圧測定試験のシミュレーションを行った。不飽和状態の粘土が持つ水分特性曲線(含水率とサクションの関係)が,膨潤挙動に大きな影響を与えることが明らかとなった。今後の実験によって,膨潤性粘土の水分特性曲線を求めることになるが,この水分特性曲線を得ることができれば,膨潤圧測定試験における,粘土の挙動を,開発したFEM解析コードにより,再現できることを確認した。平成13年度は以下のことを行った。(1)前年度に引き続き,膨潤性粘士と硫化岩の物理化学的・力学的挙動に関する文献調査を行った。(2)前年度と同様,海外の協力関係にある研究グループと研究成果の交換を行った。

(3)前年度に購入した膨潤試験装置を使用して,モンモリロナイトを含んだ膨潤性粘士の膨潤試験を行った。しかし,計測系装置についての見直し,実験の進め方について試行錯誤を行ったことなどにより,実験成果を公表するまでには至っていない。実験成果の公表は,来年度とならざるを得ない。(4)前年度と同様,膨潤性粘士及び硫化岩の物理化学的・力学的挙動を記述し得る数学モデルの開発を,文献調査と実験結果を基に行った。この成果を基に,昨年度に基本設計が終了した応力-浸透流-膨潤挙動を解析するためのFEMコードの見直しも行っている。実験結果が限られているものの,不飽和状態の粘士が持つ水分特性曲線(含水率とサクションの関係)について新たな知見が得られるようになったので,数学モデルの改良を予定している。膨潤性粘士は,強い力学的非線形性を有しており,力学モデルの構築には,室内実験から得られた成果を組み入れる必要がある。(5)一方,含水率・サクションコントロールのために,蒸気圧法を取り入れた簡易膨潤試験を行った。これは過飽和蒸気圧の大きさがわかっている溶液を満たした容器中で,自由膨潤試験を行った。その結果,サックションの変化に伴う体積変化は等方性を示すことが殆どなく異方性を示すことが確認された。現在,拘束膨潤試験も準備中である。平成14年度は以下のことを行った。(1)前年度に引き続き,膨潤性粘士と硫化岩の物理化学的・力学的挙動に関する文献調査を行った。(2)前年度と同様,海外の協力関係にある研究グループと研究成果の交換を行った。(3)膨潤試験装置の載荷装置を改良し,モンモリロナイトを含んだ膨潤性粘士の膨潤試験を引き続き行った。等方圧密試験とセン断試験,または三軸圧縮試験が力学モデル乗数の同定には必要となる。しかし応力変数の一つであるサクションの制御が可能な試験装置を準備する必要があり,膨潤試験上の測定問題も含めてこれは容易なことではない。本研究では,半径方向の変形を拘束する圧密試験機を改造した一軸膨潤試験機を使用した。(4)試験中のサクション(蒸気圧)をコントロールするため,蒸気圧法を採用することにし,5種類の塩飽和溶液と蒸留水を使って試験片の相対湿度を制御することにした。このとき,実験室の室温は25±1°Cで制御した。(5)前年度と同様,膨潤性粘士及び硫化岩の物理化学的・力学的挙動を記述し得る数学モデルの開発を,文献調査と実験結果を基に行い。応力-浸透流-膨潤挙動を解析するためのFEM解析プログラムを作成した。実験で使用できる応力経路(載荷経路)が限られているので,数学モデルの検証に時間を要した。(6)サクション制御の一軸膨潤試験と自由膨潤試験結果,および数学モデルによる数値実験結果を組み合わせて,膨潤性粘士の物理化学的・力学的挙動の特性を明らかにし,これを組み込んだ解析プログラムの成果等のまとめを行った。
量子ビットへの応用を目指した強磁性体/高温超伝導体接合作製に関する基礎研究

良質な界面を有する強磁性体/高温超伝導体の接合作製についての基礎技術開発を行った。具体的にはLa_<0.85>Ba_<0.15>MnO_3/YBa_2Cu_3O_y接合をパルスレーザー堆積法により作製し、得られた接合の界面ナノ領域における化学結合・電子状態を明らかにする為、硬X線励起光電子分光を用いたdepthプロファイルを行った。その結果、YBa_2Cu_3O_yにおいて観測されるCu-2p内殻光電子スペクトルのサテライト強度が接合界面近傍において著しく減少していることが分かった。又、一方でLa_<0.良質な界面を有する強磁性体/高温超伝導体の接合作製についての基礎技術開発を行った。具体的にはLa_<0.85>Ba_<0.15>MnO_3の構成元素であるMn及びBaの内殻光電子スペクトルも接合界面近傍においてケミカルシフトを起こし、それに伴いブロードニングが生じていることが分かった。これは接合界面近傍において異なる価数状態が混在し、キャリア状態が変化していることを示唆する。詳細な解析の結果、La_<0.85>Ba_<0.15>MnO_3/YBa_2Cu_3O_yの接合界面にはCuの価数が大きく低下した非超伝導層、及びスピン偏極率が低下している強磁性体層が存在していることが明らかとなった。この結果から、非超伝導層や低スピン偏極率層が接合界面に存在しない良質な接合を作製する為には、成膜時の作製条件等を工夫する必要があることが分かった。具体的にはまず、接合作製用基板に用いる大型Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ>(Bi-2212)単結晶を改良垂直ブリッジマン法により育成した。本研究では特に、基板用Bi-2212単結晶の更なる大型化および高品質化を狙って大口径坩堝の使用および育成雰囲気制御等を行った。その結果、非常に大型のBi-2212単結晶(ab面サイズ:20.5×6.5mm^2)を得ることに成功した。得られた単結晶を、微量元素の検出が可能である高輝度放射光(SPring-8)を用いた超高分解能内殻光電子分光により評価した。その結果、単結晶は構成元素以外の不純物を含んでおらず、更には(Bi-2212単結晶でしばしば生じる)Sr⇔Ca固溶置換も殆どない、極めて高品質な単結晶であることが分かった。この結果は、磁化-磁場特性で得られた小さなΔM(=2emu/g@60K)が示す結果とも矛盾しない。又、光電子分光測定の結果から、坩堝から取り出したas-grown単結晶の表面は超伝導において重要なCuO_2面からOが抜けてCuの価数が小さくなっていることも分かった。この表面還元層ではドーピング状態が最適値から大きくずれており、非超伝導体となっている。従って、このままでは単結晶基板として用いることが出来ない。そこで、超伝導特性が優れ、清浄且つ平坦な単結晶表面を得る為の工夫を行った。その結果、高真空中劈開する方法が良質な単結晶表面を得るのに最も良い方法であることが明らかとなった。今後は、上述のようにして得られた高品質な大型Bi-2212単結晶の劈開面を基板とし、その上に強磁性体を成膜する。そして、得られた接合の界面ナノ領域化学結合状態等を厳密に調べる為、高エネルギー放射光励起内殻光電子分光による評価(depthプロファイル)を行っていく。具体的にはまず、接合作製用基板に用いるBi_2Sr_2Ca_<n-1>Cu_nO_<8+δ>[n=1-3]超伝導ウィスカー(以下、Bi系ウィスカー)をASGQP法(an Al_2O_3-seeded glassy quenched platelets method)により育成した。ウィスカーは究極の結晶性を持つ高品質単結晶として知られている為、接合作製用基板として適している。従来法によるウィスカー育成では成長が50h程度で飽和することが知られている。我々は、この成長飽和の原因として、(母材であるガラス急冷体から成長してくる)ウィスカーの根元付近[:すなわち、成長界面]におけるAl_2O_3触媒の減少を考えた。ASGQP法ではガラス急冷体表面に過剰なAl_2O_3粉末を散布し、熱拡散させることで、(育成とともに)ガラス急冷体表面近傍に生じるAl_2O_3触媒の欠乏を解消させる。又、育成時の温度および雰囲気の最適化等も行った。その結果、最大で11mm×200μm×30μm程度のサイズを有するウィスカーを得ることに成功した。この時の育成条件は温度:870°C,酸素流量:120ml/min、育成時間110hであった。この我々の開発したASGQP法は従来の育成法と比較して、2倍近い成長速度を実現できることからBi系ウィスカー育成において大きな進展をもたらしたと言える。又、得られたBi系ウィスカーを、微量元素の検出が可能である高輝度放射光(SPring-8)を用いた超高分解能光電子分光により評価した。

