hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
呼気硫化水素を用いた慢性閉塞性肺疾患（COPD)増悪予測の検討

2015年度では、バッグ回収法を用いた呼気H2S濃度測定を行い、健常者と比べて呼吸器疾患患者で呼気H2S(eH2S)値が上昇する事を報告した.しかし、実際に測定したeH2S値は、喀痰H2S値を基に換算した濃度よりも低かった.そこで、2016年度は、まずバッグ吸着及び呼出流速がeH2S値へ及ぼす影響について検討した.結果、呼気回収バッグを使用後にH2Sフリーエアーで5回以上洗浄しないと、バッグ内にH2Sが吸着してしまうことがわかった.また、呼出流速が早くなると流速依存性にeH2S値が低下することもわかった.以上より、eH2S実測値は予測値よりも低くなることが明らかになった.この問題を解決するため、一定流速の呼気を直接測定器に吹き込むことでリアルタイムにeH2S値を測定するシステムを新たに開発した.この測定システムは世界初の試みであり、2017年3月に特許出願をしたところである.なお、プレリミナリーな検討として、健常者9名、COPD患者17名に対して、リアルタイムeH2S濃度を測定したところ、COPD患者(117±19.2ppb)は健常者(91.3±24.7ppb)と比べて有意にeH2S値が高値であり(p=0.03)、喀痰H2S濃度から予測した値に近い値であった.また、喀痰好中球の割合とも正の相関を示した(r=0.53, p=0.004).以上の結果から、リアルタイムで測定したeH2S値は好中球性気道炎症の指標として有用であり、COPDの早期診断指標となる可能性が示唆された.2017年度は引き続き、COPD患者(増悪期、安定期)および健常者に対してeH2S測定および喀痰・血液のH2S測定も同時に行い、両者の関係を見る予定である.また、臨床評価指標との関係についても検討する予定である.2016年度は継続して、バッグに回収した呼気H2S濃度の測定を健常者およびCOPD患者(増悪期・安定期)で行っていく予定であった.しかし、上述の研究概要でも述べたように、バッグに溜めた呼気ではH2Sがバッグに吸着したり、直ぐに分解したりしてしまうため、予想H2S値よりも低いeH2S値となり、正確性に欠ける測定方法である事が判明した.また、呼出流速を変えることでeH2S値が変化するため、より正確かつ安定したeH2S値の測定には新たな手法の考案・開発が必要となった.それに伴い、一時的にeH2S測定の臨床研究がストップした.しかし、年度中にリアルタイムにeH2S濃度を測定する方法を新たに開発することができた.2017年度は予定より遅れているが、健常者およびCOPD患者に対して、呼気、血液、喀痰H2S測定を行っていく予定である.また、同時に今回開発した測定法は新規性に富んだ手法であり、現在特許出願中である.国内での特許取得が完了したら国際特許の取得にも乗り出す方向で考えている.新たに開発したリアルタイムのメンテナンスおよびマイナーチェンジに繰越金を充てる予定である.また、現在は国内特許出願中であるが、特許取得できた際には、国際特許出願も検討しており、その一部に本科研費を充てる予定である.更に、呼気H2Sとともに喀痰・血液も採取しており、そのH2S濃度測定および関連指標(血液・喀痰IL-8やIL-6)の測定のための費用に充てる予定でもある.本研究の目的は呼気中硫化水素濃度の測定方法確立と、それを用いたCOPD(慢性閉塞性肺疾患)増悪予測の検討である.COPDの死亡率に大きな影響を与える重要な因子として急性増悪が挙げられる.現時点で急性増悪を早期に予測する指標はない.我々は、健常者およびCOPD患者の喀痰および血清H2S濃度を測定したところ、喀痰H2S濃度はCOPDの安定期・増悪期で健常者に比べて上昇するが、血清H2Sは安定期でのみ上昇し、増悪期では安定期に比べて有意に低下し健常者と同程度の濃度になることを見出した.このことより、喀痰・血清H2S測定はCOPD急性増悪予測指標として有用な可能性が示唆された.しかし、常時血清・喀痰を採取することは困難である.そこで、呼気を用いてH2S濃度をリアルタイムに測定することができれば、より簡便に増悪を予測することが可能になるかもしれない.本年度の研究計画としては、1新規購入したH2S測定器により呼気H2S濃度が正確に測定できるか否かを検証し、可能であれば2安定期、増悪期COPD患者の血清・喀痰採取、呼吸機能検査、COPD質問票を3ヵ月ごとに行い定期的なフォローを開始することであった.当初、H2S濃度測定器をリースにて使用する予定であったが、購入した方が安価であることがわかり、日本の代理店を通して海外より購入する計画に方針転換した.そのため、購入、機器調整、搬入手続きなどに手間取り、実際に購入できたのは平成27年11月30日となってしまった.よって、本年度は約3ヵ月の研究期間を残すのみとなり、研究自体が大幅に遅れることを余儀なくされた.

そこで、本年度は、前述の1H2S測定器で呼気H2S濃度が正確に測定できるか否かを検証した.実際には、健常者12名、COPD7名、喘息1名、急性気管支炎1名に対し、呼出流速70ml/S、口腔内圧10mmHgにて呼気をTedlarバッグに回収し呼気H2S濃度を測定した.これを2回繰り返しH2S濃度のばらつきを検討した.結果、Coefficient variation(CV):3.623と再現性のある呼気H2S濃度測定が可能であることがわかった.また、呼気H2S濃度は健常者よりも呼吸器疾患で有意に上昇していることがわかった(p=0.03).2015年度では、バッグ回収法を用いた呼気H2S濃度測定を行い、健常者と比べて呼吸器疾患患者で呼気H2S(eH2S)値が上昇する事を報告した.しかし、実際に測定したeH2S値は、喀痰H2S値を基に換算した濃度よりも低かった.そこで、2016年度は、まずバッグ吸着及び呼出流速がeH2S値へ及ぼす影響について検討した.結果、呼気回収バッグを使用後にH2Sフリーエアーで5回以上洗浄しないと、バッグ内にH2Sが吸着してしまうことがわかった.また、呼出流速が早くなると流速依存性にeH2S値が低下することもわかった.以上より、eH2S実測値は予測値よりも低くなることが明らかになった.この問題を解決するため、一定流速の呼気を直接測定器に吹き込むことでリアルタイムにeH2S値を測定するシステムを新たに開発した.この測定システムは世界初の試みであり、2017年3月に特許出願をしたところである.なお、プレリミナリーな検討として、健常者9名、COPD患者17名に対して、リアルタイムeH2S濃度を測定したところ、COPD患者(117±19.2ppb)は健常者(91.3±24.7ppb)と比べて有意にeH2S値が高値であり(p=0.03)、喀痰H2S濃度から予測した値に近い値であった.また、喀痰好中球の割合とも正の相関を示した(r=0.53, p=0.004).以上の結果から、リアルタイムで測定したeH2S値は好中球性気道炎症の指標として有用であり、COPDの早期診断指標となる可能性が示唆された.2017年度は引き続き、COPD患者(増悪期、安定期)および健常者に対してeH2S測定および喀痰・血液のH2S測定も同時に行い、両者の関係を見る予定である.また、臨床評価指標との関係についても検討する予定である.2016年度は継続して、バッグに回収した呼気H2S濃度の測定を健常者およびCOPD患者(増悪期・安定期)で行っていく予定であった.しかし、上述の研究概要でも述べたように、バッグに溜めた呼気ではH2Sがバッグに吸着したり、直ぐに分解したりしてしまうため、予想H2S値よりも低いeH2S値となり、正確性に欠ける測定方法である事が判明した.また、呼出流速を変えることでeH2S値が変化するため、より正確かつ安定したeH2S値の測定には新たな手法の考案・開発が必要となった.それに伴い、一時的にeH2S測定の臨床研究がストップした.しかし、年度中にリアルタイムにeH2S濃度を測定する方法を新たに開発することができた.今後、研究計画に従って健常者(喫煙・非喫煙)、COPD患者(安定期・増悪期)をリクルートし、3ヵ月6か月ごとに呼吸機能検査、採血、喀痰採取、COPD質問票にて定期的なフォローアップを行っていく予定である.2017年度は予定より遅れているが、健常者およびCOPD患者に対して、呼気、血液、喀痰H2S測定を行っていく予定である.また、同時に今回開発した測定法は新規性に富んだ手法であり、現在特許出願中である.国内での特許取得が完了したら国際特許の取得にも乗り出す方向で考えている.当初、H2S測定器をリースにて使用する予定であったが、購入した方が安価であることがわかり、測定器自体を購入した.そのため、次年度への繰越金が生じた.昨年度に購入したH2S測定器を用いて、バッグに呼気を回収する手法で呼気H2Sの測定を行った.しかし、研究中に測定方法に関して種々の問題があることが判明した.
各種センサを持つエキスパートロボットによるGMA溶接の全自動化に関する研究

