hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
中赤外分光法を応用した燃料成分の瞬時計測による燃料の自着火予測法の開発

本研究では中赤外レーザーを用いて炭化水素成分を計測し、燃料性状を把握する手法を開発するとともに、その燃料性状の着火性を、化学反応モデルを用いて予測できるようにすることを目的とし、特にバイオ燃料に特化して、バイオ燃料濃度の計測手法とその着火特性の予測に必要な化学反応モデルの構築を進めた。燃料性状は、中赤外分光法を応用し、燃料に含まれるバイオ燃料濃度を計測できる手法を開発した。さらに、バイオ燃料が含まれる場合の化学反応モデルを構築し、その着火性を予測可能にした。この成果により、バイオ燃料の含有量が未知な燃料においても、燃料の着火特性を予測でき、精度の高いエンジン制御などに応用できる。本研究では、中赤外分光法を応用した瞬時燃料性状把握手法を確立し、化学反応モデルを用いて先進内燃機関の燃焼制御として重要な因子の一つである予混合気の着火特性を予測する手法の開発を行うことを目的とする。2年の研究期間の中で、初年度は燃料に含まれるアルカン、アルケン、シクロアルカン、芳香族、含酸素炭化水素の代表成分を用いて、中赤外域における吸収スペクトルを取得する。2年度目は、含酸素成分であるバイオ燃料を対象として、量子カスケードレーザーを光源とした中赤外分光法を応用し、燃料濃度の定量計測手法を開発する。そして、化学反応モデル計算による着火予測を実施し、燃料の着火特性を予想する手法を構築する。初年度は、計画通り、ガソリンを対象として、ガソリンに含まれる代表成分の中赤外域における吸収スペクトルをフーリエ変換赤外吸収分光計を用いて計測した。また、現在バイオ燃料として注目されているエタノール、エチルターシャリーブチルエーテル、フラン類の吸収スペクトルも計測した。これらのスペクトルから、既存化石燃料に含有されているバイオ燃料濃度を計測できる吸収線の選択を行い、既存燃料中のバイオ燃料濃度を簡易に計測できる波長を示した。これらの成果により、既存燃料に混合されているバイオ燃料濃度の計測を簡便に実施することが可能となる。バイオ燃料濃度は、国や地域で異なることから、それらの燃料にも対応できるエンジン燃焼制御が必要であり、その制御のインプットとして、燃料成分濃度がわかることは重要であり、今後小型化ができれば、燃料センサーとして応用していくことも可能である。今後は、小型量子カスケードレーザーを準備し、燃料センサーに向けた小型装置の開発を継続するとともに、バイオ燃料を含む燃料の着火特性を予測するため、バイオ燃料成分を含む燃料の自着火実験および化学反応モデルの構築を進める。自動車用の燃料性状を把握するため、中赤外吸収分光法を応用した計測手法を開発することを目的に、平成28年度は、中赤外領域における燃料の吸収スペクトルを計測し、計測用の最適波長を決定した。特に、本研究では、既往燃料に含有するバイオ燃料濃度を計測することに特化した。実ガソリン、ガソリンの代表成分としてイソオクタン、ノルマルヘプタン、ジイソブチレン、メチルシクロヘキサン、トルエン、バイオ燃料として、エタノール、エチルターシャリーブチルエーテル(ETBE)、フラン類の中赤外領域の吸収スペクトルを計測した。一部は既往のスペクトルも存在し、それらとよく一致することを確認した。さらに、得られた吸収スペクトルから吸収断面積を決定した。エタノール、ETBE、フラン、2メチルフラン、2.5ージメチルフランの吸収スペクトルとガソリンの代表成分5種、実ガソリンのスペクトルを比較し、バイオ燃料成分を計測可能な最適吸収波長を決定した。現在、世界及び日本で混合されているエタノール及びETBEの最適波長を選定し、概ねエタノールは1090cmー1、ETBEは1116cmー1で計測できることを確認した。決定した波長により、定量的に濃度計測ができることを確認するため、選択した波長の濃度依存性を確認した。その結果、濃度の変化とスペクトルの吸収強度は1次に比例し、濃度計測が可能であることを確かめた。そこで、実際に市販のガソリンを用いて、実ガソリンに含まれるバイオ燃料の濃度を計測した。日本では、市販ガソリンにはETBEが含まれていることから、ETBEの計測を行った。その結果、市販ガソリンに含まれているETBEの濃度は約5.7%と得られ、市販ガソリン中のバイオ燃料濃度を計測できるようになった。研究成果は当初の計画通りであり、順調に進んでいると判断できる。本研究では中赤外吸収分光法を応用して炭化水素成分を計測することにより、燃料性状を把握する手法を開発するとともに、その燃料性状の着火性を、化学反応モデルを用いて予測できるようにすることを目的とし、特にバイオ燃料に特化して、燃料性状の計測手法と着火特性の予測に必要な化学反応モデルの構築を進めた。2年度目は、バイオ燃料の中でも、エチルターシャリーブチルエーテル(ETBE)の計測に絞り、1年度目に決定した計測波長の量子カスケードレーザーを光源に用意し、ガソリン中に含まれるETBEの濃度を計測できる装置を構築し、ETBEの濃度を市販のガソリンを用いて計測した。さらに、バイオ燃料として利用されているエタノール、ETBE、今後バイオ燃料として利用される可能性のある2メチルフランをガソリンに混合した場合の着火遅れ時間を、急速圧縮装置を用いて計測し、その着火遅れ時間を予測できる化学反応モデルの検証を実施した。エタノールを混合した場合は、概ね既存のモデルで着火特性を予測可能であるが、ETBEについては、着火特性を概ね予測できるが、低温域の着火特性について、改良が必要であることが明らかになった。2メチルフランについては、既存燃料に混合した場合の燃料の着火特性を予測できるモデルがなかったことから、化学反応モデルを新たに構築した。

