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時間分解能ＥＥＬＳ法の開発と先進材料設計

高い空間・時間分解能を有する内殻電子励起分光法をもちいて材料開発指針を確立することを目的としている.スペクトルの理論解析法の確立に取り組み,解析精度を格段に向上させた(Micron 2010, PRB2011,等).さらにリチウムイオン電池材料の酸化還元反応をその場(in-situ)解析し,原子・電子構造の変化を調べ,還元種に関する重要な知見を得た(APL2014).また,結晶中転位の運動に伴う変化を原子分解能時間分解計測し,転位移動が及ぼす物性への影響を明らかにした(Sci. Rep.2012).また液体の内殻電子励起分光にも発展させ,液体のナノ解析法を確立した(Sci. Rep.2013)高い空間・時間分解能を有する内殻電子励起分光法をもちいて材料開発指針を確立することを目的としている.スペクトルの理論解析法の確立に取り組み,解析精度を格段に向上させた(Micron 2010, PRB2011,等).さらにリチウムイオン電池材料の酸化還元反応をその場(in-situ)解析し,原子・電子構造の変化を調べ,還元種に関する重要な知見を得た(APL2014).また,結晶中転位の運動に伴う変化を原子分解能時間分解計測し,転位移動が及ぼす物性への影響を明らかにした(Sci. Rep.2012).また液体の内殻電子励起分光にも発展させ,液体のナノ解析法を確立した(Sci. Rep.2013)本研究では,高い空間分解能と時間分解能の両方を有する原子・電子構造解析法を開発し,先進材料研究に利用することで機能発現と原子・電子構造との相関性を明らかにすることを目的としている.具体的には,透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)を用いて計測される電子線エネルギー損失分光スペクトル(EELS)を時間分解能で計測する新手法を開発する.また,高速第一原理スペクトル計算法を用いることにより,実験スペクトルを精緻に解析し,原子構造および電子構造の時間変化を明らかにする.平成22年度においては(1)時間分解能EELSシステムの開発,(2)スペクトル解釈のための理論計算法の確立,(3)先進材料の構造決定,に関する取り組みを行った.まず(1)EELSシステムに関して,電子線の走査を精密に行う装置及び,二次元EELS用CCDを導入した.これにより,電子ビーム制御の位置精度が向上し,最大1024個のEELSスペクトルを連続的に取得することが可能になった.(2)理論計算法に関して,一電子及び多電子計算法を用いることによりほぼすべてのEELSスペクトルを計算可能であることを実証した.また,申請研究者らが開発した新EELS計算法を系統的に行い,格子不整合領域におけるEELSスペクトルを高精度かつ高速に計算できることを明らかにした.(3)CeO_2やSrTiO_3などの先進材料に関して,その格子不整合領域の構造解析を行った.その結果,界面における酸素空孔の役割や,欠陥形成挙動,及びその拡散挙動を明らかにすることができた.この結果から,時間分解能計測における温度条件と雰囲気,拡散種と欠陥種に関する知見を得た.以上の研究結果により,本申請研究が目指す高い空間分解能と時間分解能を有するEELS解析法を開発するためのベースが固まったといえる.今後はこれら実験・計算手法をさらに高度化し,実際の機能材料に適用していく.平成23年度においては(1)高精度EELS計算法の開発,(2)その場観察において導入される格子不整合領域のEELSプロファイルへの影響,(3)先進材料の構造決定に関する取り組みを行った.それぞれの研究成果について以下にまとめる.(1)理論計算法に関して,独自開発した相対論多電子計算法を用いて遷移金属酸化物のホワイトラインEELSを系統的に計算し,遷移金属-酸素間のCharge transferを考慮することによりホワイトラインEELSを定量的に計算できることが分かった(PRB 2011).同手法をLiイオン電池材料に適用し,Li脱離・挿入に伴うスペクトル変化を定量的に理解した(J. Chem. Phys. C 2011).(2)格子不整合領域におけるEELSに関して,その場破壊等で導入される積層欠陥や界面の影響を調べ,それらが導入されることによるEELS変化を明らかにした(Micron 2012).さらに,高温真空熱処理に導入される酸素空孔のEELSへの影響も調べ,ホワイトラインEELSを用いることにより約1%の精度で検出可能であることが明らかになった.(3)SrTiO3粒界や超格子薄膜などの先進材料に関して,その格子不整合領域の構造解析を行った.その結果,界面点欠陥形成の粒界性格依存性を明らかにすた(PRB2011).また,本研究で酸化物の「非対称粒界」の構造決定に世界で初めて成功した(PRB2011).また,超格子薄膜中ヘテロ界面のSTEM-EELS測定および理論計算を行うことにより,界面相互拡散ダイナミクスのメカニズムを明らかにし,制御因子を抽出することに成功した(APL 2011,Adv. Func. Mater. 2011).今後はこれら実験・計算手法をさらに高度化して行く予定である.本研究では,EELSに代表される内殻電子励起スペクトルを時間分解能でその場計測するとともに,得られるスペクトルを第一原理スペクトル計算により解釈することにより,材料で生じる種々の化学反応のメカニズムを明らかにすることを目的とした研究である.最終年度となる平成25年度においては電池材料および液体等の実材料について研究を行った.

