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時空融合型光制御デバイスの機能複合化

本研究では,これまで本研究者か取り組んできた時空融合型光制御機能について,機能の複合化によるデバイスの高度化を進めてきた.以下の2つのアプローチから研究を進めた.(1)基本となる疑似速度整合型位相変調器の高速化と低駆動電力化,(2)機能複合化による時空融合光制御デバイスの高度化.平成20年度では,主に以下の研究成果を得た.1.擬似速度整合型変調器のスラブ導波路型化我々のデバイスでは,光の空間的特質を利用するため,変調電極をマイクロストリップラインとしている.変調効率を向上するためには,電極間間隔を短くすることが有効である.マイクロストリップライン型変調器の場合は,回折の影響から,バルク型では電極間間隔を0.3mm程度にまでにしか短くすることができない.そこで本研究では我々のデバイスのスラブ導波路型化を検討した.プロトン交換法による導波路化の場合,電気光学定数がバルク値より低下するなどの問題があり,導波路を伴う電極短縮が本当に効率向上に有効であるかは自明では無かった.そこで,効率に影響を与える全てのパラメータを考慮してシミュレーションにより効率向上の効果を検討した.その結果,およそ0.1mm程度以下にまで電極間隔を短くすることで効率向上が見込めることが明らかとなった.またこのシミュレーションで予想される効率向上率は実験により確かめられた.2. 2つの超高速電気光学偏向器を利用した光信号の時空間マッピング2つの擬似速度整合型電気光学偏向器を利用することで,光信号の時空間マッピングを実現することを提案し,実証した.光信号の時間的特性を時間軸で操作する手法を世界で初めて提案し,本手法に基づきおよそ2 psのパルス生成を実現した.3.ブラッグ回折型光周波数シフタのシフト量低倍動作進行波位相格子に基づく超10 GHz級光周波数シフタにおいて,分極反転形状を工夫することで,周波数シフト量の逓倍動作が可能であることを提案し,実証した.世界で初めて16GHzの変調電源を用いて±32 GHzの周波数シフト量を実現した.本研究では,これまで本研究者が取り組んできた時空融合型光制御機能について,機能の複合化によるデバイスの高度化を進める.以下の2つのアプローチから研究を進めた.(1)基本となる疑似速度整合型位相変調器の高速化と低駆動電力化,(2)機能複合化による時空融合光制御デバイスの高度化.平成19年度では,主に以下の研究成果を得た.1.変調マイクロ波の位相速度推定疑似速度整合型位相変調器において,変調效率を向上するためには,進行波型電極における変調波の位相速度を推定する必要がある.本年度では,新しく構築した電気光学サンプリングシステムを活用することで,位相速度を推定し,最適な分極反転ピッチを決定した.2.周波数シフト量逓倍器の基本動作の確認進行波位格子を多段に接続した周波数シフト量逓倍器を作製し,基本動作の実証実験を行った.初期の動作に近い動作は得られたものの,不要スペクトル成分の抑圧比が計算値よりも大きいことが明らかとなった.この原因についての吟味の過程で,分極反転構造の精度がスペクトル形状に影響を与えることが明らかとなり,デバイス作製指針についての知見を得た.シリアル-パラレル変換器の基本動作の確認単一電気光学結晶中に,変調電極を共通化した2つの偏向器を配する,ワンチップ型シリアル-パラレル変換器を作製した.また,実証実験を行い,初期の動作を確認した.本研究では,これまで本研究者か取り組んできた時空融合型光制御機能について,機能の複合化によるデバイスの高度化を進めてきた.以下の2つのアプローチから研究を進めた.(1)基本となる疑似速度整合型位相変調器の高速化と低駆動電力化,(2)機能複合化による時空融合光制御デバイスの高度化.平成20年度では,主に以下の研究成果を得た.1.擬似速度整合型変調器のスラブ導波路型化我々のデバイスでは,光の空間的特質を利用するため,変調電極をマイクロストリップラインとしている.変調効率を向上するためには,電極間間隔を短くすることが有効である.マイクロストリップライン型変調器の場合は,回折の影響から,バルク型では電極間間隔を0.3mm程度にまでにしか短くすることができない.そこで本研究では我々のデバイスのスラブ導波路型化を検討した.プロトン交換法による導波路化の場合,電気光学定数がバルク値より低下するなどの問題があり,導波路を伴う電極短縮が本当に効率向上に有効であるかは自明では無かった.そこで,効率に影響を与える全てのパラメータを考慮してシミュレーションにより効率向上の効果を検討した.その結果,およそ0.1mm程度以下にまで電極間隔を短くすることで効率向上が見込めることが明らかとなった.またこのシミュレーションで予想される効率向上率は実験により確かめられた.2. 2つの超高速電気光学偏向器を利用した光信号の時空間マッピング2つの擬似速度整合型電気光学偏向器を利用することで,光信号の時空間マッピングを実現することを提案し,実証した.光信号の時間的特性を時間軸で操作する手法を世界で初めて提案し,本手法に基づきおよそ2 psのパルス生成を実現した.3.ブラッグ回折型光周波数シフタのシフト量低倍動作進行波位相格子に基づく超10 GHz級光周波数シフタにおいて,分極反転形状を工夫することで,周波数シフト量の逓倍動作が可能であることを提案し,実証した.世界で初めて16GHzの変調電源を用いて±32 GHzの周波数シフト量を実現した.
二分子膜-酸化物層状複合体の低温結晶化による二次元量子閉じ込め構造半導体の創製