以上より、ガソリンに混合されるバイオ燃料として考えられる化学種を既存ガソリンに混合した場合の着火特性について予測できるようになった。2年間の研究期間において、当初の目的を概ね達成した。今後は、燃料のオクタン価などの把握に中赤外分光を応用できないか、研究を継続していくとともに、中赤外分光による炭化水素計測に必要な分光定数の取得など、中赤外分光の発展に資する基礎研究も継続していく。本研究では中赤外レーザーを用いて炭化水素成分を計測し、燃料性状を把握する手法を開発するとともに、その燃料性状の着火性を、化学反応モデルを用いて予測できるようにすることを目的とし、特にバイオ燃料に特化して、バイオ燃料濃度の計測手法とその着火特性の予測に必要な化学反応モデルの構築を進めた。燃料性状は、中赤外分光法を応用し、燃料に含まれるバイオ燃料濃度を計測できる手法を開発した。さらに、バイオ燃料が含まれる場合の化学反応モデルを構築し、その着火性を予測可能にした。この成果により、バイオ燃料の含有量が未知な燃料においても、燃料の着火特性を予測でき、精度の高いエンジン制御などに応用できる。1年目にバイオ燃料濃度計測に最適な中赤外領域の波長を決定することができたことから、今年度は、その波長を発振可能な小型量子カスケードレーザーを用いて、バイオ燃料濃度計測が可能な装置を構築する。ガソリンに混合されるエチルターシャリーブチルエーテルおよびエタノールを対象として、光源を準備し、装置構築を実施する。実際に市販の燃料を用いて、それに含まれるバイオ燃料濃度を計測し、既往の成分分析装置と比較することにより、中赤外光源を用いた新たな燃料濃度計測手法の信頼性を確認する。燃料濃度がわかれば、着火時期を予測することが、化学反応計算により可能になる。しかし、バイオ燃料と既存燃料を混合した燃料の自着火特性を予測するモデルは少なく、また、着火特性を検証する着火遅れ時間などの基礎燃焼データが少ない。そこで、既往の研究で十分ではない、バイオ燃料を混合した場合の自着火特性に関して、急速圧縮装置を用いた実験によりデータを積み重ねていく。それらのデータを用いて、着火予測可能な化学反応モデルの検証および改良を実施する。特に、エタノール、エチルターシャリーブチルエーテルを混合した場合の着火遅れ時間を計測し、モデルの検証、改良を行う。燃料濃度予測および着火特性を予測するモデルを組み合わせ、瞬時燃料濃度計測による燃料の着火特性予測手法を開発する。熱工学初年度は、既存のフーリエ変換赤外吸収分光計を用いて、炭化水素燃料の基礎分光特性を取得し、燃料に含まれるバイオ燃料濃度を定量計測できる波長の決定を行うことが、主な目的であった。2年度目は、初年度の知見を活かし、バイオ燃料を計測できる小型量子カスケードレーザーを用意し、コンパクトな燃料濃度計測装置を構築し、その計測結果から燃料の着火特性の予測法を検討することが目的である。
心筋CaチャンネルのCa拮抗薬結合部位の同定と創薬への応用

臨床的に汎用されているCa拮抗薬のイオンチャンネル上での結合部位を分子レベルで明らかにした上で、これの基づいたドラッグデザインと合成を行い、その基礎的および臨床薬理学的検討を綿密に行うことは、より有効な循環器疾患治療薬の創製を可能ならしめる途である。本研究はCa拮抗薬の心筋Caチャンネル上での結合部位を、骨格筋チャンネルと対比しながら明らかにし、得られた結果をもとに心筋に選択性の高いCa拮抗薬の創製を目指した。平成7年度から2年間の研究で得られた知見を以下に要約する。1.代表的なCa拮抗薬である1,4-ジヒドロピリジン型薬物の心筋Caチャンネル上での結合部位は、骨格筋のチャンネルと一次構造上で同等部位であり、数個のアミノ酸残基の違いが薬物結合親和性を制御していることが強く示唆された。2.Ca拮抗薬の一つジルチアゼム型薬物1の、骨格筋Caチャンネル上での結合部位を、立体的に小さな反応基を用いた光アフィニティラベル法で明らかにした。同定した部位はリピートIVの2箇所であり、欧米のグループが最近発表したリピートIIIとIVの2箇所であるとの結論は、立体的に嵩高い反応基を用いたための誤った結果が含まれることを指摘した。3.平面化学構造上ではジルチアゼム型薬物に類似している点をもつが、従来のCa拮抗薬にはない薬理作用をもつ新規化合物2の光ラベル用試薬を合成し、これを用いて骨格筋Caチャンネル上での結合部位を明らかにした。それは従来のCa拮抗薬結合部位と近接した部位ではあるが、明らかに異なっていた。4.X線結晶解析で得られた1と2の立体構造は、重なり部分がほとんどないことが判明した。この結果に基づき、2をリ-ド化合物とした新たな化合物群のデザインと合成が可能となった。死因の第一位を占めるに至った循環器疾患に対する一つの有効な臨床的解答は薬物療法である。特に汎用されるCa拮抗薬の結合部位を心筋Caチャンネル上で同定し,その成果を活かして心筋に選択性の高いCa拮抗薬を創製することを目的に研究を進めているが,本年度得られた知見を以下に要約する。1.代表的なCa拮抗薬である1,4-ジヒドロピリジン類の心筋Caチャンネル上での結合部位の同定に成功した。その部位はリピートIIIとリピートIVの2カ所であるが,膜貫通部分を含むものゝ,薬物は細胞膜の外側から結合部位に到達すると結論された。またこの2カ所は骨格筋の対応チャンネルと同等部位であるが,結合部位を構成する数個のアミノ酸残基が異っていることが,同一薬物であっても両チャンネルに対する親和性の違いをもたらす要因であると考察された。2.光アフィニティラベルされたチャンネルタンパク質中のラベル部位を同定する新しい方法として,抗リガンド抗体を用いる手法の開発に着手した。代表的なCa拮抗薬の一つ,ベンゾチアゼピン化合物をハプテンとしてウサギに免疫したところ,ハプテンを特異性高く認識する抗体が調製できた。また類似構造をもつベンゾチアゼピン化合物で光ラベルしたモデルタンパク質およびそのペプチド断片をも、この抗体は反応することから,本法はラベル部位検索に有力ん新手法たりうる。臨床的に汎用されているCa拮抗薬のイオンチャンネル上での結合部位を分子レベルで明らかにした上で、これの基づいたドラッグデザインと合成を行い、その基礎的および臨床薬理学的検討を綿密に行うことは、より有効な循環器疾患治療薬の創製を可能ならしめる途であると考えられる。

本研究はこれら薬物の心筋Caチャンネル上での結合部位を、骨格筋チャンネルと対比しながら明らかにし、得られた結果をもとに心筋に選択性の高いCa拮抗薬を創製することを目的とするものであるが、本年度得られた知見を以下に要約する。1.代表的なCa拮抗薬であるジルチアゼム型薬物1の、骨格筋Caチャンネル上での結合部位を、立体的に小さい反応基を用いた光アフィニティラベル法で明らかにした。同定した部位はリピートIVの2箇所であり、欧米のグループが最近発表したリピートIIIとIVの2箇所であるとの結論は、立体的に嵩高い反応基を用いたための誤った結果が含まれることを指摘した。2.平面化学構造上ではジルチアゼム型薬物に類似している点をもつが、従来のCa拮抗薬にはない薬理作用をもつ新規化合物2の光ラベル用試薬を合成し、これを用いて骨格筋Caチャンネル上での結合部位を明らかにした。それは従来のCa拮抗薬結合部位と近接した部位ではあるが、明らかに異なっていた。3.X線結晶解析で得られた1と2の立体構造は、重なり部分がほとんどないことが判明した。この結果に基づき、2をリ-ド化合物とした新たな化合物群のデザインと合成が可能となった。
λfooファージを用いたサイボーグレクチンの作成と糖鎖認識の構造論的解析