まずMn系化合物のL2,3端の第一原理相対論多重項計算を系統的に行い解析精度を向上させた(JAP2013).さらに高容量リチウムイオン電池材料のin-situ Mn-L2,3端測定と計算により,同材料の酸化還元反応は酸素の電子構造が重要であることを明らかにした(APL2014).さらに,化学反応の場である「液体」についての研究も行った.液体を構成する分子の動的挙動を調べる既存の手法(IRやラマン等)は一般的に空間分解能が低い.EELSは空間分解能は高いがが,液体EELSの理論解釈法は確立されてない.そこで,分子間相互作用を正確に考慮することのできる新規な手法を開発し,液体からのスペクトルを計算することに成功した.さらに,同解析により分子の動的挙動がスペクトルに含まれることを明らかにした.この結果,EELSを用いた液体ナノ解析の可能性を示した(Sci. Rep. 2013,新聞報道).また,電池や触媒で用いられる非晶質材料や蓄電材料,原子層材料についての解析も行い,各種反応過程の理解を深めることができた(ACS Nano 2013, Sci. Rep. 2013新聞報道).さらに,本研究で得られた知見を広く社会に還元するため,教科書の分担執筆も行った.本研究期間中に3冊の教科書分担執筆に携わり,平成25年度においては特にELNES/XANESの理論計算の部分についての著書が発刊されている.本研究は透過型電子顕微鏡を用いて時間分解能でその場(in-situ)観察・計測するとともに,得られる結果を定量的に解析することのできる高精度第一原理スペクトル計算方法を開発し,材料で生じる種々の化学反応のメカニズムを明らかにすることを目的とした研究である。まずMEMSホルダーを用いて金のナノコンタクトをin situ変形させ,その際の伝導特性を調べた.その結果,転位が一原子分移動するだけで大きなノイズが発生することが分かった.さらに移動する前後においてもノイズが発生することを明らかにした(Sci. Rep. 2012,新聞報道).また,リチウムイオン電池材料の酸化還元反応を追跡することを目的としてリチウムイオン伝導体およびMn系化合物のELNESの解析を行った.リチウムイオン導電体においては原子レベルのorder構造が形成されており,さらにそのdomain boundaryにおいてLiの組成が変化していることを突き止めた(APL2012).また,Mn系化合物においても酸素空孔により導入される局所ひずみを二次元に可視化することに成功した(JAP2012).さらに,強誘電体に導入される空孔の定量と動的挙動を調べることを目的として,ペロブスカイト型化合物の酸素空孔が及ぼすTi-L2,3端への影響をしらべた.その結果約1%の酸素の組成の変化を調べることができることを突き止めた.(APL 2012)また,本研究で開発した高精度かつ高速ELNES理論計算法を界面および格子欠陥に適用し,従来の手法の約三倍のスピードで計算が可能であることが分かった(Micron 2012).次年度(2013年度)は最終年度であり,Mn系リチウムイオン電池の反応をin-situスペクトル測定するとともに,高精度第一原理計算によりその反応機構を追跡する予定である.
