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量子不変量の様々な漸近挙動

今年度は,色付きJones多項式の漸近挙動と,結び目群のSL(2,C)への表現を中心に調べた.色付きJones多項式は,リー環sl(2,C)のN次元表現に対応した,結び目の量子不変量であり,パラメータとしてqを持つ.q=exp(a/N)とおき,Nを大きくしたときの漸近挙動と,aによって決まる,結び目補空間の基本群から,リー群SL(2,C)への表現との関係が研究対象である.これまでの研究は,おもに(もっとも簡単な双曲結び目である)8の字結び目と,トーラス結び目に限られてきたが,これらについては,次のような結果を得た.8の字結び目に対しては,a=2πiのとき,結び目補空間の完備双曲構造を決定する表現に対応し,色付きJones多項式は指数関数的に発散し,発散の度合いとして双曲体積が現れる.aを2πiから少し動かすと,それに対応して表現も動き体積も変形される.また,aが0の近傍のときは,可換表現に対応し,色付きJones多項式は収束する.また,Alexander多項式の零点になるとaffine表現に対応し,色付きJones多項式は多項式的に発散する.トーラス結び目の場合も同様の振る舞いをすることがわかった.今年度は,上述の結果を5_2結び目(8の字結び目の次に簡単な双曲結び目)に拡張すべく様々な考察や計算を行った.この場合,これまでと違って計算が格段に複雑になり,コンピュータによる実験も困難であった.まだ,実験の段階であるが,パラメータqが実数のときの色付きJones多項式の漸近挙動と,Chern-Simons不変量,および基本群のSL(2,R)への表現への関連が得られそうである.体積予想の拡張として,結び目の色付きJones多項式の漸近展開と,結び目補空間の基本群の,リー環sl(2,C)への表現との関係を調べた.体積予想とは,R.Kashaev氏,村上順氏,および研究代表者により提唱されたもので,結び目の色付きJones多項式(sl(2,C)のN次元既約表現に対応した量子不変量)の極限が,結び目補空間の体積を決定するであろうというものであり,数学者のみならず物理学者からも大いに注目を集めている.体積予想にはいくつかの拡張が考えられるが,今年度研究代表者が試みたものは,色付きJones多項式の極限だけでなく,漸近展開(正確には,色付きJones多項式のパラメータtにexp(α/N)を代入し,その対数を取ったものをNの関数と見たときの,無限大の周りでの漸近展開)のいくつかの項の位相的・幾何的意味を考えるというものである.特に,新たに導入したパラメータαが,基本群のsl(2,C)への表現とどのように関わっているかに注目した.物理学者のS.Gukov氏との共同研究により,上述の漸近展開の定数項にはあるReidemeister torsionが現れるであろうと予想されていたが,本研究ではどういった表現に対応したReidemeister torsionが対応するかを考察した.特にtorus結び目について,以前研究代表者の計算した漸近挙動を精密に調べることで,定数項の具体的な形がわかった.今後,これがどういった表現に対応しているかを研究する予定である.また,8の字結び目についても同様の考察を行なった.(ただし,漸近挙動に関する厳密な証明は与えられていない.)結び目の色付きJones多項式の漸近挙動と,結び目の基本群のリー群SL(2,C)への表現との関連を中心に研究を進めた.具体的には,N次元色付きJones多項式のパラメータをexp(c/N)とおき,複素数cが基本群の表現とどのようにかかわるかを調べた.c=2*Pi*Iのときが体積予想であり,色付きJones多項式は指数的に増大し,その増大度が体積を表すと予想されている.以前横田氏との共同研究で,8の字結び目に関して,cが2*Pi*Iに近いとき,色付きJones多項式の極限から,cによってきまるDehn手術に対応した3次元多様体の体積が得られることがわかった.また,cが小さいときには,(8の字結び目に関しては研究代表者によって,その後一般の場合はGaroufalidis氏とLe氏によって)色付きJones多項式は1/Δ(exp(c))に収束することが知られている.ただし,Δ(t)はAlexander多項式である.これらはそれぞれ,既約表現,アーベル表現に対応すると考えられる.今年度は,以上の結果にかんがみcがAlexander多項式の零点のlogarithmのとき,色付きJones多項式がどうなるかを調べた.樋上氏との共同研究の結果,8の字結び目とトーラス結び目に関しては,cがAlexander多項式の零点のlogarithm(のうち絶対値が最小のもの)のときは,色付きJones多項式は多項式で発散することがわかった.これは,基本群のアフィン表現に対応すると考えられ上述の2種類の表現をつなぐものとして興味深い.今年度は,色付きJones多項式の漸近挙動と,結び目群のSL(2,C)への表現を中心に調べた.

色付きJones多項式は,リー環sl(2,C)のN次元表現に対応した,結び目の量子不変量であり,パラメータとしてqを持つ.q=exp(a/N)とおき,Nを大きくしたときの漸近挙動と,aによって決まる,結び目補空間の基本群から,リー群SL(2,C)への表現との関係が研究対象である.これまでの研究は,おもに(もっとも簡単な双曲結び目である)8の字結び目と,トーラス結び目に限られてきたが,これらについては,次のような結果を得た.8の字結び目に対しては,a=2πiのとき,結び目補空間の完備双曲構造を決定する表現に対応し,色付きJones多項式は指数関数的に発散し,発散の度合いとして双曲体積が現れる.aを2πiから少し動かすと,それに対応して表現も動き体積も変形される.また,aが0の近傍のときは,可換表現に対応し,色付きJones多項式は収束する.また,Alexander多項式の零点になるとaffine表現に対応し,色付きJones多項式は多項式的に発散する.トーラス結び目の場合も同様の振る舞いをすることがわかった.今年度は,上述の結果を5_2結び目(8の字結び目の次に簡単な双曲結び目)に拡張すべく様々な考察や計算を行った.この場合,これまでと違って計算が格段に複雑になり,コンピュータによる実験も困難であった.まだ,実験の段階であるが,パラメータqが実数のときの色付きJones多項式の漸近挙動と,Chern-Simons不変量,および基本群のSL(2,R)への表現への関連が得られそうである.
ガンマ線時間領域干渉計法の高度化によるソフトマターの階層ダイナミクスの研究

