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メダカの呼吸信号予測器を用いた逐次判別型水質バイオアッセイ法の基礎研究

水槽は市販の小型水槽の中から,メダカの生息に適したサイズ,および,排水機能に特化した形状を持つ水槽を採用した.メダカが水槽内のどこを泳いでいても呼吸波をロストしない位置へ電極を配置する為の治具は,3DCADで設計し,3Dプリンタで造形した.これにより,従来研究の様な,計測用水槽の手作りによる機能差を解消した.回路設計では,マイクロオーダーの生体信号を増幅する為,多段増幅回路設計が必要になったが,ポンプからのノイズ源を除去するための工夫や,回路途中で発生する直流分除去などの回路設計等に成功し,メダカの呼吸信号計測に特化した増幅回路基板を作成した.製作したシステムを用いて,水槽に対して水の流出入がある条件下でメダカの呼吸信号を長時間計測すると,水質が大きく変化しないと推定される1日の間に,時間の経過とともに呼吸の大きさが60%以上減少する様な傾向を確認した.また,その信号は,再度大きくもなる傾向を確認した.本研究では,メダカの呼吸信号の計測実験を行った後,次の日に,再度確認すると計測されない「再現性」の問題が大きな課題であったが,同一の水質条件下でも,呼吸波が大きく変わる傾向が確認できたことにより,今後の実験デザインを立てやすくなった.以上,構築した計測システム,および,システムを用いた計測実験の結果について,2件の学会発表を行った.同じ試験水に対して,複数の個体から同時に呼吸信号を計測するためのシステム構築が必要であった.特に,信号増幅アンプの設計開発が重要な鍵を握っていたが,回路設計を行うプロセスで,ノイズの原因調査や回路構成の妥当性の確認に時間を要した為である.メダカが水槽内で暴れている状況での信号は,過去の研究で確認している特徴的な呼吸パターンから外れていた.しかしながら,メダカから計測される信号であるか,回路設計のミスによるノイズであるか,検証を繰り返すまで原因がはっきりしかったことも遅延の要因である.呼吸波計測用アンプの回路仕様は固まった為,次のステップとしては,水質条件に応じた呼吸信号を複数の個体から同時に計測してデータベース化するだけであり,進捗状況の遅れは問題となるレベルではない.本年度は,まず,昨年度までに仕様決定した「呼吸波増幅用アンプ」および「呼吸信号をロストしない電極配置の計測水槽」を用い,複数匹の個体に対して同時に同じ試験水を提供する「小型魚類集合水槽システム」を構築した.そして,複数個体に同じ試験水を提供し,時間経過における複数個体の呼吸波パターンの変化を分析した.昨年度の予備実験で確認された通り,水槽投入時から時間が経過すると呼吸波の大きさが60%以上減少する傾向や,呼吸パターンが各個体で異なる傾向を確認した.つまり,メダカの呼吸のパターンについては,一日の各時間帯において,同じ呼吸信号の変化(概日周期)は明確に確認できなかった.
強いマイクロ波パルス照射による光反応制御

本研究において、光化学反応初期において生成するラジカル対における電子スピン相関を強力なマイクロ波を用いることによりナノ秒領域で制御し、それによって光化学反応を制御することを目的とした。そのため本年度において強力マイクロ波パルス照射回路を完成させ、それを用いたスピン相関制御の可能性を検討した。光化学反応初期に生成するラジカル対は初期において、その前駆体のスピン状態と同じスピン多重度を持つ、その後超微細相互作用やスピン軌道相互作用により一重項状態と三重項状態との混合過程が起こるが、その過程がスピン分極の生成やその後の反応性を決定ずけている。2,6-ジクロロベンゾキノンの光誘起水素引き抜き反応において、核分極検出ESRスペクトルを測定したところ、弱いマイクロ波(200mW)を用いた場合には、E/A型のSNP信号が観測された。この事は弱いマイクロ波がスピン混合を促進して再結合生成物を増加させており、その促進が核スピン状態に対して選択的であることを示す。一方、強いマイクロ波(1KW)を用いた場合には信号は完全に反転しA/E型の信号が得られた。この事は強いマイクロ波によるスピン状態のロッキンク゚現象が見られたことを示し、ラジカル対の生成の後項間交差が押さえられた為、再結合生成物がある核スピン状態について選択的に減少していることを示している。さらにレーザパルス照射とマイクロパルスとの遅延時間を可変することによりSNP信号に減衰が観測された。これによりラジカル対の存在時間について明らかにすることが出来、さらにマイクロ波パルス遅延時間制御が生成物およびその核分極を制御可能であることが明らかとなった。今後さらにマイクロ波パルス照射のスイッチング時間の改善および、ラジカル対および、再結合過程に対する高速検出法の開発により、マイクロ波による反応制御についてより詳細の検討が必要である。
原子核乾板を使った陽子線治療即発ガンマ線イメージング