ガラクトース結合性BPAレクチンを用い、糖鎖認識部位のみ(具体的には、糖鎖認識に関わっている一つのループ)にランダムな変異を導入し、糖結合特異性を改変することを試みた。この変異を導入した人工レクチンを「サイボーグレクチン」と名付け、λfooファージを用いたファージディスプレイという一種の発現クローニングの方法を用いることにした。λfooファージの発現ベクターを用い、ファージディスプレイの系でパニングを数回繰り返すことにより、マンノース、N-アセチルガラルトサミン、N-アセチルグルトサミン、フコースの4種類のそれぞれの糖に結合するファージクローンを回収した。実際に回収されたクローンを単離し、さらにそのファージからDNAを回収し塩基配列を決定することにより、導入した変異並びにそこから類推される改変レクチン糖結合ループのアミノ酸配列を決定した。マンノース結合活性を持ったクローン10個を拾ったところ、変異を導入した9アミノ酸から成るペプチドの配列は、3つのクローンでDSPNTSWE、2つのクローンはDSATNAEWG、他にDTIENGSWW,DGIPNSLWF,DGLNNDDWS,DDLENSDWGというアミノ酸配列であることが明らかになった。これらマンノース結合活性を持つレクチンの糖結合ループのアミノ酸配列に関して、何らかの規則性があるのか否かを検討した。ループ内に保存した3つのアミノ酸残基以外に着目しその規則性があるか否かを検討したところ、際だって保存されている配列(アミノ酸残基)は見当たらなかったが、ライブラリーの大きさなど、いくつかの今後検討すべき課題が明らかになった。ガラクトース結合性のBPAレクチンを用い、糖結合部位に相当するループをコードするcDNA中にランダムな変異を導入したレクチンライブラリーを作成した。さらに、この改変cDNAをλfooファージの発現ベクターに組み込んだ。大腸菌TG1にファージを感染させ、組換体ファージを回収した後、パニングによってマンノース、N-アセチルガラルトサミン、N-アセチルグルトサミン、フコースの4種類のそれぞれの糖に結合するファージクローンを回収した。同様に、シアル酸結合性のMAHレクチンに関しても糖結合部位に相当するcDNA上に改変を導入した。BPAレクチンライブラリーではループの長さに関して変異は導入せず同じ長さに固定したが、MAHレクチンに関しては、ループの長さについても異なるレクチンライブラリーを作成した。改変MAHレクチンライブラリーをGST融合蛋白質として発現させたところ、変異を導入していない野生型と同じヒト赤血球凝集能を持つクローンがいくつか存在したが、いずれも糖鎖レベルでは異なる結合特異性を示した。このことから、ループの長さも含めアミノ酸の改変を行うことにより、異なる特異性を持つレクチンをMAHレクチンにおいても示された。また、これらのクローンについて、導入した変異の同定を、ダイデオキシ法による塩基配列を決定して行った。また、MAHレクチン改変ライブラリーをλfooファージ・T7ファージディスプレイシステムの系によって作成した。実際回収されたクローンを単離し、さらにそのファージからDNAを回収し塩基配列を決定することにより、導入した変異並びにそこから類推される改変レクチン糖結合ループのアミノ酸配列を決定した。1残基目のD(Asp)、5残基目のN(Asn)、8残基目のW(Trp)は、カルシウムイオンとのキレーションに必須であり、カルシウムを結合することでループの構造を維持している。それ故、今回の変異の導入はこれらアミノ酸

残基を保存するようにした。この3つのアミノ酸残基以外に着目しその規則性があるか否かを検討してみると、際だって保存されている配列(アミノ酸残基)は見当たらなかった。ここで用いたレクチンライブラリーは3.7×10^6の独立したクローンから成っているが、計算上は6×10^7(20^6)の可能性があり、用いたライブラリーは全体のわずか8%に過ぎずこの実験系において、今後の課題であろう。
ヘテロダイマー導入による電子型有機強誘電体の磁性と誘電性の相関解明

量子スピン液体的な磁気的性質と電子型の強誘電特性を合わせ持つ特異な有機伝導体において,結晶を構成する分子の一部を類似構造分子で1-10%程度置換することで,その電子状態が大きく変わることを明らかにした.小さい分子による低濃度(約1%)置換では,スピン自由度のピン止めにより量子液体状態が壊れ,電荷の自由度には乱れの効果が強く現れる.一方で大きい分子での置換は,化学圧力による実効的な圧縮効果または電子相関の度合いの減少により,常圧下約5 Kで超伝導状態が発現することを見出した.【単結晶育成と同定】MTを添加育成したk-ET2Cu2(CN)3の単結晶エックス線構造回折を行い1%以上の添加試料でa軸格子定数のみ単調減少していることを見出した.高濃度試料ほどR値を20%以下に下げるのが困難な傾向があり,より詳細な構造の情報を得るのは今後の課題であるが,結晶中で添加量に比例した量のMT分子が取り込まれていることは明らかである.一方比較対象としてモット絶縁体の典型例であるb'-ET2ICl2において同様のMT添加育成を行ったところ,1%未満のわずかな微量添加でも良質な添加単結晶を得るのが困難であることがわかった.陰イオン置換したb'-ET2(ICl2)1-x(AuCl2)xは良質の結晶育成が可能で,エックス線回折とEDX分析により仕込み比に等しい混晶であることを確認した.【誘電率】昨年度に引き続き,MT添加試料で500 Hz-1 MHzでの誘電率測定を行った.MT添加量が多くなるにつれ誘電率の極大値は低温側に単調にシフトした.Curie-Weiss則に基づく解析から,Curie定数が10%添加塩では未置換塩の半分まで減少した.このことはMTの添加によりダイマー内での双極子の誘起が抑制されていることを示唆する.結晶中の置換量が添加量と等しいと仮定するとMT一分子によって自身の二量体上の双極子だけでなく隣接サイトへ影響を及ぼし,周囲のET-ET二量体上の双極子誘起における抑制を考慮することで実験結果を半定量的に理解できる.一方でb'-ET2(ICl2)1-x(AuCl2)xの誘電率測定では50%のアニオン置換塩で有意な極大値の減少が見られた.【PT添加塩での超伝導発現】昨年度までに行ったMT分子を添加したk-(ET)2Cu2(CN)3(MT添加塩)との比較の目的で,一回り大きなPTを添加した試料(PT添加塩)に関する研究に着手した.PT分子の添加量の増大に伴って単結晶X線回折の実験データの悪化が顕著に見られ,不純物分子としてPTが結晶中に取り込まれていると推測できる.MT添加塩と異なり,PT添加塩では低温で金属化することが明らかになった.電気抵抗はある温度Tmaxで極大値を示し,約5 Kで超伝導転移を示す.TmaxはPT添加量と正比例することからPT分子が正の化学圧力効果をもたらしてモット絶縁体相から金属への相転移が起きたと考えられる.金属化してしまうことからPT添加塩では誘電率の測定が困難で,本研究課題の目的にはそぐわないが,大きな乱れ効果を伴う伝導層カチオン分子の部分置換によって金属化が生じることは興味深い現象であり,引き続き研究を進める必要がある.【b'-(ET)2(ICl2)1-x(AuCl2)xの磁性と誘電特性】昨年度から着手した陰イオン置換したb'塩の結晶をx=0-1の全範囲で新たに結晶育成を行い,X線構造解析,EDX分析,誘電率および静磁化率を測定した.x=1.0での誘電率はx=0のものとほぼ同一の温度依存性と周波数依存性を有し誘電特性に特別な違いが見られないが,混晶比x=0.5では誘電率のピーク温度が大きく抑制され,誘電率に乱れの効果が強く現れることが明らかになった.磁化率の反強磁性転移温度でもx=1から0.5に向かって急減しx=0-0.5の間では一定値を取り,化学圧力と乱れの効果とで良く理解できる振る舞いを持つことがわかった.量子スピン液体的な磁気的性質と電子型の強誘電特性を合わせ持つ特異な有機伝導体において,結晶を構成する分子の一部を類似構造分子で1-10%程度置換することで,その電子状態が大きく変わることを明らかにした.小さい分子による低濃度(約1%)置換では,スピン自由度のピン止めにより量子液体状態が壊れ,電荷の自由度には乱れの効果が強く現れる.一方で大きい分子での置換は,化学圧力による実効的な圧縮効果または電子相関の度合いの減少により,常圧下約5 Kで超伝導状態が発現することを見出した.【単結晶育成と同定】k-ET2Cu2(CN)3における1-10%のヘテロダイマー導入試料(部分分子置換結晶)の育成を行った.試料同定のため,エックス線回折を行い,k型構造が維持されていることを格子定数から確かめた.10%までの添加試料で未置換塩との格子定数に有意な差は見出せていない.【電気抵抗】電気抵抗の温度依存性において,PT分子置換体では25K以下の低温域で金属的挙動が見られた.未置換塩の圧力下電気抵抗との比較から,分子置換による正の化学圧力効果によるものと考えられる.この結果から誘電率測定をMT分子置換体で進める方針とした.【静磁化率】5 Tで測定した静磁化率の温度変化は未置換塩では絶対零度で有限の磁化率に向かう挙動ある.