その結果、as-grownウィスカーの表面には、酸素が過剰に抜けた還元層(:非超伝導体層)が数60Å程度存在することが明らかとなった。従って、このままでは接合作製用基板として用いることが出来ない。そこで、表面還元層特性を改善する方法を検討した。その結果、酸素雰囲気中において適切にアニール処理を行うことで、超伝導特性が優れていて且つ清浄なウィスカー表面が得られることが明らかとなった。今後は、得られた高品質なBi系ウィスカーを基板とし、その上に強磁性体を成膜する。得られた接合は、界面ナノ領域化学結合状態等を厳密に調べる為、高エネルギー放射光励起光電子分光を用いたdepthプロファイルにより評価される予定である。良質な界面を有する強磁性体/高温超伝導体の接合作製についての基礎技術開発を行った。具体的にはLa_<0.85>Ba_<0.15>MnO_3/YBa_2Cu_3O_y接合をパルスレーザー堆積法により作製し、得られた接合の界面ナノ領域における化学結合・電子状態を明らかにする為、硬X線励起光電子分光を用いたdepthプロファイルを行った。その結果、YBa_2Cu_3O_yにおいて観測されるCu-2p内殻光電子スペクトルのサテライト強度が接合界面近傍において著しく減少していることが分かった。又、一方でLa_<0.良質な界面を有する強磁性体/高温超伝導体の接合作製についての基礎技術開発を行った。具体的にはLa_<0.85>Ba_<0.15>MnO_3の構成元素であるMn及びBaの内殻光電子スペクトルも接合界面近傍においてケミカルシフトを起こし、それに伴いブロードニングが生じていることが分かった。これは接合界面近傍において異なる価数状態が混在し、キャリア状態が変化していることを示唆する。詳細な解析の結果、La_<0.85>Ba_<0.15>MnO_3/YBa_2Cu_3O_yの接合界面にはCuの価数が大きく低下した非超伝導層、及びスピン偏極率が低下している強磁性体層が存在していることが明らかとなった。この結果から、非超伝導層や低スピン偏極率層が接合界面に存在しない良質な接合を作製する為には、成膜時の作製条件等を工夫する必要があることが分かった。
窒化III-V族化合物半導体の表面および秩序構造制御

本年度の研究成果は次の3点である。(1)GaNAs(001)成長表面の理論検討昨年までに得られていたGaNAs(001)成長表面の反射率差分光法による測定結果を基に、千葉大学理学部中山隆史教授との共同研究としてGaNAs(001)成長表面の理論検討を行った。本研究ではその表面構造としてバックリングしたN-Asダイマーを持つ(2x4)表面構造モデルを提案し、その構造がエネルギー的に安定であることを理論計算によって示した。(2)GaNAs薄膜の窒素原子周辺のXANES測定高エネルギー加速器研究機構において、GaNAs薄膜のXANES測定を行った。本研究ではGaAs(001)およびGaAs(111)A基板上に作製した薄膜について測定を行い、その両者では窒素原子周辺の局所構造が異なっていることを明らかにした。(3)GaInNAs薄膜のインジウム原子周辺のEXAFS測定大型放射光施設SPring-8において、GaInNAs薄膜のEXAFS測定を行った。本研究ではIn濃度に依存した測定結果の変化を観測した。GaInNAsのIn K吸収端EXAFS測定からはIn-As結合の長距離化が見られ、In-As結合の長距離化はIn-Nペアの形成に伴う現象であることを明らかにした。また、In-Nペアの形成に伴い第2近接原子間距離も長距離化した。これはIn-As-Inの組み合わせが増えるためであることを明らかにした。以上3点の知見はIII-N-As族化合物半導体に新たな知見を与えるものである。特に第1点目の表面構造モデルは世界的にも例を見ないものであり、特筆すべき成果であると考える。(1)GaNAs(001)成長表面の反射率差スペクトルの理論解析昨年度得られたGaNAs(001)成長表面相図を基となった反射率差スペクトルの理論解析を、千葉大学理学部中山隆史教授との共同研究として行った。本研究によりGaNAs(001)薄膜MBE成長においては、表面窒素濃度がバルク窒素濃度に比べて高い状態で成長していること、成長表面ではAs-Nダイマーの変形が起きていることの2点を明らかにした。(2)ラザフォード後方散乱法によるGaNAs結晶構造解析ラザフォード後方散乱法によるGaNAs(001)薄膜の結晶構造解析を行った。本実験の結果から、GaNAs薄膜中において従来確認されていた原子間位置窒素点欠陥とは別に、GaAs母結晶側にも点欠陥が発生していることが明らかにされた。また窒素原子位置の評価も同時に行い、結晶格子位置および原子間位置に窒素原子が存在していることを確認した。本年度得られた研究成果を総括するに、GaNAs(001)成長表面における窒素原子の状態を明らかにしたこと、またGaNAs薄膜中の点欠陥構造に関する新たな知見を得たことに意義がある。ことに表面状態については、反射率差分光法を用いたことで、従来の方法では得られなかった知見を実験的に得ることができた。これはGaNAsに限らず、非混和性の高い材料系の結晶成長に対しても有意義な知見であると考えられる。
分布型光ファイバひずみ計測の高性能化についての研究