リンゴ酸バルブ増強による作物の窒素同化能および環境ストレス耐性能向上の試み

葉緑体からの還元力排出は,光阻害に対する防御および硝酸還元酵素への還元力供給に必須であり,2-オキソグルタル酸/リンゴ酸輸送体とリンゴ酸脱水素酵素アイソザイムからなるリンゴ酸バルブがその役割を担っている。このリンゴ酸バルブ能を増強させたシロイヌナズナ形質転換体では,光阻害を回避することによる環境ストレス耐性能の向上,および硝酸同化能の向上が見られた。これらの結果は,劣悪な環境条件にも耐え,少ない肥料投与で効率良く生育する作物開発のための足掛かりになると考えられる。葉緑体からの還元力輸送は,光阻害に対する防御および硝酸還元酵素への還元力供給に必須であり,2-オキソグルタル酸/リンゴ酸輸送体(OMT)とリンゴ酸脱水素酵素(MDH)アイソザイムからなるリンゴ酸バルブがその役割を担っている。本研究では,このリンゴ酸バルブ能を増強させた遺伝子組換え植物を作製し,光阻害を回避することによる環境ストレス耐性能の向上,および還元力供給増強による窒素利用効率の向上が見られるかどうかを明らかにすることを目的としている。イネおよびシコクビエを対象として遺伝子導入を試みたが,OMT輸送活性やMDH活性が顕著に高まった組換え体を得るには至らなかった。そこで,OMTと葉緑体局在NADP-MDHを過剰発現させたシロイヌナズナ形質転換体を用いて,環境ストレス耐性能および窒素同化能を調べた。葉緑体を単離し,明所下でのオキサロ酢酸依存的なリンゴ酸生成・排出能を調べたところ,野生株に比べOMT/NADP-MDH二重過剰発現株において有意に高い活性が得られたため,形質転換体ではリンゴ酸バルブ能が向上していると判断した。さらに,過剰発現株では,強光照射に伴う葉のFv/Fm値の低下が野生株に比べて抑えられていた。また,15N硝酸溶液を切り取り葉に吸わせ,葉中の15N標識グルタミン酸およびグルタミン含量の経時変化を調べたところ,過剰発現株において15N標識グルタミン含量が野生株より有意に高くなった。以上の結果より,OMT/NADP-MDH二重過剰発現株では強光ストレス耐性能および硝酸還元能が向上したと考えられた。葉緑体からの還元力排出は,光阻害に対する防御および硝酸還元酵素への還元力供給に必須であり,2-オキソグルタル酸/リンゴ酸輸送体(OMT)とリンゴ酸脱水素酵素(MDH)アイソザイムから構成されるリンゴ酸バルブがその役割を担っている。本研究では,このリンゴ酸バルブ能を増強させた遺伝子組換え作物を作製し,光阻害を回避することによる環境ストレス耐性能の向上,および還元力供給増強による窒素利用効率の向上が見られるかどうかを明らかにすることを目的としている。平成23年度は,遺伝子導入の対象となるOMTおよびNADP-MDHのcDNAを単離し,遺伝子導入用ベクターへの組み込みを行った。OMTおよびMDHを過剰発現させるために,カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーターの下流に目的cDNAを組み込んだ。また,イネの硝酸同化に対するOMTの役割,C4光合成へのOMTの関与について未だ不明の点が多いため,各植物においてOMT遺伝子の発現を抑制させる形質転換コンストラクト(RNAiまたはアンチセンスコンストラクト)も作製している。これらのコンストラクトDNAをイネおよびシコクビエへ導入し,目的とする形質転換体の作出を試みている。シコクビエにおいては,パーティクルガンを用いたカルスへの遺伝子導入を行っているが,形質転換効率が低いので,用いるベクター,選抜薬剤,導入条件,カルス培養条件などの見直しを行っている。シコクビエの形質転換効率が悪いため,形質転換体が得られていない。イネ科植物への形質転換を行っている研究者に意見を伺いながら導入条件の見直しを行っている。導入したOMTやMDHが過剰発現している形質転換系統が得られ次第,(1)単離葉緑体におけるリンゴ酸バルブ活性の比較,(2)葉の硝酸同化活性の測定,(3)環境ストレス耐性能の評価,(4)高CO2濃度条件下での炭素同化と硝酸同化の比較,(5)成長量および収量の比較,を行う予定である。