本年度は、前年度の知見に基づいて、界面活性剤の二分子膜層状ミセルを鋳型とした二次元層状酸化物半導体として酸化鉄および酸化ビスマスを合成するとともに、前年度までに得られた層状酸化チタンについて、その光学スペクトルからバンド端近傍の構造を詳しく検討した。層状の酸化鉄および酸化ビスマスの合成については、層状酸化チタンと同様に界面活性剤としてドデシルリン酸ナトリウムを用い、金属源にはそれぞれの硝酸塩を用いた。界面活性剤ミセルを鋳型として合成した酸化物半導体は、いずれも層状酸化物に特有の(h00)回折線のみを示した。層状酸化鉄の水熱処理前の(100)面間隔は37Åであった。界面活性剤分子の長さは約18Åなので、分子軸がやや傾いた界面活性剤の二分子膜と酸化物層とが積層していると考えられる。12hの水熱処理によって酸化チタンの場合と同様にピークはシャープになり、24hの処理後にはピークは著しく突鋭化するととも(100)面間隔は34Åに減少した。水熱処理により、酸化物骨格の構造欠陥や不規則性が大幅に減少したと考えられる。バルクのFe2O3の吸収端は580nm付近に観察されるが、得られた層状酸化鉄の吸収端は380nm付近と大幅に短波長シフトしている。これは、量子閉じ込め効果によるバンドギャップの増大を示唆している。さらに、吸収端の低エネルギー側に鋭い吸収ピークが出現しており、バルク試料には見られなかった励起子吸収の存在が示唆される。室温で励起子吸収が観測されるのは超微粒子などの量子閉じ込め構造に特徴的である。酸化ビスマスについても同様の層状構造酸化物が得られ、吸収端の大幅なブルーシフトが見られた。次に、水熱処理により光触媒活性が発現した層状酸化チタンについて、拡散反射スペクトルをKubelka-Munk変換により吸光度αに変換し、バンド端近傍の構造を検討した。αのエネルギー依存性は低エネルギー側では間接遷移を、高エネルギー側では直接遷移を仮定した理論式にそれぞれ良く合致しており、間接遷移型半導体のバンド構造を良く反映したものとなっている。間接遷移バンドギャップはバルク結晶であるP-25より0.35eVブルーシフトしていた。Brusの式より求めた粒子サイズ2Rは1.4nmで、TEMで見積もられた酸化チタン層の厚みとほぼ一致する。さらにPLスペクトルを測定したところ、室温および77Kにおける層状酸化チタンのスペクトルには380nm付近にバルクには見られない新しい発光成分が現れた。この発光成分の位置は層状酸化チタンの短波長シフトした吸収端に良く一致していた。有機分子集合体を利用することで、金属酸化物半導体などの無機物質の低次元量子閉じ込め構造を容易に合成できるため、「材料ナノテクノロジー」の一つの重要な方向性と考えられる。我々は界面活性剤の二分子膜層状ミセルを鋳型として層状酸化チタンを合成し、水熱処理によって層状の酸化物骨格を結晶化させることに成功した。さらにこの結晶性層状酸化チタンが半導体光触媒として働くことを既に報告している。本年度は、この層状酸化チタンの合成条件が生成物に与える影響を調べるとともに、二次元的な量子閉じ込め構造に起因する量子サイズ効果について考察した。さらに層状構造を持つ酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化バナジウムの合成についても検討した。層状酸化チタンの生成時におけるpHを上昇させていくと、pH=7までは回折ピークが鋭く強くなるとともに、全体的に低角度側にシフトした。これは層状構造のドメイン領域の拡大と、繰り返し周期の増大を示している。一方、pH=10では生成物のXRDパターンは逆にブロードになった。酸化チタンの等電点(pH=6.2)より塩基性側では酸化チタン層は負に帯電するため、負電荷を持つ界面活性剤との相互作用が弱まったためと考えられる。120°Cで24時間処理した層状酸化チタンの(100)面間隔は37.7Åで、界面活性剤のドデジル基が伸びきった状態の分子長さ18Åのほぼ二倍に相当した。このことから、二分子膜状に集合した界面活性剤と酸化チタンシートが交互に積層した二次元層状構造が形成されていると考えられる。水熱合成によって層状の酸化スズや酸化ジルコニウムの合成も試みた。酸化チタンの場合と比較して酸化スズおよび酸化ジルコニウムのXRDパターンはブロードであったが、層状構造に帰属されるピークは確認された。酸化スズの繰り返し周期は36.5Åで、酸化ジルコニウムでは38.5Åであった。酸化バナジウムについては塩化アンモニウムの共存下で120°Cで72時間水熱反応させることにより、やはり層状構造酸化物が得られた。水熱処理で結晶化した層状酸化チタンのバンドギャップエネルギーはバルク結晶試料に比べて210meV増大していた。超微粒子の量子サイズ効果について報告されているBrusの式から計算したサイズは1.8nmであり、電子顕微鏡観察から得られた酸化物層の厚さ9Åのちょうど2倍に当たる。Brusの式が第一次近似的なものであることを考慮すると、非常に良い一致が得られた。

層状の酸化鉄および酸化ビスマスの合成については、層状酸化チタンと同様に界面活性剤としてドデシルリン酸ナトリウムを用い、金属源にはそれぞれの硝酸塩を用いた。界面活性剤ミセルを鋳型として合成した酸化物半導体は、いずれも層状酸化物に特有の(h00)回折線のみを示した。層状酸化鉄の水熱処理前の(100)面間隔は37Åであった。界面活性剤分子の長さは約18Åなので、分子軸がやや傾いた界面活性剤の二分子膜と酸化物層とが積層していると考えられる。12hの水熱処理によって酸化チタンの場合と同様にピークはシャープになり、24hの処理後にはピークは著しく突鋭化するととも(100)面間隔は34Åに減少した。水熱処理により、酸化物骨格の構造欠陥や不規則性が大幅に減少したと考えられる。バルクのFe2O3の吸収端は580nm付近に観察されるが、得られた層状酸化鉄の吸収端は380nm付近と大幅に短波長シフトしている。これは、量子閉じ込め効果によるバンドギャップの増大を示唆している。さらに、吸収端の低エネルギー側に鋭い吸収ピークが出現しており、バルク試料には見られなかった励起子吸収の存在が示唆される。室温で励起子吸収が観測されるのは超微粒子などの量子閉じ込め構造に特徴的である。酸化ビスマスについても同様の層状構造酸化物が得られ、吸収端の大幅なブルーシフトが見られた。次に、水熱処理により光触媒活性が発現した層状酸化チタンについて、拡散反射スペクトルをKubelka-Munk変換により吸光度αに変換し、バンド端近傍の構造を検討した。αのエネルギー依存性は低エネルギー側では間接遷移を、高エネルギー側では直接遷移を仮定した理論式にそれぞれ良く合致しており、間接遷移型半導体のバンド構造を良く反映したものとなっている。間接遷移バンドギャップはバルク結晶であるP-25より0.35eVブルーシフトしていた。Brusの式より求めた粒子サイズ2Rは1.4nmで、TEMで見積もられた酸化チタン層の厚みとほぼ一致する。さらにPLスペクトルを測定したところ、室温および77Kにおける層状酸化チタンのスペクトルには380nm付近にバルクには見られない新しい発光成分が現れた。この発光成分の位置は層状酸化チタンの短波長シフトした吸収端に良く一致していた。有機分子集合体を利用することで、金属酸化物半導体などの無機物質の低次元量子閉じ込め構造を容易に合成できるため、「材料ナノテクノロジー」の一つの重要な方向性と考えられる。
咀嚼機能が脳梗塞後遺障害の回復に及ぼす影響