がん治療用陽子線ビームと人体の反応から発生する即発ガンマ線を測定するための原子核乾板検出器の設計、組み立ておよびビーム実験による性能評価を行った。設計にはモンテカルロシミュレーションを用いて、プロトタイプ検出器の構造や設置位置、照射する陽子線の線量を決定した。62.5 ×50 mm2、厚さ0.3 mmの原子核乾板フィルムを作成し、10枚積層して一つのモジュールとした。200 MeV陽子線ビームを照射し、フィルムの現像、飛跡の読み取りを行い、ガンマ線事象の候補となる数MeVのガンマ線による電子、陽電子の対生成事象を一例検出した。これにより原子核乾板によるガンマ線検出の原理が検証された。本研究の目的は、原子核乾板を用いたガンマ線検出器により、がん治療用陽子線ビームと人体の反応から発生する即発ガンマ線を測定し、体内の線量分布をイメージングすることである。平成28年度においては、乾板を用いたガンマ線の検出原理を実験的に証明することが目標であった。まず、モンテカルロシミュレーションを用いて検出器の構造や設置位置、照射する陽子線の線量を決定した。その後、名古屋大学大学院理学研究科F研の協力を得て、原子核乾板の作成、検出器の組み立てを行い、名古屋陽子線治療センターでのビーム実験、F研での現像、飛跡の読み取りという検出器の運用に必要な一連の手順を完遂した。検出器は5cmx6.25cm厚さ0.03cmの原子核乾板を10枚積層して1つのモジュールとするもので、これを5個作成、使用した。ビーム実験は2回に分けて実施した。ガンマ線のシグナルは、原子核乾板中での電子陽電子対生成事象としてとらえられ、数MeVの、いずれも最小電離粒子である電子および陽電子の飛跡の対として計測される。現在、飛跡の読み取りデータの解析をすすめており、電子あるいは陽電子の飛跡が記録され、これらが計測可能なことを確認した。乾板には大量の散乱陽子もバックグランドとして記録されており、この中からシグナルを選別するソフトウェアの開発を進めている。本研究のアイデア、研究の進展については、これまで国内学会、研究会2件で報告し、平成29年度に開催される国際会議2件に投稿した。原子核乾板の作成、取扱い、飛跡の読み取りという一連の手順を完遂することができた。原子核乾板オフライン解析用ソフトウェアについても取扱いを習得した。これにより本研究の遂行に必要な基礎技術を得ることができた。平成29年度においては、まず、昨年度に実施したビーム実験を解析し、ガンマ線が原子核乾板中において電子、陽電子の対生成を起こす事象の候補を一例検出した。これは本研究の基本原理である原子核乾板によるガンマ線の検出を実証するという意味をもつ。しかしながら、飛跡の検出効率が十分でなく、その改良が今後の課題であった。その後、陽子線線量分布のイメージングのために10cmx20cmスケールの大型検出器の設計製作およびビーム実験による性能検証を行った。この検出器では臭化銀結晶のサイズを大きめにすることにより電子・陽電子の飛跡の検出効率の向上を図った。さらに頭頚部治療を想定した20cmx20cmx20cmスケールのSPECT(単一光子放射断層撮影)型の検出器の設計および組み立てを行った。これらの実験に関しては継続して解析を行っている。これらの一連の研究開発に関しては進捗状況に合わせて国際会議にて発表を行った。本研究の対象である、陽子線照射に伴う即発ガンマ線は、様々な放射線検出器による線量分布測定にも影響を与えることになる。本研究により得た着想をもとに実験システムの構築やモンテカルロシミュレーションの手法を用いることにより陽子線による水の発光現象の検討をすすめその成果を論文発表した。検出器の設計、検討において当初は銅箔を原子核乾板の間に挟み込む設計を考えていたが、角度分解能向上の観点から陽子線治療で発生するエネルギー領域のガンマ線イメージングには不向きであり、当面は原子核乾板だけを使った検出器で研究をすすめることとした。また、今回試験した結果から銀粒子のサイズを大きくすることで、検出効率を向上する余地があることが示唆された。平成29年度には陽子線の飛程に対応した30cmスケールの検出器を開発し、さらに構造や銀粒子サイズを最適化することにより、ガンマ線イメージング用検出器としての性能を追求する。医学物理学主な理由は試薬購入費用の削減と、検出器の構造を見直し、銅箔を使用しないこととしたために消耗品費が予定より減少したことである。
量子情報と量子計算の数理解析的基礎研究

量子コンピュータに代表される量子情報技術の理論的基礎を確立するために,数理物理学と数学基礎論の方法によって,量子測定,量子情報,量子計算に関する数学理論を構築し,本研究代表者が開発した量子測定理論と普遍的不確定性原理に基づいて,保存法則に由来する量子計算の精度の限界を明らかにし,量子計算の実現に伴う様々なモデルに対して,想定される不可避な誤差とそれを防ぐのに必要な物理的リソースの関係を明らかにした.量子コンピュータに代表される量子情報技術の理論的基礎を確立するために,数理物理学と数学基礎論の方法によって,量子測定,量子情報,量子計算に関する数学理論を構築し,本研究代表者が開発した量子測定理論と普遍的不確定性原理に基づいて,保存法則に由来する量子計算の精度の限界を明らかにし,量子計算の実現に伴う様々なモデルに対して,想定される不可避な誤差とそれを防ぐのに必要な物理的リソースの関係を明らかにした.(1)小澤は,量子完全相関の概念を新たに導入して,様々な数学的特徴付けを与えた.量子情報理論への応用として,Hardy非局所性不成立問題の説明が量子完全相関の推移性から得られることを示し,また,量子測定が被測定物理量とその表示物理量の間の量子完全相関を実現することを示した.(2)小澤は,河野らと共同でDiVincenzoらの3量子ビット・デコヒーレンス・フリーシステムにおける19ゲート列量子演算実現法を研究し、これまで未解決であったCNOT演算を実現する制御パラメータの厳密解の存在を証明した.更に、19ゲート列により実現可能なゲートの全体が制御回転ゲートと局所的同等なゲートの全体と一致することを証明し,一般の制御回転ゲートを実現する制御パラメータを明らかにした.(3)日合は,多変数の非可換確率変数に対して自由圧力関数を定義し,そのLegendre変換によって多変数の新しい自由エントロピーを導入し,多変数の自由エントロピーに対するVoiculescuの2通りの方法(行列近似の方法と非可換Hilbert変換の方法)に加えて,第3の方法を提起した.(4)尾畑は,共同研究者とブラウン運動を分解(時間微分+量子分解)して得られる「量子ホワイトノイズ」を理論の出発点とし,非線形ホワイトノイズ方程式を目標として,量子ホワイトノイズを基礎とする作用素論を発展させた.(5)堀田と小澤は,環境系との相互作用による微小雑音を記述する量子チャンネルに対する量子推定問題の研究を行い,ノイズによって乱された量子状態を測定するときノイズの大きさを最適に推定する方法をFisher情報量理論に基づいて与えた.更に,アンシラ系との量子もつれを使用したとき、どの程度推定改良がなされるかを議論し、キュービット系に対して達成可能な改良因子の上限を与えることに成功した.1.遅延情報を持つ量子推定問題であるMean King問題に対して,従来は直交ラテン方陣を利用した一般的解の構成法が知られていたが,これは任意レベルの問題に対して解の存在を保証しない.木村,田中,小澤は,直交配置を利用した解を構成して,任意レベルで常に解が存在することを示した.2.小澤は,量子測定と量子オペレーションにおける誤差と擾乱の間の不確定性関係に関する新しい結果を示し,誤差のない位置測定において,運動量の擾乱をいくらでも小さくできることを明らかにした.3.Gea-Banaclocheと小澤は,量子論理ゲートを実現するために量子化された電磁パルスで多くの量子系を同時に制御する場合に,誤差を軽減するために必要なエネルギーをそれらの系の間で共有することができないことを示した.4.量子NOTゲートを物理的に実装する際に不可避な誤差が現れるかどうかは,未解決だったが,唐澤と小澤は,新しい手法で制御系のサイズに反比例する誤差が現れることを示した5.小澤は,一般のvon Neumann環の射影束を論理とする集合論を初めて展開し,ZFCの定理から量子集合論において真な命題を生成するための移行原理を確立した.これにより,量子集合論における実数と量子観測量が一対一に対応すること,量子相関が集合論の言語で記述できることなどを示した.6.日合,Petz,植田は,ランダム行列近似の手法と特殊ユニタリ群の固有値分布に対する大偏差原理を用いて,単位円周上の確率測度に対する自由確率論的な対数ソボレフ不等式を証明した.7.日合,Petzは,ユニタリ変換で不変な2個の独立な射影行列のすべての多項式の固有値分布に対する大偏差原理を証明し,レイト関数と2個の射影に対する自由エントロピーとの関係を示した.1.これまでの研究で,スピン量子ビット上のアダマール・ゲート,否定ゲートなどを角運動量保存法則のもとで実装する場合のゲート非忠実度(1からゲート忠実度の2乗を引いた値)の一般的な下限が得られたが,本研究において,唐澤と小澤は,任意の自己共役ゲート(1量子ビットの自己共役なユニタリ変換)の任意の保存法則のもとでの実装に関するゲート非忠実度一般的な下限を得た。この結果により,スピン1/2の量子ビット上の任意の自己共役ゲートをN量子ビットのアンシラ,または,スピンN/2系のアアンシラと回転不変な相互作用で実装すると非忠実度が1/(4+4N^2)以上になることが導かれる。2.これまで,環境との相互作用による量子性の脆弱性指標に関する一般の量子状態に適用可能な定義は存在しなかったが,堀田と小澤は,堀田・唐沢・小澤の低ノイズチャンネル推定理論を用いて,フィッシャー情報量に基づき,一般の量子状態に適用可能な自然は脆弱性指標を与えることに成功した。