安全な社会に向けたモニタリングシステムへの応用が期待される、ブリルアン散乱現象を利用した分布型光ファイバひずみ計測の高性能化の研究を行った。まず、トンネルなどの円環構造物に設置された光ファイバで生じるブリルアンゲインスペクトル(BGS)の形状をモデル化し、モデルが観測されたBGSに一致する条件からひずみを計測する方法を開発した。次に、振動している構造物に生じる時間的不均一ひずみ下のBGSの形状を解析し、モデル化した。そして、このモデルを用いて時間的不均一ひずみの情報を得る方法を開発した。さらに、幅の異なるパルス光を入射し、それらで観測されたBGSの差分を解析することでシステムを高性能化した。光ファイバ内で発生するブリルアンゲインスペクトル(以下BGSと略す)の周波数シフトひずみ依存性に基づく光ファイバひずみ計測は、長距離・分布計測が可能であり、インフラ設備や構造物の変状検出のためモニタリングシステムへの応用が期待されている。このシステムでは、センサとして設置された光ファイバのひずみが計測される。本研究の目的は、このような光ファイバひずみ計測の性能をソフト、ハードの両面から向上させることである。本年度は、昨年度(平成24年度)の研究を発展させるとともに、新たな課題に取り組んだ。空間的不均一ひずみ分布下の光ファイバで生じるBGSのモデル化の研究は前者に含まれ、円環など不均一ひずみ分布が形成される実際の構造物に応用する際の重要な技術課題の一つとなっている。直径2m、厚さ47mmの円環に対し、15mmまでの直径変化を与えながら円環のさまざまな位置でBGSを観測した。観測されたBGSとモデルとがよく一致すること、このモデルを用いて荷重点の直径変化を最大誤差1.6mmで計測できることを実験で示した。またシミュレーションによって、直交する2方向荷重下の円環の直径変化計測誤差の特性も明らかにした。前者のもう一つの課題であるシステムの高性能化を進める中で、光源からの連続光をパルス化する際にパルス光パワーがその幅に依存していることがわかった。これを補正するためのデバイスの追加や計測アルゴリズムの変更を行った。加えて、中間周波数アンプを追加し、ブリルアン散乱光をデジタルオシロスコープで観測できる見通しを得た。後者の研究については、空間的不均一ひずみ分布下のBGSに対する形状解析を、時間的に変動する動的不均一ひずみ分布下のBGS形状の解析に適用し、この場合のBGS形状をモデル化した。このモデルを用いて、正弦的に時間変化する動的ひずみの最大振幅と中心を求める方法を提案した。光ファイバで発生するブリルアン散乱光スペクトルすなわちブリルアンゲインスペクトル(以下BGSと略す)の周波数がひずみに比例してシフトする現象に基づく光ファイバひずみ計測は、ひずみの長距離・分布計測が可能なことから、安全安心な社会を実現するための技術の一つとして、インフラ設備などのモニタリングシステムに応用が期待されている。本研究の目的は、この光ファイバひずみ計測をソフト、ハードの両面から高性能化することにある。平成24年度は、空間的に変化するひずみ分布を高精度に計測するための理論解析とそれに基づく計測アルゴリズムの考案、また、ブリルアン散乱光を分布観測するシステムの構築に向けた基礎検討を行った。トンネルなど円環構造物では、その直径変化や断面における円周方向のひずみが損傷の程度を与える重要な指標となっている。そこでまず、BGS特性、BGS観測条件、円環に生じる空間的不均一ひずみ分布の3つをパラメータとしてBGSの形状をモデル化し、このモデルと、観測されたBGSとが最もよく一致する最適条件からひずみ分布を推定する方法を考案した。円環への最も基本的な荷重として直径方向の荷重を作用させて円環円周上に正弦波状ひずみ分布を形成し、そのひずみを受けている光ファイバで観測されたBGSとモデルとがよく一致すること、また、観測されたBGSから直径変化が計測可能なことも確認した。次に、平成2022年度科学研究費助成事業(基盤研究(C))で構築したシステムを拡張し、光ファイバの長さ方向にBGSを観測し、ひずみを分布計測するシステムの構築を進めた。その第1ステップとして、既存システムにブリルアン散乱光分布観測機能を付加するために、光源からの連続光のパルス化、コヒーレント検波されたブリルアン散乱光の中間周波数へ変換などが行えるシステムに改造し、ひずみ分布計測システム構築の基礎を築いた。インフラ設備や構造物に生じた変状を検出するための技術は、安心で安全な社会に向け、重要なものとなってきている。その技術の一つに、光ファイバをセンサに用いたひずみ計測技術がある。この技術はひずみの長距離・分布計測が可能であり、光ファイバ内で発生するブリルアン散乱光スペクトルすなわちブリルアンゲインスペクトル(以下BGSと略す)がひずみに比例して周波数シフトする現象を利用している。本研究の目的は、ひずみ計測のもととなるBGSの観測技術の向上にある。本年度は、これまでの2年間の研究を発展させるとともに、新たな課題に取り組んだ。その主な研究実績は以下のとおりである。一般的に、構造物には空間的また時間的に変化する不均一なひずみが生じる。そこで、時間的不均一ひずみの典型例である(時間的線形ひずみ)を取り上げ、このひずみ下の光ファイバで生じるBGSの形状変形を、理論と実験の両面から検討した。