昨年度までに、多くのガラス形成物質に対しガンマ線準弾性散乱測定法を用いて原子・分子ダイナミクスの情報を有するスペクトルを取得してきた。本年度は、これまでに得られたスペクトルに対して新しい解析方法を構築することを試み、確立することができた。具体的には、より精度が高く迅速に簡便に解析できるプログラムを本科研費で購入したコンピューターにより開発した。本課題研究で提案されたより高精度のスペクトルの解析式を用いることにより、これまでの手法にくらべて極めて高い精度でスペクトルを計算し実験スペクトルをフィッティングできるようになった。さらに解析プログラムそのもの刷新により、これまで数十秒かかっていたスペクトルのフィッティングが数秒でフィッティング可能となり極めて迅速な解析が可能となった。加えて、複数のスペクトルをワンクリックで解析できるようになり、本手法に不慣れな共同研究者も容易に多くのスペクトルを迅速に解析できるようになった。また、中間散乱関数と呼ばれる原子・分子スケールの構造の時間緩和関数を可視化することもできるようになった。このような新解析プログラムにより、本研究課題で研究された様々なガラス形成物質の実験スペクトルを解析することで、高精度の構造ダイナミクスの実験結果を得ることができた。加えて、それらの結果が既存の研究成果と整合することを確認することで実験と解析の妥当性を検証した。本研究の結果得られた新たな成果は論文投稿に向けて準備中である。平成27年度は、57-Feを用いた核共鳴散乱ガンマ線をプローブとしたマルチライン時間領域干渉計法の開発を行い、測定系を応用研究が可能な段階にまで開発することができた。この進展によりこれまでより迅速にダイナミクスの情報を含んだ時間スペクトルを測定することができることが実証された。具体的には、より広い時間スケール(5nsから340ns)で時間スペクトルを測定可能になり、緩和の詳細な形状の決定も可能となった。また、64の検出器により同時に散乱ガンマ線の検出を行えるようになった。この時間領域干渉計法を用いて、グリセリンの液体ガラス転移のメカニズムを研究した。時間領域干渉計法を用いてグリセリンのミクロな緩和時間の温度依存性、および運動量移行依存性を調べた。これにより、深く過冷却状態にあるグリセリンのミクロなダイナミクスが初めて詳細に調べられた。この結果、まずこれまで良く分かっていなかったグリセリン中のslowβ緩和の存在が明確に示され、過冷却液体におけるslowβ緩和の普遍性の証拠が得られた。また、方向性の水素結合によりネットワーク構造を有しているグリセリンでは、水素結合のスイッチングという緩和のメカニズムが液体を深く過冷却しても大きく変わらないことが分かった。ここで、過冷却液体はそのダイナミクスの温度変化からfragilityという量で特徴づけられ、グリセリンは中程度のfragilityの値を有する。これまで本研究で得られてきたネットワーク結合性をもたないfragilityの程度の強い系に対し同様の解析を行うと、緩和のメカニズムは温度変化し、ある温度から低温ほど緩和が局所化されることが分かった。これらの結果を既存の様々な知見と総合して考察することで、fragilityの起源は局所的な分子結合状態の秩序性に強く関係していることが示された。グリセリンのガラス転移研究に関しては、1Åから5Åに渡る局所的な空間スケールで11の散乱角で緩和時間を求めることができた。また、時間スケールに関しても、1Åの空間スケールでマイクロ秒スケールのダイナミクスを初めて観測することができた。グリセリンで得られている結果をこれまで本測定系で得られている結果と総合して議論することで、ガラス転移研究において最も重要なfragilityの起源に関する重要な知見を得ることができた。また、タイヤのモデル系であるシリカを含んだゴム試料に関しても指針を決めるための評価実験は既に行っており、様々な温度、運動量移行値で時間スペクトルを得ることができた。現在データの解析中である。したがって、物性研究に関しては非常に順調に進展していると考えられる。一方、時間領域干渉計法の開発に関しては、用いた既存の57-Feを含んだ鉄箔の質が低いために、測定法の測定効率非常に向上したものの、予想されるほど十分には向上していない。しかしながら、時間領域干渉計法のシステム自体は十分に応用のレベルには達していることは確認されているため、今後の課題はより質の高い鉄箔ををもちいたマルチライン時間領域干渉計法の完成である。また、装置系に関する鉄箔以外の要素に関しては非常に大きな進展があり、開発されたマルチラインの時間領域干渉計法は今後の多彩な実験に有効に用いることができるようになってきている。このため、装置開発に関しては、おおむね順調に発展していると考えられる。平成28年度は、装置開発によ高効率化されたマルチラインの時間領域干渉計法を用いた準弾性散乱法の測定原理に関して、本手法がナノ秒マイクロ秒のダイナミクス測定を可能とするという定説に加えて、サブピコ秒のダイナミクスの情報も同時に得ることができるという新規な特性を見出した。この新規な特性を理論的に導き、それより得られる時間スペクトルの式と解析手法をまとめた。現在この特性に関する論文を投稿中である。物性研究に関しては、マルチラインの時間領域干渉計法を用いて、(1)典型的なガラス形成物質溶融塩KNO3・Ca(NO3)2(略称CKN)および(2)Naを含むイオン伝導ガラスのミクロなダイナミクス測定を行った。(1)典型的なガラス形成物質溶融塩CKNの結果に関して、まずダイナミクス測定に先駆けてX線構造解析を行い、得られた静的構造因子に対し逆モンテカルロモデリングを行うことにより部分構造因子を求めた。

これにより、回折実験の各運動量移行における試料内の構造寄与を定量的に明らかにした。それを基に準弾性散乱実験を行うことで、CKN中に存在する様々なイオン間相関ごとの緩和時間を調べた。実験の結果、溶融塩ガラス中のアニオンとカチオン(OとK,およびOとCa)の相関が顕著にほかの元素間相関の緩和時間よりも長いことが分かった。この結果は、系の中でイオン結合が強いアニオンとカチオンのペアのつくる構造は、ほかのペアの構造に対して比較的寿命が長いことを反映していると考えられる。(2)一方、Naを含むイオン伝導ガラスの結果に関して、Na-Pの元素間相関の緩和時間はほかの元素間のペアよりも顕著に短いことが分かった。これにより、イオン伝導性ガラスでは室温において構造から決まる頻度因子が大きいなどの効果により、イオンの運動性が大きく、高いイオン伝導性をもたらしていることが分かった。装置開発の観点からは、申請時に計画していた装置系の開発はほぼ終了し、予定されていた性能が引き出されている。その結果は現在論文としてまとまりつつある。物性研究の観点からは、典型的過冷却液体のグリセリン、CKN、タイヤのモデル物質およびイオン伝導ガラスと多様な系に対し応用研究が進行中である。まだ論文として成果はまとまっていないものの、それらの結果はそれぞれまとまりつつあり、近日中の論文化を目指している。本年度の研究により、放射光で生成した単色なガンマ線を用いた準弾性散乱測定法である時間領域干渉計法に関して、複数のエネルギーのガンマ線を同時に実験に用いることで、ナノ秒ダイナミクスの測定効率が大幅に向上することができることを実証した。さらに、これまで得ることができなかったピコ秒オーダーのダイナミクスの情報も同時に得ることができることを示した。これらの研究は本年度に論文として発表した。(M.Saito et. al., Scientific Reports 7 12558)このように高度化されたガンマ線準弾性散乱法を用いて、ガラス転移のメカニズム解明に向けたスローダイナミクス研究を推進した。高分子、イオン液体、ファンデルワールス液体、水素結合性の液体など、様々な種類のガラス形成物質の過冷却状態、ガラス状態における原子・分子スケールの局所的なスローダイナミクスを系統的に調べた。その結果、すべてのガラス形成物質中でJohari-Goldsteinβ過程と呼ばれる局所的な活性化運動を観測することができた。さらに、この活性化過程は空間的に制限された局所的な運動であり、温度を下げてガラス転移温度に近づくほど空間的な制限の度合いが大きくなることがわかった。粘性の高い深く過冷却した液体中では、原子・分子間の強い多体相互作用の結果、分子がナノ秒程度以上の時間スケールで周囲の分子の作るケージにとらわれて拡散運動が制限されることが知られる。
コンディショナル遺伝子破壊による発がん機構の解析