これは入力状態に対する凹性やテンソル積状態に対する加法性など様々な特性があり、解析に対して非常に有用な量となっている。3.木村,Meister,小澤は,測定相互作用に関する加法的保存量と非可換な物理量の正確な測定の不可能性を示すWigner-Araki-Yanaseの定理を乗法的保存量に拡張して,乗法的保存量と非可換な物理量の正確な測定の不可能性を証明した。更に,乗法的保存量が存在する場合の測定における平均2乗誤差の下限を求め,誤差を小さくするためには,加法的保存量の場合には装置系に含まれる保存量の分散を小さくする必要があったが,乗法的保存量の場合には変動係数(相対揺らぎ)を小さくする必要があることを明らかにした。4.日合,Mosonyi,小川は,スピン・チェイン上の並行移動不変な有限距離の相互作用のギブス状態に対して大偏差原理を証明し,さらに,スピン・チェイン上の相関のあるギブス状態や有限相関状態に対して,量子仮説検定のチャーノフ型,ヘフディング型,シュタイン型の誤り確率の漸近挙動を統一的な方法で明らかにした。1.唐澤、バナクローチェ、小澤は、任意のユニタリゲートの任意の保存法則のもとでの実装に関するゲート忠実度の一般的上限を得て、それがブロッホ球における保存量とユニタリゲートの幾何学的関係と制御系のサイズに依存することを示した。2.量子チューリング機械と一様量子回路族の計算量的同等性は、量子計算量理論の基本問題であるが、これまでBQPクラス以外のEQPやZQPクラスに対しては未解決であった。西村と小澤は、有限生成一様量子回路族という新しい回路族のクラスを定めて、量子チューリング機械と有限生成一様量子回路族が完全に計算量的に同等であり、BQP, EQP, ZQP等、全ての対応する計算量クラスに対して計算量的同等性が成立することを示した。3.日合グループは、自由確率、量子情報理論について研究し、以下の成果を得た。(1)射影作用素に対して自由エントロピーを導入し、2つの射影作用素の自由エントロピーと相互自由フィッシャー情報量の間の対数ソボレフ型不等式を示した。(2)量子共分散と量子フィッシャー情報量との関係を考察し,不確定性原理と関連して知られていた不等式を一般化した。(3)サイト間に相関があるKMS状態と有限相関状態に対する量子仮説検定について,各種の漸近エラー限界に関する統一的な研究を行った。4.尾畑グループは、ボゾンフォック空間上の非有界作用素の生成・消滅作用素に関する微分を導入し、それらの双対として従来の量子確率積分を拡張し、量子マルチンゲール表現定理や作用素の量子確率積分表示を得た。5.田中グループは、ランダム性に関する計算量的研究を行い、無限列およびランダム実数の計算量変動、及び、部分ランダム性の諸定義の擬同値性に関する成果を得た。6.堀田は、LOCCと基底状態の量子もつれを用いてエネルギーを転送できる量子プロトコル、量子エネルギーテレポーテーションを提案した。
ｐ進ホッジ理論とその周辺

(1). p進Hodge理論の高次元化において, L.Bergerのp進モノドロミー定理を一般化することができた.(2). P.Deligneの混合Hodge構造のカテゴリーでは代数的サイクルの情報を十分には捉えられないという事実に基づき,代数サイクルの情報を捉えることができるカテゴリーを構成することができた. (3).数論的楕円曲線の有理点という離散的な対象があたかも連続的に振る舞うことを示した. (4).上記の(2)と(3)における考察に基づき,理論物理学においてさまざまな考察を行った.1970年代のDeligneの混合Hodge理論の構成により, Hodge理論はもはや完成したものとされてきた.しかしながら, Motiveの観点に立ってその構成が予想されているBeilinson-Bloch-Murreフィルターとの整合性を考えると,必ずしも満足できるものとは言えない部分もあり,より幾何的な情報を含む理論が必要であるという認識もあった.このようななか,当該研究者は元々はp進Hodge理論をおもに研究してきたが,古典的な複素多様体上のHodge理論に目を向けることとなり,このDeligneの混合Hodge理論の改良の研究にとりかかることになった.これまでの研究として, Deligneの混合Hodge理論よりも幾何的な情報をかなり含むことが期待されるカテゴリーの構成に成功した.しかしながら,このカテゴリーが真に重要であるといった確証はなく,当該研究者の夢想の域を出ないものであった.このカテゴリーの重要性を求めるために,最近では,その応用についての研究を考え始めたところである.特に,相対性理論や場の量子論といった物理学における応用が見込まれ,現在も引き続き,この関連性についても研究を行っているところではある.また,本来のMotivesの観点に立ったサイクル写像との整合性やあるいは,その数論幾何的応用(特に, L-関数の特殊値など)についても引き続き,総合的な研究を行っているところである.当該研究者は元々はp進Hodge理論をおもに研究してきたが,古典的な複素多様体上のHodge理論に目を向けることとなった.このHodge理論はDeligneの混合Hodge理論によってもはや完成したものであるという認識が一般的であるが,サイクルの観点からするとBBMフィルターなどとの関係から十分には満足できるものではないという側面もあり,当該研究者はこの側面に興味を持ち, Deligneの混合Hodge理論の改良の研究を行うことになった.Deligneの混合ホッジ理論におけるカテゴリーでは,幾何的な情報が乏しく, regulator map (サイクルの情報を持つモチーフの圏)→(混合ホッジ構造のなす圏)を通して,サイクルの情報を捉えることが困難であった.具体的に言うと右の混合ホッジ構造のなす圏において, 2次以上のextension類が消えてしまい,混合ホッジ構造のなす圏から得られるサイクルの情報はchern mapを通した0次のextension類とAbel-Jacobi mapを通した1次のextension類だけである.この混合ホッジ構造のなす圏を幾何的に肉付けすることによって,ひとつの候補を提示することに成功した.(1). p進Hodge理論の高次元化において, L.Bergerのp進モノドロミー定理を一般化することができた. (2). P.Deligneの混合Hodge構造のカテゴリーでは代数的サイクルの情報を十分には捉えられないという事実に基づき,代数サイクルの情報を捉えることができるカテゴリーを構成することができた. (3).数論的楕円曲線の有理点という離散的な対象があたかも連続的に振る舞うことを示した. (4).上記の(2)と(3)における考察に基づき,理論物理学においてさまざまな考察を行った.今年度はp進Hodge理論の研究において得られた経験をもとに,もともとの理論である複素数体上のHodge理論に対して考察を与える研究を行った.40年以上前に, Pierre Deligneによって, Hodge理論は非常に洗練された形で理論が整備されている.一方で,このHodge理論において,混合Hodge構造のカテゴリーと呼ばれるものが構成されているが,このカテゴリーは幾何的な情報をあまり含んでおらず.代数多様体上のサイクルを捉えるのには不十分であることが分かっていた.特に, (存在が予想されている) motivesのカテゴリーにおけるB.B.Mフィルター(Bloch, Beilinson, Murreらによる)と対応するべき構造が混合Hodge構造のカテゴリーには存在していない.ところが, Hodge理論は既に,完成したものとして,数学の研究において,あまり注目されることはなかった.一方で, 10年ほど前に北海道大学の朝倉政典氏によって,この困難を克服するために, Arithmetic Hodge構造のカテゴリーと呼ばれるカテゴリーを京都大学の斎藤盛彦氏による混合Hodge加群の理論を使うことによって,提出している.こうしたなか,当該研究者は,まったくの独自の視点から,幾何的な情報を十分に含んでいると思われる新しいカテゴリーを提案することができた.修士課程以来, p進Hodge理論の研究を行ってきた.そこからの研究が派生し,古典的な複素代数幾何学におけるHodge理論の研究に向かった.この分野において, Deligneによる混合Hodge構造では適切に代数サイクルを捉えることができないという事実に興味を惹かれて,この混合Hodge構造の改良に取り掛かることになり,独自のカテゴリーを構成することになった.また,それに伴い, Grothendieckが構想を述べて以来,懸案であった混合モチーフのカテゴリーの候補を提示することになった.