本研究では、咀嚼機能が脳梗塞の後遺障害の改善に有効か否かを検討するため、脳梗塞モデルラットを人工的に作製し、咀嚼動態を変化させることによる影響を行動科学的および免疫組織学的に検討した。本研究の結果より、固形飼料飼育による咀嚼機能の促進は、脳機能に与える脳梗塞後遺障害のうち、短期記憶障害の回復に有効であり、代償性機能を向上させる役割を果たしている可能性が示唆された。脳梗塞による後遺障害の改善を目的とした歯科界初の実験系であり、安定した症状を呈する脳梗塞モデルラットの製作が不可欠である。また、後遺障害の改善を定量的に評価するためのパラメータとして、感覚運動能を示すLimb Placement Test、学習記憶能力を示す受動的回避学習試験および水迷路試験を設定した。(1)体重測定および感覚運動機能の評価体重測定および感覚運動機能評価は,飼料変更1週間隔で28日目まで行った.体重変化および感覚運動機能障害の回復はMCAO両群に有意差は認められなかった.(2)学習記憶機能の評価学習記憶機能評価として,Morris Water Maze Task(以下,MWMとする)を飼料変更後35日目から開始した.実験装置には直径150cm,高さ44cmのプールを用いた.水を34cmの高さまで入れ,プール中央を中心として4つの区画に分けた.さらにPlatformとして直径10cm,高さ32cmの台を北西区画の中央に設置した.獲得試行は5日間連続で行い,120秒間以内に装置内に設置したPlatformに到達するまでの時間と壁周辺の遊泳時間を測定した.なお,評価には後者を前者で除した値,すなわちPeripheral pool timeを用いた.MWMにおいて,獲得試行5日目において,MCAO液体群はMCAO固形群よりもPeriphral pool timeが有意に高値を示した.(3)脳の梗塞部体積の測定TTC染色において,脳梗塞体積にMCAO両群間に有意差が認められなかったことから,永久脳梗塞モデルラットの作製に差はなかったことが示された.脳梗塞による後遺障害の改善を目的とした歯科界初の実験系であり、安定した症状を呈する脳梗塞モデルラットの製作が不可欠である。作製した脳梗塞モデルラットは液体飼料飼育する群と固形飼料飼育する群に分け、後遺障害の改善を定量的に評価するためのパラメータとして、感覚運動能を示すLimb Placement Test、学習記憶能力を示す受動的回避学習試験およびY-maze試験を設定した。(1)体重測定および感覚運動機能の評価体重測定および感覚運動機能評価は,飼料変更1週間隔で28日目まで行った。体重変化および感覚運動機能障害の回復はMCAO両群に有意差は認められなかった。(2)学習記憶機能の評価長期記憶の評価として受動的回避学習試験を、短期記憶の評価としてY-maze試験を、飼料変更後35日目から開始した。受動的回避学習試験では、明室に電流が流れていることを学習する獲得試行と、その24時間後に記憶の保持を確認する再生試行を行った。獲得試行における学習するまでにかかった回数および再生試行で暗室に留まっていた時間ともに、有意差は認められなかったものの、液体飼料飼育群に比較して、固形飼料飼育群のほうが少なかった。一方、Y-maze試験においては、進入したアームを記憶し、探索行動の効率性の指標となる行動交替率が液体飼料飼育群に比較して固形飼料飼育群で有意に高かった。これらのことから、固形飼育による咀嚼機能の促進は、脳機能に与える脳梗塞後遺障害のうち、短期記憶障害の回復に有効であることが示唆された。本研究は、咀嚼機能が脳梗塞の後遺障害の改善に有効か否かを検討することを目的とした歯科界初の実験系である。本年度までの研究において、安定した脳梗塞モデルラット(MCAO)の作製が可能となり、咀嚼機能の有効性を検討するための準備が整った。そして、液体飼料で飼育する群(MCAO液体群)と固形で飼料飼育する群(MCAO固形群)に分けることで、体重変化、感覚運動機能障害からの回復程度(Limb Placement Test)および学習記憶能について比較検討を実施した。その結果、体重変化および感覚運動機能障害の回復はMCAO両群に有意差は認められなかった。一方、長期記憶の評価として受動的回避学習試験ではMCAO両群間に有意差は認められなかったものの、短期記憶能の評価であるY-maze試験においては、進入したアームを記憶し、探索行動の効率性の指標となる自発的交替行動率がMCAO液体群に比してMCAO固形群で有意に高かった。この結果を受け、学習記憶能に関連の高い海馬に着目し、海馬歯状回における細胞増殖活性を評価するため5-bromo-2'-deoxyuridine(BrdU)標識細胞の検索による免疫組織学的検討を実施した。その結果、脳組織を健常側と梗塞側の2つに分割し、健常側におけるBrdU標識細胞率をMCAO両群間で比較したところ、MCAO液体群に比してMCAO固形群で有意に高い値が認められた。

また、各群における健常側と梗塞側との間で比較したところ、MCAO固形群においては梗塞側に比較して健常側で有意に高い値が認められた。これらのことから、固形飼料飼育による咀嚼機能の促進は、脳機能に与える脳梗塞後遺障害のうち、短期記憶障害の回復に有効であることが示唆された。
陽子ビ-ムによる簿層放射化法を用いたトライボロジ-計測法の確立

本研究は陽子ビ-ムによる簿層放射化法を用いたトライボロジ-計測法を、基礎実験、応用計測の両面から確立しようとするものである。研究においては以下の諸項目にわたって検討を加えた。(1)タンデムバンデグラ-フ加速器を用いた簿層放射化法の検討7MeVの陽子ビ-ムを鉄材料に照射し、^<56>Fe(p,n)^<56>Co,^<57>Fe(p,n)^<57>Co,^<58>Fe(p,n)^<58>Coの反応を起こさせ、数ケ月の短半減期放射化コバルトを鉄表面数十μmに作った。照射は大型散乱槽内で行い、照射ジグを作り照射野を特定できる形にし、照射電流もモニタできる測定系を整えた。(2)鉄試料中の放射化生成物分布の測定(1)で放射化されたテストピ-スに純Ge放射線検出器を用いて、生成核種を測定した。また(1)研磨装置を用いて1μm位づつ研磨して、減衰γ線をGe検出器で測定し、摩耗量対放射線減衰の校正曲線を作成した。(ii)標準デ-タとして、鉄の箔(約10μm)を購入しこれを積層させて放射化し、鉄内放射化分布を調べた。(3)上記の(2)の鉄研磨デ-タと箔の実験結果を比較の上、^<56>Co/^<57>Co,^<56>Co/^<58>Coの比の形で摩耗量が表せるよう実験デ-タを整理し、解折計算を行い,汎用な校正関数を作成した。(4)本方法を実際の機械摩耗部分に適用してみるために、自動車エンジン部品摩耗試験のためのテストベンチを作成した。(5)(4)のテストベンチのカムノ-ズ摩耗部に対して、陽子ビ-ムによる簿層放射化法を用いたトライボロジ-試験を実施した。試験に当っては、最適コリメ-タの検討、検出器の最適配置、自動計測システムの構築、オンラインデ-タ処理プログラムの開発などをおこなった。(6)本方法の総合的検討をおこない、実用に供せられる形でのまとめを行なった。本研究は、7MeVの陽子ビ-ムを用いて金属材料表面を約50μm程薄層放射化させ、これを摩耗現象部使用し放射線検出器によりトライボロジ-計測法を行なうことを目的とするものである。平成元年度については以下の点の検討を行なった。(1)タンデムバンデグラ-フ加速器を用いた薄層放射化法の検討7MeVの陽子ビ-ムを鉄材料に照射し、^<56>Fe(p、n)^<56>Co,^<57>Fe(p、n)^<57>Co,^<58>Fe(p、n)^<58>Coの反応を起こさせ、数ケ月の短半減期放射化コバルトを鉄表面数十μmに作った。照射は大型散乱槽内でおこない、照射ジグを作り照射野を特定できる形にし、照射電流もモニタできるよう測定系を整えた。照射位置はラジオグラフィ-フィルムで確認した。