シコクビエやコムギで期待される形質転換系統が得られない場合は,イネの組換え体に集中して解析を行うことも考えている。得られた遺伝子組換え体を解析するための遺伝子発現解析用試薬,CE/MS分析用消耗品,安定同位体,電子顕微鏡関連試薬,および一般試薬を購入する。得られる成果は,日本作物学会あるいは日本植物生理学会年会において発表する予定なので,その旅費を当研究費より賄う。植物育成,形質転換体選抜,および実験解析のため,実験補助者2名を雇用する。
プロトン運動量分光法による分子の内殻励起状態の研究

21年度に開発・作製したイオン運動量分布観測装置を用いて、光解離・イオン化に伴う異方性の測定を行った。レーザー光解離・イオン化法を用いて、以下のような既にわかっている分子の光解離を観測し、装置の調整を行った。A.酸素分子を225nm付近のレーザー光が2光子でリュードベリ状態へ励起することができる。このリュードベリ状態は(1)更に1光子吸収してイオン化・解離する(2)解離して電子励起したO原子を生成し、それが1光子イオン化する、などの経路によってO^+イオンを生成する。このO^+イオンは様々な運動エネルギー放出を持ち、異方性も異なることが知られている。この過程を観測し、運動量分布観測装置の角度・速度測定の分解能などの性能を確認した。また、この解離反応の放出エネルギー量は既知であるので、画像観測装置のピクセルあたりの速度も決定された。B.同じO_2分子の光解離過程をレーザーの偏光面を回転させ観測した。これによって異方性を持たない分布が観測されるので、画像観測装置の2次元検出器として感度むらなどを確認した。性格を十分につかんだ上で、画像観測装置を交差分子線装置に設置し、化学反応によって生成する金属酸化物MOの、角度・速度分布を観測することに成功した。この結果は、他の方法で測定した結果と良く一致しており、開発した装置の信頼性が確認されたといえる。本研究は、分子の内殻励起状態の性格・その緩和過程のダイナミクスを解明するために、これまでほとんど観測の対象となってこなかったH^+(プロトン)の運動量スペクトルを観測することを目標としている。初年度は、H^+の運動量スペクトルを測定するために必要な、観測装置の開発/製作を行った。また、製作した装置の性能の検証と調整のために、実験室においてレーザー光解離/イオン化の観測を行った。(1)イオン生成-加速領域にvelocity-mapping条件を備えた電極系を設計/設置した。また、検出器としてはMCP-蛍光スクリーンーCCDカメラを組合せ、イオン化領域のイオンの運動量が2次元マップとして観測できるように設計した。(2)製作した装置を用いて、簡単な2原子分子02などの紫外領域の多光子解離一イオン化過程を観測した。電極電位などの最適条件を求め、ほぼ設計通りの分解能が得られていることを確認し表。
分子生物学的手法による肝類洞壁細胞間相互作用の解析

肝類洞内皮細胞を分離、培養の検討から内皮細胞の形態学的な管腔形成には細胞外基質の関与が示され、また、その増殖機構には様々な増殖因子ことにTGF-alphaにより細胞内でのPKCが誘導されることが明らかにされた。これら増殖因子はKupffer細胞で産生され、また、肝類洞内皮細胞を用いたangiogenesis類似modelは細胞外基質により修飾されていることも明らかにされた。さらに、培養癌細胞培養上清液にはangiogenesisを亢進させる作用が示された。このことは、癌細胞の肝内転移巣形成に伴い新生血管形成が誘導されることを示すものである。また、これら形成されたモデルにおいて癌細胞と血管での接着因子の発現が示され、これらのin vitroの実験系は、今後、癌の転移巣形成の解明に重要な系であると思われる。また、肝再生にも肝細胞の再生のもならず、肝類洞内皮細胞の増殖が示され、肝での基本形態を保持していくことが明らかにされた。