hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
炭素ナノネットワーク物質の開発と物性

の薄膜の誘電率La@C_<82>薄膜を作製し、その誘電率をはじめて測定した。室温での誘電率は約40であり、C_<60>の4.4より一桁程度大きいことを明らかにした。これは分子固有の電気双極子が、分子回転に伴って交流電場に応答できるという、金属内包フラーレン分子特有の現象である。しかも、405Kには誘電率のピークを伴う相転移現象が発見された。熱物性測定の結果から、この相転移は分子の回転の凍結を伴った1次相転移であることも明らかにされた。このように、金属内包フラーレン結晶では、分子回転の自由度による誘電的な機能を有していることが明らかになった。ナノスケールの新規炭素材料、フラーレンおよびカーボンナノチューブをベースに新しい物性、機能性を探索するため、新物質の開発と物性評価を行い以下の成果を得た。1.カーボンナノチューブの力学的性質単層カーボンナノチューブ(SWNT)は、グラファイトを筒状に丸めた一次元物質である。その構造的特徴によりチューブ方向のひっぱり強度がダイヤモンドに匹敵するほど強いことが知られており、新しいタイプの構造材料として期待されている。本研究では、その力学的特性を計算機実験により明らかにした。具体的には、応用上重要である大歪み領域でのチューブ強度とナノチューブの巻き方(ネットワーク構造)との関係、さらにはチューブ圧縮時のバックリング特性の温度効果などを議論した。とくに、圧縮時と引っ張り時では、ナノチューブの力学強度が大きく異なるという連続体の力学では説明できない振る舞いを示すことが分かり、これがチューブの巻き方(ネットワーク構造)と密接に関係していることを明らかにした。2.カーボンナノチューブのドーピング特性の解明単層カーボンナノチューブは通常、束を作って成長する。その束の隙間には比較的大きな隙間があり、ここにアルカリ金属などを挿入(インカーカレート)とすることが出来る。この特性から、水素吸蔵材料、リチウム電池の負極材料などへの応用が期待されており、アルカリ金属のインターカレーション機構の基礎研究は極めて重要になってきている。本研究では、アルカリ金属(カリウム)のインカーカレーション過程を、ラマン散乱、x線光電子分光、光吸収などいくつかの分光手法を組み合わせて明らかにした。本研究の目的は、フラーレンとナノチューブの、特有のナノスケールのネットワーク構造を生かした新たな機能性を開拓することである。そのため、主にインターカレーションを中心とした新物質合成と、構造および電子状態の研究を行い、以下の新たな知見を得た。1)カーボンナノチューブのアルカリ金属インターカレーション過程をラマン散乱、xpsなどの分光測定によって明らかにした。それによると、直径1.4nmのチューブ束の場合、K2C80,K3C80,K9C80の特徴的な状態をとりながらインターカレーションが進行する。とくに、K3C80からK9C80へのドーピングは不連続におこる。2)フラーレンの希土類金属インターカレーション化合物の探索を行った。その中で特に安定な相としてSm3C70を見出し、その電子密度レベルにいたる精密構造を明らかにした。それによると、2つのC70分子がSmによって架橋された二量体構造を持つことが明らかになった。しかも、この二量体構造は、従来のフラーレンが直接結合したものに比べ極めて安定で、850Kまでその構造を保つことを明らかにした。
反応性固体表面の設計と吸着分子の配向、結合状態に関する研究

超高真空技術の進歩やさまざまな表面解析機器の開発により、清浄結晶表面上の原子や吸着分子の構造、電子状態及び挙動が捉えられるようになり、固体表面が持つ高い反応性や特異な物性が具体的に認識されるようになってきた。最近では次のステップとして積極的に個体表面を修飾し、特異な表面物資相や新しい機能表面を作製する研究が始まっている。本研究者らは62年度の本重点領域研究の下で、Ru(001)表面をFe原子により修飾することにより、Ru表面ともFe表面とも異なる反応性の高い表面を得て、新しい反応性表面における吸着COの解離素過程を高分解能電子エネルギー損失分光法(HREELS)により解明した。本研究では、最外層がMo原子の一次元鎖状構造をとるMo(211)表面上に、酸素原子を規則的に配列した表面を作製して、表面の化学的環境と気体分子の吸着配向及び結合状態との対応を明らかにし、新しい反応性表面作製に関する研究を行った。従来、Mo単結晶表面に関しては余り研究が行われていないため、まずMo(211)面をMo単結晶ロッドから切り出し、機械的研磨を行った後、Ar^+スパッタリング、酸素処理、電子加熱アニール、Ar^+スパッタリングの繰り返しでMo(211)面の清浄化を行った。清浄Mo(211)面に基づくLEED(低速電子回析)の(1×1)構造を確認の後、酸素を吸着させると(2×1)構造の新しいサブスポットが観察され、吸着酸素原子はMo(211)表面で周期構造を作って存在していることが確認された。さらに、角度分解型紫外光電子分光法(ARUPS)を製作し、異方性を持つMo(211)面に吸着した原子・分子の電子状態及び配向状態を調べ、それらの対応を試みている。
肢体障害者の装具(身体機能補助増進衣)の着心地改善に関する研究