また(i)研磨装置を用いて1μm位づつ研磨して、減衰γ線をGe検出器で測定し、摩耗量対放射線減衰の校正曲線を作成した。(ii)標準デ-タとして、鉄の箔(約10μm)を購入しこれを積層させて放射化し、鉄内放射化分布を調べた。(3)上記(2)の鉄研磨デ-タと箔の実験結果を比較の上、^<56>Co/^<57>Co、^<56>Co/^<58>Coの比の形で摩耗量が表せるよう実験デ-タを整理し、解析計算を行ない、汎用な校正関数を作成した。これら(1)(3)の結果は雑誌に公表した。さらに次年度の自動車エンジン部品摩耗試験のためのテストベンチの作成を開始した。本研究は陽子ビ-ムによる薄層放射化法を用いたトライボロジ-計測法を、基礎実験、応用計測の両面から確立しようとするものである。平成元年度については、(1)東大・原子力研究総合センタ-のタンデムバンデグラ-フ加速器の7MeVの陽子ビ-ムを用いた鉄材料の薄層放射化法の実験的確立のための検討、および(2)鉄試験中の^<56>Fe(p,n) ^<56>Co, ^<57>Fe(p,n) ^<57>Fe(p,n) ^<58>Coの反応放射化生成物の測定をおこなった。平成2年度については以下の検討をおこなった。(3)上記(2)の放射化鉄の放射能減量対摩粍量に対する研摩実験デ-タと、積層鉄箔の放射化生成量の実験結果を比較の上, ^<56>Co/ ^<57>Co, ^<56>Co/ ^<58>Coの比の形で摩粍量が表わせるよう実験デ-タを整理し,解析計算等の助けをかり,汎用な放射能減量対摩粍量に関する検正関数を作成した。(4)本方法を実際の機械摩粍部分に適用してみるために、自動車エンジン部品摩粍試験のためのテストベンチを作成した。(5)(4)のテストベンチのカムノ-ズ摩粍部に対して、陽子ビ-ムによる薄層放射化法を用いたトライボロジ-試験を実施する。試験に当っては、最適コリメ-タの検討、検出器の最適配置,自動計測システムの構築、オンラインデ-タ処理プログラムの開発などをおこなった。(6)本方法の総合的検討をおこない,実用に供せられる形でのまとめを行った。
リベリアとシエラレオネにおける産科瘻孔（フィスチュラ）の疫学状況と社会問題の研究

本研究の目的は、母子保健状況が著しく劣悪な西アフリカのリベリアとシエラレオネにおける産科瘻孔(フィスチュラ)という「疾患」に注目し、その疫学的動向とそれに起因する「問題」を、地域研究やソーシャルワークといった多角的な視点から調査研究することにあった。国内での文献研究に加えて、リベリアとシエラレオネを訪問して政府機関、国際機関、大学、医療機関等の関係者に聞取調査を実施するとともに、フィスチュラサバイバーの女性たち約40名に対してインタビューを行った。そこからは、フィスチュラがなお広範にみられる状況や治療体制の不備、そして、サバイバーの女性たちが抱えるスティグマなどの問題が浮き彫りになった。本研究の目的は、母子保健状況が著しく劣悪な西アフリカのリベリアとシエラレオネにおける産科瘻孔(フィスチュラ)という「疾患」に注目し、その疫学的動向とそれに起因する「問題」を、地域研究、ソーシャルワーク、ジェンダーといった多角的な視点から調査研究することにある。2011年度については、国内での文献研究に加えて、リベリアとシエラレオネを訪問して政府機関や医療機関の関係者に対する聞取調査を実施した。具体的にはリベリアでは、国連人口基金(UNFPA)のフィルデラルド・プラット氏、同国フィスチュラプロジェクトリーダーで産婦人科医のジョン・ムルバ氏、同プロジェクト専任のフィスチュラ看護師であるアンジ・タール氏などに会って、同国のフィスチュラ患者の状況や治療・ケア体制に関する情報を収集した。また、シエラレオネでは、UNFPA職員のジャライ・カバ・ケベイ氏、保健省局長のS・A・S・カーボ氏、ボー政府病院院長のA・P・コロマ氏などに会って情報を収集するとともに、来年度以降の本格調査に向けての了解と支援を取り付けた。なお、リベリアにおいては同国第2位の都市バンガーにあるフィスチュラリハビリテーションセンターを、また、シエラレオネにおいてもやはり同国第2位の都市であるボーのフィスチュラセンターをそれぞれ訪問した。前者はUNFPA、後者は米国のNGOの財政支援によって運営されており、来年度以降の本格的調査の拠点となる予定である。2013年度については、前年度に引き続き、国内での文献研究に加えて、リベリアとシエラレオネを訪問して政府機関、援助機関、大学、医療機関等の関係者に聞取調査を実施した。具体的には、リベリアでは、同国フィスチュラ・リハビリテーションセンターのマトロンであるファトゥ・ビンセント氏などに面会し、同国のフィスチュラ・サバイバーの直面する問題や治療・ケア体制の課題に関する情報収集を行った。また、シエラレオネでは、内陸部のルンサールなどを訪問し、フィスチュラ状況についての情報を収集した。なお、リベリアにおいては、同国第2の都市バンガにあるフィスチュラ・リハビリテーションセンターを訪問し、13名のフィスチュラ・サバイバーに面会するとともに、長時間にわたる聞取調査を実施した。2012年度については、国内での文献研究に加えて、リベリアとシエラレオネを訪問して政府機関、援助機関、大学、医療機関等の関係者に対する聞取調査を実施した。具体的にはリベリアでは、同国フィスチュラプロジェクトリーダーで産婦人科医のジョン・ムルバ氏、フィスチュラ・リハビリテーションセンターのインストラクターであるリチャード・フラ・モールー氏とマトロンであるファトゥ・ビンセント氏などに会って、同国のフィスチュラ患者の状況や治療・ケア体制に関する情報を収集した。また、シエラレオネでは、シエラレオネ大学フーラベイコレッジの講師であるアレックス・ムボヤ氏などに会って同国の母子保健状況やジェンダー関連組織についての情報を収集するとともに、今後の調査方針などについて協議を行った。なお、リベリアにおいては同国第2位の都市バンガにあるフィスチュラリハビリテーションセンターを訪問し、30名のフィスチュラサバイバーと面会した。特にそのなかの5名に対しては長時間の聞取調査を行った。また、首都モンロビアでもフィスチュラサバイバー1名に対して聞取調査を実施した。本研究は2014年度が最終年度の予定であったが、同年に両国で突如発生したエボラ出血熱の感染拡大のために、同年度については当初予定していた現地調査を実施できず、研究費を2015年度(平成27年度)に繰り越した。しかし、エボラ出血熱の感染拡大は2015年度に入っても終息しなかったため、同年度についてもリベリアとシエラレオネでの現地調査は断念せざるをえず、それに代わって、アフリカの産科フィスチュラに関する研究が盛んで資料も豊富なイギリスと南アフリカで聞取調査ならびに資料収集を実施した。イギリスでは、世界有数の医学史図書館であるウェルカム図書館で産科フィスチュラ対策に関する貴重な史料を入手することができた。