肝障害一肝線維化には様々な細胞浸潤とcytokineの関与が知られていることをin situ hybridazation法で明らかにした。また、肝細胞障害の誘因ともなる細胞浸潤にも様々なcytokineの関与を今回初めて明らかにした。すなわち、浸潤細胞の遊走能の著しいinterleukin-8(cytokine-induced neutrophil chemoattractant)の肝での産生機構の解明を遺伝子のtranscriptレベルおよび蛋白産生レベルで明かにした。その結果、これら生理活性物質の産生制御には様々なcytokineによる複雑なネットワークが関与形成していることが明らかにされた。本年度、肝類洞内皮細胞の分離-培養を確立し、その増殖機能における類洞壁細胞間相互作用を明らかにした。その結果、Kupffer細胞を刺激することによりこの細胞から類洞内皮細胞の増殖を促進するpeptidesが産生されることを明らかにした。また、この内皮細胞の増殖メカニズムを解析したところPKCが関与し、増殖の初期相に働いていることを明らかにした。現在、類洞内皮細胞増殖の際の細胞内伝達物質の解析とin vitroにおけるangiogenesis類似modelの確立を進めている。肝臓における抗腫瘍作用、免疫監視機構における検討では、Biological Response Modifier(BRM)投与における肝内pit細胞の亢進を誘導するサイトカインの産生と産生細胞-産生臓器をPCRで明らかにした。その結果、肝臓のマクロファージであるKupffer細胞のみでなく脾臓マクロファージからのインターロイキン2(IL-2)のmessageが亢進しており、また、このサイトカインの著しい産生亢進を明らかにした。このことは、BRMの効果は直接NK細胞に働くわけでなく、マクロファージを介する機能亢進であることを示すものであった。さらに、肝障害および癌細胞の肝転移における肝内皮細胞の接着因子をin vivo、in vitroで種々のmessageを解析したところ、これらの接着因子の亢進にはpro-inflammatory cytokinesであるIL-1、IL-6、TNFなどが関与するとともに、これらの効果にはsynergyが認められた。肝類洞内皮細胞を分離、培養の検討から内皮細胞の形態学的な管腔形成には細胞外基質の関与が示され、また、その増殖機構にはTGF-alphaにより細胞内でのPKCが誘導されることが明らかにされた。また、肝類洞内皮細胞を用いたangiogenesis類似modelには、細胞外基質により修飾されていることが明かにされてきた。また、培養癌細胞培養上清液にはangiogenesisを亢進させる作用が示された。
スピン流-熱流変換現象を支配する長さスケールの実験的解明

スピントロニクス分野では、電子の自転の自由度「スピン」を利用した電子デバイスの開発が進められている。本研究では、スピンの流れであるスピン流と、熱の流れである熱流の変換現象に着目し、スピンに立脚した新原理の熱電技術の開拓を行う。スピン流は特徴的な拡散の長さスケールを持つことが知られており、熱流との相互作用も同等の長さスケールで現れると考えられる。この長さスケールを実験的に明らかにし、数値的なスピン流-熱流分布の解析と組み合わせることで、スピン流熱電変換の駆動原理の解明を目指す。本研究の目的は、スピン流-熱流変換現象を支配する長さスケールを実験的に明らかにすることである。スピン流が非保存性から必然的に現れる輸送現象の長さスケールを実験的に観測し、スピン流-熱流変換現象の微視的な発現機構を解明する。本目的を達成するため、本年度は、(1)非局所スピンゼーベック効果の磁性体膜厚依存性測定を実現する微細加工資料の作製、(2)スピンペルチェ効果の磁性体膜厚依存性の数値解析を行った。以下では、これら2つの成果の詳細を述べる。(1)スピンゼーベック効果の磁性体膜厚および温度依存性を測定可能な微細測定素子の作製に成功した。