肢体障害者に運動機能の補助増進を目的に用いられる補装具の着心地改善を図り、肢体障害者の生活の質向上に貢献することを目的として本研究を企画した。平成19年度に行った身体障害者の補装具着用実態と着用感に関する調査により使用者が最も多かった短下肢プラスチック補装具について足底土踏まず部に孔をあけた着心地改良品を平成20年度に試作した。これを用いて平成21年度には着用実験を行い、装具内温湿度を測定した。平成21年8月に研究室のエアコンを30°Cに設定して実験を行った。研究室に到着した被験者は1時間の安静後、半袖Tシャツと短パンの実験着に着替え、センサー添付部位(足底土踏まず部,下腿後面部,胸部)をアルコールで清拭した後、センサーを貼付し、実験中の衣服内温湿度を連続測定した。3種の補装具について装着前椅座安静20分、装着後椅座安静20分、歩行運動20分、回復期椅座安静20分の間、5分間隔で5分間ずつ口腔温(精度0.5°Cの婦人体温計)と着心地アンケートを測定記録した。1)プラスチック補装具で被覆されると、足底と下腿の衣服内温度・湿度は上昇した。温冷感・湿潤感は装着後上昇し歩行運動により一過性に下降したあと上昇し、運動終了20分後も高いレベルにあった。2)皮膚に密着するプラスチック面に吸湿素材を貼付すると装具内湿度は改善する傾向が認められた。そこで、次に模擬皮膚を用いて発汗無し,少量発汗,中量発汗について、4条件((1)孔無しプラスチックプレート(2)孔有りフ°ラスチックプレート(3)ライナー+孔無しプラスチックプレート(4)ライナー+孔有りプラスチックプレート)で検証実験を行った。今回用いた吸水性能のライナーでは,発汗が少量時には衣服内湿度の上昇が抑えられるが,中量時にはその効果は認められなかった。プラスチックプレートの孔の有無による衣服内温湿度の違いは認められなかった。【目的】肢体障害者は運動機能だけでなく体温調節機能にも障害をもつことが多い。自律性体温調節反応において四肢末梢部は、重要な部位であり、四肢部の着衣状態は体温調節に大きく影響する。しかし、肢体障害者に用いられる補装具は、運動機能の補助増進が達成されれば、補装具の快適性、即ち着心地は健常者の衣環境ほどには関心をもたれてこなかった。そこで、補装具使用者が心身ともに元気になるように補装具を改良することを目的に、「補装具の着心地」について調査を行った。【方法】装具販売K社の協力により、1年以上更生装具を使用している恒常的装具使用者を対象に2006年9月10月に販売した顧客リストに基づき431人に郵送留め置き法による質問紙調査を2007年12月5日から12月25日の間に行った。調査協力者には個人を特定することができないことを説明し、調査協力承諾書を会社に提出していただくとともに、回答用紙は無記名で本学リハビリテーション学部に回収した。【結果】調査票は回収率45%であった。男性が65%、年齢は60-70代が48%を占めた。使用装具の種類は下肢装具が85%であった。そのなかで最も多いのが下肢装具(プラスチック)と短下肢装具(靴型)でいずれも42%、次いで義足(大腿・下腿)17%であった。ほぼ90%が「補装具の正しい装着の仕方」と「補装具をつける目的」について説明を受けていて、96%が「補装具をつける目的」を自覚していて、97%が「補装具を使うことを必要」だと感じていた。使いたくない理由(複数回答)で20%以上を占めたものは多い順に「中に汗をかく」「中がむれる」「つけはずしが面倒」「履きたい靴をはけない」「靴が履きにくい」「あたると痛い」であった。本調査は使用者の意見を着心地改善に反映させる資料として重要な意義を持つものであり、回答者の中により快適な装具作成を願う記述があった。肢体障害者は運動機能だけでなく体温調節機能にも障害をもつことが多い。にもかかわらず、肢体障害者に運動機能の補助増進を目的として用いられる補装具等の研究はもっぱら運動機能に関するものが多く、補装具の着心地についての研究は少ない。そこで、「補装具」の着心地改善を目的とし、高齢者の増加とともに増加している肢体障害者の生活の質向上に貢献することを目的として本研究を企画した。平成19年度に行った身体障害者の装具着用実態と着用感に関する調査の結果から、短下肢プラスチック補装具が一番多く使用されていることが明らかにされた。プラスチック素材は成型の容易さ、強度、価格面で優れている。しかし、プラスチック素材は吸湿・吸水性、透湿・透水性が低いため、体表からの不感蒸散と発汗による水分処理が困難となり、着心地が悪いだけでなく被服生理学的・温熱生理学的に好ましくない。水分処理において優れる繊維素材は必要強度を得ることが難しく、また、強度がある炭素繊維は薄いものを作れるが成型が難しいので、汎用されているプラスチック製品の着心地改良を平成20年度に試みた。不感蒸散と発汗による水分を装具内環境から排出する経路として、(1)プラスチック内通過経路はプラスチック素材の開発を必要とするため困難である。

(2)皮膚と補装具の間からの経路は、下垂足等の変形を矯正するため身体に密着して装着されるので、隙間を維持させることが難しい。(3)プラスチック面の穴からの経路については、補装具の力学的安全性を満たすことが重要である。そこで、必要な矯正力を持ち且つ安全な範囲内で通気孔をあけ被覆面積の小さいデザインの補装具製作、歩行による換気作用の利用、また、水分を吸水し皮膚から離れたところで保持し、皮膚表面を快適に保つパットを補装具に貼る等による着装改善を試みた。肢体障害者に運動機能の補助増進を目的に用いられる補装具の着心地改善を図り、肢体障害者の生活の質向上に貢献することを目的として本研究を企画した。平成19年度に行った身体障害者の補装具着用実態と着用感に関する調査により使用者が最も多かった短下肢プラスチック補装具について足底土踏まず部に孔をあけた着心地改良品を平成20年度に試作した。これを用いて平成21年度には着用実験を行い、装具内温湿度を測定した。平成21年8月に研究室のエアコンを30°Cに設定して実験を行った。研究室に到着した被験者は1時間の安静後、半袖Tシャツと短パンの実験着に着替え、センサー添付部位(足底土踏まず部,下腿後面部,胸部)をアルコールで清拭した後、センサーを貼付し、実験中の衣服内温湿度を連続測定した。3種の補装具について装着前椅座安静20分、装着後椅座安静20分、歩行運動20分、回復期椅座安静20分の間、5分間隔で5分間ずつ口腔温(精度0.5°Cの婦人体温計)と着心地アンケートを測定記録した。1)プラスチック補装具で被覆されると、足底と下腿の衣服内温度・湿度は上昇した。温冷感・湿潤感は装着後上昇し歩行運動により一過性に下降したあと上昇し、運動終了20分後も高いレベルにあった。2)皮膚に密着するプラスチック面に吸湿素材を貼付すると装具内湿度は改善する傾向が認められた。そこで、次に模擬皮膚を用いて発汗無し,少量発汗,中量発汗について、4条件((1)孔無しプラスチックプレート(2)孔有りフ°ラスチックプレート(3)ライナー+孔無しプラスチックプレート(4)ライナー+孔有りプラスチックプレート)で検証実験を行った。今回用いた吸水性能のライナーでは,発汗が少量時には衣服内湿度の上昇が抑えられるが,中量時にはその効果は認められなかった。プラスチックプレートの孔の有無による衣服内温湿度の違いは認められなかった。
超高分解能ミリ波マイクロスコピーの開発