また、南アフリカでは、産科フィスチュラ問題に詳しい専門家から有用な情報を提供を受けることができた。本研究の目的は、母子保健状況が著しく劣悪な西アフリカのリベリアとシエラレオネにおける産科瘻孔(フィスチュラ)という「疾患」に注目し、その疫学的動向とそれに起因する「問題」を、地域研究やソーシャルワークといった多角的な視点から調査研究することにあった。国内での文献研究に加えて、リベリアとシエラレオネを訪問して政府機関、国際機関、大学、医療機関等の関係者に聞取調査を実施するとともに、フィスチュラサバイバーの女性たち約40名に対してインタビューを行った。そこからは、フィスチュラがなお広範にみられる状況や治療体制の不備、そして、サバイバーの女性たちが抱えるスティグマなどの問題が浮き彫りになった。27年度が最終年度であるため、記入しない。アフリカ地域研究フィスチュラ患者に対する聞取調査は実施しなかったものの、その実施に向けた準備を着実に進めることができた。2012年度に引き続き、リベリアにおいてフィスチュラ・サバイバーに対する本格的な聞取調査を実施することができた。2年度目に入って、フィスチュラサバイバーに対する本格的な聞取調査を開始することができた。当初、リベリアとシエラレオネにおいて各50名、合計で100名のフィスチュラ患者に対して質的な聞取調査を行う予定であったが、2011年度に実施した現地調査の結果、フィスチュラ患者の教育水準や治療状況、さらには本研究課題の予算などを勘案すると実際に聞取調査が可能なフィスチュラ患者数は各国20名程度であることが判明した。今後はこの数値をひとつの目標にして調査研究を推進していく予定である。今後とも現地調査では、援助機関、医療機関、大学、政府機関などの関係者に対する聞取調査を実施する。また、フィスチュラ・サバイバーに対する聞取調査も継続して行う。しかしながら、フィスチュラ・サバイバーは、その多くがまったく学校教育を受けていないか、学校に通った経験がある場合でもそのほとんどが小中学校卒業程度であり、英語の運用能力が必ずしも十分ではない。したがって、面会するフィスチュラ・サバイバーのすべてに聞取調査を実施することができるわけではない。また、当然のことながら、フィスチュラ・サバイバーのなかには、自らの辛かった流産とその後のフィスチュラの経験を振り返ったり、他人に話したりすることを嫌がる者も少なくない。そうした状況を十分に踏まえ、特に人権に十分に配慮しつつ今後のフィスチュラ・サバイバーに対する聞取調査を慎重に実施していきたい。リベリアとシエラレオネにおける関係者への聞取調査を継続する。特にフィスチュラサバイバーに対する聞取調査を精力的に実施していきたい。その際、信頼関係が特に強固なリベリアのフィスチュラリハビリテーションセンターを調査活動の拠点にしたいと考えている。しかしながら、フィスチュラサバイバーは、その多くがまったく学校教育を受けていないか、学校に通った経験がある場合でもそのほとんどが小学校中退程度であり、英語の運用能力が必ずしも十分ではない。
血栓塞栓症の発症に関わる遺伝的因子の解明と発症リスクの予測

(1)ワルファリン投与中に血液凝固能の指標となるPT-INRのコントロールがうまく出来ない患者について、末梢血からゲノムDNAを調製し、(2)ワルファリンの代謝および薬効発現に関与するCYP2C9、CYP2C19、VKORC1遺伝子を、末梢血から抽出したゲノムDNAを鋳型とし、PCR-RFLP、ダイレクトシークエンス法などにより解析した。(3)血栓塞栓症の発症に関わる遺伝的因子として考えられるVKORC1遺伝子およびワルファリン代謝および薬効発現に関与するCYP2C9、CYP2C19について遺伝子多型迅速判定法(SMAP法)を開発し、本法が臨床現場で有効であるかを検討して論文発表した(Aomoriら、研究発表欄に記載)。発症リスクの予測を迅速に診断できる可能性が示唆された。深部静脈血栓症は下肢静脈瘤・下肢の負傷・手術・悪性腫瘍・深部静脈血栓症の既往がある場合・経口避妊薬の使用・妊娠中・出産後など誰もが経験しうる身体状況においても、健常時より発症リスクが高まることが知られている。一方、ビタミンK依存性血液凝固因子のうち第II(プロトロンビン)、第VII、第IX、第X因子は、肝ミクロゾームに存在する酵素Vitamin K Oxide Reductase(VKOR)を構成タンパクとする、Vitamin Kサイクルにより生合成(活性体へ変換)されている。このVKORをコードする遺伝子であるVKORC1は、血栓塞栓症の予防・治療薬であるワルファリンの抵抗性を引き起こす原因遺伝子として発見されたが、ワルファリン抵抗性の原因遺伝子変異およびその遺伝子多型による疾患への影響は申請者らによって現在研究が始まったばかりである。本年度は、以下の(1)(3)についての研究を行った。(1)ワルファリン投与中の患者およびワルファリン投与を受けていない健常日本人の末梢血からゲノムDNAを調製した。(2)ワルファリンの代謝および薬効発現に関与するCYP2C9、CYP2C19、VKORC1遺伝子について、末梢血から抽出したゲノムDNAを鋳型とし、PCR-RFLP、ダイレクトシークエンス法などにより、遺伝子変異の有無を検出した。(3)現在開発中の遺伝子多型迅速判定法が有効であるかについて検討し、ASHP2007Midyer Clinical Meetingにおいて発表した。解析を効率化した。さらに臨床応用を開始した。本年度は、以下の(1)-(3)についての研究を行った。(1)ワルファリン投与中に血液凝固能の指標となるPT-INRのコントロールがうまく出来ない患者について、末梢血からゲノムDNAを調製した。(2)(1)の患者について、ワルファリンの代謝および薬効発現に関与するCYP2C9、CYP2C19、VKORC1遺伝子を、末梢血から抽出したゲノムDNAを鋳型とし、PCR-RFLP、ダイレクトシークエンス法などにより解析した。(3)現在開発中の遺伝子多型迅速判定法が有効であるかについて検討して論文発表した(Admoriら、研究発表欄に記載)。
モーションセンサ技術を応用した仮想内視鏡を用いた気管内吸引教育システムの開発