まず、これまでの研究によってその妥当性を明らかにしてきた空間的不均一ひずみ下のBGS形状解析と同様にして、本ひずみに対するBGS形状を導出した。次に、実際に時間的線形ひずみが形成されている光ファイバのBGSを観測した。導出されたBGSと観測されたBGSの形状はよく一致することを確認した。これにより一例ではあるが、時間的不均一ひずみ下のBGSの形状変形に対する解析の妥当性を明らかにすることができた。これまで構築してきたブリルアン散乱光パワー観測システムに、新たなハードウェアやそれらの制御用に開発したソフトウェアを追加した。それにより、BGSが分布観測できるシステムに発展させた。このシステムを用いて、幅が異なるパルス光を別々に光ファイバに入射し、それらのパルス光で分布観測されたBGSの差分を用いることによって、BGS観測区間長を短くすることができる。実験によって、この基本的なBGS観測特性を調べた。光ファイバ内で発生するブリルアンゲインスペクトル(以下BGS)は、光ファイバに生じているひずみに比例して周波数がシフトする。光ファイバをセンサとして用い、この性質に基づいてBGSからひずみを得るひずみ計測方法は長距離・分布計測が可能であり、インフラ設備などの安全性モニタリングシステムへの応用が期待されている。本研究ではこの光ファイバひずみ計測の高性能化に向け、主に以下の3つの研究を行った。まず、円環円周方向に生じるひずみを高精度に計測する方法を開発した。この方法では、BGSの基本形状と周波数シフトのひずみ依存性、BGS観測条件の2つを既知パラメータ、円環のひずみを与えるフーリエ係数を未知パラメータとしてひずみ下のBGSの形状をモデル化し、このモデルが観測されたBGSとよく一致するときのフーリエ係数を求めている。円環直径方向に対向して荷重が作用する場合について、開発したソフトウェアを用いてひずみ計測シミュレーションを行い、精度よくひずみが得られることを確認した。また、実験によって、この方法の有効性を確認した。次に、時間的に変動する時間的不均一ひずみ下のBGSの形状を解析し、そのモデルを構築した。このモデルの妥当性を、線形ひずみと放物線ひずみについて実験によって確認した。時間的・空間的不均一ひずみはいずれもBGSに同様の変形を与えること、また、BGSの変形に起因するひずみ計測誤差も同じ特性を持つことを明らかにした。さらに、時間領域で光ファイバ上のBGS観測位置を求める一般的なひずみ計測システムをそのまま用い、幅が異なるパルス光を別々に光ファイバに入射し、それらのパルス光で観測されたBGSの差分を求めることで、BGS観測区間長を短くする方法を明らかにした。本方法によって、ひずみ計測性能の向上が見込めることを実験によって確認した。安全な社会に向けたモニタリングシステムへの応用が期待される、ブリルアン散乱現象を利用した分布型光ファイバひずみ計測の高性能化の研究を行った。まず、トンネルなどの円環構造物に設置された光ファイバで生じるブリルアンゲインスペクトル(BGS)の形状をモデル化し、モデルが観測されたBGSに一致する条件からひずみを計測する方法を開発した。次に、振動している構造物に生じる時間的不均一ひずみ下のBGSの形状を解析し、モデル化した。
周囲環境の変化や同行者の属性に応じて同行形態を動的に変化可能な自律移動ロボット

同行者との位置関係を柔軟に変化させながら自律移動を行うロボットの実現に向けて、以下の研究成果を得た。同行者との位置関係の制御のために、ポテンシャル場法に基づく動的環境下での並走・縦走の自律的切替え、手つなぎポテンシャル(引力)や光源と影との関係に基づく影ポテンシャル場法の導入によるより柔軟な制御の実現を図った。また、移動型テレプレゼンスロボットにおけるユーザとの同行動作について実機実験による検証を行った。更に、複数人のグループを対象として、相手に思いやりを感じさせる案内行動を自律移動ロボットに行わせることが可能なフレームワークを構築した。同行者との位置関係を柔軟に変化させながら自律移動を行うロボットを実現するために、平成25年度は下記の研究を行った。(1)周囲環境の認識:移動人物や移動物体のある動的環境下で、ロボット周囲の地図の自動生成、及び自己位置推定を行う方法を開発し、論文としてまとめた。なお、高さを違えた2台のLRFを用い、周囲人物の胴の位置と足の位置を検出し、両者の位置の一致により、人物位置の検出精度を確保した。(2)同行者の認識:初期状態においてロボットに一番近い位置にいる人物を同行者として認識させ、追跡を継続することにより、同行者を他の人物と識別した。(3)同行者との位置関係の制御:基本的には、同行者に引力(ー)を、同行者以外の人物や物に斥力(+)を与えてポテンシャル場を形成し、ポテンシャルが最小になる位置にロボットを移動させる方法を用いる。この考え方に基づく動的環境下での並走・縦走の自律的切り替えを実現し、論文としてまとめた。更に、並走・縦走の切替えを柔軟に行うために、新たに「手つなぎポテンシャル(引力)」の概念を導入した。デフォールト状態では、同行者の左右に引力を持った手を設定する。この手つなぎポテンシャルにより、通常状態では並走状態に落ち着く。対向者には進行方向に強い斥力を持たせ(対向者の歩行速度の大小により、斥力ポテンシャルの大きさを調整する)、対向者が近付くと、同行者の手つなぎ用の手は、同行者、ロボット、対向者の位置関係や速度、周囲の障害物の位置に基づき、ロボットが同行者の前に行くか、後ろに行くかの判断に基づき、同行者の前或いは後ろに移動する。これに伴い、この手の引力に引かれて、ロボットは同行者の前或いは後ろに移動し、並走から縦走への切替えが自動的に行われる。手つなぎポテンシャルの考え方をベースにして、複数人物を効率良くまた柔軟に誘導するための新たなモデルの作成も始めた。同行者との位置関係を柔軟に変化させながら自律移動を行うロボットを実現するために、下記の研究を行った。(1)手つなぎポテンシャルによる同行者との位置関係の制御:ロボットが仮想的に人と手をつないで同行移動することを目的とした手つなぎポテンシャルについて、引き続き研究を進めた。同行者とロボットとの位置関係としては、手をつなぐことができる距離を基準として、同行者の属性や周囲の状況に応じて最適な距離と角度を選択する。シミュレーションによって、対向歩行者が接近する前に当該歩行者が通行可能な空間を用意し、接近時には並走・縦走の切替えによって衝突回避が可能であることを確認した。また、静止障害物に対する回避動作と比較した時に、十分な余裕を持って回避が行われていることを確認した。(2)影ポテンシャル場法による同行者との位置関係の制御:従来のポテンシャル場法では、ロボットと障害物との距離のみを考慮し、動的障害物の移動方向は考慮されていない。この問題を解決するために、距離と移動方向の双方を考慮した「光源と影との関係に基づく影ポテンシャル場法」を考案した。動的障害物は太陽として定義され、太陽は、進行方向に位置する人物(ロボットの同行者)の背後に影を作る。太陽からの光の到達距離を予め決めておくことにより、動的障害物による影響が及ぶ範囲を限定できる。ロボットは、太陽によって同行者の周囲にできる影領域に向かって動くように制御される。これにより、動的障害物との衝突を安全に避けることが可能となる。複数人のグループに対しては、複数人に外接する仮想的なマクロな太陽を設定する。シミュレーション実験により、本方法の有用性を明らかにした。(3)死角領域への対処:死角領域の存在を前提として、安全を維持しつつ移動時間が最小となるようにロボットの移動経路・速度を制御する方法について考案し、有用性を明らかにした。同行者との同行形態を柔軟に変化させながら自律移動を行うロボットを実現するために、下記の研究を行った。(1)人に同行しながらサービスを提供する自律移動ロボットの具体例として、移動型テレプレゼンスロボットがある。このロボットでは障害物が存在したり歩行者が行き交う環境において、周囲の変化に応じて同行者との位置関係を調整しながら同行移動を行い、遠隔地の相手と同行者との間での会話を維持できるようにする必要がある。このために同行移動に最適化した人工ポテンシャル場を用いた方法を考案し、シミュレーションと実機実験により、有効に動作することを明らかにした。(2)自律移動ロボットにおいて、複数人のグループを対象として、相手に思いやりを感じさせる案内行動を行わせることが可能なフレームワークを構築した。複数の要因(ゴール、被案内者グループ、障害物)の影響を統合することによって、ロボットは自分の動きを調整し、被案内者グループとの相対距離を維持しながら目的地まで案内をする。被案内者には、立ち止まりを許すなどできる限り行動の自由を与える。