試料には白金とイットリウム鉄ガーネット(YIG)の接合構造を用い、YIGに膜厚傾斜を与えることで1つの基板上に異なる膜厚領域が現れるように設計した。このYIG基板上に電子線リソグラフィを用いて微細な局所型スピンゼーベック測定素子を作製した。本試料を用いれば、スピンゼーベック効果の磁性体膜厚および温度依存性が測定可能であり、スピン流-熱流変換現象長さスケールを実験的に測定する準備が整った。(2)スピンペルチェ効果の磁性体膜厚依存性の数値解析を行った。実験試料と同様の白金/YIG接合モデルに対して、試料中の熱拡散方程式を有限要素法により解析した。スピン流-熱流変換現象では、スピン流と熱流のそれぞれに対して特有の長さスケールが存在することが指摘されており、これら2つの長さを導入した拡散方程式を解き、実験結果を再現する物理描像および物理パラメータを検証した。本年度の研究により、スピンゼーベック効果の膜厚依存性を系統的に測定する実験基盤が整った。本年度に作製した微細素子は、磁気特性の均一な単一の磁性体上でスピンゼーベック効果の膜厚依存性を評価できる新しい設計の測定素子であり、本試料を用いることでスピン流-熱流変換現象長さスケールを精度よく評価することが可能である。さらに、スピンペルチェ効果の数値解析も行い、スピン流-熱流変換にはスピン流と熱流の2つの長さを導入することが明らかとなった。この知見は、スピンゼーベック効果膜厚依存性の解析にも重要な役割を果たすものである。これらの成果により、来年度すぐさま実験およびその解析を行う準備が整っている。以上の理由から、おおむね順調に進展していると判断した。来年度の研究では、スピンゼーベック効果の膜厚依存性および温度依存性の測定を試みる。試料には、本年度作成した微細素子を用い、各YIG膜厚領域の素子でスピンゼーベック効果の温度依存性を測定する。さらに、得られた信号に対して有限要素法に基づいた数値解析を行う。スピン流と熱流それぞれに対して長さスケールを導入した解析手法により、スピン流-熱流変換現象長さスケールを解明し、長さスケールを決定する微視的原理を探求する。

スピン流-熱流変換現象では、スピン流と熱流のそれぞれに対して特有の長さスケールが存在することが指摘されており、これら2つの長さを導入した拡散方程式を解き、実験結果を再現する物理描像および物理パラメータを検証した。本年度の研究により、スピンゼーベック効果の膜厚依存性を系統的に測定する実験基盤が整った。本年度に作製した微細素子は、磁気特性の均一な単一の磁性体上でスピンゼーベック効果の膜厚依存性を評価できる新しい設計の測定素子であり、本試料を用いることでスピン流-熱流変換現象長さスケールを精度よく評価することが可能である。さらに、スピンペルチェ効果の数値解析も行い、スピン流-熱流変換にはスピン流と熱流の2つの長さを導入することが明らかとなった。この知見は、スピンゼーベック効果膜厚依存性の解析にも重要な役割を果たすものである。これらの成果により、来年度すぐさま実験およびその解析を行う準備が整っている。以上の理由から、おおむね順調に進展していると判断した。来年度の研究では、スピンゼーベック効果の膜厚依存性および温度依存性の測定を試みる。試料には、本年度作成した微細素子を用い、各YIG膜厚領域の素子でスピンゼーベック効果の温度依存性を測定する。さらに、得られた信号に対して有限要素法に基づいた数値解析を行う。スピン流と熱流それぞれに対して長さスケールを導入した解析手法により、スピン流-熱流変換現象長さスケールを解明し、長さスケールを決定する微視的原理を探求する。
組織細胞工学を用いた細胞多層化および血管導入法の開発と応用