口腔、鼻腔、気管内の吸引は臨床現場において頻繁に行われ、この吸引技術の良否は生死に関わる問題となる。口腔、鼻腔内より深部の気管内吸引は直接観察できる部位ではないため、技術指導に困難が伴い、気管内が観察できた状態での指導が望まれる。本研究ではLeapモーションセンサを使用し、画像処理装置によって表示される口腔、鼻腔、気管内に向けて、吸引カテーテルを動かすと、吸引カテーテルの動きに応じて、仮想内視鏡画像で観察できるシステムを構築した。カテーテルを操作することにより、安全かつ非侵襲的に看護学生が実践に近い状態で、気管内吸引技術を習得できる教育システムを構築することができた。口腔、鼻腔、気管内の吸引は臨床現場において頻繁に行われ、この吸引技術の良否は、生死に関わる問題となるが、看護学生に教育する場合、目視できないため技術指導に困難が伴う。そこで、鼻腔、口腔、気管内等が観察できた状態での指導ができるよう、赤外線センサーでドレーンの位置、向きをキャッチし、仮想的に鼻腔、口腔、咽頭、喉頭内部、気管、気管支を容易に観察する仮想内視鏡画像作成法の開発を行った。今年度は使用する頭部、頚部、胸部のCTデータベースを作成するために、インターネット上に一般公開されたCT画像データ、あるいは使用許可が得られているCT画像データを収集した。そして、LEAPモーションセンサという赤外線センサーでドレーンの位置、方向、角度を検出できるよう、プログラムを作成した。検出したドレーンの位置、方向、角度、ドレーンの動きを装置に認識させ、仮想内視鏡画像の視点、視野、方向、挿入速度と連動するようにした。一方、CTデータを用いて三次元画像を構築し、そこから気管などの呼吸器を抽出しその他の臓器や骨と合成画像構築し,呼吸器と各臓器の位置関係を明らかにできるようにした。さらに、咽頭筋などの各種筋肉の抽出と吸引の際重要となる喉頭蓋周辺臓器の抽出を行ったり,舌根周辺臓器の解剖理解が容易となるよう表示できるようにした。国際学会発表では、ヨーロッパ腹部放射線学会や北米放射線学会、ヨーロッパ放射線学会などで、目に関するモーションセンサである、視線追跡システムを応用した研究発表を行い、本研究の基礎とすることができた。気管内吸引技術教育時の問題点を確認し、CT三次元画像データベース作成および画像構築法の確立を行ない、ドレーン検出システムの開発を目標に研究を進めた。気管内吸引技術教育時の問題点としては看護学生が鼻腔、口腔、咽頭、喉頭内部、気管、気管支を観察しながらドレーンの挿入ができないことであるが、バーチャルエンドスコピーの技術を用いて容易に観察できるシステムを作成した。さらに、赤外線を用いたモーションセンサによりドレーンの動きを検出するプログラムを制作する一方、呼吸器の三次元表示方法を考案、構築し、ドレーンの動きと連動するようにすることに成功した。この表示によって、看護学生がコンピュータグラフィックス画面に向かって仮想的に鼻腔、口腔からドレーンを挿入した状態での、呼吸器内部の観察学習がある程度可能となった。今後、看護学生に対する学習に本装置を適用し、さらなる改良を加え、より使用しやすい装置に改良を加える予定である。そして、各学生が呼吸器内部を観察しながら気管内吸引技術が学習できる教育システムを構築する。気道内の吸引行為は臨床の場において侵襲性があり、苦痛、危険を伴う。また、看護技術教育の現状として看護師資格がない学生に身体侵襲を伴う看護技術の実施は困難な状況にある。しかし、気道内の吸引は臨床現場において頻繁に行われ、この技術習得は看護教育の中で必須である。また、深部の口腔、鼻腔内、気管内は観察不能であるため、技術指導は難しいものとなっている。そこで、本研究ではCTデータを用い、口腔、鼻腔等、気道内をバーチャル内視鏡によりリアルタイムに観察できる教育ツールをまず作成した。そして、バーチャル内視鏡画像をモニタ画面上に表示させ、その画面に描写された口腔三次元画像に対してドレーンを向けることによって実際に口腔内から気道にドレーンを挿入できるような模擬体験ができるシステムを構築した。作成したシステムには赤外線を発生させドレーンにあて、その反射して帰ってきた赤外線をキャッチするモーションセンサーを用いた。このシステムはドレーンの上下左右、前進、後進運動に応じて、気道内を仮想内視鏡画像により観察できるというものである。この開発したツールは2016年10月に'モーションセンサ技術を応用したCT仮想内視鏡を用いた気管内吸引教育システムの開発'というタイトルで,岩手県で開催された看護理工学会で報告した。現在、気道内吸引技術の学習としては教科書を用いた学習が実施されているが、イラストと文章での学習は、挿入手技の理解が難解である。一方、気道内吸引トレーニング用モデル人形を用いた学習も実施されている。本人形では、気管の形状は円筒状となっており、実際の複雑な構造と大きく乖離している。しかし、実際にドレーンを挿入して挿入具合を人形の分解により確認することができるという利点も有している。このような現状において従来の指導方法と比較して本システムをどのように導入したらよいかを今後調査していく。本研究では口腔内、鼻腔内、気管等、気道内のバーチャル内視鏡画像だけでなく、頚部三次元構築画像も描写され、位置情報がリアルタイムに頚部三次元画像上に表示されるようにした。また、視点の位置と喉頭軟骨など特定の位置からの距離も三次元的に計測可能となった。問題点としてはドレーンの種類によっては赤外線に対する反応が良くないものがみられた。

試行錯誤した結果、ドレーン先端を白色にすることにより反応が良好となり、スムーズな仮想的挿入が可能となった。また、挿入開始、終了のコマンド入力は手作業でキーボード入力が必要であったが、今回、ドレーンを画面に向けて大きく振ると操作開始のコマンド入力、再度大きく振ると操作終了のコマンド入力としてプログラムを改変し、操作性を高めた。口腔、鼻腔、気管内の吸引は臨床現場において頻繁に行われ、この吸引技術の良否は生死に関わる問題となる。口腔、鼻腔内より深部の気管内吸引は直接観察できる部位ではないため、技術指導に困難が伴い、気管内が観察できた状態での指導が望まれる。本研究では赤外線モーションセンサを使用し、画像処理装置によって表示される口腔、鼻腔、気管内に向けて、吸引カテーテルを動かすと、吸引カテーテルの動きに応じて、仮想内視鏡画像で観察できるシステムを構築した。モーションセンサを用いることにより、30インチのTV画面に表示された腔内画像に向けてカテーテルの先端を動かすだけでリアルタイムに操作することが可能となった。また、ドレーンの先端の色は白いほど反応が良くなることを発見した。吸引用カテーテルは14Frのものを使用した。吸引カテーテルの先端位置、動きはモーションセンサで確認しUSB経由でPCへデータをリアルタイムに送る。仮想内視鏡画像の上下左右への方向転換、前進、後進運動のコマンド処理に本データを使用し、腔内の移動観察が行えるようにした。ドレーンの中心位置をセンサでデータ収集し、ドレーンの動きをもとに比例関係でディスプレイ上の動きを計算し、カーソルを動作させた。ドレーンの侵入後退もドレーン先端の動作データを収集し、侵入、後退速度を決定した。また、ドレーンの振動により過剰なブレが生じるため、揺れを防止するためのプログラムを追加した。ドレーンの先端位置の大きな変動をトリガーとして操作スイッチをONとなるように、そして、再度の大きな変動で操作スイッチをOFFとした。このような改良改善を経て、カテーテルを操作することにより、安全かつ非侵襲的に看護学生が実践に近い状態で、気管内吸引技術を習得できる教育システムを構築することができた。本研究ではLeapモーションセンサを使用し、画像処理装置によって表示される口腔、鼻腔、気管内に向けて、吸引カテーテルを動かすと、吸引カテーテルの動きに応じて、仮想内視鏡画像で観察できるシステムを構築した。カテーテルを操作することにより、安全かつ非侵襲的に看護学生が実践に近い状態で、気管内吸引技術を習得できる教育システムを構築することができた。今後、看護学生に対する学習に本装置を適用し、問題点を洗い出し、さらに使いやすい装置に改良していく予定である。
ヒストン修飾による5'-endトランスクリプトームとDNAメチル化の変化