ロボットは被案内者に対する案内モードと追従モードとを状況に応じて自律的に切替え、より思いやりのある印象を与えるような案内サービスを提供する。実機実験により本手法の有用性を検証した。(3)動的障害物の移動量の曖昧性を考慮した時空間RRTによる自律移動ロボットの経路生成手法を考案し、シミュレーションにより有効性を検証した。局所的にサンプリング確率を変化させることで、動的障害物のすぐそばを通るような危険な経路は選択され難くなるようにし、より安全な自律移動を行えるようにした。(4)人の生活環境で動作する移動ロボットのセンサに発生する死角領域を考慮した、安全性確保と移動効率の向上を目的とした速度制御手法と経路生成法を考案し、シミュレーション及び実機実験により有用性を検証した。同行者との位置関係を柔軟に変化させながら自律移動を行うロボットの実現に向けて、以下の研究成果を得た。同行者との位置関係の制御のために、ポテンシャル場法に基づく動的環境下での並走・縦走の自律的切替え、手つなぎポテンシャル(引力)や光源と影との関係に基づく影ポテンシャル場法の導入によるより柔軟な制御の実現を図った。また、移動型テレプレゼンスロボットにおけるユーザとの同行動作について実機実験による検証を行った。更に、複数人のグループを対象として、相手に思いやりを感じさせる案内行動を自律移動ロボットに行わせることが可能なフレームワークを構築した。同行者との同行形態の制御に関し、従来より提案、検討してきた手つなぎポテンシャル法に加え、光源と影との関係に基づく影ポテンシャル場法を新たに考案し、より柔軟な制御が行えるように図った。複雑環境下でのロボットの同行移動では、周囲の障害物、歩行者、同行者、ロボットの静的な相対的位置関係だけではなく、この位置関係がどの様にどういう速度で変化するかを考慮する必要がある。また、歩行者、同行者について、各々一人ではなく、複数人のグループである場合についても対応できることが必要である。手つなぎポテンシャル法と影ポテンシャル場法を組合せることにより、これらへの対処の実現が期待できる。当初考えていた手つなぎポテンシャル法のみの場合と比べ、影ポテンシャル場法を組合せることによって、より高い機能の実現が可能である。影ポテンシャル場法のアイデアは当初計画にはなかったものであり、この点で当初計画を上回っている。但し、シミュレーションでの検証を行った段階であり、今後、ロボット実機での検証が必要である。この他、混雑度、社会的ポテンシャルに関する検討も行っていく予定である。上記研究に加えて、同行移動時におけるロボットと同行者との間の自然な会話、身振り動作の実現への適用を考慮して、台詞に含まれる感情表現を伴ったロボット動作の自動生成手法についても検討した。台詞自体は同一であっても、多様性を持ったポジティブ或いはネガティブな動作を自動的に生成できることを確認した。これらは、当初計画にはなかった新たな研究成果である。総合領域周囲環境の変化や同行者の属性に応じて同行形態を動的に変化可能な自律移動ロボットの実現に向けて、従来のポテンシャル法の考え方をベースに、手つなぎポテンシャル法、及び、光源と影との関係に基づく影ポテンシャル場法について検討を進めて来ている。
標準データモデルの導入による臨床研究データマネジメント基盤技術の開発