急性白血病の原因遺伝子と考えられるCBFA2/PEBP2αB/AML1はショウジョウバエの体節形成遺伝子中のペアルール遺伝子の一つruntにホモロジーを持つruntドメイン遺伝子ファミリーに属する転写因子である。我々は、このruntドメイン遺伝子ファミリーの機能をノックアウトマウスを作製することにより解析してきた。そして、その一つCbfal/Pebp2αAが、骨芽細胞の分化を支配する遺伝子であることを初めて明かにした。骨は2つの様式により形成される。一つは内軟骨性骨化で、軟骨が形成された後に骨に置き換えられていくもので、長管骨等の形成がこれにあたる。もう一つは膜性骨化で、未分化間葉系細胞より分化した骨芽細胞から、軟骨を経ず直接骨が形成されるもので頭蓋骨等に見られる。Cbfal/Pebp2αAのホモ変異体では、内軟骨性骨化も膜性骨化も完全に欠損していた。これは、骨芽細胞がその前駆細胞の段階で分化が止まっているためであった。すなわち、Cbfal/Pebp2αAが骨芽細胞の分化に必須な転写因子であることが明かとなった。ヘテロ変異体では、鎖骨、頭蓋骨の低形成および頭蓋縫合、泉門の開大が見られ、これらの表現型は、ヒトの常染色体優性遺伝疾患である、鎖骨頭蓋異形成症に類似した。鎖骨頭蓋異形成症の原因遺伝子は、6p21にあると推定され、これは、ヒトのCBFA1/PEBP2αAの座位と一致しており、我々の結果は、CBFA1/PEBP2αAが鎖骨頭蓋異形成症の原因遺伝子であることを示した。Cbfal/Pebp2αAが、骨形成、特に骨芽細胞の分化に必須の転写因子であることが明かとなり、未分化間葉系細胞より骨芽細胞への分化を支配する遺伝子の一つとして初めて位置づけられた。
嚥下障害の病態および重症度の客観的評価法の基準化に関する研究

嚥下障害患者に対してQOLを考慮に入れた適切な治療を行うためには、客観的な嚥下機能評価基準が必要であるが、これまでは確立された評価基準、特に経口摂取の可否を判断する基準がなかった。そこで本研究では、嚥下障害患者の病態および重症度を嚥下内視鏡検査、嚥下造影検査などにより多角的かつ定量的に評価し、嚥下障害患者における嚥下機能評価法の基準化を図ることを目的とした。愛媛大学医学部附属病院耳鼻咽喉科を受診した脳血管障害および神経筋疾患による嚥下障害例42例(男性35例、女性12例、平均年齢65.3歳)を対象として、嚥下内視鏡検査と嚥下造影検査を施行し、それぞれビデオ録画した。嚥下内視鏡検査のスコア評価項目は1)喉頭蓋谷・梨状陥凹の唾液貯留、2)声門閉鎖反射(気道防御反射)の惹起性、3)着色水嚥下による嚥下反射の惹起性、4)着色水(3ml)嚥下後の咽頭クリアランス、としそれぞれスコア04の4段階にスコア評価した。また嚥下造影検査では、造影剤嚥下後の咽頭クリアランスを04の4段階にスコア評価すると共に、喉頭流入および誤嚥の有無を判定した。さらに対象者の経口摂取状況との関係を検討した。嚥下内視鏡検査結果をスコア評価すると、評価者間のばらつきが少なく、障害程度を客観的に評価することができた。また、実際の経口摂取状態と4項目のスコア値の合計は優位な相関を示した。嚥下内視鏡検査による咽頭クリアランスは嚥下造影検査における咽頭クリアランスや誤嚥の程度との間に有意な相関を示した。以上より、嚥下障害患者の病態評価においては、1)喉頭蓋谷・梨状陥凹の唾液貯留、2)声門閉鎖反射(気道防御反射)の惹起性、3)着色水嚥下による嚥下反射の惹起性、4)着色水嚥下後の咽頭クリアランスが指標として適しており、それをスコア評価することで客観的な重症度評価が行えると結論した。嚥下障害は様々な原因によって起こり、またその病態や重症度も多様であることから、個々の患者ごとに適切な治療を行うためには嚥下障害の病態や重症度を客観的に評価することが必要である。そこで本年度は、嚥下内視鏡検査による嚥下機能のスコア評価を試み、嚥下造影検査との比較からその信頼性および有用性について検討を行った。平成15年9月から18年12月までの間に愛媛大学医学部附属病院耳鼻咽喉科を受診した、脳血管障害および神経筋疾患による嚥下障害例42例(男性35例、女性12例、平均年齢65.3歳)を対象として、嚥下内視鏡検査と嚥下造影検査を施行し、それぞれビデオ録画した。嚥下内視鏡検査のスコア評価項目は1)喉頭蓋谷・梨状陥凹の唾液貯留、2)声門閉鎖反射(気道防御反射)の惹起性、3)着色水(3ml)嚥下による咽頭クリアランス、としそれぞれスコア04の4段階にスコア評価した。

また嚥下造影検査では、造影剤嚥下後の咽頭クリアランスを04の4段階にスコア評価するとともに、喉頭流入および誤嚥の有無を判定した。嚥下内視鏡検査のスコア評価結果を、臨床経験10年以上の医師、臨床研修医、臨床経験5年目の言語聴覚士、各2名で比較したところ、「喉頭蓋谷・梨状陥凹の唾液貯留」と「着色水嚥下による咽頭クリアランス」は評価者間のばらつきが少なく、障害程度を客観的に評価することができた。一方、「声門閉鎖反射の惹起性」は検者間でのばらつきがやや大きく、検査手技の統一化が必要と考えられた。嚥下造影検査との比較では、嚥下内視鏡検査による咽頭クリアランスは嚥下造影検査における咽頭クリアランスや誤嚥の程度との間に有意な相関を示した。さらに、嚥下内視鏡検査スコアと経口摂取状況との間にも有意な相関が見られ、本評価法は経口摂取の可否の判定にも有用と考えられた。嚥下障害患者に対してQOLを考慮に入れた適切な治療を行うためには、客観的な嚥下機能評価基準が必要であるが、これまでは確立された評価基準がなかった。そこで本研究では、嚥下障害患者の病態および重症度を嚥下内視鏡検査、嚥下造影検査などにより多角的かつ定量的に評価し、嚥下障害患者における嚥下機能評価法の基準化を図ることを目的とした。愛媛大学医学部附属病院耳鼻咽喉科を受診した脳血管障害および神経筋疾患による嚥下障害例42例(男性35例、女性12例、平均年齢65.3歳)を対象として、嚥下内視鏡検査と嚥下造影検査を施行し、それぞれビデオ録画した。嚥下内視鏡検査のスコア評価項目は1)喉頭蓋谷・梨状陥凹の唾液貯留、2)声門閉鎖反射(気道防御反射)の惹起性、3)着色水嚥下による嚥下反射の惹起性、4)着色水(3ml)嚥下後の咽頭クリアランス、としそれぞれスコア04の4段階にスコア評価した。また嚥下造影検査では、造影剤嚥下後の咽頭クリアランスを04の4段階にスコア評価すると共に、喉頭流入および誤嚥の有無を判定した。嚥下内視鏡検査結果をスコア評価すると、評価者間のばらつきが少なく、障害程度を客観的に評価することができた。また、嚥下内視鏡検査による咽頭クリアランスは嚥下造影検査における咽頭クリアランスや誤嚥の程度との間に有意な相関を示した。以上より、嚥下障害患者の病態評価においては、1)喉頭蓋谷・梨状陥凹の唾液貯留、2)声門閉鎖反射(気道防御反射)の惹起性、3)着色水嚥下による嚥下反射の惹起性、4)着色水嚥下後の咽頭クリアランスが指標として適しており、それをスコア評価することで客観的な重症度評価が行えると結論した。
深部真菌症の検査法に関する研究