このカテゴリーの特徴はサイクルの向きを変えることによって,幾何的な情報を引き出そうという一見,安直なものである.しかしながら,サイクルの交差の様子を記述しており, Grothendieckの“サイクルの交差に深い数論的事実が組み込まれている"という哲学にもかなっており,重要な候補のひとつであると信じている.一方で,数論的楕円曲線の研究も行った.この研究では有理点や整数点といった離散的な対象を真に幾何的に,つまり連続的な対象として取り扱おうという試みから始まった.ピーターソン内積という解析的であり,幾何的であり,実は代数的でもあるよく知られた道具を使うことにより,楕円曲線上の有理点があたかも連続に振る舞うことを示した.特筆すべきことは,有理点の存在や消滅が各有限体F_pへ還元したときの,多様体の特異性と深くかかわっているという事実を示したことである.さらには,このHodge理論と楕円曲線の研究をふたつの柱として理論物理学の研究にも着手することになった.整数論p進Hodge理論における研究に端を発して,古典的な複素Hodge理論の研究につながることになり,その研究をひきつづき行っている.この研究において,新しいカテゴリーを非常に単純なアイデアに基づいて構成することに成功した.前年度まではこのカテゴリーの重要性を確証づけるものはなく,当該研究者の夢想の域をでないものであったが,最近の研究により,数学という枠組みを超えて,物理学との関連性も考えられるようになり,その方面での研究も継続中である.上で述べたように,混合ホッジ構造のなす圏を幾何的に肉付けすることによって,ひとつの候補を提示することに成功したが,ここで用いたサイクルの向きを変えるという操作は物理学の場の量子論における生成・消滅作用素との類似が見られることになった.現在はその類似について追及するという新たな大きな目標となり,これからの進展が望まれる.p進Hodge理論の研究がもともとの理論である複素数体上のHodge理論の研究につながることになった.新しく構成したカテゴリーは非常に単純なアイデアがもとになっているが,幾何的な情報を十分に含み,代数多様体上のサイクルを捉えられるのではないかと期待している.しかしながら,このカテゴリーが重要であるという確定的な証拠はなく,当該研究者の自己満足に過ぎないかもしれない.特に, (存在が予想されている) motivesのカテゴリーとの関連性が不透明で, motivesの構成にどのようにつがっていくべきかということについては全く分からないという状態であり,この点が研究として,不満が残るところである.上で述べたように,新たに構成したカテゴリーは数学だけではなく,物理学との関連性も考えられるようになってきた.このことを踏まえて,相対性理論,場の量子論との関連をさらに探っていきたいと考えている.
低速反水素原子過程四体系の非断熱組替え精密計算