これに対し,1%, 2%MT添加塩では約8 K以下の温度で未置換塩の磁化率を下回る傾向を有し,絶対零度への外挿値はほぼゼロである.この測定結果から,1%未満のMT添加によってスピン液体的なフラストレーションが抑制され,シングレット的スピン状態を基底状態として与える可能性を示唆する.【誘電率】本交付金で購入頂いたターボポンプとLCRメータを用い,冷凍機クライオスタットでの誘電率測定システムを構築した.MT0, 1, 5%添加育成した試料で500 Hz1 MHzでの誘電率に関する周波数依存性の測定を行った.MT添加量が多い程,周波数依存性が小さくなる傾向が見られ,緩和型の誘電特性をもたらすドメイン構造形成がヘテロダイマー導入によって抑制されていることを示唆する.量子スピン液体相や反強磁性相といった磁気的特徴のある基底状態を持つBEDT-TTF系有機モット絶縁体における"電子型強誘電特性"が近年注目されており,本研究ではその起源および磁性-誘電特性の相関関係の解明を目的として,次の3種類の化学的手法を元にした実験的研究を行なった:1.ヘテロダイマー導入(異種分子部分置換),2.重水素体部分置換,3.陰イオン部分置換.方法1では,小さなドナー分子(MT)を1%添加した試料について最終年度に行なったESRの実験から,3K以下でスピン一重項的基底状態の形成を示唆する結果が得られた.実験精度の問題で議論の難しかった静磁化率の実験結果と良く対応し,ヘテロダイマー導入により量子スピン液体状態が壊れた状態が発現することが判明した.一方で大きな分子を導入した場合は5K以下で超伝導相が発現した.低温ESRの実験から陰イオンの価数揺動による二次的要因(キャリアドープ)の可能性が排除され,添加量に対する電気抵抗の系統的な振る舞いとあわせて,化学圧力の増大またはクーロン力の弱相関化が生じていることがわかった.不純物添加によって超伝導相が発現する例はクリーンな有機伝導体では珍しく,今後の研究展開が望まれる.方法2における誘電率測定を最終年度に行ない,方法1での誘電率に現れた乱れの効果と比較検討した.最も乱れの大きな重水素体50%置換がMT2%添加と同程度の寄与と明らかになったが,磁化率測定は実験が成功していない.方法3では構造解析,磁化率,誘電率の実験を通じて,陰イオン層に由来する乱れと化学圧力効果を定量的に分離できた.特に誘電率の実験からは電場誘起される電気双極子モーメントの起源が,確かにダイマー内の電荷自由度によって生じている事が強く示唆される.物性化学エックス線構造解析から,結晶中でのMT置換分子の取り込みが起きていると結論した.誘電率について昨年度の課題であった測定の再現性を含めた十分な実験を行うに至り,MT分子添加量0, 0.5,1, 2, 6, 10%の試料における実験結果を得ることができ,国内学会にて2件の成果発表を行った.上記のような状況から,計画通りの進捗であると判断した.本年度はPT添加塩を中心に研究を進めたが,この系では低温で超伝導が発現するため,本研究目的である誘電特性の解明とは異なる方向への進展となった.当初の研究目的を達成するため,1年の研究期間の延長申請を行いその承認を得た.b'塩に関しては磁性と誘電特性に関する基礎情報の獲得を,ほぼ計画通りの成果として達成した.結晶育成と電気抵抗により,PT分子よりもMT分子置換が本研究目的に適している事がわかった.磁化率測定からは1%未満のMT添加で既にフラストレーションを抑制している可能性を見出した.
除去可能である新規遺伝子治療用人工染色体ベクターの開発

現在、遺伝子改変技術を用いた遺伝子発現研究は数多く報告されているが、遺伝子または遺伝子発現が不要になった場合、遺伝子を除去する理想的なシステムは確立されていない。初年度において、構築してきたHACベクターへの遺伝子導入また遺伝子除去がヒト細胞において機能するかどうか検討した。EGFP遺伝子を導入したHACベクターを微小核細胞融合法によりヒトHT1080細胞へ移入を行った。FISH解析により、移入されたHACベクターはヒトHT1080細胞で安定かつ独立に保持されることを確認した。この細胞を薬剤選択なしで長期的に培養してもHACベクターは高い保持率を示すことが確認され、tTS遺伝子によるセントロメア不活化を誘導することでHACベクターは高効率で除去することに成功した。また、染色体改変を行うために用いられたトリDT40細胞、CHO細胞において、顕著なHACベクターの構造変化は確認されなかった(サザンプロット解析による)。上記に挙げたように外来遺伝子導入可能であり、また任意に遺伝子搭載ヒト人工染色体を除去できる系を研究実施計画通り進行した。当該年度において、HT1080細胞で構築されたHACをマウスA9細胞と細胞融合したのち微小核細胞融合法を用いてHACをトリDT40細胞へ移入した。トリDT40細胞での高効率な相同組み換えを利用しloxP配列を挿入することに成功した。挿入されたloxP配列のコピー数をリアルタイムPCRにて同定し、外来遺伝子導入可能であるかどうかを検討するためCHO細胞へHAC移入を行った。HACを保持するCHO細胞中で、Cre/loxP組み換えを用いてHAC上へEGFP遺伝子を導入することに成功し、外来遺伝子導入可能であることを確認した。このEGFP遺伝子は安定に発現しており、テトラサイクリンリプレーッサーであるrtTA遺伝子導入により効率的に除去できることに成功した。
述語合成に関する記述的・理論的研究〜ドイツ語文法への対照言語学的接近〜