建築鉄骨および橋梁などの直角の曲がり角を持つすみ肉溶接において、予めティーチングすることなく、タッチセンサ、アークセンサおよびCCDカメラなどの各種センサの情報を用いて、オンラインでロボットアームおよびトーチの位置と姿勢を被溶接物との干渉がないように制御するエキスパートロボットを構築し、高精度な溶接線検出・追跡を行った。まずタッチセンサを用いて被溶接物の概ねの位置と形状を計測する。この情報を用いて溶接開始位置を決定するとともに、アークセンサを用いて、ロボットアームおよびトーチの位置と姿勢を溶接線の位置と形状に合わせて予見制御した。すなわち角付近において予見的にトーチの付け根角を0から90度まで回転させることにより、トーチと被溶接物との干渉を避け、かつ角におけるウィービング角度を溶接線に対して約45度にすることができるので、アークセンサによる高精度な溶接線追跡が可能となった。ウィービングは慣性の最も小さいロボット手首軸のみを用いて高速に行った。トーチ姿勢を変化させるためロボットの角軸に対する運動方程式は複雑になるので、溶接線追跡のコントローラには式を必要としないファジィ制御を用いた。角において追跡に遅れを生じるため、ニューラルネットワークのパターン認職を用いて角を職別し、ファジィコントローラの構造を変化させることにより追跡性能を改善した。また溶接終了後の溶接部の検査が省略できるように、CCDカメラを用いて溶融池形状をオンラインでセンシングした。CCDカメラは外部同期式のものを用い、ウィービングに同期して溶融池形状を撮像した。つぎにタッチセンサとCCDカメラを用いて同様に溶接線検出・追跡を行った。ニューラルネットワークを用いて角の位置と大きさを検出し、角の大きさによってファジィコントローラのゲインを調整することにより、高精度な溶接線追跡が行えた。
情報ネットワークにおける大規模知識処理のための超高速アルゴリズムの研究

本研究のH19年度の進捗を元にして, H20年度は,これまでに提案・開発してきた基盤的なアルゴリズムをさらに発展させ,現実の大規模知識データを高速に処理できる技術として確立させる作業を進めた.(1)パターン発見の履歴から,その利用者との対話や,環境,データの記録から最適なパターン発見パラメータを学習する適応的パターン発見アルゴリズムを設計・開発し、その有効性を評価した.(2)研究代表者が研究開発に成功した多項式時間確率的パターン発見技術(ALT2003, DS2006他)を用いて,テキストデータに対するパターン発見アルゴリズムの高速化を進めた.さらに,意味記述を表すメタデータを付加した構造テキストデータに拡張し,ウェブデータからの知識獲得エンジンを開発した.(3)申請者らが昨年度までに開発した、ZBDDに基づく高速なパターン発見アルゴリズム「LCM over ZBDDs」を活用し、高度知識処理のための知識索引技術を開発した.(4)申請者等が開発してきた超高速パターン照合技術に基づき,高度な知識検索を可能であり,同時に究極の高速化を達成する方式の開発を進めた.(5)最近研究が盛んになっているプライバシー保護データマイニングの枠組みを,より広い知識処理過程に拡張し,安全かつ有効な大規模分散知識処理方式の研究開発を進めた.本年度は,下記の課題に取り組んだ.(1)パターン発見の履歴から,その利用者との対話や,環境,データの記録から最適なパターン発見パラメータを学習する適応的パターン発見アルゴリズムの研究を行った.(ツォイクマン・湊)(2)研究代表者が研究開発に成功した多項式時間確率的パターン発見技術(ALT2003, DS2006他)を用いて,テキストデータに対するパターン発見アルゴリズムの高速化に取り組んだ.さらに,意味記述を表すメタデータを付加した構造テキストデータに拡張し,ウェブデータからの知識獲得エンジンの研究を行った.(ツォイクマン・宇野・喜田)(3)申請者らがこれまでに開発に成功した高速な最適パターン発見技術とZBDDに基づく離散データ索引構造を結合し,高度知識処理のたあの知識索引技術を開発した.(湊・喜田・宇野)(4)申請者らが開発してきた超高速パターン照合技術に基づき,高度な知識検索を可能であり,同時に究極の高速化を達成する方式の研究開発を進めた.(喜田・ツォイクマン・高木)(5)最近研究が盛んになっているプライバシー保護データマイニングの枠組みを,より広い知識処理過程に拡張し,安全かつ有効な大規模分散知識処理方式の研究を進めた(高木・ツォイクマン).本研究のH19年度の進捗を元にして, H20年度は,これまでに提案・開発してきた基盤的なアルゴリズムをさらに発展させ,現実の大規模知識データを高速に処理できる技術として確立させる作業を進めた.(1)パターン発見の履歴から,その利用者との対話や,環境,データの記録から最適なパターン発見パラメータを学習する適応的パターン発見アルゴリズムを設計・開発し、その有効性を評価した.(2)研究代表者が研究開発に成功した多項式時間確率的パターン発見技術(ALT2003, DS2006他)を用いて,テキストデータに対するパターン発見アルゴリズムの高速化を進めた.さらに,意味記述を表すメタデータを付加した構造テキストデータに拡張し,ウェブデータからの知識獲得エンジンを開発した.(3)申請者らが昨年度までに開発した、ZBDDに基づく高速なパターン発見アルゴリズム「LCM over ZBDDs」を活用し、高度知識処理のための知識索引技術を開発した.(4)申請者等が開発してきた超高速パターン照合技術に基づき,高度な知識検索を可能であり,同時に究極の高速化を達成する方式の開発を進めた.(5)最近研究が盛んになっているプライバシー保護データマイニングの枠組みを,より広い知識処理過程に拡張し,安全かつ有効な大規模分散知識処理方式の研究開発を進めた.
タワー観測のネットワーク化による東南アジアの大気-森林相互作用の解明