超高分解能画像計測技術の開発を、電波の高周波帯に位置するミリ波帯で実施した。本研究では、従来ミリ波帯で達成されている空間分解能を格段に改善し得る高感度画像計測用センサー(プローブ)を開発することにより、観測波長の1000分の1以下、ミクロンオーダーでの画像取得を初めて可能とした。本研究の成果はミリ波帯における超高分解能画像計測技術の実用化に寄与するところが大であり、未だ十分でないミリ波帯電磁波の有効利用を促進し得るものと考えられる。通常の光学系,伝搬波を用いた画像化システムでは,画像分解能は用いる波の波長程度に制限されるが,走査型近接場顕微鏡技術を利用するとこの限界以下の分解能,すなわち波長よりも十分小さい分解能で物体を観察,画像化することが可能である。本研究では,電波の領域であるミリ波帯において,従来達成されている空間分解能を100分の1以下に改善し得る超高分解能プローブを開発して画像取得を実施すること,すなわち,超高分解能ミリ波マイクロスコピー(超高分解能ミリ波帯走査型近接揚顕微鏡技術)を開発することを研究の第一の目的としている。更に,開発した技術を生体組織等の観察に応用し,ミリ波利用の新たな可能性を探索することを第二の目的としている。本年度は主に,高分解能化を実現するための基礎検討を実施した。具体的な研究事項及び結果,得られた成果を以下に示す。研究代表者が開発を実施してきた金属導波管を用いたスリット型プローブを対象として,金属導波管プローブの先端部分をMEMS技術により製作して微小なスリット状開口を形成する方法を検討した。三次元電磁界シミュレータによるプローブの設計を終了し,現在,先端部分を製作するための半導体プロセスに関する検討を実施している段階である。開発したプロセスにより,所望の構造を有するスリット状開口を形成できる見通しを得た。本研究で高分解能化を実現するための第二の方法として提案する,ナイフブレードを用いた高分解能ミリ波マイクロスコピーに関する検討を実施した。ナイフブレードとしてはステンレス板を用い,ナイフブレードにミリ波を照射して散乱波を計測するための光学系の設計・製作,特性評価を終了し,画像取得実験を実施した。その結果,本方法における二次元画像の再構成原理を実験的に検証することに成功した。本研究では,電波の領域であるミリ波帯において,従来達成されている空間分解能を格段に改善し得る超高分解能プローブを開発して画像取得を実施すること,すなわち,超高分解能ミリ波マイクロスコピー(超高分解能ミリ波帯走査型近接場顕微鏡技術)の開発を研究の第一の目的としている。本年度は昨年度に引き続き,高分解能化を実現するための基礎検討を実施した。研究代表者が開発を実施してきた金属導波管を用いたスリット型プローブを対象として,金属導波管プローブの先端部分を半導体プロセス技術により製作して微小なスリット状開口を形成する方法を検討した。現在,高感度かつ高分解能での計測を実現するためのプローブの設計を完了し,先端部分を製作するための半導体プロセスに関する検討をほぼ終了した段階である。ナイフブレードをプローブとして用いることにより,通常の散乱型計測で用いられている金属針の場合と比較して,はるかに高感度な画像化が可能なことを実験的に確認した。更なる高分解能化を目指して,半導体プロセスによるナイフブレードの製作も試みた。その結果,機械工作で製作されたナイフブレードと比較して,高分解能化に適した先鋭かつ直線性の良好なナイフブレードを作成するための製作プロセスの開発にも成功した。本研究は,電波の領域であるミリ波帯において,従来達成されている空間分解能を格段に改善し得る超高分解能プローブを開発して画像取得を実施すること,すなわち,超高分解能ミリ波マイクロスコピー(超高分解能ミリ波帯走査型近接場顕微鏡技術)を開発するとともに,ミリ波利用の新たな可能性を探索することを目的としている。本年度実施した具体的な研究事項及び結果,得られた成果を以下に示す。

研究代表者が開発を実施してきた金属導波管を用いたスリット型プローブを対象として,半導体プロセス技術によりシリコンを用いてプローブ先端部分を製作し,高分解能化に有効な微小スリット開口を形成することに成功した。ミリ波帯で本プローブの基礎特性評価を実施し,理論計算結果との良い一致を確認した。更に本プローブは,従来のスリット型プローブと比較して,高分解能かつ高感度での画像取得が可能なことを実験的に確認した。本研究で高分解能化を実現するための第二の方法として提案する,ナイフブレードを用いた高分解能ミリ波マイクロスコピーに関する検討を実施した。ナイフブレードをプローブとして用いることにより,空間分解能5um(λ/1000)以下という,ミリ波帯では世界最高の分解能での画像計測に成功した。以上の成果は,ミリ波帯における超高分解能画像計測技術の実用化に寄与するところが大であり,未だ十分でないミリ波帯電磁波の有効利用を促進し得るものと考えられる。
発達後期におこる神経回路機能の再編成-抑制性伝達物質のスイッチングと制御機構

ラット聴覚中継路核である内側台形体核(NMTB)から外側上オリーブ核(LSO)に入力する抑制性回路において、生後0-3日目は主にGABA作動性入力であり、発達に従い次第にグリシン作動性に変化した。終末から放出される単一シナプス小胞によるイベントである微小シナプス電流(mIPSCs)について、発達各時期において解析を行なった結果、mIPSC自体が未熟期のGABA作動性から、GABA+グリシンのco-releaseを経て成熟期のグリシン作動性に変化することが判明した。免疫電顕にて個々のグリシン陽性終末内のGABAの含有量が発達に伴い次第に減少することが判明した。この結果はLSOに入力する抑制性伝達様式が単一シナプスレベルでGABAからグリシンへ発達スイッチすることを意味する。伝達物質の単一終末レベルでのスイッチという全く新しい神経回路の発達再編を提起できた。次に、GABAが同様のCl-チャネルを活性化するグリシンへ発達変化する生理学的意義を検討するために、代謝型GABA-B受容体の発現/機能の発達変化を検討した。未熟期LSO細胞にはGABA-B受容体が強く発現しており、LSOへの抑制性入力を低頻度刺激すると、シナプス後細胞GABA-B受容体を介するGABA入力の長期抑圧(LTD)が観察された。発達に伴い、LSO細胞のGABA-B受容体の染色性、抑制性LTD発生は消失した。成熟期LSOの本来の機能である音源定位という安定した機能回路を獲得するために、未熟期における回路再編に関連すると考えられるGABAによる可塑性が発達と共に消失し、sharpな抑制性シナプス電流を惹起するグリシンへ発達スイッチするのかも知れない。
髄液中の酸化蛋白質のプロテオーム解析によるアルツハイマー病早期診断マーカーの開発