臨床研究で得られるデータの品質向上を目的として実施されるデータマネジメント活動の標準化および効率化を可能にするためのツール、Define2Validateを開発した。医学研究における電子データの国際標準規格であるCDISC標準にのっとったデータの品質向上活動を行う際に、本研究成果を用いることで、標準規格形式で記述されたデータの検査ルールをR言語を用いた再利用可能なプログラムに変換し、自動的にデータ検査を行うことが可能となる。平成27年度は,まず医療情報データモデルの現状を整理し、本研究での統計解析ソフトウェアRとのインターフェース開発対象となるデータモデルを選定した.検討の結果,国際的な臨床研究データ交換基準を提供するCDISC標準が,その普及状況,対応しているソフトウェアの豊富さ,一般的な臨床研究向けデータとの整合性の点から適切であると考えられた.その上で,CDISC標準のうち症例報告書のデータ項目を定めたCDASH標準を対象としてRとのインターフェースを開発することを決定した.実際の開発作業を開始したが,データマネジメント作業の効率化という目的を達成するためには,当初の計画にあったように,CDASH標準にしたがった症例報告書から出力されるデータをR言語から簡便に扱う拡張パッケージだけではなく,臨床研究データのメタデータを統一的に記述するためのCDISC標準であるDefine-XMLとの整合性も確認できる仕組みが必要であると考えられた.そこで,当初の計画に加え,既存のオープンソース・ソフトウェア資産も活用しながら,CDASH標準に準拠した電子症例報告書に対応したデータをR言語から統一されたプログラミング・インターフェースで読み込むと同時に,Define-XMLで定義されるメタデータとの整合性も確認する機能を追加することができるかどうか,検討を進めた.平成27年度の研究計画は前半は予定通り進行した。後半ではCDASH標準に準拠した電子症例報告書に対応したデータをR言語から統一されたプログラミング・インターフェースで呼び出すための拡張パッケージのうち、基本的な機能を備えたものを開発する予定であった。しかし、既存のオープンソース・ソフトウェアの内部コードに一部再利用が可能であるものがあったこと、およびDefine-XMLで定義されたメタデータとの整合性を確認する機能を追加することが望ましいと考えられたことから、当初の計画よりも機能を拡張したソフトウェアを開発する方針としてスケジュールを変更し、27年度は仕様の検討を行った。本研究は、医療データの標準化規格と、広く普及している統計解析ソフトウェアとのインターフェースを実装することにより、データマネージメントの標準化につながる基盤ツールを提供することを目的としている。平成27年度に、ターゲットとする研究データモデルをCDISC標準とすることを決定したので、平成28年度はCDISC標準におけるメタデータ表現の標準であるDefine-XML 2.0に対して、統計解析環境Rからこれを読み込み、解釈して、実際の研究データとの整合性を検証するソフトウェアであるDefine2Validateを開発した。RからDefine-XML、およびCDISC標準におけるデータセット表現の標準であるDataset-XMLを取り扱うための基礎的なソフトウェアとしては、オープンソースライセンスで公開されているR4DSXMLパッケージがあるが、読み込まれたDefine-XMLの意味を解釈し、それで表現されるメタデータが実際のデータセットと合致しているかを検証する機能を持ち、オープンソースライセンスで公開された、R環境で動作するソフトウェアはまだ存在しないものと思われたので、本研究による実装が初めてとなると考えられる。CDISC標準は、データセットの形式のみならず、メタデータの形式も標準化していることが特徴の一つであるが、メタデータは与えられたデータのもつ意味の解釈を用意にするだけではなく、データの収集過程において正当なデータが集まっているかを検証する目的にも使うことが理論的には可能である。しかしながら、今まではその機能を実装したソフトウェアが広く利用できなかった。本研究によるDefine2Validateの実装は、Define-XMLメタデータ標準で記述されたメタデータをデータの収集時にも参照して、データの正当性を評価するという利用方法を可能とするものである。当初の研究計画通り、統計解析環境RからCDISC標準で記述されたメタデータとデータを読み込み、その双方を利用してデータの検証を行うためのソフトウェアを開発することができている。予定通り、実用化に向けて性能の評価を平成29年度に実施し、その結果とともにソフトウェアを公開、学術論文としての公表を行う予定である。本研究は、医療情報の標準規格の形式に則ったデータセットを統計解析ソフトウェアRで活用するために必要となる基盤ツールを開発および公開することを目的とした。対象とする標準規格として、臨床試験データの国際標準規格として近年存在感を増し、日本においても医薬品医療機器総合機構への新薬承認申請の際に必須とされるCDISC標準を選択した。Rから直接CDISCデータを読み込むためのオープンソースソフトウェア(R4DSXML)が研究開始後に登場したため、本研究ではそれを活用した上で、規格に対するデータの妥当性の評価をR上で行うソフトウェアを開発することを具体的な目標として設定した。研究期間中に実際に開発を実施し、目標としていた機能を備えたソフトウェアDefine2Validateをオープンソースライセンスで公開した。CDISC標準に則った臨床試験データセットが真に標準規格に合致したものとなっているかを検証するツールは、商用のソフトウェアでその機能を標榜しているものは海外でいくつか存在するが、とくにCDISC標準のうちメタデータをXML形式で表現する規格であるDefine-XMLと実際のデータセットとの関係を検証できるツールは、研究終了時点でDefine2Validateが唯一のものと考えている。Define2ValidateはDefine-XMLで定義されたメタデータをRの式に自動変換して検証するため、より詳細なデータ検査機能を追加することが容易である点も特徴である。研究成果については、ソースコードを改変利用も可能なGNU GPLライセンスにて公開しており、今後CDISC標準に則ったデータを管理するソフトウェアを開発する際に広く活用が可能である。

詳細な活用手順や性能評価結果、内部構造等についての解説は学術論文として出版を予定しており、公開されているソースコードの活用の一助とする。臨床研究で得られるデータの品質向上を目的として実施されるデータマネジメント活動の標準化および効率化を可能にするためのツール、Define2Validateを開発した。医学研究における電子データの国際標準規格であるCDISC標準にのっとったデータの品質向上活動を行う際に、本研究成果を用いることで、標準規格形式で記述されたデータの検査ルールをR言語を用いた再利用可能なプログラムに変換し、自動的にデータ検査を行うことが可能となる。予定よりも進捗が遅れている部分については、平成28年度の計画の一部を平成29年度に移動することで対応する。具体的には、平成28年度の計画は平成27年度に開発したソフトウェアの機能の検証が主となっていたが、開発方針の変更に伴い検証スケジュールにも余裕が見込まれるため、平成29年度には予定通りのスケジュールでの推進が可能と予測している。研究期間が残り1年であり、これまでほぼ研究計画通りに進行しているので、平成29年度も基本的には研究計画にのっとった進行を行う。具体的には主たる研究成果物であるDefine2Validateソフトウェアについて、性能評価を実施し、研究成果の公表を行う。同時に不足している機能や問題点があれば改修するとともに、積極的に広報活動を行って、実際の臨床研究データマネジメントの現場への導入とフィードバックを今後も継続的に受けていく体制を整えていく予定である。データマネジメント,疫学,医療情報学次年度に出席予定の国際学会が、宿泊費用が高騰している地域での開催であり、念のため旅費に余裕を持たせるために、次年度使用額を設定した。平成28年度は旅費を中心とした支出計画としており、航空運賃の変動等により若干予定額から変動が生じたため海外出張旅費、もしくは国際学会参加費として使用する予定。次年度使用額については次年度の使用計画に合算して適切に使用する予定である。
光励起高スピンπラジカルの複合機能化による分子素子への展開