深在性真菌症は日和見感染の性格が強く、悪性腫瘍や移植炎のような免疫能の低下している患者でしばしば見られ、近年その合併の増加傾向にある。原因真菌はカンジダによるものが最も多く、本課題では深在性カンジダ症の生前診断法に的を絞って研究を行った。深在性カンジダ症は長期にわたる好中球数の減少で合併の機会が多くなり、これに抗生物質不応性の発熱を伴うと、臨床的に本症を疑っている。血液培養では陰性の事が多く、カンジダ抗体、菌体抗原の検索も行われているが、その評価は定まっていない。本課題ではD-アラビニトールがカンジダの代謝産物である事がわかっている事から、実用性の高いD-アラビニトールの測定法を確立し、血清中D-アラビニトール値の評価を行った。1.「D-アラビニトール測定法の確立」。EnterobacteraerogenesからD-アラビニトール脱水素酵素を調製し、これを用いてD-アラビニトールをD-キシルロースに変化させる時に共役するNADがNADHになる変化を更にレサズリンと共役させて生ずるレゾルフィンの螢光の増加速度がD-アラビニトール量に比例することを利用して測定する。2.「血清D-アラビニトール値の評価」血清中D-アラビニトール濃度が上昇するのは、(1)深在性カンジダ症の時で、身体内部でカンジダが増殖している場合で、例えば抗真菌剤が有効に働いてその増殖が止むと、早い時期に濃度も下がる。(2)クレアチニン値が上昇するような腎不全のある場合、クレアチニンあたりで表わすと区別できる。(3)D-マンニトールが投与されたり、血中濃度が上昇した時。D-マンニトールは20%の割合でD-アラビニトールとして測定されるため。(4)キシリトールが投与された時。D-アラビニトールに代謝されるため。(5)単に消化器官内でカンジダが増殖した時。(2)以下は容易に(1)と区別できるので、D-アラビニトール値は深在性カンジダ症の早期診断法として役立つものと思われた。
糖尿病性網膜症に対する後部硝子体の干渉と牽引性障害

糖尿病性網膜症872名を観察し、後部硝子体剥離を呈した178名237眼を検索した。初診時に網膜前出血や硝子体出血または牽引性網膜剥離がなく、後にそれらの硝子体牽引障害を生じた81名88眼を追跡した。その結果、硝子体が網膜に及ぼす牽引は、網膜血管症を進行ないし重症化させた。糖尿病性網膜症の予後を左右する眼内の重大な要素は、網膜血管床閉塞ばかりではなく、硝子体後部の網膜に対する牽引などの態度も含まれた。硝子体牽引は網膜症の進行因子として重大な意義をもつ一方、完全剥離化は網膜症の鎮静化因子として意義づけられる。次に、糖尿病性網膜症光凝固例468眼を調査し、その牽引性網膜剥離について検索した。その結果、牽引性網膜剥離の発生や進行は、後部硝子体剥離による硝子体網膜癒着部牽引の有無や程度によって左右された。また広範囲光凝固が後部硝子体の剥離化を促進することを認めた。線維血管性増殖組織の発達程度と牽引性網膜剥離の過程を標的にして、本症139例各168眼を対象とし、硝子体手術適応の時期を検討した。この結果、網膜剥離がまだ生じていないが軽度の場合や黄斑を含まぬ時期に手術すれば、手技も比較的容易で安全性が高く、視力の予後もよい。後部硝子体剥離が眼床から離れてる程手技が容易で安全である。線維血管性増殖膜が発達しているほどepicenterの侵入が多く、手術の安全性は低下し、手技も困難となる。裂孔形成の危険が高まる。適切なearly vitpoctonyが望ましい。発達した線維血管性増殖膜があり、牽引性網膜剥離を伴っている場合の17眼に粘弾性液による分層断Vixcodolaminationを行った。この治験の結果、この手技は医学性裂孔24%以下に低率化と、剥離網膜の復位率を上げ82%と高率化とした。視力障害も70%と高めた。本法は従来の手術困難な例に手術の安全性と効果と能率を高め得た。過去2年間に糖尿病性網膜症872名を観察し,硝子体出血や牽引性網膜剥離などを178名237眼で検出した.このうち,これらの硝子体牽引障害が観察時に認め得なかったが後に生じたものが81名88眼あった.この88眼の牽引障害発生前後の経過を追跡した.観察は6ケ月以上とした.牽引障害発生前の網膜症は単純型17眼,前増値型68眼,増値型3眼で,前増値型が前駆期として注目された.硝子体牽引が始まると網膜症が進行した.平均1年8ケ月後, 88眼中,単純型5眼,前増値型19眼,増値型64眼となり, 77眼88%が進行した.蛍光造影では,硝子体牽引が生じた網膜血管部から,軽い蛍光色素の漏出が始り,一部に血管新生が生じて強い色素漏出を呈した.一方,硝子体剥離が完成すると,網膜症の進行がとまり,蛍光色素の漏出が減弱ないし停止した.牽引障害発現前に,後部硝子体末剥離だった例が77眼,不完全剥離だった例が11眼あった.硝子体の剥離につれて牽引性出血が現れた.