われわれは,東南アジアの熱帯林(熱帯雨林,熱帯季節林,熱帯泥炭林)の11ヵ所において,二酸化炭素(CO2)の吸収(光合成)・放出(呼吸)や蒸発散の連続観測を行っている。得られた長期の観測データを用いて,熱帯林のガス交換過程(光合成,呼吸,蒸発散)の特性を解析し,ガス交換過程を規定する要因を明らかにするとともに,降雨パターンがガス交換過程に与える影響を評価した。1.タワーからキャノピーの定点画像時系列を撮影処理しフェノロジー情報として利用するシステムの開発を行っている。本年度は,タイの常緑林で得られた映像の解析と,ネットワーク化のための新装置の試作を行った。2.半島マレーシアの熱帯雨林サイトにおける20032009年の蒸発散やCO_2交換特性,それらの年々変動特性について詳細な解析を行い,蒸発散および樹冠上CO_2交換がほとんど年々変動せず安定していることを明らかにした。3.カンボジアの常緑林における観測から,高木による深部土壌水分の蒸散への利用が無くなった場合の水熱環境への影響をモデルにより算出した。その結果,乾季末での蒸散量は20%前後に減少し,表面温度は日平均で1.01.2°C,最大で6°C上昇することが示された。4.タイの2サイトにおけるフラックス観測によるデータの整備を行うとともに,フェノロジーの年々変動の規模を明らかにし,展葉時期の変動は降雨開始時期の違いにともなう土壌水分変化の違いで表現できることを明らかにした。5.降雨パターンの違いを持つマレーシア熱帯雨林とダイ熱帯常緑季節林において,降雨の季節変動と年々変動が土壌水分動態に与える影響を調べた。主に植物による利用可能水分に関する生態系の頑健さは,マレーシアでは土壌物理性,タイでは植物の根系深度と湿潤季から乾燥季に持ち越される水分に起因することが明らかとなった。6.代表的な陸域生態系モデルの一つであるBime-BGCを東南アジア森林生態系に適用し,現時点での問題点を探った。その結果,いくつかの重要な現象が再現できず,Biome-BGCを東南アジアに適用するにはメカニズムの改良・追加が必要なことがわかった。7.煙霧等による散乱光量子量の変動がガス交換特性に与える影響を評価するために,散乱光量子計をマレーシアとインドネシアのサイトに設置した。1.平成21年度に試作した「樹冠定点映像記録装置」試作機の野外試運転を開始し,長期運転に必要な改良を行うとともに,並行して装置の量産を開始した。2.フラックスの変動解析のために,単純な時間平均でなく,晴天日(最大日射量の多寡で分類),曇天日,降雨日で分けてアンサンブル平均をとる手法を検討した。3.半島マレーシア熱帯雨林およびタイ北部熱帯落葉季節林,常緑季節林等においてタワーフラックス観測を行うとともに,東南アジア8サイトにおける比較解析を行うためのデータベース構築作業を行った。4.不均一な気孔開閉を含む気孔開閉による蒸散・光合成の制御の仕組みを明らかにし,炭素・酸素安定同位体比を利用した新たなガス交換特性の解析を行うために,気孔開閉の不均一性が炭素安定同位体分別に与える影響について解析した。モデルを利用した解析の結果,気孔開閉の不均一性はガス交換特性を大きく変化させるが,同位体分別はおおむねそのガス交換特性を反映した物となることが示された。5.タイ北部にある常緑性の熱帯季節林と落葉性の熱帯季節林において,顕熱・潜熱フラックスとCO_2フラックスのデータセットを整備した。ここで整備したデータセットは,東南アジアの多様な森林サイト間のフラックスの諸特性の横断的解析に貢献する。6.カンボジア国の低地常緑林を対象に,decoupling coefficient(Ω)の特性を解析した。Ωの日平均値は,主に0.3以下であり,年平均値は0.13であった。既往報告例に比べると小さかった。7.メカニスティックな水・炭素循環モデルに確率モデルを援用してマレーシア・ランビル国立公園における樹木の水利用戦略を考察した。その結果,従来乾燥地にはびこると考えられるAnisohydric植物が強湿潤条件でもはびこる可能性があることが示された。主に,インドネシア中部カリマンタン州の熱帯泥炭林における観測データの解析を行った。結果の概要は以下の通りである。1.環境撹乱(排水,火災)の程度が異なる3つの熱帯泥炭林生態系において渦相関法によって連続観測されたCO2フラックスのデータを解析した。その結果,1未撹乱の泥炭林でも,年間のCO2放出量(生態系呼吸,RE)はCO2吸収量(光合成,GPP)を上回り, CO2ソースとなっていた,2排水や火災による攪乱の程度が強いほど,正味CO2放出量(NEE = RE - GPP)が大きくなった,3CO2放出量は地下水位(水文環境)の影響を強く受け,年間値については地下水位との間に優位な負の相関が得られた,4正味CO2放出量の年次変動は大きく,乾期が長くなるエルニーニョ年に多くのCO2が放出される,などが明らかになった。

2.火災で植生が焼失した泥炭林跡地において,チャンバー法を用いて泥炭の好気的分解にともなうCO2放出量(RP)の測定を行った。RPは,乾期に上昇し雨期に低下した。RPは,地下水位の低下にともない対数的,あるいは直線的に上昇した。これは主に,地下水位の低下によって土壌の不飽和層が厚くなり,土壌中への酸素の供給量が増加したことによる。一方,地温とRPの関係は複雑で,RPの温度応答(Q10)は地下水位が下がるにつれて小さくなった。地下水位が高いときにはQ10は大きかったが,飽和条件ではRPは大きく低下した。また,深くなるにしたがい地温の変動が小さくなる。したがって,RPに与える地温の影響はそれほど大きくないと考えられる。RPの年積算値は,382362 gC m-2 y-1となった。これらの年積算値は,渦相関法で測定されたREの2124%に相当した。モデルによる結果は,年平均地下水位が0.1 m低下するとRPが89 gC m-2上昇することを示唆した。24年度が最終年度であるため、記入しない。
QMDの高速化に向けた相互作用積分の数値解法に関する研究