安定な不対電子を持つ化学種(安定ラジカル)に電子やエネルギーの受容体を付けた分子を合成し、光励起した際に、それらの分子の中で電子スピンの向きが整列した状態(励起高スピン状態)に至る動的過程を、色々な分光測定による実験と量子力学による理論的シミュレーションにより明らかにし、途中経由する異なるスピンの状態が量子力学的に混合した状態の重要性が明らかになった。また、金属原子との錯体を結晶として得る事に成功し、金属に結合しているラジカルの部分を光で励起する事によるスピンの状態の変化を引き起こすことができた。さらに、試作した電界発光素子で弱い発光を観測でき、これらの系を利用した分子素子への展開を可能にする薄膜化はある程度達成された。交付申請書に記載した実施計画の順に本年度の研究成果を記載する。「機能性部位を付加した安定πラジカルの光励起状態での分子内エネルギー移動(EnT)とスピン整列の関連解明」のためにBODIPYを付加した安定πラジカル系のフェムト秒時間分解分光測定とナノ秒時間分解ESR測定によりエネルギー移動とその後の電子移動過程について研究しそのダイナミックスに関する予備的知見を得た。「電子受容体を導入した系での分子内光誘起電子移動(PET)とスピン整列の関連の解明」を目的として弱い電子受容体であるナフチルイミドをフェルダジルラジカルに付加した系を合し時間分解ESR測定により光励起状態を研究したところアクセプター部位を励起した場合に限り電荷分離イオン対状態を経由する特な動的子スピン分極を示す光励起四重項状熊を検出できた。「光励起高スピンπラジカルを配位子とする金属錯体を用いた、EnT、PET、LMCTの解明」を目的とした光励起高スピンラジカルを配位子とする金属錯体の研究を行うために、ビピリジル基を有するアントラセン誘導体の合成法を開発した。また次年度以降のπラジカルを配位子として用いた金属錯体による磁性制御の知見を得る目的で、既に光誘起スピン状態のトラッピング現象(LISST挙動)を示す事が知られているCo複核錯体をESRで研究し、その逆電子移動過程に関する知見を得た。「励起高スピンπラジカルを用いた分子素子の試作」本申請課題で申請した最大の高額備品である真空蒸着装置を購入し、励起4重項高スピン状態を取ることが時間分解ESRにより証明されおり、合成の比較的容易な安定ラジカルをルミネッセンス材料として用いた三層構造の電界発光素子を真空蒸着により試作した。弱いながらも電界発光(EL)が検出できた。(1)弱い電子受容体を付加したπラジカルの発光、電子移動、光励起状態の解明(代表者)弱い電子アクセプターである、ナフチルイミドを付加したπラジカルを合成し、時間分解ESRや蛍光スペクトル測定等により、この弱い電子アクセプターを付加した系は、先に報告したBODIPYを付加した系と比較して、電荷分離イオン対状態を経由する経路が優位であることが解明された。また、量子混合状態からの分子内電子移動による特異な動的電子スピン分極形成と分極移動の関係を理論的にも明らかにした。これらの成果は、2報の一流国際誌に掲載された。(2)光励起高スピンπラジカルを配位子とする金属錯体を用いた、EnT、PET、LMCTの解明(分担者1、代表者)ビピリジル基を有するπラジカルの合成に成功し、その基底状態をESR、X線解析等により、またその光励起状態を時間分解ESRにより解明した。また、それを配位子として用いた金族錯体の作成を試み、Co錯体の形成を吸収スペクトルにより確認できた。(3)πラジカルの励起状態の高速ダイナミックスの解明(分担者2、代表者)エネルギー受容体Bodipyを連結した励起高スピンπラジカル(Bodipy-AnOV)の参照物質を合成し、Bodipy-AnOV系と共にfsレーザーを用いた高速時間分解発光・過渡吸収測定を行った。現在、その結果をもとに詳細な高速ダイナミックスの解析を行っている。(4)πラジカルの光励起高スピン状態を利用した分子素子への展開(代表者、分担者2)昨年度に引き続き励起高スピンπラジカルを用いたEL素子の試作を行い、弱いながらEL発光の確認できたが、現在の所まだ素子の不安定性の問題は十分には解決していない。また、Bodipy-AnOVの参照物質であるラジカルを付加していない系では、分子内エネルギー移動によるEL発光を比較的安定に観測する事に成功した。(1)電子受容体を付加したπラジカルの発光、分子内電子移動、光励起状態の解明

弱い電子アクセプターを付加したπラジカル系の電子状態を詳細に明らかにする目的で、数種の参照物質を合成し、時間分解ESRや蛍光スペクトル測定等を行った。並行して特異な動的スピン分極形成を理論面から詳細に解明する目的で、量子ダイナミックスによるシミュレーションを行い、量子混合状態の形成と量子コヒーレンスの消失によるスピン整列した励起高スピン状態への分極移動の関係を解明し、新たな知見を得る事が出来た。(2)エネルギー受容体を付加したπラジカルのエネルギー移動、光励起状態解明エネルギー受容体であるBODIPYにラジカル部位を導入した参照物質系の時間分解ESRの測定、解析を試みた。BODIPYの特異な電子状態に由来すると思われる、比較的幅広い特異な信号が得られ、現在、その動的電子分極機構も含めた詳細を解析中である。(3)光励起高スピンπラジカルを配位子とする金属錯体の解明昨年度合成したπラジカルを配位子とする金属錯体を結晶として単離する事に成功し、本申請課題の目標の1つである励起高スピンπラジカル配位子の光励起によって引き起こされるLIESST現象の発現に成功した。現在、この現象がπラジカルの励起高スピン状態を経由しているか否かの検証を計画している。(4)πラジカルの励起状態の高速ダイナミックスの解明昨年度に引き続きエネルギー受容体Bodipyを連結した励起高スピンπラジカルとその参照物質のfsレーザーを用いた時間分解発光・過渡吸収測定による高速ダイナミックスを明らかにした。(5)πラジカルの光励起高スピン状態を利用した分子素子への展開励起高スピンπラジカルを利用したEL素子の試作を行い、アントラセン系からピレン系へ変更する等の改良を行ったが、残念ながら素子の不安定性の問題は残った。
本研究では、岡山大学で研究を進める次世代のがん治療法であるホウ素中性子捕捉療法の臨床データ群を主たるターゲットとして、技術・知財・臨床データを、ICT技術および暗号技術を高度に駆使して、利便性を損うことなく、かつ強固に守る高度な医療情報セキュリティ技術の確立を目指す。数学的に「同型」と呼ばれる構造を巧みに用いることで、無数の暗号計算の組み合わせと暗号データの表現方法により構成し、データがどのように暗号化されているか識別できないようにする「暗号拡散法」を開発する。新たな秘密分散法を組合せ、電子メール・リモート閲覧などの利便性を損なわない、セキュアな医療情報データベース構築法を開発する。
核酸誘導体を用いた頭頸部癌のPET分子イメージング研究