二次元電気泳動と質量分析に基づくプロテオーム解析技術を用いて、髄液中の酸化修飾蛋白質の網羅的探索を行った。その結果、アルツハイマー病の患者の髄液中では、それ自体がアミロイド病の原因となる一方でβアミロイドとの結合性を有し、βアミロイドのオリゴマー形成を阻害することによりアルツハイマー病の発症に対して抑制的に働いている可能性が示唆されているトランスサイレチンが特に強く酸化を受けていることがわかった。(1)二次元電気泳動および質量分析に基づく新たな酸化蛋白質のプロテオーム解析技術を開発し、臨床検査に適用可能なヒト髄液中の酸化修飾蛋白質の定量的分析技術を確立する。(2)新たに開発された酸化蛋白質のプロテオーム解析技術を用いてアルツハイマー病患者および軽度認知障害(MCI)患者の髄液中の酸化蛋白質を多角的に分析し、早期診断マーカーの候補となる蛋白質を絞り込む。東京都老人総合研究所の倫理委員会承認(受付番号35)およびNTT東日本関東病院の倫理・医療監査委員会承認(受付番号07-21)に基づき、平成20年度は10症例の軽度認知障害(MCI)患者髄液サンプルについて分析を行った。また、比較のために東京都老人医療センターの剖検髄液サンプルを使用した(倫理委員会承認:受付番号24)。血清サンプルは、健常ボランティアから同意を得て採取したものを使用した。髄液中のタンパク質の酸化修飾については、システイン残基の架橋形成、チロシン残基のニトロ化、およびカルボニル化について分析を行った。システイン残基の架橋形成の分析には、我々が独自に開発した蛍光色素による2段階標識法を用いた。ニトロ化タンパク質の分析には抗体によるウィスタンブロット法を用いた。カルボニル化タンパク質についても一般には抗体による方法が用いられているが、我々は蛍光ヒドラジド標識による検出を試みた。その結果、カルボニル化タンパク質においてサンプル間で大きな差異が見られ、認知症患者の剖検髄液サンプルとも相関性を示唆するデータが得られた。髄液中で最も高くカルボニル化されているタンパク質スポットは血清アルブミンおよび免疫グロブリン軽鎖であることが判明したので、これらを除いて同様の分析を行った結果、分子量約1万4千の低分子量タンパク質のカルボニル化において、サンプル間で大きな差異が認められた。また酸性等電点成分のカルボニル化は、認知症患者の剖検髄液でも高値を示す一方で、健常者の血清中では非常に低いことがわかった。若齢性のアルツハイマー病においてはプレセニリンなどの原因遺伝子が特定されており、遺伝子レベルでの診断も可能となってきているが、高齢者の認知症の大部分を占める孤発性のアルツハイマー病(SDAT)においては遺伝子の異常が認められず、脳内で発生した酸化ストレスによる神経細胞の変性の関与が疑われている。そのため、脳内の酸化ストレス状態の指標の一つとして髄液中のタンパク質の酸化修飾のレベルを調べることで、脳内における酸化ストレスによる神経変性のリスクを予知診断できるのではないかという考えに基づき、酸化タンパク質に標的を絞ってプロテオーム解析を行なった。昨年度の本研究においては、認知症患者髄液中のタンパク質の酸化修飾として主にカルボニル化について解析を行ない、分子量約1万4千の低分子量タンパク質において、患者間でカルボニル化レベルに有為な差が認められたため、今年度さらにそのタンパク質を詳しく調べた結果、アルツハイマー病の原因タンパク質の一つであり神経細胞障害を引き起こすアミロイドベータペプチドと結合性を有するトランスサイレチンである事が判明した。そこで本年度は、さらに症例数を増やして、トランスサイレチンの変動を詳細に調べた。トランスサイレチンのカルボニル化については、認知症患者とコントロール群の間で有意な差が認められないとする報告もあるが、彼らの報告は抗体を用いた検出によるものであり、定量性に問題がある。今回我々が実施した、蛍光プレラベル法による分析では、総タンパク量の変動をベースとする相対定量法を確立することができたので、この技術を利用して患者間の差異を定量的に調べた結果、患者間で有意差が認められ、トランスサイレチンのカルボニル化を定量的に調べることによって、神経変性のリスクファクタである脳内の酸化ストレス環境を知るバイオマーカーとして利用できる可能性があることを示唆するデータが得らており、現在更に詳しい解析を進めている。そのため、脳内の酸化ストレス状態の指標の一つとして髄液中のタンパク質の酸化修飾のレベルを調べることで、脳内において発生した酸化ストレスによる神経変性のリスクを予測し、診断および治療方針の決定につなげるために、酸化修飾を受けたタンパク質に標的を絞ってプロテオーム解析を行なった。

これまでの研究の中で、内部標準蛋白質を用いた蛍光二次元電気泳動によるカルボニル化蛋白質の定量分析法を開発し、髄液中のカルボニル化蛋白質レベルの分析を行った結果、認知症患者の髄液においてトランスサイレチンのカルボニル化のレベルが高値を示す傾向が認められている。そこで本年度は、さらに髄液蛋白質におけるシステイン残基の酸化状態についても、内部標準蛋白質を用いた蛍光色素標識法による相対的定量法を開発し、患者髄液中の蛋白質の分析を行った。その結果、カルボニル化同様トランスサイレチンにおいて患者間でシステインの酸化レベルに変化を見いだした。他のアミノ酸残基の酸化修飾との相関性および、アルツハイマー病の症状の進行度とシステインの酸化の関係についてさらに詳細な解析を進めている。今回我々が実施した、蛍光プレラベル法による分析では、総タンパク量の変動をベースとする相対定量法を確立することができたので、この技術を利用して患者間の差異を定量的に調べた結果、患者間で有意差が認められ、トランスサイレチンの酸化レベルを定量的に計測することによって、神経変性のリスクファクタである脳内の酸化ストレス環境を知るバイオマーカーとして利用できる可能性があることを示唆するデータが得らており、現在さらに詳しい解析を行っている。アルツハイマー病(AD)の発症にはアミロイドβ(Aβ)の蓄積が深く関わっており、家族性のADではプレセニリンなどの原因遺伝子の変異がAβの蓄積を促す要因となっている。一方、高齢者の認知症の大部分を占める孤発性のADでは遺伝子の変異が認められず、酸化ストレスなどの環境要因がAβの蓄積を促しているものと考えられている。そこで本研究では、酸化ストレスによる神経変性のリスクを予測し、早期診断および治療方針の決定に役立つ新たなバイオマーカーを開発することを目的として、髄液中の酸化修飾蛋白質に絞ったプロテオーム解析を行なってきた。その結果、昨年度までの研究において髄液中ではトランスサイレチンが特に強くカルボニル化を受けていることが明らかとなり、トランスサイレチンの酸化修飾を詳しく分析することで脳内の酸化ストレスをモニターできる可能性があることがわかった。そもそも脳内におけるトランスサイレチンの機能は明らかでないが、Aβに結合する性質を有していることから、Aβのオリゴマー形成を阻害しアルツハイマー病の発症を抑制している可能性が示唆されている。そこで本年度は、トランスサイレチンのN末端に近く、Aβとの結合性に関与している可能性が高いメチオニン残基に着目し、質量分析計を用いてメチオニンの酸化レベルを数値化する技術を開発し、AD患者髄液のトランスサイレチンの分析に応用した。そもそもメチオニンの酸化型であるスルホキシド体は質量分析で頻繁に検出されることから、操作過程で起きるアーティファクトであるとされていたが、本研究で我々は、髄液検体の保存方法および分析の操作を最適化することによって、生体内におけるメチオニンの酸化レベルを数値化できることを確かめることができたことから、今後メチオニンの酸化レベルと認知症の病態との関係を詳しく解析することによって、新たなバイオマーカーの開発につながると考えている。アルツハイマー病(AD)および軽度認知症患者髄液のプロテオーム解析を実施。Cy5-ヒドラジドを用いた蛍光標識法による定量的
相同組み換えによる遺伝子破壊を利用したホウライシダフィトクロムの機能解析