水素原子の反物質である反水素原子(陽電子と反陽子の束縛状態)を用いて、反水素原子の精密分光実験が進められ、標準理論(CPT対称性)の検証、弱い等価原理を検証する自由落下実験の準備も進められている。これらの実験のあらゆる場面において、反水素原子の超低速の原子衝突の理論計算は最も必要とされている。また、反水素原子と通常の原子・分子との衝突は、原子物理学や量子化学からも新奇な現象の発現が期待され興味深い。本研究では、反水素と水素原子の衝突という最も基礎的な反物質と物質の衝突過程を取り扱う。この衝突では、プロトニウムと陽電子とポジトロニウムを生成する組替え反応が起こる点が従来の原子衝突と大きく異なる。特に、反陽子・陽子間の運動と陽電子や電子の運動を分離する断熱近似は破綻するが、従来の計算では断熱近似が用いられ、有効性が問題となっていた。今年度は昨年度に引き続き、反水素と水素原子の衝突における共鳴状態(準安定状態)についての計算と機能の分析を行なった。高精度の計算により、反水素原子と水素原子の基底状態に解離するしきい値の下に共鳴状態を見いだすことができた。相関関数を用いた構造の分析により、この共鳴状態が分子的な共鳴構造を有していることが見出された。陽子・反陽子間の光学ポテシャルを用いて共鳴状態を再計算すると,共鳴エネルギーが核力の影響を受けてシフトすることが明らかになった.次に、現在計画中の超低速反水素原子を用いた物質・反物質間重力の測定において、能動的に減速(冷却)できる反水素イオンの生成過程の候補として期待されている反水素原子とポジトロニウムの散乱の計算を行なった。本年度、昨年度までに開発したコードを拡張し、S波散乱について非弾性過程を取り入れた計算コードを完成した.また、本研究で開発した4体系の計算手法を、他のエキゾチック原子分子系(ミュオン、陽電子)にも応用した。これまで、反水素原子と水素原子が分子状態(反水素化水素分子)を形成する可能性が指摘されていたが、詳細は不明であった。反水素原子と水素原子の中の反陽子と陽子同士は引力で、接近するとより強い引力を感じる。またそれぞれ電荷が反対符号のため、反陽子と陽子の距離が十分に小さくなると、双極子モーメントが弱まり、電子や陽電子を束縛できなくなる。このメカニズムのために、核の運動と軽い粒子の運動を分離して解く従来の断熱近似が適用できなかったため、分子状態についての理論研究が進まなかった。本研究では、昨年度から粒子質量に依存する仮定を用いずに反水素化・水素分子を非断熱に計算するコードの開発を進めてきた。本年度は、分子型の粒子配置と解離型の粒子配置の双方において高次の多体効果を取り込めるように拡張した。これにより,分子型配置における主要な角度相関と解離過程の主要な系列について。計算に取り込む状態数に対して計算結果の収束性を確認できるようになった.これによって、共鳴状態の存在を確定し、その性質を詳しく分析することができる様になった。反水素と水素原子の衝突における共鳴状態の他に、反水素とポジトロニウムの散乱過程の計算も緒につけることができた。以上の成果に対して、指導する学生が、第55回アイソトープ・放射線研究発表会若手優秀講演賞(山下琢磨)、Tohoku University's Chemistry Summer School 2018Posteraward(新山元彬)、日本物理学会2018年秋季大会学生優秀発表賞受賞(新山元彬)、東北大学大学院理学研究科化学専攻長賞(山下琢磨)を受章した。計算化学の国際会議(ICCMSE2019)の招待講演に選出された。緊急性の高い直近の課題として、実験グループからの関心を多く集めている反水素とポジトロニウムの非弾性衝突による反水素正イオン(反水素と陽電子の三体束縛状態)生成断面積の計算を引き続き行う。次年度は、散乱の角運動量をS波だけでなく、一般の角運動量にも対応できるように計算コードの改良を行う。この計算の中では、特に断面積が大きくなる共鳴状態の散乱断面積について計算精度について検討を行う。複素座標回転法による独立の計算値と共鳴エネルギー、全エヘルギー幅(崩壊速度)を確認した上で、各崩壊状態への分岐比を求める。また、散乱波動関数を分析し、ポジトロニウム中の陽電子が反水素に移行し反水素正イオンと電子となる過程の機構を明らかにする。本研究により、4粒子系の低エネルギー領域での散乱問題が厳密に計算できるようになった。従来の3粒子系の散乱問題では取り扱うことができなかった、内部構造をもった系同士の散乱、部分系である3粒子系が共鳴状態をもつ散乱問題などの計算ができるようになった。反水素原子と水素原子、反水素原子とポジトロニウムの計算で得た様々なノウハウを関連するエキゾチック原子分子の反応(例えば、ポジトロニウムと原子の衝突による陽電子原子の生成、ミュオン分子生成、原子核反応の自由度を取り入れることにより、ミュオン分子内核融合におけるミュオン付着(ミュオンが核融合反応後に核融合生成物であるアルファ粒子の原子軌道に捕捉される現象)、ミュオン原子衝突中の核反応など)に応用するとともに、理論計算の精度を向上させる。陽電子と反陽子の結合した反水素原子を用いて、標準理論(CPT対称性)の検証を行うため、反水素原子の精密分光実験が進められ、弱い等価原理を検証する自由落下実験の準備も進められている。

これらの実験系において、水素原子などは、真空容器中に不純物として存在する可能性があり、反水素原子と原子の衝突が起こりうる。反水素原子と水素原子の衝突は、最も基礎的な反物質と物質の衝突過程である。この衝突では、反陽子と陽子が結合したプロトニウムと陽電子と電子が結合したポジトロニウムを生成する組替え反応が起こる点が従来の原子衝突と大きく異なる。この反応は発熱反応で低温環境でも進行する上、プロトニウムは中性のため、陽電子や電子を束縛できない。このため、反陽子・陽子間の運動と陽電子や電子の運動を分離する断熱近似は破綻する。しかし、従来の計算では断熱近似が用いられ、有効性が問題となっていた。本研究では、四粒子を平等に扱う非断熱計算法の開発とこれを用いた精密な数値計算を行なった。組替え反応で生成するプロトニウムは高振動励起状態にあり、この動径波動関数を効率よく再現するため、複素ガウス基底を導入し高い計算精密を達成した。特に、反水素・水素分子共鳴状態のエネルギー・寿命を初めて高精度で計算し、衝突に与える影響を明らかにした。この分子状態のエネルギーが従来の量子化学計算と異なり、その原因が従来の計算で無視されてしまう軽粒子の運動エネルギーによるものであることを示した。また、反陽子と陽子の核力・対消滅効果により、分子の構造に依存した寿命変化が起こるという新奇な性質を初めて予言した。また、本研究で開発した非断熱計算法は、系を構成する粒子の種類に依存しない。この特徴を生かし、原子核と電子の質量の中間にある負電荷ミュオンを含むミュオン原子系や、陽電子原子系に適用し、この計算法の有効性を確かめた。反水素原子と水素原子の作る分子共鳴状態のエネルギー準位や寿命の精密計算では、大規模な変分計算を行い、複素空間でのビリアル定理を導入することことにより、計算結果の信頼性を向上させた。得られた結果は、低エネルギー反水素原子を用いる基礎物理学実験を遂行する上で、残留ガスとの衝突での反水素原子の損失評価や反水素原子の温度測定などに利用できることが分かった。また、分子共鳴状態の波動関数の分析から通常の原子・分子では見られない新奇な分子構造が見つかった。この研究成果に対して、指導学生に対して原子衝突学会国際会議発表奨励賞が授与され、エキゾチック原子国際会議(EXA2017)で発表を行った。また、これに関する論文も受理された。四粒子系の非断熱衝突問題のための計算法を開発し、数値計算も行った。これまでよりも更に低速な反水素原子を生成し反水素原子が受ける重力測定を行うために必要な反水素原子とポジトロニウムの衝突に適用した。計算結果はまだ初期的なものであったが、その重要性から低速反陽子の国際会議(LEAP2018)の口頭発表に急遽推薦された。本研究の計算法を陽電子原子の共鳴状態の解析に応用したところ、陽電子原子の共鳴状態のエネルギー構造や寿命について新たな知見が得られた。この成果について、陽電子科学の国際会議(JWPS2017)で招待講演に、陽電子物理学の国際会議(POSMOL2017)でHot topic講演に、計算化学の国際会議(ICCMSE2018)で招待講演にそれぞれ選出された。
住工混在型コレクティブタウンに向けての町工場地域の評価に関する研究