1.ドイツ語やオランダ語では「ある人に笑いかける」という出来事を不変化詞動詞(anlachen/aanlachen)により表現できるが,英語では自動詞(laugh)+前置詞句(at NP)という構造を用いなければならない。この相違はSOV/SVOという基本語順の相違と相関している。2.ドイツ語とオランダ語には「ある人に笑いかける」を意味するzulachen/toelachenという不変化詞動詞もあるが,この場合の(与格)目的語はいわゆる「所有の与格」と分析するべきである。3.ドイツ語やオランダ語では「ある人にボールを投げる」という出来事を表現する場合,不変化詞動詞zuwerfen/toegooienを用いる必要がある。この場合の間接目的語もいわゆる所有の与格である。4.ドイツ語では「ある場所に急いでいく」という出来事を不変化詞動詞zueilenにより表現できるが,この動詞は与格目的語を持つ。これに対してオランダ語のtoesnellenは与格目的語を持てないが,この相違はいわゆる「低い与格」(low dative)を持っか否かという相違と相関している。5.ドイツ語ではden Wagen aufladen '1oad the car on'(車に何かを積む)やdas Glas eingieBen `pour the glass in'(グラスた何かを注ぐ)のようなauf'on'やein'in'を持つ不変化詞動詞が可能であるが,対応する英語は許されない。この相違は英語のin/onは出来事の「結果」のみを表わすのに対し,ドイツ語のein(in)-/auf-は結果のみならず,「経路」ないし「方向」も表しうることに起因する。6.ドイツ語と日本語のいわゆる移動様態動詞の相違のひとつは,動詞そのものの意味ではなく,前者が用いられた文には「結果的状態」という意味が含まれる点にある。研究実績の概要は次のようにまとめることができる。1.英語ならびにドイツ語で書かれている最近の文献を収集し,英語とドイツ語におけるいわゆる不変化詞動詞(particle verb),ならびに結果構文に関するデータを収集した。このデータは次年度以降の研究の重要な基盤となる。2.データ収集と並んで,不変化詞動詞ならびに結果構文にみられる重要な統語論的・意味論的特性を確認した。あわせて,Kayne(1985),den Dikken(1995),Dehe(2002),McIntyre(2004)などの代表的な不変化詞研究を概観・整理することにより,それらの理論的な意義と問題点を明らかにすることができた。3.データ収集の過程において,英語とドイツ語の不変化詞動詞にみられる相違のいくつが,両言語における語順の相違(すなわちverb finalか否か)と関連していることを明らかにした。4.またデータ収集の過程において,ドイツ語と英語の結果構文には,動詞に選択されない名詞句の生起に関して相違がみられることが明らかになった。(ex. Er brachte den Keller voll. vs. ^*He brought thecellar full.)結果構文にみられるこの相違が,不変化詞構文にも同様に反映されるか否かさらに検討する必要がある。5.モンゴル語のpreverbal particle構文についてのデータ収集を開始した。6.北欧語を含めたゲルマン語,ならびにスラブ語を専門とする学外の研究者を招聘し,ドイツ語と英語における述語合成とこれらの言語における述語合成に関する相違についての知見を得た。Talmy(1985)等の先行研究において,数多くの移動様態動詞が存在することがドイツ語(ないしゲルマン語)の特性とみなされている。

しかし,フランス語にも多くの移動様態動詞がみとめられるため,移動様態動詞の数的な豊富さをゲルマン語の特質とみなすことは適切ではなく,むしろ,ドイツ語においては移動物がある一定の期間,目標地点に滞在するという意味を前置詞句が持ちうる点が重要である。つまり,ドイツ語においては前置詞句が動詞が持つ意味とは異なる出来事をあらわすことができる。日本語においては,移動様態動詞と用いられた「まで」は動詞の意味を明示するのみであり,別の出来事をあらわすことはできない。同様の相違はいわゆる結果構文にも観察されるため,ドイツ語(ないしゲルマン語)では「動詞の意味とは独立した出来事を前置詞句および形容詞句により付加することができる」という一般化が可能になる。2.英語とドイツ語(ないしオランダ語)の二重目的語構文:例えば英語のthrowは二重目的語を選択できるが,対応するドイツ語やオランダ語の動詞(werfen/gooien)は与格ないし間接目的語を持つことができない。この場合,ドイツ語とオランダ語ではparticleを付加することにより与格ないし間接目的語を持つことができるようになるが,この点はいわゆる自由な与格(free dative)の存在と相関している。3.英語とドイツ語(ないしオランダ語)のparticle verbの相違:例えば「...に微笑みかける」という状況を,英語ではsmile atという自動詞と前置詞句により表現するが,ドイツ語とオランダ語ではanlacheln/toelachenというparticleが付加された他動詞により表現する。この相違はSVO/SOVという対立と相関している。1.ドイツ語とオランダ語の不変化詞動詞の相違:ドイツ語では,方向をあらわす前置詞ZU`to'は不変化詞としても用いられるが,オランダ語ではzuに対応するtoeは不変化詞にはならない。例えばドイツ語のzureiten `ride toward'は,オランダ語では^*toerijdenにならないわけである。この相違は,ドイツ語には例えばjn. der Gefahr aussetzen `expose sb. toa danger'ように,いわゆるlow dativeが存在するのに対して,オランダ語にはlow dativeは存在しないことと相関している。すなわち,zureiten `ride toward' vs. ^*toerijdenの対立は,ドイツ語では「方向」そのものを与格によりコード化できるのに対して,オランダ語ではそれが不可能である点に起因する。2.英語とドイツ語(ないしオランダ語)の不変化詞動詞の相違:すでに平成17年度において,例えば「...に微笑みかける」という状況を,英語では不変化詞動詞により表現できないのに対して,ドイツ語とオランダ語ではanlacheln/toelachenという不変化詞動詞により表現するという対立は,SVO/SOVと相関している点を明らかにしている。本年度は,i)さらに英語を歴史的に眺め,定動詞の位置の変化に伴い,不変化詞が「結果」の意味を担うように強いられたこと,ii)英語以外のSVO言語である北欧語についても同様のことが成り立つことを明らかにした。
深層学習によるマルチモーダル時系列データ認識基盤の構築