本研究課題は、ホウライシダに存在する少なくとも3つのフィトクロムのうち、特異な構造を持つフィトクロム3(phy3)の機能解析を目的として行われた。Phy3は、N末端側に赤色光・遠赤色光受容体であるフィトクロムの発色団結合領域をもち、C末端側に高等植物における青色光依存の光屈性・葉緑体光定位運動・気孔開口の青色光受容体であるフォトトロピンの構造を持つキメラ光受容体である。本研究課題の当初の戦略であったホウライシダにおける相同組み換えによる遺伝子破壊系は未だ開発できていないが、突然変異体解析と一過的発現による表現型回復実験系を用いることによって、phy3が赤色光による光屈性と葉緑体光定位運動に機能していることを昨年度までに示した。さらに本年度は、ホウライシダ胞子体がphy3を持つことによって弱い光に対する感受性を増すことを示し、昨年度までの成果と併せて、英国の科学雑誌ネイチャーに掲載された。この成果は、新聞各紙にも取り上げられるなど、社会的にも大きな関心を集めた。さらに現在、phy3による光受容とその後の信号伝達機構に関する情報を得ること目的として、点突然変異を導入したphy3とGFPの融合蛋白質をphy3欠損突然変異株の前葉体細胞で一過的に発現させ、赤色光依存の葉緑体定位運動が回復するか否かを解析している。現時点において、phy3のC末端側に存在するSer/Thrプロテインキナーゼ領域中のキナーゼ活性に必須であるアミノ酸の置換は、突然変異体の表現型を相補できないことが明らかになったため、phy3の光受容を起点とした信号伝達系にはphy3によるリン酸化反応が関与していることが推察される。
集中豪雨をもたらすメソ降水系の降雨機構と組織化に関する研究

本課題の重要な実績として、梅雨期の集中豪雨をもたらしたメソ降水系のリトリ-バルと数値実験を行ないその構造と維持機構を明らかにしたことと、関東平野の豪雨をもたらしたレインバンドの発生機構を明らかにしたことが挙げられる。1988年7月に実施された梅雨末期集中豪雨の特別観測期間中、梅雨前線に伴ったレインバンドが九州を通過し、その内部の風と降水のデータがドップラーレーダーのデュアルモード観測により得られた。このデータにリトリ-バル法を適用することによりレインバンドの熱力学的構造を調べ、維持機構を明らかにした。これにより対流圏中層から入り込む乾燥空気がメソβ降水系を形成維持する上において重要であった。またこの結果を2次元の非静力学モデルを用いて数値実験により検証したところ、この結果を支持する結果が得られた。さらに3次元の数値モデルを用いて降水系を再現し、その詳細な構造を明らかにした。関東平野において発生したメソ降水系のデータ収集とその解析を行なった。1992年4月22日、温帯低気圧の通過に伴い関東平野で細長いメソスケールの降雨帯が発生した。その主な特徴は、弧状の連続した壁雲の急速な発達により降雨帯が形成された点で、他の例に見られるような多くの孤立対流セルの並んだ降雨帯とは異なるものであった。この降雨帯は、それ自身に比べてはるかに広く弱い降雨域の南端に発達したもので、Bluesteinand Jain(1985)の分類では"embedded-areal-type"に属するものであった。最終年度には、メソ降水系の中でも特に梅雨前線に伴うメソβスケールの降水系について、平成8年6月27日から7月12日まで、北緯30度46.8分、東経130度16.4分に位置する鹿児島県三島村硫黄島で観測を行った。この観測期間中には気象研究所、名古屋大学大気水圏科学研究所、九州大学理学部、通信総合研究所など他の研究期間も同時に観測をしており、結果として大規模な観測網を展開したことになった。これらの研究機関の間ではワークショップを開きデータ交換も行なわれた。本研究課題の重要な柱の一つは、重点領域研究「自然災害の予測と防災力」の集中豪雨の観測で得られたデータからメソ降水系の力学を調べることである。これにおいてドップラーレーダーのデータについてのリトリ-バル法の開発は一つの核になるものである。観測で得られたデータについて、メソ降水系の熱力学的量を推定するリトリ-バル法を開発し、梅雨末期に発生する豪雨において、対流圏中層から入り込む乾燥空気がメソβ降水系を形成維持する上において重要であることを明らかにした。関東平野において発生したメソ降水系のデータ収集を行なった。特に、レーダーのデータを継続的に取得し関東平野に発生したメソ降水系の特徴的事例を明らかにした。そのうちのいくつかの事例について、ケーススタディを行なっている。メソ降水系のドップラーレーダーデータを用いたリトリ-バル法は、まず熱力学的量、すなわち温度や気圧の擾乱内の分布を求めることからはじめられる。この段階には到達することができたが、さらに進んで雲物理学的リトリ-バルにまで発展させる段階まで達成されていない。現在、この雲物理学的リトリ-バルの開発を行なおうとしている。1993年8月6日に起きた鹿児島県の豪雨について、数値実験の基礎的なものを行なった。

これにより豪雨を起こした場がシミュレートされたが、豪雨そのものについては現在のモデルでは、不十分であることがわかった。この豪雨については学会でも多くの議論があり、今後その発生のメカニズムについてさらに調べる必要がある。本年度の重要な実績として、梅雨期の集中豪雨をもたらしたメソ降水系のリトリ-バルと数値実験を行ないそのコウゾウと維持機構を明らかにしたことと、関東平野の豪雨をもたらしたレインバンドの発生機構を明らかにしたことが挙げられれる。1988年7月に実施された梅雨末期集中豪雨の特別観測期間中、梅雨前線に伴ったレインバンドが九州を通過し、その内部の風と降水のデータがドップラーレーダーのデュアルモード観測により得られた。このデータにリトリ-バル法を適用することによりレインバンドの熱力学的構造を調べ、維持機構を明らかにした。これにより対流圏中層から入り込む乾燥空気がメソβ降水系を形成維持する上において重要であった。またこの結果を2次元の非静力学モデルを用いて数値実験により検証したところ、この結果を支持する結果が得られた。さらに3次元の数値モデルを用いて降水系を再現し、その詳細な構造を明らかにした。関東平野において発生したメソ降水系のデータ収集とその解析を行なった。1992年4月22日、温帯低気圧の通過に伴い関東平野で細長いメソスケールの降雨帯が発生した。その主な特徴は、弧状の連続した壁雲の急速な発達により降雨帯が形成された点で、他の例に見られるような多くの孤立対流セルの並んだ降雨帯とは異なるものであった。この降雨帯は、それ自身に比べてはるかに広く弱い降雨域の南端に発達したもので、Bluesteinand Jain(1985)の分類では“embedded-areal-type"に属するものであった。気象庁定常観測データのメソ解析から関東平野の北西部分から局地的な寒冷気塊が南西に流出したことが明らかになった。それは東進する温帯低気圧に伴う水平気圧傾度により強制されたものであった。この寒気流が関東平野南部の総観規模場の南西風との間に収束を起こし、これにより降雨帯が形成された。さらにこの寒気流は、「前駆寒冷気流」と名付けられた下層のメソスケールの寒冷気塊の先端部であることが明らかになった。このように名付けられたのは、それが総観規模場の北西風の前方、上層トラフの前の南西風の下に存在したからである。本研究課題最終年度は、メソ降水系の中でも特に梅雨前線に伴うメソβスケールの降水系について観測を行ない、それについてのデータ解析と数値実験を主体とした研究を行なった。梅雨前線に伴う降水系の観測は、平成8年6月27日ら7月12日まで、北緯30度46.8分、東経130度16.4分に位置する鹿児島県三島村硫黄島で行なった。観測はオメガゾンデを用いた高層観測を1日2回から4回行ない、また地上気象の、気圧、気温、降水、風向・風速を連続的に観測した。この観測期間中には気象研究所、名古屋大学大気水圏科学研究所、九州大学理学部、通信総合研究所など他の研究期間も同時に観測をしており、結果として大規模な観測網を展開したことになった。これらの研究機関の間ではワークショップを開きデータ交換も行なわれた。
筋疲労性疾患発症要因としての精神的ストレスに関する研究