本研究の目的は、頭頸部癌において腫瘍の分子レベルの変化をF-18 FDGだけでなく、核酸誘導体を用いた新規DNA合成のイメージング剤(C-11 4DST)を用いて画像化し、悪性度診断、増殖能評価、化学放射線治療の治療効果判定、治療効果予測に応用することである。C-11 4DSTは、動物や細胞実験レベルでは投与後すみやかにDNAに取り込まれ、標識されたC-11からのガンマ線を検出することにより生体のDNA合成を正確に評価できることが明らかにされている。核酸誘導体をイメージング剤として利用する利点は、腫瘍の増殖動態を非侵襲的に画像化できることである。本研究の目的は、頭頸部癌において腫瘍の分子レベルの変化を核酸誘導体を用いたDNA合成のイメージング剤(C-11 4DST)を用いて画像化し、悪性度診断や再発診断、化学療法や放射線治療の効果判定や効果予測に応用することである。C-11 4DSTは動物や細胞の実験レベルでは投与後速やかにDNAに取り込まれ、標識されたC-11からのガンマ線を検出することにより生体のDNA合成を正確に評価できることが明らかにされている。まず、C-11 4DST PET検査を頭頸部癌患者44例に実施し、F-18 FDG PET検査と比較検討した。PETの評価は視覚的評価と半定量的指標を用いて行った。半定量的指標としてSUV値を算出した。視覚的評価では44例すべてでC-11 4DSTとF-18 FDG PETは陽性描画された。頭頸部癌のC-11 4DSTの平均SUVは6.65±2.37、F-18 FDGの平均SUVは15.10±10.23であり、F-18 FDGのそれと比べて有意に低かった。C-11 4DSTのSUV値とF-18 FDGのSUV値は良好な直線関係を示した。しかし、腫瘍の分裂能の指標であるKi-67とはC-11 4DSTのSUV値、F-18 FDGのSUV値ともに相関を認めなかった。従って、C-11 4DST PET検査は頭頸部癌の診断にF-18 FDG PET検査と同様に有用であることが分かった。当初の目的であるC-11 4DST PET検査を頭頸部癌患者に実施でき、また腫瘍PET検査として広く行われているF-18 FDG PET検査と同じ患者に施行でき、両者を比較できている。頭頸部癌の化学放射線治療の治療効果判定を目的に、化学放射線治療前後におけるC-11 4DST PETとF-18 FDG PETの比較を行った。対象は頭頸部癌27例である。半定量的指標としてStandardized Uptake Value (SUV)を測定し、治療前後の集積減少率を算出した。また治療後経過観察において、局所再発または新たな転移のみられた群(A群)とみられなかった群(B群)に分け、PETの集積を比較した。治療前は両PETとも全例描出された。治療後のPET検査ではC-11 4DSTで5例、F-18 FDGで10例に集積残存がみられた。治療後のSUVは治療前のSUVと比べ、両PETともに有意に低下した。C-11 4DST PETでA群の集積減少率はB群と比べ有意に小さかった。一方、F-18 FDG PETの集積減少率にA群とB群の間で有意差は見られなかった。従って、C-11 4DST PETはF-18 FDG PETと比べ、頭頸部癌治療後の効果判定の予測に有用と考えられた。当初の目的であるC-11 4DST PET検査を頭頸部癌患者に実施でき、また腫瘍PET検査として広く行われているF-18 FDG PET検査を同じ患者に施行でき、両者を比較できている。従って、治療前のC-11 4DST PETによる体積評価は頭頸部癌患者の予後予測因子となる可能性が示唆された。今年度は頭頸部癌患者にC-11 4DST PET検査を行うことができた。今後も症例を追加していく予定である。

また今後は治療効果判定を目的に治療途中や治療終了後にもC-11 4DST PET検査を行い、効果予測や効果判定の有用性を検討していく予定である。今年度は頭頸部癌患者にC-11 4DST PET検査を行う事ができた。今後も症例を追加していく予定である。また、今後は治療効果判定や効果予測目的に、治療途中のPET検査を行う予定である。また、引き続き治療終了後の患者にも効果判定目的のPET検査を予定していく。予定していた一つの学会出張を取りやめたため残が生じた。(理由)予定していた一つの学会出張を取りやめたため残が生じた。(使用計画)学会出張旅費に充てる。学会出張旅費に充てる。
骨格筋間質由来多能性幹細胞とスキャフォールドを用いたハイブリッド肺組織移植

慢性進行性肺疾患に対する肺の再生医療が期待されており、肺組織移植は肺再生手段の1つとなりうる。研究グループは、筋・神経・血管をユニットとして再構築する能力を有する骨格筋間質由来多能性幹細胞と吸収性ポリグリコール酸(PGA)フェルトのハイブリッド移植を用いて、移植細胞群を定着させることが困難な気管欠損部や気管支断端を修復することに成功した。一方、マウスにおいてドナー肺組織を生体適合性ゲル化物質とともにレシピエントの肺に充填する手技を確立している。細胞外基質の乏しい肺においてPGAとゲル化物質がscaffoldとなって、生着率の上昇を期待出来る。骨格筋間質由来多能性幹細胞とともに胎仔肺組織をマウスの肺に移植することにより、生着率の高いマウス肺組織移植モデルの確立することが、本課題の目的である。2018年度は移植片が生着するまでの変化を詳細に検討した。マウス気管並走移植モデルでHbVを投与し、気管上皮下の血流を観察した。ドナーの輪状軟骨下から分岐部までの気管を摘出し、同系レシピエントの気管に2カ所で端側吻合した。尾静脈からHbV液(Hb濃度10 g/dL) 0.3mlを投与した後、3、6、12、24時間で犠牲死させ、気管を切り出しHE染色して気管断面を観察した。術後、6時間後までに上皮下血管内に赤血球を認めるようになり、再潅流を確認した。HbVと考えられる微粒子も観察された。気管移植モデルを確立し、詳細な検討を行うことが出来た。術後、6時間後までに上皮下血管内に赤血球を認めるようになり、移植後の気管には6時間までに血流が再開され、生着することが明らかとなった。肺組織移植モデルを確立して検討を開始する。犠牲死させたマウスから摘出した肺組織をミンスして細片としたものを、麻酔をかけた同系マウスの肺に注入して生着させる。生着や血流の再開状況を経時的に観察し、生着に影響する因子を明らかにする。肺組織移植の実施が遅れているため。次年度は肺組織移植と気管移植モデルの実験に使用する。