本研究は、「職縁・地縁・血縁」の重層的ネットワークを有する町工場地域を「住工混在型コレクティブタウン」として積極的に評価するものである。地図資料及び現地調査結果の分析より、このようなネットワークを成立させる要件を以下の通り抽出した。1秩序を持った小規模高密街区、2敷際空間の活用、3工場被害への配慮、4仕事仲間との私的付き合い、5地域コミュニティへの協力、6家内工業及び職住近接の維持また、このような町工場地域は、職住近接のコンパクトシティにおける一つの市街地の形とみることもできる。人口減少、都心の空洞化といった社会問題が顕著となった現在、都市機能の集約・複合化による都市づくりが求められている。本研究では、これまで否定的に捉えられてきた住工混在地域に着目する。住工混在地域には、生産の場と生活の場が混在することで、多様な住まい方や地縁・血縁・職縁を中心として多元化した町工場ネットワークが織りなすバイタルな集住環境が存在し、半世紀以上に渡り持続してきたものもある。そこでは騒音等の工場被害をいかに許容して住工共存を成立し得ているのかを考える必要がある。平成25年度は、大阪市内及び周辺部に位置する住工混在地域のうち、立地や混在程度が異なる3地区を取り上げ、住民や工場主の住工混在に対する意識を整理し、住工共存の有り様を比較分析することを研究目的とした。アンケート調査の結果、町工場の存在を肯定的に感じ、近隣関係も密につくり、工場被害に対して気にならないと感じている九条南地区、町工場をやや否定的に感じ、近隣関係がやや疎であり、直接的な工場被害が気になると感じている加美北地区、町工場をやや肯定的に感じているが、近隣関係はやや疎であり、間接的な工場被害が気になると感じている高井田地区、と地区毎の差異が明らかになった。これらが地域に対する愛着、定住意識に関係すると考えられる。住工共存の評価と地区の物理的空間の関係をみる。街区規模が小さく、密度が高い九条南地区では、住工の距離が近くなるため、親密な関係を築き上げている。一方、街区規模が大きく、密度が低い高井田地区では、急激な変化を生む恐れがあり、工場主は近隣に対して気遣いをしているが、住工に距離があり、親密な関係を築けあげきれていない。街区規模が中規模、密度が低い加美北地区では、高井田地区と同傾向を示すが、操業環境の変化や地域への満足度に違いが見られる。混在パターンの差異が共存の違いを生み出す要因の一つであると考えられる。平成26年度は、職住近接の住工混在地域では、職縁・地縁・血縁の三縁を手がかりとした多元的なコミュニティネットワークを中心に、多世代が生彩あるコンパクトな暮らしを展開しているという仮説のもと、工場規模や住工混在特性の異なる大阪5地区において、三縁の強さや拡がりを整理することで、ネットワークの特性を明らかにすることを目的として研究を展開した。5地区の工場主及び地域居住者へのアンケート調査等により以下を明らかにした。職縁は、工場規模や業種による差異が大きいが、つき合いがプライベートにまで拡がっている地区も多く、全体としては非組織的・自律的つながりが強い。地縁は、物理的な混在状況と住工一致・近接の比率に左右されるが、工場が積極的に地域に関わることで補強される。分散する職縁と密な地縁とが合わさることでこれら二縁は相補される。血縁は住工一致が多い地区の特徴であり、地域内複数拠点を中心に職縁・地縁を重層化させ、多世代にわたる持続的ネットワークを形成し得る。住工共存の集住環境が創業者より三世代に渡って継承している九条南地区において、より詳細な聞取り・住み方調査を行った。第1世代(1960年代)では、職住一致という住工関係は密であるが、職縁中心のコミュニティとそこから派生した豊かなセカンドライフ、第2世代(1980年代)は住工一致から住工近接・連携へ移行するが、職縁と地縁とが密接に絡んだネットワークを活用する住工横断地域生活、第3世代(2000年代)では町工場を血縁のコレクティブリビングとすることなど、空間や縁が世代ごとに変容することによって地域全体としては良好なコミュニティと環境を持続している。また、他都市圏との比較のために、工場アパート建設など積極的な企業誘致・育成を行っている東京都大田区において行政及び工場主への聞取りを実施し、土地の高度利用が求められる首都圏での三縁(特に血縁)の持続の困難さを把握した。町工場では作業場が狭小であるために前面道路が工場空間の延長として利用されることが多く、様々な表出やあふれだしがみられる。加えて操業時の騒音、振動など環境劣悪化につながる要素があるものの、近隣への気遣いや自律的規範の存在によって、前面道路および敷際空間は共有領域として良好な集住環境形成の一端を担っていると考えられる。そこで、敷際空間の領有化の実態を明らかにするとともに、領有化と住工混在度や建物規模など地区特性との関係性を見出すことで領有化の条件を整理することを目的に、大阪の住工混在地域5地区において敷際空間および前面道路の利用実態と利用者意識を把握するために現地観察調査と聞き取り調査を実施した。その結果、敷際空間の使われ方の特性として、1オモテとウラの使い分け(住宅玄関に近い側がオモテ等)、2中間領域としての敷際空間(休憩・打合せ・立話・植栽等)、3コミュニケーションの活発化(工場間、住工間の会話等)、4専用住宅における表出の促進、を見出した。

また、敷際空間が活発に利用される条件として、住工混在度が高い、建物規模が150m2以下、住工建物の開口部の向きが対面している通りでは住・工が影響しあい共有領域化が進む。また、道路幅員5m以上の場合は、工場の出入口が常時開放されることが多くなり、さらに共有領域化が進むことが明らかとなった。ダライコや駐車といった工場の必然的な敷際空間利用には自律的規範があり、その積極的な利用が住工相互の共有領域としての敷際空間を形成する実態が明らかとなった。このように工場の近隣への配慮や表出の誘導性が、連続する敷際空間の一体的な活用を誘発住工建物の開放性を高める。地域に閉ざすのではなく、段階的に地域へ開くことで工場被害を許容する良好な近隣関係を形成し、それがさらなる表出へとつながる。この流れが住工混在独自の環境形成に寄与していると考えられる。本研究は、「職縁・地縁・血縁」の重層的ネットワークを有する町工場地域を「住工混在型コレクティブタウン」として積極的に評価するものである。地図資料及び現地調査結果の分析より、このようなネットワークを成立させる要件を以下の通り抽出した。1秩序を持った小規模高密街区、2敷際空間の活用、3工場被害への配慮、4仕事仲間との私的付き合い、5地域コミュニティへの協力、6家内工業及び職住近接の維持また、このような町工場地域は、職住近接のコンパクトシティにおける一つの市街地の形とみることもできる。直接配布・直接回収のアンケート調査の回収率を上げるためにアンケート票回収作業に時間を掛けた。それにより調査対象地の工場の敷際空間の設えと、そこへの表出・あふれ出し等を把握する観察記録調査が若干遅れた。建築計画比較対象のための他都市圏調査を若干縮小し、大阪5地区のうち遅れている3地区において調査対象地の工場の敷際空間の設えと、そこへの表出・あふれ出し等を把握する観察記録調査を行い、三縁の形成、住工混在、住工共存との関係を分析し、住工混在型コレクティブタウンの可能性を評価する。以上と並行して、研究成果のフィードバックの準備・実行を進める。アンケート票の回収が若干遅れている地区があるが、平成26年度の個別訪問調査の準備・実施と並行して遅れを取り戻す予定である。建築および建築まわりの空間や場と3つの縁の関係を探るために、これまでの大阪の調査対象地区に東京都大田区の集合型町工場事例を新たに加えて調査対象とし、個別訪問による工場と住まいの間取りの実測調査および建物内や近傍空間の使い方に関する現地観察記録調査、住まい方や住意識の現状とこれまでの変遷に関するヒアリング調査を実施する。職住一致・近接の空間特性、あるいは騒音などに対する近隣の相互配慮、前面道路でのあふれだしの許容と自律的な規範など、住工が共存する空間での多様な住まいの形態や住みこなし方を明らかにすることで、建築および建築まわりの空間や場と3つの縁(地縁・血縁・職縁)との相互関係を解析する。大阪では一般的である戸建て型の職住一致の町工場に加え、関西では見られない住工共存・集約化を目的に行政によって整備された工場アパート(東京都大田区)を調査対象として、計画的立体的住工混在、住工近接の有意性と可能性を検討する。
環境微量有害物質の選択的分解処理に関する基礎的研究