頚肩腕障害、筋疲労性腰痛に代表される筋疲労性疾患の発症要因としては、長期間にわたる局所筋負担、精神的ストレス、運動習慣などの生活の状況、筋力レベルなどの主体的要因などが挙げられる。このうち、精神的ストレスについては、多様なストレス症状の一発現形態として筋疲労症状が訴えられる場合と、ストレスが筋緊張を高め、その結果として筋疲労症状を発症させる場合があると考えられている。筋疲労発現に関与する精神的ストレスとしては、負荷される作業自体が精神的ストレッサーとなる場合と、負荷作業を遂行する主体が精神的ストレスを事前に被っている状態で作業を負荷される場合とが考えられるが、これらの精神的ストレスが局所筋疲労の発現に与える影響を明らかにすることことを目的として、実験的研究を実施した。作業負荷としては、画面に表示される数値を認識し、出来る限り早く対応する数値キーを打鍵させた。筋負担の指標としては、表面電極筋電図のAPD分析、および周波数分析を用い、精神的ストレスの評価には、各種の問診票と尿中カテコールアミン、心拍数周波数変動分析法などを用いた。負荷作業中の精神的負荷として、上記作業負荷に精神的負荷を加え、その影響を分析した。精神的負荷としては、表示数値を一定の順序で負荷する場合と、ランダムに表示する場合、および暗算のデュアルタスクを追加負荷した場合などで比較検討した。その結果、1)集団的に見ると、精神的作業負荷の大きい作業では、肩腕部の筋緊張が増大すること、2)精神的ストレスに関する質問紙、尿中カテコールアミン排泄量、心拍の揺らぎなどから判定して精神的緊張度の高いものは、低い者に比べ、筋緊張度は精神的作業負荷の影響をより受けやすいこと、3)性格テストあるいは、特性不安により有意な筋緊張度の相違は認められないことなどが明らかとなった。作業中精神的負荷が頚肩腕部局所筋負担に及ぼす影響を検討することを目的として、精神的負荷量の異なる4種の打鍵作業中の局所筋負担、精神的作業負荷・負担レベルを測定した。局所筋負担は、左右僧帽筋、三角筋、前腕部伸筋群から誘導した表面電極筋電図および自覚症状により分析した。精神的作業負荷・負担レベルは尿中カテコールアミン、心電図R-R間隔のゆらぎ、TLXなどによる精神的作業負荷量の自覚的評価法を用いて評価した。また、作業パフォーマンスや作業姿勢の変化(ビデオ画像分析、ペクタイルセンサーによる座圧分析などによる)についても記録・分析を行った。筋電図は、テレメータおよび携帯型筋電計を用い、電位及び周波数分析により、筋活動レベルと筋疲労発現状況を分析した。心電図は、R-R間隔の周波数分析を行い、副交感神経、交感神経活動レベルの指標とした。主観的及び客観的精神的作業負荷の指標により、各作業の精神的負荷量を順位付けし筋負担レベルと比較した結果、両者間には相関が認められ作業中の精神的負荷が局所筋負担を増加させることが明らかとなった。しかし、個人差も大きいことが明らかとなり、精神負荷に対する反応性の個人差を考慮した分析の必要性が示唆された。作業中精神的負荷が頚肩腕部局所筋負担に及ぼす影響を、反応性の個人差を考慮して検討した。作業負荷としては、ランダムに表示される数字に反応し、対応する数字キ-を打鍵させた。打鍵作業は30分連続打鍵を4ク-ル実施し、作業中の局所筋負担、精神的作業負荷・負担レベルを測定した。各打鍵作業間には、定負荷法による筋疲労テスト、精神的負担や筋疲労に関する自覚症状調査を実施した。精神的作業負荷・負担レベルは尿中カテコールアミン、TLXなどによる精神的作業負荷量の自覚的評価法を用いて評価した。また、打鍵作業時の数字提示から打鍵までの反応時間、ミスの数などの作業パフォーマンスについても記録・分析を行った。筋電図は、携帯型筋電計を用い、電位及び周波数分析により、筋活動レベルと筋疲労発現状況を分析した。尿中カテコールアミンは、作業中及び休息中のエピネフィリン、ノルエピネフィリン、ドーパミン排泄量を測定した。主観的精神的作業負荷および尿中カテコールアミン排泄量を指標とし、精神負荷に対する個人別の反応性と僧帽筋、短橈側手根伸筋の筋活動量を分析した結果、精神負荷に対する反応性の強い群では僧帽筋筋活動レベルが高いことが確認された。今後、こうした結果を踏まえ、精神的緊張性の高いものへ緊張性を低下させる介入(作業中の手休めや、リラックスのための体操の挿入など)を行い、筋緊張性の低下が得られるかを検証する予定である。

筋負担の指標としては、表面電極筋電図のAPD分析、および周波数分析を用い、精神的ストレスの評価には、各種の問診票と尿中カテコールアミン、心拍数周波数変動分析法などを用いた。負荷作業中の精神的負荷として、上記作業負荷に精神的負荷を加え、その影響を分析した。精神的負荷としては、表示数値を一定の順序で負荷する場合と、ランダムに表示する場合、および暗算のデュアルタスクを追加負荷した場合などで比較検討した。その結果、1)集団的に見ると、精神的作業負荷の大きい作業では、肩腕部の筋緊張が増大すること、2)精神的ストレスに関する質問紙、尿中カテコールアミン排泄量、心拍の揺らぎなどから判定して精神的緊張度の高いものは、低い者に比べ、筋緊張度は精神的作業負荷の影響をより受けやすいこと、3)性格テストあるいは、特性不安により有意な筋緊張度の相違は認められないことなどが明らかとなった。
脳機能再構築に基づく脳腫瘍新規治療法の開発