本研究では、音声や動画像などからなるマルチモーダルの時系列データから有用な情報を抽出するための、深層学習を用いた高性能な情報検索基盤を構築することを目的としている。特にEnd-to-endな音声処理・動画処理を実現することを目的としている。音声の研究では,従来の音声認識を対象とした研究とは別に、音声から感情や健康状態等などのパラ言語情報を獲得する研究に取り組んだ。従来音声認識で用いてきたRNNの代わりに、Gated CNNを用いることにより、より少量の学習データで、効率的な学習が可能な、Gated CNNを用いる手法を開発した。音声からの(書き起こしを用いない)認知症診断で高性能な識別結果を得た。時系列データの認識にGated CNNが有効であることを確認した。国際会議Interspeech2018で成果を発表した。また、従来のend-to-end音声認識の研究において、RNNに注意機構(attention)を実装し、また、その注意機構付きRNNを蒸留処理により小型化した。従来よりも10分の1のモデルサイズを達成した。認識率の劣化は7%に留まった。動画像の認識では、動画をセグメントに分け、各々のセグメントに対してCNNを適用する方式を開発した。特に、人間の骨格構造に特化したCNNを、深度カメラの動画像からの身振り認識に適用した。カメラの撮像角度が異なる動画像が含まれるデータベースの評価において、その時点での世界最高性能を得ることができた。国際会議BMVC2018にて成果を発表した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、マルチメディア時系列データの高精度な認識である。認識方式として再帰型ニューラルネットワーク(recurrent neural network, RNN)を用い、音声や動画などの個々のモード毎の認識器を作り、さらにそれらを統合してEnd-to-End学習に基づくマルチモーダルな認識システムを構築する。そこでは、サイズ縮小や転移学習が重要な役割を果たす。初年度の今年度は基本方式の実装によるベースライン構築に注力した。音響処理については以下の2つの成果があった。まず、フィードフォワード型深層ニューラルネットワーク(deep neural network, DNN)による音声認識を実装し、それに対しDistillation(蒸留)処理を行うことにより、認識性能を劣化させずにより小さいサイズのDNNを構築することに成功した。また、複数話者の音声を分離するDNNと音声認識DNNとを統合して学習するEnd-to-End学習の枠組みを構築し、個別に学習する場合よりも高い性能をもつことを確認した。映像処理においては、TRECVIDマルチメディアイベント検出(multimedia event detection, MED)に対し、畳み込みニューラルネットワーク(convolutional neural network, CNN)により抽出した特徴量を入力としたRNNを構築した。時間軸方向の相関をより精度よくモデル化するために長・短期記憶(long-short term memory, LSTM)を用い、従来手法よりも高い性能を確認した。ほぼ計画通り進んでいる。音声認識のためのRNNのベースラインがまだ開発中であるが、すでに実装は終わっており、特に大きな支障はないと認識している。今年度は、前年度に引き続き、音声認識の研究と動画像からのイベント抽出の研究を進めた。音声認識では,昨年度から行ってきた、複数話者の音声を分離するDNNと音声認識DNNを統合して学習するEnd-to-End学習の枠組みをさらに発展させて高性能化し、国際会議で発表した。また、Denoising Autoencoderを用いた耐雑音技術において、雑音下音声から音声を抽出するタスクと雑音を抽出するタスクの2つのタスクを同時に行う、マルチタスク学習を行い、従来法に比べ高い認識性能を得ることができた。さらに、これらの成果を音楽情報処理に応用した。

より具体的には、複数楽器からなる楽曲演奏からの自動採譜において、予め学習した楽器毎のRNN音響モデルを組み合わせることで、楽器種と音高とを同時に推定する方式を開発した。加えて、口唇の深度画像の時系列信号と音声の時系列信号をともに用いることで音声認識の性能を向上させる方式を開発した。動画からのイベント検出では、従来から行ってきたRNNの研究に対して、Connectionist Tempral Classification (CTC)を適用し、ラベル境界を必要としない認識技術を開発した。特に人間の身振り認識において、連続する動作において動作間の関係をn-gramでモデル化することにより、従来より高い性能を得ることができた。NISTが主催するTRECVIDワークショップの映像からのイベント検出のタスクにおいて世界2位の結果を得た。耐雑音音声認識の課題において、研究協力者の転出により開発が遅延したが、翌年に繰り越して課題を遂行し、無事本年度の目的を達成することができた。当初の計画通り、音声認識、マルチメディアイベント認識、音楽における自動採譜の各々のタスクにおいて性能向上を目指した方式開発を行う。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画通り、音声認識、マルチメディアイベント認識の性能向上を目指した方式開発を行う。
哺乳動物細胞のミトコンドリア形態制御遺伝子のクローニング

ミトコンドリア(ミト)巨大化機構について、酵母でミト形態を制御(欠損株でミト巨大化)する遺伝子mmm1,mdm10の相同遺伝子が哺乳動物細胞に存在し、フリーラジカルによる遺伝子の修飾によりミトが巨大化する、との仮説を実験的に証明する事が本研究の目的である。又、相同遺伝子は、細胞骨格系とミトの結合に関与する、と想定している。研究実績:1.mmm1,mdm10のRL-34,MDCK細胞への導入:mmml,mdm10のプライマーを用いてRT-PCR法で増幅し、HAプローブを組み込ませて発現ベクターを作成し、Lipofection法により上記細胞に導入した。発現は共焦点レーザー顕微鏡で確認。現在、permanent cell line作成中。2.ミトと細胞骨格系の相関:正常両細胞について、ミトをCMXRosで細胞骨格系を抗体染色して相互関係を調べたところ、フィラメント状ミトがアクチンと最も密接な位置関係を保つ事が判った。Lantrunkulin Aなどでアクチンの重合を阻害すると、ミトが粒状となり核周囲に集まる事を観察。現在、アクチン、フリーラジカル、ミトの相互関係について検討中。3.培養細胞でのミト巨大化実験モデルの確立とミト巨大化へのフリーラジカルの普遍的関与:エタノールなど代謝過程で二次的にフリーラジカルを産生する薬物と共に、H_2O_2でもミト巨大化を確認すると共に、スカベンジャーにより薬物によるミト巨大化阻止に成功した。4.ミト巨大化とアポトーシスの相関:巨大ミト存在下の培養細胞が、時間の経過(48-72時間)と共にアポトーシスに陥る事を見出した。ミト巨大化の細胞病理学的意義を初めて明らかにしたと共に、アポトーシス研究に新しい展開をもたらすものであり、両者の相関の詳細を検討中である。本研究は、酵母のミトコンドリア(ミト)形態を制御する遺伝子(mdm10)とホモロジーのある遺伝子を哺乳動物細胞において同定し、そのcDNAを単離することを第一の研究目的とした。当初、mdm10の塩基配列をもとにプライマーを作製して、ラット肝細胞から調整したmRNAをテンプレートとするRTーPCRによって、mdm10とホモロジーをもつラット肝細胞のミト形態制御遺伝子のcDNAの一部を増幅する計画を立て実行したが、貧弱な増幅産物しか得ることができず、しかもそれらの塩基配列はmdm10とのホモロジーが認められなかった。このため、当初の計画を修正し、mdm10の全長塩基配列を用いた核酸ハイブリダイゼイションによってラット肝細胞のcDNAライブラリーをスクリーニングした。その結果、有為と考えられるクローンを十数個単離することに成功した。現在これらのクローンを増幅精製し、cDNAの塩基配列を同定中である。今後は、得られたクローンすべての塩基配列を同定し、mdm10とホモロジーの高いものから遺伝子導入実験を進めていく。具体的には、(1)酵母のmdm10欠損株にrat mdm10遺伝子を導入する。(2)in vitroでヒドラジン投与により増加したフリーラジカルで巨大化したミトを内包するラット培養初代肝細胞にrat mdm10遺伝子をの導入する。(3)上記の実験で、rat mdm10遺伝子導入によりミト形態が正常化すれば、(a)rat mdm10遺伝子産物がレドックス制御を受けている、(b)rat mdm10遺伝子の発現がフリーラジカルにより抑制される、(c)rat mdm10抑制遺伝子の発現がフリーラジカルにより亢進する、のいづれかのメカニズムが想定される。