線維血管性増殖が生じると,硝子体と網膜は器質的に癒着し,牽引が昴じると網膜が剥離した.癒着が強い重症例が39眼44%あり,蛍光眼底造影では,網膜血管牽引が持続すると蛍光色素が明かに漏出した.血管新生により色素漏出は増強し,網膜症も進行した.重篤化した〓眼に硝子体手術を施行した.前後方向の牽引と接線方向の牽引を夫々の病態に応じて,適した剪力やカッターにて剥離し除去した.完全に切除した例では,牽引の解除の後に網膜症は劇的に鎮静化し蛍光色素の漏出も減弱消失した.術前に可能な限り光凝固をしたり,術中に眼内光凝固をした例では,術後の新生血管緑内障の発生がなかった.以上,蛍光造影や細隙灯顕微鏡撮影などを通して詳細に検索した結果,硝子体牽引によって網膜血管症は増悪する一方,後部硝子体剥離の完成や硝子体切除による硝子体牽引の解除は,増殖性病変を含め,網膜血管症を効果的に鎮静化することを確認した.尚研究を続行中.手術前の硝子体出血例59眼について、硝子体出血が術前に経過した期間による成績の差を検討した。出血後9カ月以内に硝子体手術をした場合には、術後83%に臨床像の改善を得たが、1年以上経過した場合には、悪化が53%を示した。結局、硝子体出血大量接続のケースでは、1年以上放置すべきでなく、9カ月以内に手術に踏みきるべきことがわかった。線維血管増殖組織の発達過程と、牽引性網膜剥離の程度と状況を標的として、硝子体手術の適応について検索した。139名168眼を対象とした。この結果、網膜剥離がまだ生じないか、あるいは軽い時期に手術を実施した方が手抜も容易で、安全性も高く、視機能の予後もよい。線維血管性増殖膜がまだ幼若な段階の方が安全性が高く、手抜も容易で、視力予後が良い。黄斑部網膜剥離がこないうちに手術した方が、その予後がよい。後部硝子体が剥離しているほど、手術は容易となる。網膜症の増殖膜が発達して、新生血管茎が多く侵入しますと、手術は非常に面倒になり、効果もなく、予後もよくない。適切To early Vitrectomyは安全性も高く効果的である。発達した線維血管増殖があり、しかも牽引性網膜剥離を伴った重症本症例17眼につき、粘弾性液(1%ヒアルロン酸ナトリウム)による分層術Visioclelaminationを行なった。その結果、本法では、医原性裂孔は24%と低く、剥離網膜は82%で完全復位し、2段階以上の視力向上は76%あり、2段階以上の視力低下はなかった。粘弾性冷層術Viscodelaminationは、従来の硝子体手術では困難であった条件の線維血管性増殖膜や後部硝子体膜の処理に有効な手術を追加したことになる。硝子体手術の安全性を向上させ、治療効果を能率よく高め得たことは、評価されるべきである。本研究の成果を生かして、今後一層、効果的な対策を追求していきたい。
レプチン(代謝調節ホルモン)と歯の萌出期の顎骨リモデリング

本研究と関連したこれまでの研究業績より、レプチンが味覚器にも作用していることが明らかになり、口腔内器官もまたレプチンの作用部位であることがわかった。さらに研究を進め、口腔内器官(味覚器)のレプチンの感受性はレプチンの血中濃度と関連を示し日内変動していることが明らかになった。中枢神経に作用しエネルギー調節に働いているレプチンホルモンの新しい機能、役割の解明の一助と考える。歯の形成及び萌出に伴う顎骨のリモデリングは、遺伝的要因に加えて、交換歯を含む局所的要因、また全身的要因が絡んだ非常に複雑な過程をへて行われている。特に全身的要因については、未だ科学的報告が殆どなく、解明すべき点が多く残されている。本研究では、全身的要因の一つとして、代謝調節因子「レプチン」に注目し、歯の形成・萌出に伴う顎骨のダイナミックな変化にレプチンがどのように関与しているのかを分子生物学的に検索し解明することを目的とした。これまでの研究業績より、レプチンが味覚器にも作用していることを明らかにし、口腔内器官もまたレプチンの作用部位であることを示した。さらに研究を進め、歯を含めた口腔内器官へのレプチンの役割を追及するため、はじめに、レプチン欠如マウスと正常マウスにおいて歯の形成・萌出期における顎骨リモデリングの分化マーカーの発現を比較した。現在データ解析中であるが、マーカーの発現に相違がある可能性が示唆されつつある。また、同時にレプチンが歯や顎骨といった口腔内器官に直接作用を及ぼしているかについての検討を行うために、歯根や顎骨におけるレプチン受容体の発現の有無、発現時期を解析している。こちらも解析中であるが、今のところ歯根や顎骨にレプチン受容体の発現は認められていない。しかしデータ数もまだ不十分であることから、実験の手法に様々な改良を加え解析を進める必要があると考える。もしレプチン受容体の発現が認められないとすると、歯根や顎骨へのレプチンの直接作用の可能性は低く、従来の報告にあるようにレプチンが制御する骨吸収機序は中枢の受容体にレプチンが作用し交感神経系を介すると考えられる。また、レプチンが歯や顎骨といった口腔内器官に直接作用を及ぼしているかについての検討を行うために、歯根や顎骨におけるレプチン受容体の発現の有無、発現時期を解析した。今回の実験結果では歯根や顎骨にレプチン受容体の発現は認めらなかった。
中枢単一同定ニューロンでのエングラム形成と消去のin vivoリアルタイム解析

記憶の素過程と想定されるニューロン同士のつながり形成については、まだよくわかっていない。その機構として、申請者は"ローカルフィードバック仮説"を案出した(Science, 2005)。このミクロの細胞機能をマクロの行動に結びつけるため、ショウジョウバエの摂食行動を司令する"フィーディング・ニューロン"を発見した(Nature, 2013)。さらに、脳内を見ながら機械刺激を摂食行動に連合するパブロフの条件付けに成功し、条件付けに伴うフィーディング・ニューロンの活動性変化を確認した(発表準備中)。このマクロの記憶に伴うシナプスのスクラップビルド(ミクロ)のしくみを仮説を検証して解明する。
メダカ孵化酵素遺伝子発現と孵化腺細胞の分化

○メダカ孵化酵素遺伝子の発現調節機構。メダカ胚で孵化腺細胞特異的に発現するレポーター遺伝子の作成を目標とした。翻訳開始点よりメダカ孵化酵素遺伝子の上流域数キロbpを含むDNA断片の3'側にβガラクトシダーゼの構造遺伝子部分を孵化酵素遺伝子のATGに読み枠が一致するように接続したベクターを作成した。遺伝子導入はメダカ胚の1細胞期を用い顕微注入法により行った。具体的には、ベクターpMC1871よりβガラクトシダーゼの構造遺伝子部分を切り出しpBluescriptに挿入し、さらにLCE遺伝子上流3kbpを含む断片を,またHCE遺伝子(Hcele)の上流1.8kbを含む断片を挿入した。出来上がったベクター中のレポーター遺伝子部分を制限酵素で切りだし、精製後、顕微注入法により遺伝子導入した。適当なステージまで発生させ固定後、酵素の発色により遺伝子発現を観察した。結果は、上記の2種のベクターでは、遺伝子の発現は見られなかった。なお、SV40のプロモーター、エンハンサーでは遺伝子発現が見られることより、インジェクション法に問題があるとは考えられず、挿入した遺伝子断片中に、孵化酵素遺伝子発現に必要十分なcis-調節領域が含まれていないことが予想される。現在、新たな遺伝子断片を含むレポーター遺伝子を作成中である。○孵化線細胞の分化のタイミングゼブラフィシュのク-スコイドcDNAを用いメダカ胚cDNAライブラリーをスクリーニングしてメダカグ-スコイドcDNAをクローン化した。whole mount in situハイブリダイゼーションの結果、グ-スコイド遺伝子は初期嚢胚期でオ-ガナイザー領域で発現が見られ、後期嚢胚期では主に体軸の前方で発現している。体節形成期において孵化酵素遺伝子とグ-スコイド遺伝子の発現を2重染色法により検出すると一致した細胞で発現が見られる。このことは、孵化線細胞の前駆細胞がオ-ガナイザー領域に存在することを示唆している。
檜の年輪情報に基づいた巨大災害発生と降雨強度との関連性に関する研究