電荷移動を伴う化学反応系に対して,分子動力学解析を効率的に行うための新規手法を提案する.原子核と電子の複合ダイナミクスを扱う量子分子動力学解析(QMD)において律速となる電子状態解析の効率化が重要な課題である.そこで,反応過程に強く寄与する電子のみに注目し,それらに対して量子力学計算を用いることにより原子核とともに時間発展させる.これにより,非平衡かつ非定常の電子の振る舞いを加味した効率的なQMD解析が可能となる.本研究課題は,分子動力学法に電荷移動の効果を考慮することにより,電気化学反応(酸化還元反応)等工学的に注目される分野において量子力学・量子化学解析手法を適用することを目標として電子波動関数の遷移に関する数値解析手法の効率化を試みたものである.平成23年度には,第一原理電子状態計算および分子動力学法をコンシステントに解くことにより,各時点で平衡状態を仮定した条件下での電荷移動を伴う分子動力学解析を行い,グラフェン表面における水素分子の解離吸着の可能性を示した.ひずみを持つグラフェン表面には電荷分布の偏りがあり,水素分子の衝突とともに水素分子からグラフェンへの電荷移動が生じるとともに,一方の水素原子が電子状態のひずみを緩和するように吸着し,他方は中性原子として解離することが示された.さらに,電子過程についても非平衡状態を考慮するために,原子核の移動に伴う静電ポテンシャルの遷移に対する電子波動関数の伝播の数値解析手法を提案し,原子核の移動に伴う非平衡電子過程の解析例を示すことに成功した.平成24年度には,電極表面での電荷移動を伴う電流電圧特性の解析に対して,本解析手法の有効性を示すため,電極より放出される価電子が分子の静電ポテンシャルの散乱を受けながら非平衡定常状態に至る系を数値解析を用いて実現した.初期条件で与えられる速度分布と電子が分子に散乱された後の分布の差から,それらが定常になる条件を見出す手法を見出した.この手法を用いて,トンネル電流による一分子検出の実験結果に対して定性的一致を示すことに成功した.今後は,更なる高速かつ高効率化を目指すために本研究結果より得られた価電子帯近傍にある電荷の移動に集中した解析に特化することが課題であり,その結果より実験結果に対する定量的評価が継続的な目標である.電荷移動を伴う化学反応系に対して,分子動力学解析を効率的に行うための新規手法を提案する.原子核と電子の複合ダイナミクスを扱う量子分子動力学解析(QMD)において律速となる電子状態解析の効率化が重要な課題である.そこで,反応過程に強く寄与する電子のみに注目し,それらに対して量子力学計算を用いることにより原子核とともに時間発展させる.これにより,非平衡かつ非定常の電子の振る舞いを加味した効率的なQMD解析が可能となる.本研究では,電荷移動を伴う分子流動現象に関する量子分子動力学解析(QMD)の超高速化を目指し,従来法を超越する数値解析手法の開発に取り組む.近年のバイオ・ナノデバイス開発の加速度的な発展において,本研究のQMDはミクロスケールにおける電子の挙動をも忠実に予測する技術となることが期待される.電子の流動を分子動力学解析とカップルさせるためには,電子の時間発展とともに原子核と電子間の相互作用を計算する必要があり,従来の分子動力学解析に比して膨大な計算を必要とすることが難題のひとつである.そこで本研究では,大規模系におけるQMD解析を実現するために有効な電子波動関数の展開法と求積法を開発する.電子について古典粒子と量子としての混在を許しながら,量子としての電子については数値積分により相互作用を計算する.そのとき,原子間結合を形成する電子についてのみ高精度の計算を要求し,それ以外の電子については計算の高速化を重視する簡便法を提案する.本研究により,これまでは現実的ではなかった生体高分子の電気的応答特性やナノ構造物の電気伝導性等のダイナミクスに関する数値解析が実現される.平成23年度は,原子核の運動に伴う電子波動関数の時間発展について,その振る舞いを調べた.二状態の原子配置から,それらの間にあると考えられる原子配置を線形補完で与えることにより,原子核の運動と電子波動関数の移動を同じ時間スケールで計算を行った.その結果,分子構造に対して電荷移動の影響が小さいと考えられる系については,第一原理分子動力学の結果と一致を見たが,電荷移動の影響が大きいと考えられる系において電子は基底状態から外れた経路を動くことが示された.本結果については,専門分野の国際会議にて発表を行った.今後は,励起する電子波動関数を見極め,それについて計算効率を上げるための工夫を行う.上述にあるように,当初に目標としていた計画は着実に進行していると言える.また,研究を遂行する上で,次に解決すべき課題も提示された.本研究に関連した研究成果が査読付き海外学術雑誌に掲載された.また,国際会議にて成果発表を行った.次年度において,電子波動関数のクラス分けを行うことにより,量子力学的に扱うべきエネルギー準位とイオン核周りに安定して存在している領域に分け,動力学の計算精度向上と高効率化を目指す.分子構造の変化に伴い,その影響を強く受けると考えられる準位については高精度の積分計算を要求されることから,それを見極めながら計算方法に工夫を施す必要性が本年度の結果より明らかとなった.一方,化学結合を強く形成しているエネルギー準位にある電子に対しては,微小な分子構造変化の間は線形補完で近似することが可能と仮定する.このように,高精度を要求する計算領域に計算コストをかけ,その分,微小変化と見れる領域は計算精度を落としながらも,現象の本質を表す手法を提案することを目標とする.次年度は,高精度の計算が要求されることから相当の計算機資源が必要になると考えられる.

そのため,今年度に導入したワークステーションを駆使しながらも,大規模高精度計算については,外部研究機関の計算機センターの使用を検討する.そのための計算機使用料として予算を計上する.また,データのストレージにも専用ファイルサーバや大容量ハードディスクの導入を想定している.また,研究成果については積極的に国際会議にて発表することからその旅費を計上する.
X線CTおよび非接触型三次元計測装置より得た顎顔面軟組織形状の統合・分析・評価