Pt/Ti粒状電極を充填した3次元電解槽による環境微量有害物質の選択的処理性能について連続実験より検討を行った.ここで、環境微量物質として環境ホルモン性が疑われているペンタクロロフェノール(PCP)を主として用いた.また、流入PCP濃度は1mg/l, HRT=1.2hとした.その結果、微弱な直流電流を電解槽に通電することにより処理水のPCP濃度はほぼ0.01mg/l前後に低下し、長期間(70日以上)安定した処理が可能であることがわかった.PCP処理に関してこれまでに報告されている物理化学処理、化学処理並びに生物処理の各処理データと本研究結果とを比較すると、本電解法は特に低い濃度域でも効率的な処理が可能であることがわかった.電解に要したエネルギーは数Wh/m3程度であり、下水処理に要するエネルギー量より2桁程度低かった.さらに、流入水中にフミン物質が存在する場合において処理速度が大きく低下することはなかった.このような傾向は他の環境微量有害物質(17βエストラジオール、ジクロロフェノール、4tオクタチフェノール、ビスフェノールA)についても同様であった.新規の3次元電極槽による環境微量有害物質の分解・無害化の可能性について実験的検討を行った。実験は先ず、Pt/Ti粒状電極を充填した3次元多重電解装置を2系列作製した。この装置を用い、環境微量有害物質であるペンタクロロフェノール(PCP)の回分処理実験を行った。初期PCP濃度は1mg/lとし、通電する場合としない場合について、実験期間中の濃度変化を測定して比較した。通電条件は02mA,印加電圧は17Vの範囲で制御した。また、PCPの分析は、ECDガスクロマトグラフィー及びGC/MSを用いて行った。その結果、通電によって、PCPは数時間の間に検出限界の0.01mg/l以下まで減少することがわかった。一方、通電しないとPCPは初期濃度とほぼ等しかった。したがって、本研究の電解処理によって有害物質(PCP)が効率良く除去されることがわかった。これは、供試電極がPCPに対して高い親和性を有すること、及び本研究の3次元多重電極槽における広い有効電極面積によるものと推察された。今後は、低濃度PCP溶液の連続処理実験を行い、通電量と処理速度との関係、中間生成物質の有無、他の有機物質の影響等について実験的検討を行う予定である。Pt/Ti粒状電極を充填した3次元電解槽による環境微量有害物質の選択的処理性能について連続実験より検討を行った.ここで、環境微量物質として環境ホルモン性が疑われているペンタクロロフェノール(PCP)を主として用いた.また、流入PCP濃度は1mg/l, HRT=1.2hとした.その結果、微弱な直流電流を電解槽に通電することにより処理水のPCP濃度はほぼ0.01mg/l前後に低下し、長期間(70日以上)安定した処理が可能であることがわかった.PCP処理に関してこれまでに報告されている物理化学処理、化学処理並びに生物処理の各処理データと本研究結果とを比較すると、本電解法は特に低い濃度域でも効率的な処理が可能であることがわかった.電解に要したエネルギーは数Wh/m3程度であり、下水処理に要するエネルギー量より2桁程度低かった.さらに、流入水中にフミン物質が存在する場合において処理速度が大きく低下することはなかった.このような傾向は他の環境微量有害物質(17βエストラジオール、ジクロロフェノール、4tオクタチフェノール、ビスフェノールA)についても同様であった.
胸部大動脈瘤に対する血管内・外ステント挿入と分子生物学的DDSによる新しい治療

研究成果の概要平成10年度も、血管外ステント挿入による人工血管置換術への前段階として、引き続き経内視鏡的あるいは外科的血管内動脈ステントの臨床応用を施行した。ステントグラフトとしてはハンドメイドのSpiral Z stentgraftを用い、high riskで従来の方法による人工血管置換術の適応外であった症例(胸部大動脈瘤6例、腹部大動脈瘤4例)に対し、血管内動脈ステントを留置し、いずれも良好な成績を得ている。今後、経内視鏡的に挿入可能な血管外ステントを開発し、血管壁の損傷の有無、血管径とステント径の関係などを動物モデルを用いて慢性期も含めて検討し、血管内・外ステント挿入による人工血管置換術の手術手技を確立させる予定である。また、臨床研究の面では軽度大動脈拡張病変症例を現在引き続きfollow up中であり、今後症例を重ねていかなる症例において病変が進行したかを明らかにし、大動脈形成に関与した因子を評価し明らかにする予定である。基礎研究の面では平成10年度では、HVJ-liposome法によりヒト大伏在静脈グラフトへ遺伝子が導入可能であることを報告した。また、イヌの冠状動脈内へHVJ-liposome法を用いて注入した遺伝子が血管内皮および心筋細胞の核内に導入されることをすでに確認しており、今後イヌの大動脈拡張病変モデルを作成し、この軽度拡張病変に対して防御因子を遺伝子あるいはアンチセンスにより胸腔鏡下に血管壁へ導入可能とする安全でかつ高効率のdrug deliverysystemを開発する予定である。平成9年度は血管外ステント挿入による人工血管置換術への前段階として、経内視鏡的血管内動脈ステントの臨床応用を施行した。ステントグラフトとしてはハンドメイドのSpiralz stentgraftを用い、high riskで従来の方法による人工血管置換術の適応外であった症例(胸部大動脈瘤4例、腹部大動脈瘤3例)に対し、血管内動脈ステントを留置し、いずれも良好な成績を得ている。今後経内視鏡的に挿入可能な血管外ステントを開発し、血管壁の損傷の有無、血管径とステント径の関係などを動物モデルを用いて慢性期も含めて検討し、血管内・外ステント挿入による人工血管置換術の手術手技を確立させる予定である。また、臨床研究の面では軽度大動脈拡張病変症例を現在follow up中であり、今後症例を重ねていかなる症例において病変が進行したかを明らかにし、大動脈形成に関与した因子を評価し明らかにする予定である。基礎研究の面では、平成9年度では、イヌの冠状動脈内へHVJ-liposome法を用いて注入した遺伝子が血管内皮および心筋細胞の核内に導入されることを確認した。今後イヌの大動脈拡張病変モデルを作成し、この軽度拡張病変に対して防御因子を遺伝子あるいはアンチセンスにより胸腔鏡下に血管壁へ導入可能とする安全でかつ高効率のdrug deliverysystemを開発する予定である。研究業績の概要平成10年度も、血管外ステント挿入による人工血管置換術への前段階として、引き続き経内視鏡的あるいは外科的血管内動脈ステントの臨床応用を施行した。ステントグラフトとしてはハンドメイドのSpiral Zstcnt graftを用い、high riskで従来の方法による人工血管置換術の適応外であった症例(胸部大動脈瘤6例、腹部大動脈瘤4例)に対し、血管内動脈ステントを留置し、いずれも良好な成績を得ている。