異常気候に原因する将来の巨大災害の発生を予測し、その災害を軽減するためには、過去に発生した巨大災害の発生法則とその復元、および災害発生地の地域性とその変遷に関する研究が必要である。このために以下の手順で研究を進めた。・過去の気候変動を語る1つの媒体として、研究組織の地域性を考慮し、木曽系檜の年輪を選び、まず年輪幅の変動と気候変動の間に確率的関数を提案した。・木曽系檜年輪幅変動と気候変動の相関を最もよく近似する線形および非線形確率的関数を探索するために、そのシステムで用いられるパラメータの最適化をカルマンフィルタを用いて行った。・最適化された確率的関数パラメータセットと奈良国立文化財センターで再現された約1,000年間の木曽系檜年輪幅データを用いてこの期間の古気候変動情報を再現した。・カルマンフィルタを用いてパラメータが一定値に収束していく過程において現われるギャップは、仮定したシステムでは表現できないノイズ、つまり何らかの外的撹乱と考えられるので、その周辺の気候変動や社会的変動については特に注目する。したがって、古資料等に見られる巨大災害発生と本研究で再現した古気候データの関連性を調査・分析した。本研究で提案した手法を用いれば、気候変動データが入手されていない古い時代の降雨強度を推定し、古資料等に見られる巨大災害発生との関連性を調査・分析することができる。このような研究により、将来起こり得るカタストロフィックな巨大災害と異常気象との関係について、その法則性を見出すことがある程度可能となる。
ひだと裂け目の数理　―エネルギー変分の視点から―

連続媒質に皺に代表されるような周期性を持つ微細構造が形成された場合の長波長挙動、特に周期構造を平均化することで得られる連続体理論構築の可能性に関して、薄板や濡れ、一般化されたカーン・ヒリヤード系の問題を例として考察をすすめた。実験面では、数理的な考察に基づいて、新たな皺形成および螺旋構造の濡れ問題の実験と考察を引き続き行った。また、新たに一般化されたカーン・ヒリヤード系を用いた数値実験を開始し、数値シミュレーターの開発と解析、およびそれを用いて、外乱による周期構造の変化に関する研究を行った。研究組織の2名は非常に密に連絡を取り合い、セミナーなどを通して多くの議論を重ね、研究推進のための新たな着想を得て、研究を着実にすすめている。また、研究成果の一部を研究論文として発表するための準備にもとりかかっており、次年度にはさらなる研究成果が期待される。また、理論面での研究の鍵となっている数学的スケーリング理論と変分法的アプローチをさらに強化するために、同分野の専門家である金沢大学のPatrick van Meurs氏にも2019年度から新たに研究チームに加わっていただくこととした。これにより、より理論面の研究発展が期待される。引き続き、いくつかの有望な数理モデルの数値実験と物理実験系を並行して試すとともに、そこで得られた知見を密に交換しつつ、統合的なアイデアにつながる解析の道筋をつける。また、新たに3名体制での研究になったことを生かし、背景にある数学的構造の解析に注力する。連続媒質ー例えば弾性体や界面エネルギーを持つ相界面etc. に皺に代表されるような周期性をもつ微細構造が形成された場合の長波長挙動,とくに周期と振幅が適当なスケーリングを保ちながらゼロに行く極限で得られる有効理論(周期構造を平均化することで得られる連続体理論)構築の可能性に関して薄板や濡れの問題を例として考察した。実験面では,皺形成を伴う弾性シートの破壊実験の定量化に取り組んだ。実験設定は,平行に固定した2枚のガラス板の間で,予め切り目を入れた紙を引っ張って引き裂くというものである。ガラス板間距離Hを実験パラメータとして変化させつつ,紙の変形に伴って生じる皺パターンの詳細な観察を行った。また,形態学的な情報の取得に加え,紙を引き裂く時の荷重と紙に与えた変位の関係を定量的に計測した。こうした実験の結果,Hと初期き裂伸展開始前に観測される最大皺本数Nの間にN H ^α(αが約ー0.55程度)というスケーリング関係式が示唆された。また,紙の引き裂き(き裂進展)時に観測される最大荷重Fmaxは,Hの減少とともに著しく増大することが見いだされた。例えば,A4用紙程度サイズのコピー用紙を試料としたとき,拘束が無い時(H=∞に相当)に観測される紙自体のintrinsicな引き裂き強度が1N程度であるの対し,H=1mmでは,Fmax=14N程度にも達した。またFmaxとHの間にも,Nの場合と近い指数のスケーリング則(Fmax H ^β;βが約ー0.62程度)がえられた。さらに周期的な足場構造が存在する場での変分問題の例として,螺旋構造の濡れ問題についても注目し実験を進めた。初年度は2名の研究組織で、非常に多くの議論を重ねることができ、いくつかの有望なアイデアを得ている。特にすでに横浜国立大学における物理実験においては、いくつかの実験を開始し、その結果の解釈や数理モデル化などについて議論を重ねている。数値実験の方面でも、具体的に実験を始める準備が整っており、金沢大学の大学院生に手伝ってもらい予定通り平成30年度にいろいろなアイデアに取り組む。本研究計画は、新規なアイデアに基づくものであるため、まずは有望な数理モデルの数値実験と物理実験系を並行して試し、そこで得られた知見を交換しつつ、より興味深い数理モデルおよび実験系へと昇華させていく必要がある。

平成30年度は、初年度に得られた知見を活かし、最も簡単な数理モデルの例として、Cahn-Hilliard型の皺エネルギーを用いるアイデアを当面の数値実験の対象とし、また物理実験の方は、弾性シートの皺形成をメインにしつつも、螺旋構造の濡れ問題やリボン状の物体におけるループ形成の実験など、よく似た数理構造を背景に持つと考えられるいくつかの物理実験系もトライする。木村が担当する数値実験と田中が担当する物理実験の結果は密に交換し、より深い解析につながるヒントを見逃さないように努める。引き続き、いくつかの有望な数理モデルの数値実験と物理実験系を並行して試すとともに、そこで得られた知見を密に交換しつつ、統合的なアイデアにつながる解析の道筋をつける。また、新たに3名体制での研究になったことを生かし、背景にある数学的構造の解析に注力する。研究計画の初年度に当たり、実験担当の分担者の田中が所属する横浜国立大学において、実験に不可欠なワイドレンジズームレンズを設置し、また実験に必要な消耗品を購入したが、最終的に16,528円の差額が未使用となったため、それを有効に活用するため次年度に使用することとした。ごく少額の次年度使用額があるが、誤差の範囲である。次年度に有効に使用する。
大腸がん発症における食生活要因と遺伝子要因の交互作用に関する研究