当該研究においては、ベタ基板を作成し、骨芽細胞を培養後、羊膜へ転写し、ヌードラットを用いた頭蓋部骨欠損モデルへの再生効果の検証を行った。その結果、ベタ基板を用いて骨芽細胞の骨欠損部への移植により、迅速な骨再生に成功した。さらに、構築した血管へのペリサイトの装着による血管の安定化、血管付き骨芽細胞シートを作成することに成功した。また、これら細胞付き羊膜の褥瘡モデルを用いての治療効果を検討した。本研究の目的は、移植した組織への栄養・酸素供給のための血管構築法の確立である。申請者らはこれまで、印刷技術を用いた血管の体外における二次元パターニング構築に成功し、さらにこれまでの技術のさらなる展開を目指して、細胞の多層化を行うとともに、その多層化細胞に血管を三次元的に導入し、より迅速で確実な再生医療を可能とするものである。本年度は、当初の計画通り、1.ベタ基板の作成、2.構築した血管へのペリサイトの装着、3.骨芽細胞、上皮細胞、血管内皮細胞のマトリクスへの転写、4.ヌードラットを用いた頭蓋部骨欠損モデルの作成、を目的に研究を行った。その結果、ポリエチレングリコールを疎水基板として用いて光リソグラフィーを行うことにより、ベタ基板の作製に成功するとともに、このべタ基板を用いて骨芽細胞の骨欠損部への移植、およびその迅速な骨再生に成功した。さらに、このべタ基板に血管内皮細胞をパターニングし、装着し、羊膜に転写することで血管付き骨芽細胞シートを作成することに成功した。また、血管を強固にする目的で、臍帯から間葉系幹細胞を培養、もしくは大網からペリサイトを培養したのち、作製した血管と共培養することでペリサイト付き血管の作製にも成功した。さらに、新しい試みとしてリンパ管内皮細胞による体外でのリンパ管の作製を試みた。その結果、リンパ管内皮細胞は血管内皮細胞より管腔形成しづらいが、時間をかけることにより管腔構造を取ることが明らかとなるとともに、血管内皮細胞との共培養では、その細胞同士が混在する管腔様構造物は取らず、別々に管腔を作ることも明らかになり、新たな細胞学の構築が可能となった。昨年度までに、ベタ基板の作製に成功するとともに、このベタ基板を用いて骨芽細胞の骨欠損部への移植、およびその迅速な骨再生に成功した。さらに、このベタ基板に血管内皮細胞をパターニングし、装着し、羊膜に転写することで血管付き骨芽細胞シートを作成することに成功した。本年度は、当初の計画通り、昨年度までの技術をもとに動物を用いた組織再建を試みた。方法としては、皮膚直下に磁石を埋め込み、さらに皮膚上に磁石を置き、血流を止めた褥瘡モデルマウスにおける組織再建術を行った。すなわち、褥瘡モデルに羊膜上に細胞を転写し褥瘡の修復過程を調べた。さらに、細胞の上に血管を形成させ、その治癒効果を比較した。結論としては、細胞は多層化し、一定の効果は得られたものの、血流改善までは認められなかった。このことは、用いた動物が修復能力が高いマウスであった可能性があることより、ブタを用いた実験を行うつもりである。一方、歯周病モデルとしての歯槽骨欠損動物においては、歯根膜細胞の転写により、著しい効果が認められたことより、今後、大型動物を含めた動物実験を行い、臨床応用を考えている。
整形外科人工関節手術計画における統計アトラスを用いた関節部応力状態の高速予測

本研究の目的は,整形外科人工関節手術計画における統計アトラスを用いた関節部応力状態の高速予測である.本研究では,多様な骨とインプラントの位置において商用ソルバによる応力解析を行い,その結果を学習データセットとして応力状態予測アトラスを構築した.20例を学習データセットとした実験の結果,予測値の平均誤差は正解値の20%未満となったことから,有効性を確認できた.また,他の評価基準とのバランス調整を行う手術計画アトラスも構築した.45例での実験の結果,1つ以上の評価値で整形外科医基準の四分位範囲の1.5倍による外れ値を取った計画数は,最適化前16例に対し,最適化後2例となり,充分な性能を確認できた.本研究の目的は,統計アトラスを用いた整形外科インプラント手術計画における骨及びインプラントの応力状態の高速予測である.近年,インプラントの三次元手術計画は,高精度な施術を実現する手術ナビゲーションシステムや手術ロボットの実用化に伴い,重要性が増している.術後のインプラントのゆるみ,脱落を防ぐためにも,手術計画の段階で,インプラントの応力状態を考慮し,適切な設置位置姿勢を確定する必要があるが,応力計算には多大な計算負荷がかかるため,位置姿勢調整をする毎に解析を行うのは難しい.