顎顔面の硬組織変化に対する軟組織変化について検討することを目的とし、予備研究としてCTおよび非接触型三次元計測装置から得られた顎顔面硬軟組織情報の統合、評価を試みた。対象は骨格および顔面形態精査のためCT撮影および顎顔面三次元計測を行った顎変形症患者15名とした。CTはSomatom Plus4 VolumZoom(Siemens、Germany)を用い、医療画像ビューアOsiriXにて軟組織データの抽出を行った。顎顔面軟組織の計測には、非接触型三次元計測装置VMH-300F(UNISN、大阪)を用いた。この2つのモダリティから得られたデータはそれぞれ三次元汎用フォーマットであるSTL形式に変換し、リバースエンジニアリングソフトウェアImageware 12(UGS PLM Solutions、USA)上で重ね合わせを行った。この2つのモダリティのデータは、各々約数万個の点で構成される不規則な点表現の集合体である。そのままでは他群の点群データと一対一で対応しない。そのためImageware 12上で、対象としたい片方の点群データをポリゴンメッシュ化することでその解決を図った。その結果、CTで得られた顎顔面軟組織と非接触型三元計測装置から得られた顎顔面軟組織との重ね合わせの平均の誤差は1.32+/-1.03mmであった。本結果から、非接触型三次元計測装置を用いることで上記レベルでX線被曝が無く非侵襲かつ簡便な顎顔面軟組織の計測、評価が行いえるものと考えられ、顎顔面の評価手法として臨床応用が行いうると思われる。今後の展望として、(セファログラムなどの)従来からの手法との比較評価を行い、顎顔面の硬軟組織の三次元的分析手法の確立を目指し、さらには非接触型三次元計測装置データを筋骨格系を含めたボリュームデータへ還元し、術前・術後の顔貌予測シミュレーションへの応用を検討課題としている。「非接触型三次元顎顔面形態計測装置で得られた情報は、X線CTから得られた画像情報(DICOM3)より再構築された三次元画像より得られる顎顔面の軟組織情報と一致するか否か」について、顎顔面軟組織形態の計測装置として非接触型三次元形状計測装置SURFLACERVMH-300F(UNISN)を、またX線CT撮影には、本学歯科放射線科が有する装置Somatom Plus4Volum Zoom (Siemens)を用いている。軟組織の抽出はソフトウェア:Osirix上で行った。VMH-300Fにより得られるデータは、約5万個の点で構成される点群データの集合体である。これらは不規則な点表現の集合体であり、そのままでは他群の点群データと一対一で対応しない。そのため比較・評価を行うにあたり、その変換手法として対象としたい片方の点群データをポリゴンメッシュ化することでその解決を図った。平成20年2月の時点でデータの収集は完了し、また上記の分析手法の確立もほぼ完了し、データの統合を開始している。具体的には、アーチファクトなど今析にあたり障害となるノイズの除去、またX線CTで得たDIOCOMデータをSTL形式での変換操作を行っている。その操作には、Windows OSPC(ソフトウェア:SIMPLANTCMFVer.11、Imageware Ver.9など)およびMac OSPC(Osirix)の両方を同時に使用している。平成20年3月より統合された各データの分析、評価を開始している。
パ-タベーション・アナリシスによる待ち行列モデルの動的制御に関する研究

研究課題遂行のため,以下の基礎的研究を行った.●特性の異なる種々のトラヒックをもつ通信システムを,複数の客のクラスをもつ待ち行列としてモデル化し,パ-タベーション・アナリシスを用いて,それぞれのクラスの客のサービス時間の分布のパラメータに関する感度推定を行なった.●離散時間型の待ち行列モデルに対する感度推定法を提案した.●パ-タベーシヨン・アナリシスによって得られる勾配の推定値を用いた制御パラメータの更新手続きを示し,定常な入力を持つ待ち行列に対して,更新ごとのパラメータの値がつくる確率過程に,弱い意味での定常解が存在することを示した.●バ-タベーション・アナリシスをポアソン埋め込み法と呼ばれる考え方と組み合わせることにより,稀少事象を短時間で推定する手法を提案した.●上記の理論的結果を実際にシミュレーションを行い検証した.研究課題遂行のため,以下の基礎的研究を行った.●特性の異なる種々のトラヒックをもつ通信システムを,複数の客のクラスをもつ待ち行列としてモデル化し,パ-タベーション・アナリシスを用いて,それぞれのクラスの客のサービス時間の分布のパラメータに関する感度推定を行なった.●離散時間型の待ち行列モデルに対する感度推定法を提案した.●パ-タベーシヨン・アナリシスによって得られる勾配の推定値を用いた制御パラメータの更新手続きを示し,定常な入力を持つ待ち行列に対して,更新ごとのパラメータの値がつくる確率過程に,弱い意味での定常解が存在することを示した.●バ-タベーション・アナリシスをポアソン埋め込み法と呼ばれる考え方と組み合わせることにより,稀少事象を短時間で推定する手法を提案した.●上記の理論的結果を実際にシミュレーションを行い検証した.
非線形偏微分方程式の逆問題及び制御問題の研究

非線形偏微分方程式に対する逆問題の研究は揺藍期にあり、今後研究が飛躍的に盛んになると思われる。このような状況の中で、研究代表者と日本学術振興会外国人特別研究員のJishan Fanは、流体方程式や非線形波動方程式の逆問題について先駆的な研究を試みると同時に、逆問題解析に必要な解の正則性について研究した。得られた研究成果は以下の(i)(iii)である。i)解の正則性研究:Navier-Stokes方程式やMHD方程式について、解の正則性を保証する従来の条件を改良した。(論文[2],[3])(ii)流体方程式の逆問題の研究:Navier-Stokes方程式の粘性係数が、未知でしかも場所に依存する場合に、境界近くで解の情報と初期データの情報が得られるとして、これらの情報から未知粘性係数の同定に関する安定性評価を与えた。(論文[1])安定性評価は、当該逆問題の設定、その非適切性の度合いを図る尺度として重要である。(iii)非線形波動方程式の逆問題の研究:非線形項が解の勾配微分にのみ依存するような空間多次元非線形波動方程式について、ある種の解の境界における情報から非線形項のテーラー展開係数決定を、第二次まで求める研究を行った。まだ、研究は完了していないが、ほぼ研究完了の見通しが立った。将来的には、所謂高次弾性テンソルの測定方法の理論への糸口となる研究である。Navier-Stokes方程式と関連する方程式に対して、(i)解の正則性と(ii)逆問題について研究を行った。次に(i)、(ii)の概要について述べる。(i)Leray-HopfによりNavier-Stokes方程式の時間大域的弱解の存在が示されてから約半世紀が経過したが、未だにこの弱解の一意性、正則性は不明である。弱解の正則性については、Serrinによる結果が最初の目覚しい結果である。この結果以後多くの研究がなされ、儀我、小薗、小川、谷内等の日本人研究者が貢献してきた。今回Fan博士は早稲田大学の小澤徹教授と共に、BMO空間における補間不等式を示すことにより、圧力勾配に関するある種の仮定のもとで、Berselli-Galdi-Zhouによる弱解の正則性の結果を拡張することに成功した。この結果は、雑誌論文項目の第一論文として発表した。(ii)Navier-Stokes方程式を使って具体的な問題をモデリングする場合には、Navier-Stokes方程式に含まれる粘性係数やソース項を、計測データから如何に同定(決定と同義語)するかが問題となる。このような問題は逆問題と呼ばれでいる。雑誌論文項目の第二論文では、質量にも依存するNavier-Stokes方程式のソース項同定逆問題の解か、時間局所的に存在することを示した。ここで用いられた方法は、逆問題を第二種のFredholm型非線形積分方程式に変換した後、Tikhonovの不動点定理を適用して、この非線形積分方程式が一意に時間局所的に解を持つことを示す方法である。この論文の結果は、A.I.Prilepko達が行った流体の質量が一様な場合の結果を、拡張したことに他ならない。我々の研究方法とA.I.Prilepko達の研究方法の違いは、彼らがSchauderの不動点定理を用いたのに対して、我々はTikhonovの不動点定理を用いた点にある。Tikhonovの不動点定理の方が適用範囲が広く、使いやすいことをうまく我々の逆問題に適用出来たことがこの論文の成果につながったといえる。Navier-Stokes方程式やBoussinesq方程式の初期値問題や初期値境界値問題などの順問題は、長年にわたって多くの数学者によって研究されてきた。順問題研究の応用においては、順問題の解が現象を記述するように順問題に含まれる物理係数のモデリングが重要である。一旦このモデリングが定まると、そのモデルを使って現象の要因解析や品質・安全管理のための非破壊検査を考えることができる。例えば、Navier-Stokes方程式の順問題に含まれる物理係数としては、ソース項や粘性係数などがある。これら物理係数のどれかが未知であるとき、Navier-Stokes方程式の順問題の解に関する情報からこれらの未知物理係数を求める問題は、逆問題である。以下では、未知ソース項を求める逆問題をソース項同定逆問題と呼び、未知粘性係数を求める逆問題を粘性係数同定逆問題と呼ぶことにする。粘性係数同定逆問題に関する本研究では、領域境界近傍における解の情報による未知粘性係数同定について研究し、負指数のL&^2 Sobolev空間におけるCarleman評価を用いてLipschitz安定性が成り立つことを示した。Boussinesq方程式については、ソース項同定逆問題と未知初期値を同定する逆問題について研究した。ソース項同定逆問題については、領域内の任意微小領域上での速度を一定時間計測して得られるデータとある一定時刻における温度をこの微小領域上で計測して得られるデータから未知ソース項を同定する逆問題に関して、Lipschitz安定性が成り立つことを示した。また未知初期値を同定する逆問題については、領域内の任意微小領域上のBoussinesq方程式の順問題の解の情報から二つの未知初期値の同定する逆問題に関して、条件安定性が成り立つことを示した。