大腸がんの罹患リスクに対する獣肉摂取と、インスリン抵抗性に関連するPPARγ遺伝子Ala12Pro多型、C161T多型およびCD36遺伝子A52C多型の相互作用を明らかにする症例・対照研究を実施した。Pro12Ala多型とC161T多型を組み合わせた解析において、全体の70.0%を占めるPro/Pro + C/Cでは、牛乳、卵の低摂取頻度に対する高摂取頻度のオッズ比(OR)は0.82、0.78と低かったが、Pro/Pro + (C/T+T/T)(25.3%)の飽和脂肪酸、加工肉摂取では1.42、1.63と高かった。CD36遺伝子において、A/A型の牛・豚肉の低頻度摂取、獣肉の低摂取量と比較して、C/C型の高摂取によるORは4.39、3.16と高かった。現在、わが国の40歳以上の10人に1人が糖尿病を患っており、糖尿病は一部のがんのリスク要因と報告されているが、日本人におけるリスク評価は十分ではない。そこで、糖尿病と臓器別がんリスクを大規模症例・対照研究で検討した。糖尿病の現病・既往のある男は7.5%、女は2.6%であった。糖尿病のORは、男/女の全部位(1.4/1.4)、肺(1.5/1.6)と肝臓(2.2/2.3)、男の咽頭(1.8)、喉頭(2.3)、食道(1.7)、膵臓(2.3)と大腸(1.3)、胃(1.7)と子宮頚部(1.9)で有意に高かったことから、糖尿病を引き起こすインスリン抵抗性はがんのリスク要因でもあるという仮説を支持した。近年の生活習慣の急速な欧米化に伴い増加している疾病のリスクを評価し、個人を対象にした一次予防方法を確立するには、食生活習慣調査とともに、脂質・脂肪酸摂取のバイオマーカーを確立することが必要である。そこで、多数の血液検体から、微量で、迅速、簡便、安価、高精度に脂肪酸レベルを分析する独自の方法を開発し、特許出願した。脂質代謝において、CD36は酸化LDL受容体や長鎖脂肪酸の輸送体の機能を担っており、アジア系民族のCD36表現型欠損症の発生率は、アルコール代謝酵素ALDH2の遺伝子多型(Glu487Lys)の変異頻度と同様に、米国白人より数倍高い。最近、わが国のSNPs探索から新たなCD36遺伝子多型(A52C)が報告されたが、この遺伝子多型によるCD36の生理活性および大腸がんとの関連は検討されていない。そこで、大腸がんリスクに対するCD36遺伝子多型の影響について、ALDH2遺伝子多型および飲酒習慣との交互作用を検討した症例対照研究を実施した。男女ともにアルコー代謝能の高いGIu/Glu型はCD36遺伝子多型と関連がなかったが、アルコール代謝能の低い多Glu/Lys+Lys/Lys型のA/Aに対するC/Cの直腸がんのオッズ比は男性(2.18)より女性(9.68)で高かった。低飲酒(<1回/週)者のA/Aに対する高飲酒(>=5回/週)者のC/Cの大腸がんのオッズ比は、約50%が高飲酒者である男性で3.77と有意に高かったが、80%以上が低飲酒者である女性では該当者なしのためリスク評価はできなかった。これらの結果は、大腸がんリスクの遺伝的要因を有していても、その発生には生活習慣要因が大きく影響を及ぼすことを明らかにした。今後は、脂質摂取の量および質を考慮して大腸がんリスクを検討することが重要である。わが国の近年の生活習慣の急速な欧米化に伴い増加している大腸がんを評価するには、食生活習慣調査において、脂質摂取のバイオマーカーを確立することが必要である。栄養士を対象とした食生活習慣調査において、血漿中脂肪酸濃度と生活習慣(運動、飲酒、喫煙)要因との関連を検討した。年齢、Body mass index、総摂取エネルギー、脂質摂取、運動、飲酒、喫煙を独立変数とした多変量解析から、EPAやDHAの血漿中濃度は、男女ともに魚介類由来の脂質摂取量と正の関連を示したが、生活習慣要因との関連はみられなかった。これらの脂肪酸の血漿中濃度は、生活習慣要因の影響を考慮しなくとも、食事摂取との関連を評価できることが示された。日本人の大腸がんは、食生活習慣の欧米化による肉や脂肪摂取の増加に伴って著しく増加している。ペルオキシソーム増殖剤応答性レセプターγ(PPARγ)は脂肪蓄積の主たる調節要因であり、倹約遺伝子として働くため、飢餓の時代には生存に有利であるが、現代の飽食の時代ではエネルギー貯蔵に作用し、肥満や糖尿病などの生活習慣病の原因となっている。PPARγにはγ1とそのN末端に28アミノ酸が多い活性の高いγ2があり、γ2のアミノ酸のプロリン(Pro)がアラニン(Ala)に置換した遺伝子多型Pro12Alaは、肥満や、インスリン抵抗性、糖尿病に抑制的であり、また、PPARγの遺伝子配列がシトシン(C)からチミン(T)に置換した遺伝子多型C161Tは、冠動脈疾患に抑制的であることが報告されている。これら2つの遺伝子多型と獣肉摂取が大腸がんリスクに及ぼす

交互作用を検討した愛知県がんセンターの研究では、Pro12Ala多型において、Pro/Proにおける獣肉の週1回未満(低)摂取群と比較して、週1-4回(中)、週5回以上(高)摂取群の大腸がんリスクは2.0倍、1.9倍であったが、Pro/Alaの低摂取群の大腸がんリスクは低く、中・高摂取群で高い傾向(各々0.4倍、1.0倍、2.0倍)を示した。Ala/Alaは頻度が低いため、観察されなかった。一方、C161T多型では、C/Cにおける獣肉の低摂取群と比較して、中、高摂取群の大腸がんリスクは2.8倍、3.0倍であったが、C/T+T/T群では獣肉摂取に関連なく2.53.1倍と高い傾向を示した。これらの結果から、Pro12Ala多型のAlaを有する遺伝子型は大腸がんに抑制的であるが、獣肉の高摂取はPro/Proと同程度に大腸がんリスクが高く、また、C161T多型のTを有する遺伝子型では、獣肉摂取に関連なくC/Cの中・高摂取群と同程度に大腸がんリスクが高いことを明らかにした。日本人のAla型頻度4%は欧米人の20%より低いため、古来より農耕民族である日本人は、生活習慣の欧米化により大腸がんなどの諸疾患を惹起し易いと考えた。大腸がんの罹患リスクに対する獣肉摂取と、インスリン抵抗性に関連するPPARγ遺伝子Ala12Pro多型、C161T多型およびCD36遺伝子A52C多型の相互作用を明らかにする症例・対照研究を実施した。Pro12Ala多型とC161T多型を組み合わせた解析において、全体の70.0%を占めるPro/Pro + C/Cでは、牛乳、卵の低摂取頻度に対する高摂取頻度のオッズ比(OR)は0.82、0.78と低かったが、Pro/Pro + (C/T+T/T)(25.3%)の飽和脂肪酸、加工肉摂取では1.42、1.63と高かった。CD36遺伝子において、A/A型の牛・豚肉の低頻度摂取、獣肉の低摂取量と比較して、C/C型の高摂取によるORは4.39、3.16と高かった。現在、わが国の40歳以上の10人に1人が糖尿病を患っており、糖尿病は一部のがんのリスク要因と報告されているが、日本人におけるリスク評価は十分ではない。そこで、糖尿病と臓器別がんリスクを大規模症例・対照研究で検討した。糖尿病の現病・既往のある男は7.5%、女は2.6%であった。糖尿病のORは、男/女の全部位(1.4/1.4)、肺(1.5/1.6)と肝臓(2.2/2.3)、男の咽頭(1.8)、喉頭(2.3)、食道(1.7)、膵臓(2.3)と大腸(1.3)、胃(1.7)と子宮頚部(1.9)で有意に高かったことから、糖尿病を引き起こすインスリン抵抗性はがんのリスク要因でもあるという仮説を支持した。近年の生活習慣の急速な欧米化に伴い増加している疾病のリスクを評価し、個人を対象にした一次予防方法を確立するには、食生活習慣調査とともに、脂質・脂肪酸摂取のバイオマーカーを確立することが必要である。そこで、多数の血液検体から、微量で、迅速、簡便、安価、高精度に脂肪酸レベルを分析する独自の方法を開発し、特許出願した。
ナノエッジ効果で光の回折限界分解能を超越する光学式３次元微細エッジ計測法への挑戦