この3つの可能性を検討してフリーラジカルがいかなる経路でミト形態変化を惹起するのかを最終的に明らかにする予定である。ミトコンドリア(ミト)巨大化機構について、酵母でミト形態を制御(欠損株でミト巨大化)する遺伝子mmm1,mdm10の相同遺伝子が噛乳動物細胞に存在し、フリーラジカルによる遺伝子の修飾によりミトが巨大化する、との仮説を実験的に証明する事が本研究の目的である。又、相同遺伝子は、細胞骨格系とミトの結合に関与する、と想定している。研究実績:1.mmm1,mdm10のRL-34MDCX細胞への導入:mmm1,mdm10のプライマーを用いてRT-PCR法で増幅し、HAプローブを組み込ませて発現ベクターを作成し、Lipofection法により上記細胞に導入した。発現は共焦点レーザー顕微鏡で確認。.現在、permanent cell line作成中。2.ミトと細胞骨格系の相関:permanent正常両細胞について、ミトをCMXRosで細胞骨格系を抗体染色して相互関係を調べたところ、フィラメント状ミトがアクチンと最も密接な位置関係を保つ事が判った。Lantrundulin Aなどでアクチンの重合を阻害すると、ミトが粒状となり核周囲に集まる事を観察。現在、アクチン、フリーラジカル、ミトの相互関係について検討中。3.培養細胞系でのミト巨大化実験モデルの立とミト巨大化へのフリーラジカルの普遍的関与:エタノールなど代謝過程で二次的にフリーラジカルを産生する薬物と共に、H_2O_2でもミト巨大化を確認すると共に、スカベンジャーにより薬物によるミト巨大化阻止に成功した。4.ミト巨大化とアポトーシスの相関:巨大ミト存在下の培養細胞が、時間の経過(48-72時間)と共にアポトーシスに陥る事を見出した。ミト巨大化の細胞病理学的意義を初めて明らかにしたと共に、アポトーシス研究に新しい展開をもたらすものであり、両者の相関の詳細を検討中である。
日本における金融行政と公認会計士監査

1.平成9年3月期までは、銀行の貸倒処理および貸倒引当金設定は大蔵省の許可を得て行われていたが、平成10年3月期からは「資産の自己査定」制度が導入され、貸倒処理および貸倒引当金設定は銀行の自己査定によることとなった。2.平成10年3月期における貸倒引当金のための会計基準を考察した結果、未整備であったため、各銀行の貸倒引当金は一定の合理的範囲内に収まるのは困難であったとの結論を得た。3.その後、金融検査マニュアルが公表され、貸倒引当金の会計基準の整備が図られたが、会計基準の体系化および監査基準と会計基準との区別等、問題点をはらんだままであるとの結論を得た。4.1986年から2003年までの米国金融機関規制当局の貸倒引当金に関するステートメントを、証券取引委員会や公認会計士協会の見解、ならびに財務会計基準審議会の基準書や見解と比較、考察した。5.金融機関規制当局は、1993年以降、金融機関の貸倒引当金の会計処理についてステートメントを共同して公表するようになり、1998年からはSECも加わり、投資家保護と金融機関の監督の両方の見地から、貸倒引当金の会計処理に対して規制が行われるようになった。6.しかし、金融機関規制当局とSEC、さらにはAICPAとは貸倒引当金の会計・監査に関して必ずしも見解が一致しているわけではないことが明らかになった。7.平成14年3月期後のわが国の状況、ならびに米国の経験から得られるわが国の会計・監査制度への示唆の考察は今後の課題である。1.平成9年3月期から現在まで金融機関の貸倒償却および貸倒引当金に関して公表された会計処理の基準の内容を検討した。2.大蔵省銀行局長通達「決算経理基準」の平成9年7月の改正前と改正後を比較し、改正後の規定が、平成10年3月期からの金融機関自ら貸出金の貸倒償却および貸倒引当金の会計処理を行う自己査定制度と首尾一貫しないことを明らかにした。3.平成9年3月期以前の不良債権償却証明制度と自己査定制度における会計制度と監査制度を比較し、公認会計士による監査は平成10年3月から実質的に始まったことを指摘した。4.平成10年9月に作成された全銀協「決算経理基準」と同6月に廃止された通達「決算経理基準」との不一致点を明らかにした。15.通達「決算経理基準」および全銀協「決算経理基準」の商法ならびに証券取引法会計上の位置付けが不明確であることを指摘した。6.金融機関の貸倒償却および貸倒引当金の関する監査実務指針が会計実務指針の機能も有しているとする公認会計士協会の見解に対する疑問点を明らかにした。7.金融庁通達「金融検査マニュアル」の会計処理の基準の体系上位置付けが不明確であることを指摘した。8.金融機関の貸倒償却および貸倒引当金の会計処理の基準の体系化の必要性を指摘した。1.米国イリノイ大学にて、銀行会計・監査と関連する金融行政に関する資料を収集した。収集範囲は、わが国の銀行監査が開始された1976年以降のものを中心とした。2.米国公認会計士協会は、1983年より産業別監査ガイド『銀行の監査』を刊行してきた。3.米国公認会計士協会は、1996年に従来の産業別監査ガイドの銀行版と貯蓄金融機関を統合した産業別監査会計ガイドの銀行及び貯蓄金融機関版を刊行した。4.上記ガイドはその当時発表された会計基準・監査基準等を取り込むとともに、銀行当局による規制と監督及び公認会計士の役割を詳しく解説している。公認会計士は、そのガイドによって銀行当局と自らの役割を誤解なく認識できる。