このような状況の中で、研究代表者と日本学術振興会外国人特別研究員のJishan Fanは、流体方程式や非線形波動方程式の逆問題について先駆的な研究を試みると同時に、逆問題解析に必要な解の正則性について研究した。得られた研究成果は以下の(i)(iii)である。i)解の正則性研究:Navier-Stokes方程式やMHD方程式について、解の正則性を保証する従来の条件を改良した。(論文[2],[3])(ii)流体方程式の逆問題の研究:Navier-Stokes方程式の粘性係数が、未知でしかも場所に依存する場合に、境界近くで解の情報と初期データの情報が得られるとして、これらの情報から未知粘性係数の同定に関する安定性評価を与えた。(論文[1])安定性評価は、当該逆問題の設定、その非適切性の度合いを図る尺度として重要である。(iii)非線形波動方程式の逆問題の研究:非線形項が解の勾配微分にのみ依存するような空間多次元非線形波動方程式について、ある種の解の境界における情報から非線形項のテーラー展開係数決定を、第二次まで求める研究を行った。まだ、研究は完了していないが、ほぼ研究完了の見通しが立った。将来的には、所謂高次弾性テンソルの測定方法の理論への糸口となる研究である。
効果的なeラーニング・マルチメディア・コンテンツの開発法

本研究では、マルチメディア・eラーニング環境において、ポインタにより聴覚コンテンツと視覚コンテンツの同期を支援する教材提示方法を提案し、実験でアイマークレコーダを用いて視覚と聴覚の同期が改善されることを示した。また、eラーニングにおいては、タブレットPCを利用した画面上への直接のメモ書きを行いながらの学習によって、外的認知負荷が軽減され、学習効果が高まることを示した。マルチメディア・コンテンツでは静止画または動画とナレーションの組み合わせが効果的であるとされている。しかし、講師個人がコンテンツを作成する場合、静止画と動画を頻繁に使うことはコストがかかるため、コストがかからないテキストを使ったコンテンツ作成が中心となる。テキストコンテンツにおいても、静止画と動画に劣らない学習効果を得られるようにすることが重要である。本研究では、眼球運動測定装置であるアイマークレコーダを用いて、受講者の眼球運動を測定することで、外的認知負荷軽減の観点から、eラーニングにおけるコストパフォーマンスに優れた効果的なコンテンツ開発法を示すことが目的である。平成21年度は、eラーニング・マルチメディア・コンテンツを用いた学習環境に関する実験を行った。具体的には、メモ等のノートテイキングを行いながらeラーニングを学習する場合を想定し、学習者の認知負荷が少なく学習効果が高い書き込み方法を、紙媒体、キーボード、ペンタブレット、タブレットPCを用いて比較実験を行った。マルチメディア・コンテンツは、静止画または動画といった視覚情報とナレーション等の聴覚情報の組み合わせが効果的であるとされている。eラーニング・コンテンツの増加や普及のためにも、コストをかけず容易に作成できるコンテンツでも、静止画と動画に劣らない学習効果を得られるようにすることが重要である。本研究では、眼球運動測定装置であるアイマークレコーダを用いて、受講者の眼球運動を測定することで、外的認知負荷軽減の観点から、eラーニング環境におけるコストパフォーマンスに優れた効果的なコンテンツ開発法を示すことが目的である。平成22年度は、eラーニング・マルチメディア・コンテンツを用いた学習環境に関する実験の追加実験を行い、詳細に検証を行った。具体的には、タブレットPCを用いた学習時における、被験者のマルチメディア・コンテンツ上での注視点の測定を行い、外的認知負荷の軽減と学習効果を検証した。その結果、マルチメディア・コンテンツを提示するeラーニングにおいて、タブレットPCを用いた学習が効果的であることが示唆された。この結果から、紙とペンと同じように、書込みながら学習を行えるコンテンツの作成を行った。しかし、講師個人がコンテンツを作成する場合、動画を頻繁に使うことはコストがかかるため、比較的コストがかからないテキストや静止画を使ったコンテンツ作成が中心となる。eラーニング・コンテンツの増加や普及のためにも、コストをかけず容易に作成できるコンテンツでも、動画に劣らない学習効果を得られるようにすることが重要である。本研究では、マルチメディア・eラーニング環境において、ポインタによる学習者の注視点の誘導によって、聴覚コンテンツと視覚コンテンツの同期を支援する教材提示方法を提案し、アイマークレコーダを用いた実験から視覚と聴覚の同期が改善され、学習内容の理解も向上することを示した。また、eラーニングにおいては、タブレットPCを利用した画面上への直接のメモ書きを行いながらの学習によって、外的認知負荷が軽減され、マルチメディア・コンテンツの有益性を損なうことなく学習でき、学習効果も高まることを示した。これらの提示方法と学習環境の実験から、静止画とナレーションを組み合わせたコンテンツが、表現方法の拡張性や作成の容易性から、コストパフォーマンスに優れた効果的なコンテンツであることが示唆された。平成23年度は、前年度までの実験結果をまとめ、論文投稿を行った。
2ビーム半導体レーザ端面励起法による固体レーザの高次横モード発振の制御と高出力化