運動機能では、機能的MRlにより、脳腫瘍患者の腫瘍と対側の掌握運動時に、腫瘍側の感覚運動野の賦活部位の変位を認め、更には、腫瘍対側の小脳賦活の有意な増強を認めた。小脳においても脳機能再構築が起こりえることを捉えた。言語機能では、近赤外線スペクトロスコピー(NIRS)を用いて、術中にBroca運動性言語領域を刺激し、Wernicke感覚性言語領域でNIRSの変化を観察できた。言語領域皮質間の刺激伝搬の視覚化に成功した。これらの世界初の新知見は、脳機能再構築のメカニズムの解明に繋がり、延いては脳機能再構築に基づいた脳腫瘍の新しい手術治療法開発の可能性を示唆した重要な研究成果となった。脳卒中による片麻痺を代表とした脳機能障害からの回復には、脳の可塑性に基づく脳機能再構築が極めて重要な役割を担っている。その再構築のメカニズムが解明できれば、画期的な治療法の開発が可能となり、脳機能障害に苦しむ多くの患者にとっての恩恵は計り知れない。本研究は、脳機能再構築に関わる多くの知見を捉えた研究代表者が、世界トップレベルの脳機能画像および脳電気生理学的研究チーム・施設を駆使して、脳腫瘍に伴って緩徐に起こり、手術によって急激に変化する脳機能再構築のメカニズムの解明に迫り、再構築に基づく、脳腫瘍の新しい治療法を考案することを目的とする画期的な臨床神経科学研究の提示である。初年度は、本研究で用いる機能的MRI(fMRI)、近赤外線分光法(NIRS)、経頭蓋磁気刺激(TMS)についての倫理委員会承認を確認した上で、それらを用いたプロトコールの最適化を行った。その最適化プロトコールの正当性を検証する一環として健常人にて、脳腫瘍患者における脳機能再構築の機序を解明するための基礎研究を行った。すなわち、健常人を対象とし、片側肢の急性求心路遮断モデル(虚血神経ブロック)を用いて、対側手運動の皮質神経基盤に生じる変化をfMRIによって検討する研究を行った。その結果、対側手随意運動を遂行する神経基盤に急性かつ可逆性の変化がもたらされることが明らかになった。これらの急性変化は、シナプス造成による新しい神経ネットワークの構築によるものではなく、通常は抑制されている潜在的ネットワークの脱抑制機序によるとされるが推測された。健常人を対象とした検討と平行して、脳腫瘍患者についての検討も開始した。本年も最適化した機能的MRI(fMRI)、近赤外線分光法(NIRS)のプロトコールを用いて以下の研究を実施した。具体的には、健常者と脳腫瘍患者における運動機能および言語機能を検討した。運動機能では、小脳における脳機能再構築を捉えた。すなわち脳腫瘍患者の腫瘍と対側の掌握運動時に、腫瘍の同側の小脳に健常人に比べて優位に賦活認め、小脳における機能的再構築を捉えた。NIRSにおいては、皮質-皮質の刺激の伝搬をNIRSにより視覚化に成功した。すなわち術中に一次運動野-補足運動野およびBroca領域-Wernicke領域の間の刺激の伝搬をNIRSを用いて、視覚的に捉えた。これらは、英文雑誌に投稿準備中である。最適化を行った機能的MRI(fMRI)、近赤外線分光法(NIRS)のプロトコールを用いて健常者と脳腫瘍患者の評価を行い、機能的再構築が起こっていることを示せた。術前の評価から得られた知見は予定以上の成果であるが、術後の評価が不十分となっている。また進行がやや遅れていることにより、学会発表や英文論文の完成させる時間が十分ではなかった。最適化した機能的MRI(fMRI)、近赤外線分光法(NIRS)のプロトコールを用いて健常者と脳腫瘍患者における運動機能および言語機能を検討した。運動機能においては、fMRIにより、脳腫瘍患者においても脳機能再構築が起こることを捉えた。

すなわち脳腫瘍患者の腫瘍と対側の掌握運動時に、腫瘍側の感覚運動野の賦活の変異を認め、更には、腫瘍対側の小脳に健常人に比べて有意に賦活認め、小脳においても脳機能再構築が起こりえることを見出した。言語機能においては、術中NIRS(iNIRS)を用いて、言語関連領域の皮質-皮質の刺激の伝搬を視覚化することに成功した。すなわち術中に言語機能領域であるBroca領域を電気刺激し、Wernicke領域でiNIRSの変化を観察でき、言語領域間の皮質ー皮質の刺激の伝搬を視覚的に捉えることが出来た。いずれも世界初の成果であり、既に学会発表および英文雑誌に発表した。これら新知見は、脳機能再構築のメカニズムの解明に繋がり、脳機能再構築に基づいた脳腫瘍の新しい手術治療法開発の可能性を示唆すると思われる。運動機能では、機能的MRlにより、脳腫瘍患者の腫瘍と対側の掌握運動時に、腫瘍側の感覚運動野の賦活部位の変位を認め、更には、腫瘍対側の小脳賦活の有意な増強を認めた。小脳においても脳機能再構築が起こりえることを捉えた。言語機能では、近赤外線スペクトロスコピー(NIRS)を用いて、術中にBroca運動性言語領域を刺激し、Wernicke感覚性言語領域でNIRSの変化を観察できた。言語領域皮質間の刺激伝搬の視覚化に成功した。これらの世界初の新知見は、脳機能再構築のメカニズムの解明に繋がり、延いては脳機能再構築に基づいた脳腫瘍の新しい手術治療法開発の可能性を示唆した重要な研究成果となった。平成27年度が最終年度であるが、進行がやや遅れていることより、1年間延長を申請して、承認して頂いた。新たな最終年度になった平成28年度は、成果を総括し、英文論文や学会発表して行く予定である。脳神経外科学機能的MRI(fMRI)、近赤外線分光法(NIRS)、経頭蓋磁気刺激(TMS)についての倫理委員会承認を確認した上で、それらを用いたプロトコールの最適化を行った。健常人におけるプロトコールの実践の一環として、脳腫瘍患者における脳機能再構築の機序の解明の一助となる研究を施行し、完了した。更には、TMSを用いた別の研究にも着手した。また脳腫瘍患者の術前評価も開始した。以上より、当初の予定通りにおおむね順調に進展している。予定より、進行が遅くなり、投稿準備に時間を要したため。英文論文作成や学会発表準備が予定されているので、その経費に充てる予定である。当初の計画通りに、初年度と同様に研究を遂行する。すなわち、既に開始している脳腫瘍患者における術前評価を継続し、更には、術後の評価も開始する。また既に着手している健常人を用いた新たな研究を継続し、脳腫瘍患者に脳機能再構築の機序の解明に向けて更に前進する予定である。本年度の研究に要した物品費は予定より少なく、本研究に特化した資料収集等の目的の国内・海外調査旅費も少額に収まった。また健常人を対象とした研究には、ボランティアの協力が得られたため、謝金等が不要となった。学会参加費等のその他の経費も予定より少なかった。次年度に、資料収集や研究成果の発表等の目的での国内・海外旅費が多くなる見込みであり、物品費も増えることが予想されている。本年度に結果的に節約できた研究費は、次年度以降に予定額より増加が見込まれる旅費、物品費、謝金等に使用する予定である。
3次元医用画像からの分岐導管構造・薄面構造の自動モデリングと信頼度つき精密定量化