DNAのメチル化、ヒストン修飾などのエピジェネティックな作用が、転写開始点およびその発現量にどのような影響をおよぼすか検討した報告は非常に少なくその詳細は明らかでない。そこで次世代シークエンサーを利用しゲノムワイドなDNAメチル化測定法を確立すると共に5'-end測定法を用いてエピジェネティックな作用が発現様式にどのような影響与えるかを検討した。脱アセチル化阻害剤(TSA)処理した大腸癌細胞株、HT-29からmRNAを単離し、5' end法を用いて検討した。SOLiDステムを用いて5' end tagをシーケンスし、約2, 000万個のtagを得た。未処理細胞と比較してTSA処理細胞は、2, 426個の遺伝子が変化しており、この変化は発現している全遺伝子の16%に相当した。次にこれらの遺伝子変化にDNAメチル化が関与しているかどうかを、開発したメチル化解析法(MSDS法)で検討したところ、数遺伝子領域を除いてはTSAによるメチル化の変化は観察されなかった。種々の遺伝子の発現にエピジェネティックな作用が関与していることが明らかになってきた。特に癌の発生や進展にDNAのメチル化やヒストンの脱アセチル化などのエピジェネティックな異常が関与していると考えられている。しかしながらDNAのメチル化、ヒストン修飾などのエピジェネティックな作用が、転写開始点およびその発現量にどのような影響をおよぼすか検討した報告は非常に少なくその詳細は明らかでない。そこで大規模並列処理配列決定法による次世代シークエンサーを利用しゲノムワイドなメチル化測定法を確立すると共にすでに開発が終了している5'-end測定法を用いてエピジェネティックな作用が発現様式にどのような影響与えるかを検討した。今年度は、脱アセチル化阻害剤(TSA)処理した大腸癌細胞株HT-29からmRNAを単離し、5'end-SOLiD法を用いて検討した。SOLiDステムを用いて約3,600万個の5'end tagをシーケンスし、その中でゲノムにヒットしたより正確と考えられる配列約2,000万個の5'end tagを得た。これらの結果を従来のサンガー法のシークエンンシングを用いる5'SAGE法と比較したところ差が2倍以上且つp値が0.001以下であった遺伝子は5'SAGE法で81個検出されたのに対してSOLiDを用いた方法では2426個の差のあった遺伝子が観察された。これらの変化のあった遺伝子の中にはDNAのメチル化に関するものが多く含まれていた。TSA刺激は、DNAのmethylatransferase(DNMT1、DNMT3A)、メチル化CpG結合ドメイン(MBD2、MBD3、MBD6)タンパク質MeCP2などCpGアイランドのメチル化に関与する遺伝子の発現を減少させた。また、転写調節に関与するhigh-mobilityタンパク質グループ、HMGA1,HMGA2、HMGB1,HMGB2の発現も抑制した。このことからTSAによる遺伝子の発現変化の一部にDNAのメチル化が関与する可能性が示唆された。一方、これらのDNAメチル化を測定するためにDNAメチル化感受性制限酵素によるゲノムワイドなDNAメチル化測定法を検討した。TSA処理した大腸癌細胞株HT29による遺伝子発現変化でDNAメチル化関連遺伝子が変化していたことからDNAメチル化が多様な遺伝子変化をもたらしている可能性が示唆された。このことから次にこの細胞のゲノムワイドなDNAメチル化を検討した。DNAメチル化を測定するためにDNAメチル化感受性制限酵素(BssHII,SacII,EagI)でTSA処理細胞のゲノムDNAを切断後、次世代シークエンサーに対するリンカーを付加し測定した。Tagに存在する制限酵素部位のシトシンは非メチル化であると仮定されるため、サンプル間のTag数の差を調べることで、メチル化状態を検索できると考えられる。

この方法の精度を確かめるため、観察されたtag数とBisulfite法とを比較したところ両者の方法に相関が認められ、この方法が有用であることが確認された。この方法を用いて測定した結果、TSAによるDNAメチル化の変化は観察されなかった。このことからヒストンの脱アセチル化剤、TSAによる遺伝子発現変動の変化がDNAメチル化の変化によらないことが示唆された。種々の遺伝子の発現にエピジェネティックな作用が関与していることが明らかになってきた。しかしながらDNAのメチル化、ヒストン修飾などのエピジェネティックな作用が、転写開始点およびその発現量にどのような影響をおよぼすか検討した報告は非常に少なくその詳細は明らかでない。そこで次世代シークエンサーを利用しゲノムワイドなDNAメチル化測定法を確立すると共に5'-end測定法を用いてエピジェネティックな作用が発現様式にどのような影響与えるかを検討した。これまでDNAメチル化感受性酵素、BssHII、EagI、SacIIの3種類を使用したMSDS法を開発しHT29,HCT116大腸癌細胞株を用い有用性を調べた。この方法の精度を確認する目的で、bisulfite sequence法で求めたメチル化状態とtag数を比較したところ、両者に相関があった。遺伝子周囲のメチル化は、転写開始点からの距離が離れるほど高メチル化状態であった。さらに、発現の高い遺伝子は発現の低い遺伝子に比べ転写開始点周囲が低メチル化状態であった。2つのサンプルのメチル化を比較したところ、CpG islandやその周囲、さらにイントロン領域に多数のメチル化が異なる部位が発見され、この領域の意義を調べるため、ルシフェラーゼアッセイと行ったところ、この領域はエンハンサー活性に関与していることが明らかになった。また上記の6塩基酵素を使用するより感度をあげる為、CCGGの4塩基を認識する制限酵素(HpaII)ならびに非感受性制限酵素(MspI)についても同様な検討を行った。その結果、6塩基認識よりさらに詳細なメチル化が観測出来ることが明らかとなった。一方、遺伝子発現を測定したTSA処理細胞のDNAメチル化測定及び発現とメチル化の関連性について調べたところ、数遺伝子領域を除いてはTSAによるメチル化の変化は観察されなかった。
高精度・長期衛星データセットの構築と情報学的手法による時空間変動研究