5.1996年以前にも、公認会計士と銀行当局との役割についていくつかの著作が公刊されているが、米国公認会計士協会の公刊物でその役割を明らかにしたことに意義がある。6.米国の特色として、会計検査院が銀行当局の監督を評価する調査書を刊行している。大蔵省、そして近年の金融庁による銀行監督を評価する調査報告書が公刊されていないわが国と対照的である。7.貸出金の貸倒引当金及び貸倒償却に関する銀行当局の規則等と銀行の会計処理、並びに公認会計士監査との関係も上記3.のガイドによって統一が図られているため、会計処理に対する信頼性が確保されている。1.1986年から2003年までの米国金融機関規制当局のステートメントを収集した。2.米国公認会計士協会の監査および会計指針における貸倒引当金の監査の考え方と米国金融機関規制当局の検査マニュアルとの整合性について、Ernst & Youngニューヨーク事務所において専門家に質問した。その結果、金融当局の検査と公認会計士監査には特に大きな違いがないとの情報を得た。3.しかし、Ernst & Youngニューヨーク事務所で入手した2003年に米国公認会計士協会が公表した意見書に対して金融機関規制当局が強く反対していることが明らかになった。4.そこで、1.の資料を翻訳し、時系列的に当局の見解を詳細に検討した。5.1986年、証券取引委員会(SEC)が公表した公開会社の貸倒損失の会計処理に関する財務報告通牒では、それ以前に財務会計基準審議会が公表した会計基準書の実務的な解釈を与え、その後のSECの見解の基礎となった。6.金融機関規制当局は、1993年以降、金融機関の貸倒引当金の会計処理についてステートメントを共同して公表するようになった。7.ステートメントは、1998年からはSECも加わり、投資家保護と金融機関の監督の両方の見地から、貸倒引当金の会計処理に対して規制が行われるようになった。8.しかし、金融機関規制当局とSEC、さらにはAICPAとは貸倒引当金の会計処理に関して微妙なスタンスの違いが明らかになった。
脊柱特発性側彎症に対する治療法の開発

本研究では次の目的を掲げた.1.特発性脊柱側彎症の成因が椎体の成長に伴う座屈現象であるとする仮説をさらに確固たるものにすること2.座屈説を仮定して,構造最適設計の手法により座屈を抑える最適補強部位を特定すること3.患者固有の成因を明らかにして,患者固有の最適な治療法を提示できるようにすること成果は以下のとおりである.1.報告されている成人男性靭帯付摘出脊柱の曲げ実験の結果に合わせて椎間板及び軟骨,靭帯の弾性係数を同定することによって,68,582要素84,603節点の胸郭付脊柱有限要素モデルを構築した.この胸郭付脊柱有限要素モデルを用いて,成長部位を変化させた49ケースについて1次から7次あるいは8次までの座屈解析を行い,特発性側彎症として観測されているシングルカーブおよびダブルカーブの成因はそれぞれ4次モードおよび6次モードである可能性を示した.一方,座屈現象を実験的に検証するために,有限要素モデルのデータから脊椎力学模型を製作し,椎体の成長に伴う2次の曲げ固有振動モードに対する振幅および固有振動数の変化から,座屈現象の検証を行った.2.4次および6次の座屈モードが発生するまでの椎体の成長量を最大化する形状最適化問題に対する形状勾配密度(感度)を解析し,モードごとの最適な補強部位の特定が行えることを示した.3.患者の脊柱に関するCT画像あるいはMRI画像から構築された3次元ボクセルデータに基づいて,既存の脊柱有限要素モデルを3次元ボクセルデータに適合するように変形させるモーフィング問題を定式化し,その解法を開発した.CT画像に基づく2次元有限要素モデルの変形,立位X線画像に基づく脊柱有限要素モデル全体の変形が可能であることを実証した.しかしながら,患者の脊柱有限要素モデルを構築して,座屈解析を行うことは今後の課題として残された.平成12年度の成果は以下の通りである.1 70,000要素規模の歪みの少ない胸郭付脊柱有限要素モデルを構築した.市販の脊柱表面データを活用し,汎用有限要素プログラムの自動要素分割機能を利用して椎体の幾何学的形状をモデル化した.皮質骨,海綿骨の弾性係数は,椎間板と比較して百倍から一万倍程度剛性が高いために脊柱の挙動に与える影響は少ないと考え,文献のデータを採用した.椎間板及び軟骨,靭帯の弾性係数は,報告されている成人男性靭帯付摘出脊柱の曲げ実験の結果と本有限要素モデルの結果との比較において同定した.2この胸郭付脊柱有限要素モデルを用いて,成長部位を変化させた49ケースについて1次から7次あるいは8次までの座屈解析を行った.境界条件として仙椎完全固定を仮定し.椎体の成長は熱膨張ひずみによって与えた.解析には汎用有限要素法解析プログラムMSC.Nastranversion 7.0を用いた.その結果,特発性側彎症におけるシングルカーブおよびダブルカーブの成因はそれぞれ4次モードおよび6次モードである可能性が示された.また,成長部位と座屈モードの次数に基づいて特発性側彎症の形態を力学的に分類することも可能であると思われる.3一方,座屈現象を実験的に検証するために,今年度から脊柱力学模型の製作を開始した.市販の3次元切削加工機によって,有限要素モデルのデータから椎骨の原型と椎間板のメス型を作成し,その複製により脊柱力学模型を構築した.成長機構には楔機構を採用した.椎骨と楔には硬質無発泡ポリウレタン,椎間板にはシリコーンゴム,椎間関節にはシリコーン系充填剤を使用した.製作した力学模型の曲げ実験を行った結果,摘出脊柱に比べ,曲げ剛性が1/3程度であることが確認された.来年度は,材料の改良によって摘出脊柱と同様な力学特性を有する力学模型を完成させる予定である.本研究では次の目的を掲げた.1.特発性脊柱側彎症の成因が椎体の成長に伴う座屈現象であるとする仮説をさらに確固たるものにすること2.座屈説を仮定して,構造最適設計の手法により座屈を抑える最適補強部位を特定すること3.患者固有の成因を明らかにして,患者固有の最適な治療法を提示できるようにすること成果は以下のとおりである.1.報告されている成人男性靭帯付摘出脊柱の曲げ実験の結果に合わせて椎間板及び軟骨,靭帯の弾性係数を同定することによって,68,582要素84,603節点の胸郭付脊柱有限要素モデルを構築した.この胸郭付脊柱有限要素モデルを用いて,成長部位を変化させた49ケースについて1次から7次あるいは8次までの座屈解析を行い,特発性側彎症として観測されているシングルカーブおよびダブルカーブの成因はそれぞれ4次モードおよび6次モードである可能性を示した.一方,座屈現象を実験的に検証するために,有限要素モデルのデータから脊椎力学模型を製作し,椎体の成長に伴う2次の曲げ固有振動モードに対する振幅および固有振動数の変化から,座屈現象の検証を行った.2.4次および6次の座屈モードが発生するまでの椎体の成長量を最大化する形状最適化問題に対する形状勾配密度(感度)を解析し,モードごとの最適な補強部位の特定が行えることを示した.