CT・MR画像から、導管・薄面構造を識別および位置決めするため、3次元画像中の多重スケールにまたがる尾根線・尾根面を網羅的に抽出する方法を開発した。本手法では、連続的な(十分に密な標本化間隔の離散的)スケールでガウス平滑化された3次元画像の各ボクセルにおいて、局所領域のテーラー展開に基づいて数学的に定義された尾根点を検出し、スケール空間を横断的に尾根点を追跡する。スケール空間において最も顕著な尾根点を追跡の初期点として選び、追跡を行い、追跡すべき尾根点がなくなるまで1つの尾根線を追跡する。以後、すべての尾根点が追跡されるまで、同じ処理を繰り返す。同一尾根点に対して、スケール軸に沿って最大値をとるスケールをその尾根点の最適スケールとして定義した。最も顕著な尾根点は、最大スケールで、最適スケールの条件を満たす最大出力尾根点と定義した。追跡は、スケール空間において最適スケールかつ最も滑らかに連結する尾根点を選択していった。同様に、尾根面についても、追跡のかわりに、領域拡張において上の基準を埋め込んだ方法を定式化し、有効性を確認した。網羅的な尾根線抽出法では、臨床現場で利用するには、計算時間と記憶容量において現在のPC性能では実用的ではない。スケール空間における計算を一括して行うのではなく、初期開始点を与えて、追跡していく過程で必要な箇所のみ尾根線検出処理を行っていくことで、計算時間と記憶容量の大幅な削減が見込まれる。しかし、問題は、分岐部の検出である。分岐を自動検出できなければ、血管の枝の数だけ初期点の設定が必要で、手間のかかる手入力処理が必要になる。本研究では、特に問題となるコントラストの弱い箇所での分岐部の検出を行うため、鋭い方向選択性をもつ多重方向フィルタを効率よく適用し、十分に少ない計算コストで分岐判定を行う手法を開発し、有効性を確認した。分岐導管構造/薄面構造の自動モデリングと精密定量化に関して、それぞれ以下の成果を得た。(1)自動モデリング:分岐導管構造/薄面構造の最小単位である軸索/面素を、3次元画像から多重スケールで抽出し、これらの軸索/面素をスケール空間でグルーピングする手法を開発した。これにより、連続した導管構造/薄面構造をセグメント化し、不連続な分岐点/線の検出が可能になった。本手法を、3次元CTデータからの気管支の分岐構造抽出、肺の微細CT3次元データからの肺胞の隔壁面分岐構造の抽出、股関節MR3次元データからの臼蓋軟骨と骨頭軟骨の分離に応用し良好な結果を得た。気管支に関しては、従来では困難であった抹消の分岐の追跡に成功した。肺胞と股関節軟骨関しては、これまで全く試みられてなかった分岐面構造の分割記述の生成を行えた。(2)精密定量化:得られた分岐導管構造/薄面構造の軸索/面素の幅精密計測に関して、その既存手法における精度限界を理論的に導出しこれを実験的に検証した。さらに既存手法における精度限界を克服する多重スケール統合による新しい幅定量化法を開発した。精度限界導出に関しては、3次元MRデータの点広がり関数と画像解析の幅計測の過程をシミュレーションすることにより真の幅に対しての計測される幅に関して、様々なパラメータの影響を系統的に分析して、本質的精度限界を導出し、ファントム実験により実証した。多重スケール統合による幅定量化では、3次元CTデータにより撮影された導管構造に関して、既存手法が本質的に過大評価する微小な構造に関して、精確な幅を計測できることをファントム実験により実証した。ヘッセ行列と勾配ベクトルの多重解像度解析により、3次元画像から線状/面状構造の幅計測および抽出を行なう方法に関して、以下の3つの点を検討した。

1.MR画像からの幅計測の従来法における精度限界の導出単一の面状構造のみがMR撮影された場合の幅計測精度限界を解析をすでに行なっているが、現実には、別の構造体が近接している場合が多く、その影響を解析した。MR画像撮影過程を点広がり関数によってモデル化し、計算機シミュレーションにより計測精度を評価し、実画像により検証した。その結果、近接構造体の影響により、幅が単一構造の場合と比べて過小評価される傾向が確認され、シミュレーション結果が実画像による実験とも一致することが確認できた。2.3次元画像撮影過程の理論分析に基づく従来の精度限界を越える線状構造の幅精密計測法の開発半値幅やエッジ情報を用いる従来法では、微細構造に関しては、幅計測において過大評価されることが知られている。CT撮影過程を考慮に入れて、幅計測問題と、CTの点広がり関数の推定問題を同時に解決する方法を定式化し、実験により、微細構造においても精密計測が可能であることが示された。3.線状/面状分岐構造の自動モデリング線状/面状構造の分岐構造を自動的に抽出してモデリングを行なう方法を開発した。まず、各ボクセル単位で、線素/面素の検出と精密位置決めを行ない、これらを群化処理を行なうことにより、線状/面状構造の大局的分岐構造を抽出した。血管(線状)構造のモデリング、肺胞(面状)構造のモデリングに適用して、有効性を確認した。CT・MR画像から、導管・薄面構造を識別および位置決めするため、3次元画像中の多重スケールにまたがる尾根線・尾根面を網羅的に抽出する方法を開発した。本手法では、連続的な(十分に密な標本化間隔の離散的)スケールでガウス平滑化された3次元画像の各ボクセルにおいて、局所領域のテーラー展開に基づいて数学的に定義された尾根点を検出し、スケール空間を横断的に尾根点を追跡する。スケール空間において最も顕著な尾根点を追跡の初期点として選び、追跡を行い、追跡すべき尾根点がなくなるまで1つの尾根線を追跡する。以後、すべての尾根点が追跡されるまで、同じ処理を繰り返す。同一尾根点に対して、スケール軸に沿って最大値をとるスケールをその尾根点の最適スケールとして定義した。最も顕著な尾根点は、最大スケールで、最適スケールの条件を満たす最大出力尾根点と定義した。追跡は、スケール空間において最適スケールかつ最も滑らかに連結する尾根点を選択していった。同様に、尾根面についても、追跡のかわりに、領域拡張において上の基準を埋め込んだ方法を定式化し、有効性を確認した。網羅的な尾根線抽出法では、臨床現場で利用するには、計算時間と記憶容量において現在のPC性能では実用的ではない。スケール空間における計算を一括して行うのではなく、初期開始点を与えて、追跡していく過程で必要な箇所のみ尾根線検出処理を行っていくことで、計算時間と記憶容量の大幅な削減が見込まれる。しかし、問題は、分岐部の検出である。分岐を自動検出できなければ、血管の枝の数だけ初期点の設定が必要で、手間のかかる手入力処理が必要になる。本研究では、特に問題となるコントラストの弱い箇所での分岐部の検出を行うため、鋭い方向選択性をもつ多重方向フィルタを効率よく適用し、十分に少ない計算コストで分岐判定を行う手法を開発し、有効性を確認した。