また、イヌの冠状動脈内へHVJ-liposome法を用いて注入した遺伝子が血管内皮および心筋細胞の核内に導入されることをすでに確認しており、今後イヌの大動脈拡張病変モデルを作成し、この軽度拡張病変に対して防御因子を遺伝子あるいはアンチセンスにより胸腔鏡下に血管壁へ導入可能とする安全でかつ高効率のdrug deliverysystemを開発する予定である。
赤外線監視カメラ映像を用いた害獣自動検出

近年,食の安全への関心の高まりから,飲食店,食品工場(以下,現場)などに出現するネズミなどの害獣の監視,駆除が強く求められるようになってきた.監視や駆除を効率的に行うため,あるいは駆除の効果を確認するため,現場に設置された赤外線監視カメラによる映像を利用することがある.人による目視による映像の調査は負担が大きく,見落としなど正確性に欠ける問題がある.そこで本研究では,監視カメラ映像から背景差分法などを利用して移動物体を検出したのち,動きの時空間的パターンを分析し,それが検出対象特有のものであるかを判定することにより特定の害獣を自動検出する手法を開発した.近年,衛生環境維持のため,飲食店,食品工場などに住み着くネズミなどの害獣の駆除に対するニーズが高まっている.駆除を効率的に行い,その効果を確認するため,現場に赤外線監視カメラを設置して映像を数日にわたり記録し,その映像中に害獣が出現するかどうか,出現する場合,いつ,どこに出現するかを検査することがある.これまで,こうした検査は,駆除を請け負う企業の従業員が行う苦痛な作業となっており,計算機援用により負担軽減が求められている.そこで,本研究では,赤外線監視カメラ映像を画像処理することにより,ネズミなどの害獣の自動検出を行う手法を開発した.その基本的考え方は,ネズミなどの移動物体の映っていない映像(背景画像)を求め,それから変化しているものを背景画像に映っていない新たに出現した移動物体と判断するものである.こうした手段を採用する理由は,赤外線監視カメラに映るネズミは,小さくて暗く,一目でネズミと分かる形状をしているわけではないため,ある一枚の静止画像を見て,ネズミが映っているか否か,どこにいるかを見つけ出すことは,熟練者においても困難である.しかし,この静止画像を背景画像と交互に表示すると,誰でも一瞬にしてネズミを発見することが可能になる.これは,背景画像に映っていないものを検出していることに他ならない.ただし,こうした手法では,ネズミなどの対象とする害獣以外の移動物体,例えば,虫,ホコリ,ヒト,機械の振動なども検出されてしまうため,誤検出率が非常に大きくなる問題がある.さて,人がネズミの検出を行う際,少なからずネズミらしい動きという知識を利用している.そこで,本研究においても,人がもつネズミらしい動きの知識をモデル化し,これを利用することによりその他の移動物体と区別する方法を提案した.これにより,ネズミの検出精度を大幅に実用化水準に至るまで向上させることが可能になった.これまでに共同研究先である企業の協力により約240日分の赤外線監視カメラ映像を記録した.これらの動画像に含まれるネズミの時刻と位置を特定するために,確率的追従背景差分法を用いたネズミ検出法を開発した.確率的追従背景差分法とは,ある一つの画素の輝度変化を,雑音などの確率的変動,照明などによる区分的に滑らかな変化,対象とするネズミの出現による短時間の変化が加わったものとしてモデル化し,その変動の時間的性質の違いに着目して分離することにより,ネズミの出現による輝度変化のみを検出する手法である.以上の方法で100%の検出精度を得ることはできず,ネズミ以外にも,人,照明,機械等の動作物,埃,虫などが誤検出されている.そこで,上記の検出後,サイズ,形状の空間的性質,見かけの動きの速度という時空間的性質を利用することにより,ネズミとその他の対象を区別する手法を開発した.これにより,共同研究先である企業が実用化する目的において必要十分な検出精度を得ることが可能になった.そこで,現在,開発した手法の特許出願の準備を進め,本研究で開発したソフトウエアの著作物としての権利譲渡,実用化のためのシステム開発を行っている.開発した手法では時空間的性質として単に動きの速度を利用しているが,提案法を様々な対象に応用し,対象をより限定的に検出するためには,様々な対象のより複雑な動きをモデル化することが不可欠である.そこで,画像の水平,垂直軸をそれぞれ実軸,虚軸とみなした複素平面と考え,対象の動きを複素自己回帰モデルで記述し,ネズミと,それ以外の人,照明,機械等の動作物,埃,虫を区別する最適な特徴量(の組)の特定を試みている.近年,食品への異物混入がニュースで取り上げられるなど,食の安全に対する国民意識が向上している.こうしたこともあり,衛生環境維持のため飲食店,食品工場などに住み着くネズミなどの害獣の駆除依頼が増えている.駆除を効率的に行い,その効果を確認するためには,現場に赤外線監視カメラを設置して映像を数日にわたり記録し,その映像中に害獣が出現するかどうか,出現する場合,いつ,どこに出現するかを調査することが有用である.これまで,こうした調査は,駆除を請け負う会社の従業員による目視により行われており,計算機援用により負担軽減,見落とし軽減が求められている.本研究の目的は,赤外線監視カメラ映像を画像処理することにより,ネズミなどの害獣を自動検出する手法を開発することである.初年度は,ネズミなどの移動物体の映っていない映像(背景画像)を求め,それから変化しているものを背景画像に映っていない新たに出現した移動物体と判断するアプローチを基本としていた.こうした手法では,ネズミなどの対象とする害獣以外の移動物体,例えば,虫,ホコリ,風に揺れる蜘蛛の巣,工場作業員,機械の振動,機械のライトの明滅なども検出され,誤検出率が非常に大きい問題があった.そこで,ネズミの動きのパターンをモデル化し,誤検出される他の移動物体の動きと区別する手法を開発した.これを利用することによりネズミの検出精度を実用化可能な最低水準まで向上させることが可能になった.