2ビーム励起によるマイクロチップ固体レーザの高次横モードの高出力化に向けて,申請時に掲げた下記実施計画ついての研究成果を述べる.実施計画1:「2ビーム励起法」の有効性を検証する前段階として,先ず,単一LD励起における,励起ビームの集光条件と所望高次モードを保持できる励起パワー領域(即ち,dynamic range ; DR)の関係を追求した,1mm厚a-cut,Nd:GdVO_4結晶を内蔵した共振器長5mmの半共焦点マイクロチップレーザについて,開口数(NA)=0.1,0.25,及び0.28の対物レンズによる半導体レーザ(LD)励起を行った.軸ずれ励起条件を変え,Hermite-Gauss HG(1,0)の選択励起を実施した結果,NA=0.28の長作動距離対物レンズによる励起(励起スポットサイズ,w_p=15μm)において,使用LDの最大出力パワー(800mW)まで安定なHG(1,0)モード発振が実現された.小さいNAレンズでは,W_pの増加により発振ビーム径との整合条件が破綻し,HG(0,0)など,他の横モードとの競合が生ずることが確認された.また,横モードの次数の増加とともに,励起ターゲットスポット径が減少するため,モード整合が破綻し,DRの著しい低下が生じた.実施計画2:上記実験結果を踏まえ,「2ビーム励起」実験を行った.対を成すターゲットスポットの2ビーム励起により,モード整合の破綻を補い,高次Ince-Gauss(IG)モード選択発振のDR拡大が確認された.実施計画3:上記の2つの実験で用いたレーザ共振器において,光学的に等方的なc-cut,Nd:GdVO_4結晶を用い,直交偏光IGモードペアの選択励起と横モード同期に基づく偏光ベクトルレーザ発振とその応用研究を実施し,以下の成果が得られた.(1)ベクトルレーザを自己混合レーザ速度計測に適用し,直線偏光レーザと比較実験を行い,被測定物からのランダムな偏光状態を有するドップラーシフト散乱帰還光とレーザ光との干渉効果とビート波での自己混合変調効果の増強を定量的に検討し,20dBの信号強度の増加を検証した[次ページのJJAP論文].(2)発振モード偏光の励起光偏光依存性に起因する,ベクトルレーザの偏光制御及び強度雑音の偏光依存性を見出し,理論的に検証した,-15dBの強度雑音の減少が確認され,低雑音直線偏光出力が得られた.[次ページのOptics Letter論文].(3)実施計画1でのHG(1,0)のモード整合励起条件を2ビーム励起に適用し,円筒対称ベクトルレーザ発振を実現した.[次ページのOptics Letter論文]2ビーム励起によるマイクロチップ固体レーザの高次横モードの高出力化に向けて,申請時に掲げた下記実施計画ついての研究成果を述べる.実施計画1:「2ビーム励起法」の有効性を検証する前段階として,先ず,単一LD励起における,励起ビームの集光条件と所望高次モードを保持できる励起パワー領域(即ち,dynamic range ; DR)の関係を追求した,1mm厚a-cut,Nd:GdVO_4結晶を内蔵した共振器長5mmの半共焦点マイクロチップレーザについて,開口数(NA)=0.1,0.25,及び0.28の対物レンズによる半導体レーザ(LD)励起を行った.軸ずれ励起条件を変え,Hermite-Gauss HG(1,0)の選択励起を実施した結果,NA=0.28の長作動距離対物レンズによる励起(励起スポットサイズ,w_p=15μm)において,使用LDの最大出力パワー(800mW)まで安定なHG(1,0)モード発振が実現された.小さいNAレンズでは,W_pの増加により発振ビーム径との整合条件が破綻し,HG(0,0)など,他の横モードとの競合が生ずることが確認された.また,横モードの次数の増加とともに,励起ターゲットスポット径が減少するため,モード整合が破綻し,DRの著しい低下が生じた.実施計画2:上記実験結果を踏まえ,「2ビーム励起」実験を行った.対を成すターゲットスポットの2ビーム励起により,モード整合の破綻を補い,高次Ince-Gauss(IG)モード選択発振のDR拡大が確認された.実施計画3:上記の2つの実験で用いたレーザ共振器において,光学的に等方的なc-cut,Nd:GdVO_4結晶を用い,直交偏光IGモードペアの選択励起と横モード同期に基づく偏光ベクトルレーザ発振とその応用研究を実施し,以下の成果が得られた.(1)ベクトルレーザを自己混合レーザ速度計測に適用し,直線偏光レーザと比較実験を行い,被測定物からのランダムな偏光状態を有するドップラーシフト散乱帰還光とレーザ光との干渉効果とビート波での自己混合変調効果の増強を定量的に検討し,20dBの信号強度の増加を検証した[次ページのJJAP論文].(2)発振モード偏光の励起光偏光依存性に起因する,ベクトルレーザの偏光制御及び強度雑音の偏光依存性を見出し,理論的に検証した,-15dBの強度雑音の減少が確認され,低雑音直線偏光出力が得られた.[次ページのOptics Letter論文].(3)実施計画

1でのHG(1,0)のモード整合励起条件を2ビーム励起に適用し,円筒対称ベクトルレーザ発振を実現した.[次ページのOptics Letter論文]
血流量, 内耳液酸素分圧, 内耳液圧測定による内耳血液循環動態の研究