平成30年度は,時空間変動解析への情報学的手法の適用について研究を進めた.自己組織化マップSOMを用いた熱帯太平洋域における時空間変動解析に関し,海面水温データに加えて可降水量と海上風速を用いた.ユニット間の遷移を時系列で見ると,可降水量は海面水温と類似の変化を示すが,海上風速はやや先行する特徴が見られた.海面水温の出力層ユニットの二次元化により,平常時に加えてエルニーニョモドキの識別も可能であることを示した.複数監視海域における偏差の線型結合であるEMI指標が適切に機能しない場合でもSOMは良好な結果を与え,広域の空間情報利用の有効性が示唆された.さらに膨大なデータセットに対する情報学的手法の適用については,ひまわり8号による降水域推定に対する深層学習の効果を調査した.多バンド赤外データを入力とし,XRAIN降水情報を教師として学習を試みた.所属部署のクラスタ計算機は機器換装で利用できなかったため,GPUによる高速化を図った.U-Netを用いて瞬時データから降水域の推定を試みたが,学習データ数の不足等の理由から現時点で満足な結果は得られていない.しかし,今後学習データを増やし2.5分間隔のデータを時系列方向に学習させることで精度を向上させる目処を得た.研究期間全体では,平成2829年度にマイクロ波放射計データから長期データセットを構築するための輝度温度相互校正手法を確立することができた.平成2930年度に長期データセットへの情報学的手法の適用としてSOMを取り上げ,エルニーニョ現象等の変動識別と従来指標との比較評価を通じてその有効性を示した.平成30年度にひまわり8号データを用いてGPU並列計算による深層学習の検討を行い,降水域推定等の実時間情報抽出に関する知見を得た.上記により,長期衛星データセット構築と情報学的手法による変動検出に関する一定の成果が得られた.平成28年度は,マイクロ波放射計データの整備とセンサ間相互校正の実施を主要実施計画とした.1970年代末から現在までに運用されている人工衛星搭載マイクロ波放射計の中から,観測安定性等を考慮してSSM/I,TMI,GMI,AMSR-E,AMSR2を主な対象センサとして選択して輝度温度データを提供機関から入手し,新たに導入したデータ格納サーバ上に展開・整備した.観測諸元の違いを補償するための二重差分(Double Differencing)法に用いる放射伝達コードとして,大量データ処理時の計算負荷軽減を考慮して欧州気象衛星機関EUMETSATが開発したRTTOV v12を選択した.放射伝達計算時の大気・地表面条件を与えるデータとしては,対象センサの観測期間を網羅することを考慮し,気象庁55年長期再解析(JRA-55)および全球日別海面水温解析(MGDSST)を用いることとした.対象センサ間の時空間マッチアップデータを作成したうえで,上述の放射伝達コードに大気・地表面条件を適用して該当する観測位置・時刻の輝度温度シミュレーションを行い,対象センサ間の校正差を算出する一連のプログラムを開発した.また,AMSR-EとAMSR2間の相互校正において重要となるAMSR-E低速回転データについて,センサ各部物理温度や入射角等のハードウエア情報と海面水温等の観測対象情報を考慮して,定常運用/低速回転運用のデータ間の連続性・安定性を評価し,十分な合致を示すことを確認した.これらの準備に基づき,研究の核となるAMSRシリーズの相互校正を進めた.SSM/Iシリーズについては,正確な入射角などのハードウエア情報の算出に時間を要しており,一部未達の事項も存在するが,相互校正に必要な主要ツールの開発を実施し,核となるAMSRシリーズの相互校正に目処がついたことから,全体の研究達成度としてはおおむね順調に進展していると考えている.平成29年度は,昨年度実施した対象センサ間の校正差を算出する相互校正プログラムの拡張作業,地球物理量データセットの整備,ならびに時空間変動解析手法の評価を主な実施計画とした.合わせて,相互校正に関する外部発表等を実施した.相互校正プログラムについては,昨年度の未達事項であったSSM/Iシリーズへの対応を進めた.また,放射伝達コードRTTOVの地表面放射率データベースを参照することにより,海域に加えて熱帯雨林域を評価対象域に含めた.これにより高輝度温度の評価点が追加され,相互校正のダイナミックレンジを広げることができ,校正差の輝度温度依存などへの対応が可能となった.また,地球物理量データセットとして,宇宙航空研究開発機構が提供するAMSRシリーズの地球物理量データを中心に取得・整備を行い,時空間変動解析の手法検討を進めた.熱帯太平洋域における全天候型海面水温データに対して自己組織化マップ(SOM)を適用することにより,代表的な気候変動パターンとしてエルニーニョ・ラニーニャ現象の解析を試行した.入力層に海面水温偏差の空間分布の時系列を特徴ベクトルとして与え,出力層に少数のユニットを設定することで,監視海域におけるインデックスにより判定された,エルニーニョ・ラニーニャ時および平常時の識別を行うことができた.さらにユニット数を増やすことで,単一の監視海域におけるインデックスでは表現できない代表的パターンの特定も可能であることが示唆された.時空間変動解析手法の検討については,海面水温データセットに対する自己組織化マップの有効性を評価する段階に留まっており,輝度温度データセットへの適用等,未達の事項も存在する.しかし,相互校正プログラムの開発をほぼ完了し,変動解析手法の目処もついたことから,全体の研究達成度としてはおおむね順調に進展していると考えている.

平成30年度は,時空間変動解析への情報学的手法の適用について研究を進めた.自己組織化マップSOMを用いた熱帯太平洋域における時空間変動解析に関し,海面水温データに加えて可降水量と海上風速を用いた.ユニット間の遷移を時系列で見ると,可降水量は海面水温と類似の変化を示すが,海上風速はやや先行する特徴が見られた.海面水温の出力層ユニットの二次元化により,平常時に加えてエルニーニョモドキの識別も可能であることを示した.複数監視海域における偏差の線型結合であるEMI指標が適切に機能しない場合でもSOMは良好な結果を与え,広域の空間情報利用の有効性が示唆された.さらに膨大なデータセットに対する情報学的手法の適用については,ひまわり8号による降水域推定に対する深層学習の効果を調査した.多バンド赤外データを入力とし,XRAIN降水情報を教師として学習を試みた.所属部署のクラスタ計算機は機器換装で利用できなかったため,GPUによる高速化を図った.U-Netを用いて瞬時データから降水域の推定を試みたが,学習データ数の不足等の理由から現時点で満足な結果は得られていない.しかし,今後学習データを増やし2.5分間隔のデータを時系列方向に学習させることで精度を向上させる目処を得た.研究期間全体では,平成2829年度にマイクロ波放射計データから長期データセットを構築するための輝度温度相互校正手法を確立することができた.平成2930年度に長期データセットへの情報学的手法の適用としてSOMを取り上げ,エルニーニョ現象等の変動識別と従来指標との比較評価を通じてその有効性を示した.平成30年度にひまわり8号データを用いてGPU並列計算による深層学習の検討を行い,降水域推定等の実時間情報抽出に関する知見を得た.上記により,長期衛星データセット構築と情報学的手法による変動検出に関する一定の成果が得られた.平成29年度は,SSM/Iシリーズに対する相互校正を完了し,輝度温度長期データセットの構築を実施するとともに,これらのデータを入力とした情報学的手法による気候変動パターンの特定に関する研究を進める.平成30年度は,海面水温以外の地球物理量および輝度温度に対して時空間変動解析手法を適用し,評価を行う.また,ひまわり8号など,膨大なデータを取得する他のセンサデータへの適用性についても評価する.この際,必要に応じてクラスタ計算機上での処理へ拡張し,実装上の課題抽出を行う.最後に,3年間の研究結果のまとめを行う.