次世代精密切削工具の高精度刃先形状定量評価実現を目的として,集光レーザービーム(レーザプローブ)を利用した工具エッジ形状の非接触・高速評価技術の開発を試みた.高精度対物レンズを採用したレーザプローブ光学系を構築してその基礎特性を実験的に評価し,光の回折限界を超える高い測定分解能でのエッジ検出を実現した.また,レーザプローブでシングルポイントダイヤモンド工具刃先輪郭を走査して得られたプローブ出力から,刃先輪郭形状を高精度に評価できることを実験的に明らかにした.さらに,切れ刃稜丸みに沿ったレーザプローブ走査による切れ刃稜丸み径評価について原理検討及び実験的検討を試み,その実現可能性を明らかにした.本研究では,次世代ナノ精密機械加工技術に要求される超精密工具刃先ナノレベル形状評価実現を目的として,集光レーザービーム(レーザープローブ)を利用し,光の回折限界を超えた分解能で3次元工具エッジ形状を非接触かつ高速で評価する「ナノエッジ効果レーザープローブ」の原理確立に挑戦するとともに,ビームウェストにおいて回折限界にまで絞られたマイクロサイズのレーザープローブを工具刃先エッジに照射した際の通過光量をもとに,nm級の分解能でエッジ位置を検出(ナノエッジ効果)するエッジ検出手法と,レーザープローブを生成するレンズの原理性質を利用したレーザープローブ走査手法に立脚した超精密刃先形状評価装置を構築し,従来の光計測技術では困難な,光の回折限界を超えた先端丸み径を有する工具刃先の非接触・定量的評価を実現することを目的としている.本年度は,まず,レーザープローブについて波動光学に基づく回折光学シミュレーションモデルを構築し,主に球面収差による影響を定量的に評価するとともに,工具刃先稜丸み径測定実現に向け,刃先すくい面にレーザープローブを斜入射するレーザー走査光学系を設計した.また,レーザープローブを工具すくい面に垂直入射する光学系を構築するとともに,ビームウェスト位置におけるレーザープローブ径を精密評価するための精密走査機構を有する実験装置を構築した.さらに,構築した実験装置向けに,レーザープローブ出力と走査系から得られるプローブ走査位置をもとに工具刃先の輪郭形状を算出する測定アルゴリズムを構築し,その測定分解能および安定性などの基礎特性を評価した.波動光学に立脚し,光学系収差の影響を反映したレーザープローブのシミュレーション計算モデルを構築できた.また,計画当初の目標どおり,nm級の分解能でエッジ位置を検出できる見通しが実験的に得られた.以上の状況から,概ね順調に進んでいるものと考える.本研究では,次世代ナノ精密機械加工技術に要求される超精密工具刃先ナノレベル形状評価実現を目的として,集光レーザービーム(レーザープローブ)を利用し,光の回折限界を超えた分解能で3次元工具エッジ形状を非接触かつ高速で評価する「ナノエッジ効果レーザープローブ」の原理確立に挑戦するとともに,ビームウェストにおいて回折限界にまで絞られたマイクロサイズのレーザープローブを工具刃先エッジに照射した際の通過光量をもとに,nm級の分解能でエッジ位置を検出(ナノエッジ効果)するエッジ検出手法と,レーザープローブを生成するレンズの原理性質を利用したレーザープローブ走査手法に立脚した超精密刃先形状評価装置を構築し,従来の光計測技術では困難な,光の回折限界を超えた先端丸み径を有する工具刃先の非接触・定量的評価を実現することを目的としている.最終年度となる28年度は,前年度に試作したレーザープローブ光学系について,ケプラー型のレンズ対を平行駆動するレーザー走査機構を導入するとともに,工具XYZ位置決め用の変位センサ内蔵圧電(PZT)ステージを組み込んだ,工具エッジ3次元ナノ形状評価装置プロトタイプを構築した.これにより,刃先丸み径に沿ったビーム入射角度走査を実現した.また,構築したプロトタイプを用い,刃先丸み径10μm程度の超硬バイトを対象として原理検証実験を実施した.工具先端形状は電子顕微鏡での測定結果と比較してその妥当性を評価した.その結果より,ビーム入射角走査機構に用いる1軸リニアステージの運動誤差が刃先丸み径測定結果に大きく影響することを実験的に明らかにした.この結果を踏まえ,光学式の角度センサを導入して上記1軸リニアステージの運動誤差を測定し,その影響を補正するアルゴリズムを構築するとともにその有効性を評価した結果,補正により刃先丸み径の評価が実現できる見通しが得られた.次世代精密切削工具の高精度刃先形状定量評価実現を目的として,集光レーザービーム(レーザプローブ)を利用した工具エッジ形状の非接触・高速評価技術の開発を試みた.高精度対物レンズを採用したレーザプローブ光学系を構築してその基礎特性を実験的に評価し,光の回折限界を超える高い測定分解能でのエッジ検出を実現した.また,レーザプローブでシングルポイントダイヤモンド工具刃先輪郭を走査して得られたプローブ出力から,刃先輪郭形状を高精度に評価できることを実験的に明らかにした.

さらに,切れ刃稜丸みに沿ったレーザプローブ走査による切れ刃稜丸み径評価について原理検討及び実験的検討を試み,その実現可能性を明らかにした.2年目となる28年度は,前年度の検討結果を踏まえ,工具エッジ3次元ナノ形状評価装置の構築,および構築した装置を用いた測定実験に取り組む.評価装置の構築については,前年度設計の光学系に,工具-レーザプローブの粗位置合わせ用CCDカメラからなる観察光学系を組み込む.また,レーザー走査機構には高精度変位センサ組込型の小型リニアステージを適用し,その変位センサ出力をもとにレーザープローブの工具刃先に対する入射角を制御する.また,受光素子の信号S/N比を確保するため,電流/電圧変換回路には低ノイズ・高精度なものを用い,回路系電源にも超低ノイズ直流電源を採用するなど,測定分解能確保のためのノイズ対策に留意する.実験にあたっては,シングルポイントダイヤモンド工具を対象として,刃先輪郭形状と切れ刃稜丸み形状評価を試みる.工具先端形状は従来の評価手法(SEMなど)での評価結果と比較し,本提案の有効性を明らかにする.さらに,昨年度構築した回折光学シミュレーションモデルによる検討結果と,実験装置の安定性等を踏まえ,測定不確かさの見積もりを試みる.精密工学27年度は,波動光学に立脚し,光学系収差の影響を反映したレーザープローブのシミュレーション計算モデル構築に注力したため次年度使用額が生じた.当初の予定どおり,光学系装置の構築に必要となる光学部品等の購入に用いる予定である.