内耳リンパ液のクリアランス,静水圧,酸素分圧を指標として内耳血液循環動態を検討,更に薬剤負荷による循環動態の変動を促えた.1.水素クリアランス法による内外リンパ循環動態の研究:外リンパに比し,内リンパの代謝の方が高く,グリセロールにより代謝が高まることが明らかとなったが,フロセマイド,マンニトールはその代謝に影響を与えなかった.2.サーボ圧測定装置による内外リンパ圧測定:生理的状態においては,内外リンパ圧に有意の差は見られなかった.無酸素下,グリセロール投与によっても内外リンパ圧差は生じなかった.3.ポーラログラフィーによる内耳リンパ酸素分圧測定:内リンパ電位(EP)と外リンパ酸素分圧の同時測定を行い,無酸素下,利尿剤負荷条件下での相互の関連性を検討しているが,結論を出すには至っていない.今後,内外リンパ圧変動による内耳酸素供給量の変動,実験的内リンパ水腫における内外リンパの循環動態,静水圧変動,酸素供給量の変動などを検討し,メニエール病の病態解明を行っていく予定である.内耳リンパ液のクリアランス,静水圧,酸素分圧を指標として内耳血液循環動態を検討,更に薬剤負荷による循環動態の変動を促えた.1.水素クリアランス法による内外リンパ循環動態の研究:外リンパに比し,内リンパの代謝の方が高く,グリセロールにより代謝が高まることが明らかとなったが,フロセマイド,マンニトールはその代謝に影響を与えなかった.2.サーボ圧測定装置による内外リンパ圧測定:生理的状態においては,内外リンパ圧に有意の差は見られなかった.無酸素下,グリセロール投与によっても内外リンパ圧差は生じなかった.3.ポーラログラフィーによる内耳リンパ酸素分圧測定:内リンパ電位(EP)と外リンパ酸素分圧の同時測定を行い,無酸素下,利尿剤負荷条件下での相互の関連性を検討しているが,結論を出すには至っていない.今後,内外リンパ圧変動による内耳酸素供給量の変動,実験的内リンパ水腫における内外リンパの循環動態,静水圧変動,酸素供給量の変動などを検討し,メニエール病の病態解明を行っていく予定である.難聴、耳鳴、めまいなどの病態には内耳血液循環障害が関与していることが予測される。微小循環である内耳血管系に関しては、内耳は解剖学的に微細でありこの制約が大きく、十分解明されていない。1.ポーラログラフィによる酸素分圧測定15μの白金線を封入したガラス電極を作成し、モルモット正円窓より挿入することにより安定して外リンパ液酸素分圧が測定出来るようになった。現在、内耳血流に影響を及ぼすと予測される諸条件、例えば無呼吸などの負荷を与えて、外リンパ酸素分圧の変動を測定している。今後の研究のため、内耳血流障害モデルとして用いることの出来る安定した条件が確立し始めた。来年度、病的状態における外リンパ液の酸素分圧を測定する予定である。2.水素クリアランス法による血流測定30μの水素電極を蝸牛血管条に挿入し、血管条血流量を測定出来るようになった。現在は正常モルモットにおいてのみ測定しているが、今後各種薬剤負荷による変化、酸素分圧との関係などを検討する。3.サーボシステムによる内耳液圧測定微小ガラスピペットを蝸牛骨包より鼓室階に挿入し、血流変化時の内リンパ圧測定を行っている。統計処理に耐え得る例数に達すれば、学会誌に報告する予定である(来年度)。
非線形力学系理論に基づく代数的CT画像再構成の高速化

医用X線CTの逐次再構成法は,フィルタ補正逆投影法よりも高品質な再構成画像が得られることに特長があるが,繰返しによる計算時間が長いことが原因で実用化には至っていない.本研究代表者は,離散力学系としての逐次再構成アルゴリズムを非線形力学系の固定点方程式の求解問題に帰着させることにより,計算時間の劇的な短縮が可能であることを示した.本研究期間において,提案手法の理論的証明とプログラム開発による実験結果の検証を行った.研究実績の概要は次の通りであり.申請時において設定した目標を達成させることができた.1.代数的再構成法から導かれた離散時間非線形力学系の性質を調べ,収束性を理論的に検討した.すなわち,固定点方程式の求解に反復法を適用するために必要となる固定点方程式のヤコビ行列の対称性を証明した.さらに,固定点方程式の解に関する特性乗数により固定点の安定性を評価し,最尤法が代数的再構成法よりも高速であることを理論的に示した.2.固定点方程式を最急降下法及び共役勾配法で求める手法を検討した.代数的再構成法から導かれた反復方程式を共役勾配法で求解する方法が最も高速に真値の近似値を推定できることがわかった.3.理論的考察と並行して,提案手法のプログラム開発を行い,数値演算用計算機にインプリメントしたプログラムを用いて,種々のファントムデータに適用を行った.本提案手法のメリットは金属アーチファクトの削減効果にあることから,ファントムデータに仮定する金属部の位置や面積を変化させて実験を行い,金属部に関する条件が適用結果にどのような問題を与えるか検討した.4.実験結果より,従来の代数的再構成法の長所である金属アーチファクトに対する優秀な削減効果を活かしながら,収束速度が遅いという欠点の克服が可能であることが例証された.医用X線CTの逐次再構成法は,フィルタ補正逆投影法よりも高品質な再構成画像が得られることに特長があるが,繰返しによる計算時間が長いことが原因で実用化には至っていない.本研究代表者は,離散力学系としての逐次再構成アルゴリズムを非線形力学系の固定点方程式の求解問題に帰着させることにより,計算時間の劇的な短縮が可能であることを示した.本研究期間において,提案手法の理論的証明とプログラム開発による実験結果の検証を行った.研究実績の概要は次の通りであり.申請時において設定した目標を達成させることができた.1.代数的再構成法から導かれた離散時間非線形力学系の性質を調べ,収束性を理論的に検討した.すなわち,固定点方程式の求解に反復法を適用するために必要となる固定点方程式のヤコビ行列の対称性を証明した.さらに,固定点方程式の解に関する特性乗数により固定点の安定性を評価し,最尤法が代数的再構成法よりも高速であることを理論的に示した.2.固定点方程式を最急降下法及び共役勾配法で求める手法を検討した.代数的再構成法から導かれた反復方程式を共役勾配法で求解する方法が最も高速に真値の近似値を推定できることがわかった.3.理論的考察と並行して,提案手法のプログラム開発を行い,数値演算用計算機にインプリメントしたプログラムを用いて,種々のファントムデータに適用を行った.本提案手法のメリットは金属アーチファクトの削減効果にあることから,ファントムデータに仮定する金属部の位置や面積を変化させて実験を行い,金属部に関する条件が適用結果にどのような問題を与えるか検討した.4.実験結果より,従来の代数的再構成法の長所である金属アーチファクトに対する優秀な削減効果を活かしながら,収束速度が遅いという欠点の克服が可能であることが例証された.医用X線CTの画像生成手続として逐次再構成法が知られているが,繰返しによる計算時間が長いことが原因で実用化には至っていない.ただし,臨床において一般的に用いられているフィルタ補正逆投影法よりも高品質な再構成画像が得られることから,逐次再構成法の改良に関する研究は従来までに多くおこなわれている.本研究代表者は,離散力学系としての逐次再構成アルゴリズムを非線形力学系の固定点方程式の求解問題に帰着させることにより,計算時間の劇的な短縮が可能であることを示唆した.提案手法を実用化させるため,本研究期間において,理論的証明とプログラム開発による実験結果の検証を行う.今年度の研究実績の概要は次の通り.1.代数的再構成法から導かれた離散時間非線形力学系の性質を調べ,収束性を理論的に検討した.すなわち,固定点方程式の求解に反復法を適用するために必要となる固定点方程式のヤコビ行列の対称性を証明した.さらに,固定点方程式の解に関する特性乗数により固定点の安定性を評価し,最尤法が代数的再構成法よりも高速であることを理論的に示した.2.固定点方程式を最急降下法及び共役勾配法で求める手法を検討した.代数的再構成法から導かれた反復方程式を共役勾配法で求解する方法が最も高速に真値の近似値を推定できることがわかった.3.理論的考察と並行して,提案手法のプログラム開発を行い,備品として購入した数値演算用計算機にインプリメントした.非線形力学系に関する国際会議で途中経過の発表を行い,今後の研究遂行における有用な示唆を得た.申請時において設定した今年度の目標を達成させることができた.医用X線CTの逐次再構成法は,フィルタ補正逆投影法よりも高品質な再構成画像が得られることに特長があるが,繰返しによる計算時間が長いことが原因で実用化には至っていない.