そのため,多様な骨形態及びインプラント位置関係での応力状態を事前に解析学習し、対象となる患者骨及びインプラントにフィッティングさせることでその応力状態を高速予測する統計アトラスを構築する.本年度は,4面体メッシュベースの三次元有限要素解析モデルの学習データによる応力状態を含む統計アトラスの試作及び多数学習データの自動生成を目標としたボクセルベース三次元有限解析モデルへの適用を検討した.手術済み症例の専門医による手術計画データ17症例の解析を行い,専門医インプラント設置の応力状態の統計解析を行った.また,その専門医手術計画の最大応力値を手術計画アトラスの1評価値として導入し,新規症例の手術計画自動最適化において応力状態を含んだ最適化が行えるようにした.前年度のものと異なり,カーネル密度推定による専門医傾向により沿う自動最適化を連続実行できるようにし,応力状態と他の臨床評価値のバランスの取れた最適解を得られることが確認できた.このことから応力状態を含む統計アトラスによる骨・インプラントの応力状態予測と,その結果と他臨床評価値を含めて手術計画全体を最適化する手術計画統計アトラスの連携により,本手法を組み込んだ臨床システムの実現可能性を示せたと考える.本研究の目的は,整形外科人工関節手術計画における統計アトラスを用いた関節部応力状態の高速予測である.本研究では,多様な骨とインプラントの位置において商用ソルバによる応力解析を行い,その結果を学習データセットとして応力状態予測アトラスを構築した.20例を学習データセットとした実験の結果,予測値の平均誤差は正解値の20%未満となったことから,有効性を確認できた.また,他の評価基準とのバランス調整を行う手術計画アトラスも構築した.45例での実験の結果,1つ以上の評価値で整形外科医基準の四分位範囲の1.5倍による外れ値を取った計画数は,最適化前16例に対し,最適化後2例となり,充分な性能を確認できた.本研究の目的は,統計アトラスを用いた整形外科インプラント手術計画における骨及びインプラントの応力状態の高速予測である.近年,インプラントの三次元手術計画は,高精度な施術を実現する手術ナビゲーションシステムや手術ロボットの実用化に伴い,重要性が増している.術後のインプラントのゆるみ,脱落を防ぐためにも,手術計画の段階で,インプラントの応力状態を考慮し,適切な設置位置姿勢を確定する必要があるが,応力計算には多大な計算負荷がかかるため,位置姿勢調整をする毎に解析を行うのは難しい.そのため,多様な骨形態及びインプラント位置関係での応力状態を事前に解析学習し、対象となる患者骨及びインプラントにフィッティングさせることでその応力状態を高速予測する統計アトラスを構築する.本年度は,まず統計アトラスの構築に必要となる,施術済の骨形態及び手術計画データ,インプラントCADデータの準備を行った.施術済症例データについては,予定していた30症例を大きく上回る67症例のデータを用意し,そのそれぞれで有限要素解析用のソリッドモデルを構築した.統計アトラスの構築では,対象骨の極端な変形等を起こしている症例を除き,適切な変形範囲に収まっている症例データを多数必要としているため,予定数以上の症例を用意することは重要となる.また,学習データに必要となるインプラント位置姿勢を決定する手術計画データについては,既存の手術計画自動立案法によりを全症例で自動生成した.応力負荷条件を確定し,一部症例に絞った上で,三次元要素解析を行い,関節部の応力状態を調べた.骨及びインプラントの応力状態を含む統計アトラスモデルの試作では,骨残厚マップを含む手術計画アトラスを応用したモデルを考案した.これに加え,応力解析結果の応用として,より適切な応力状態となる手術計画を選定する手法を開発し,不適切な応力集中のない計画を得られた.本研究の目的は,統計アトラスを用いた整形外科インプラント手術計画における骨及びインプラントの応力状態の高速予測である.

現在,インプラントの三次元手術計画は,高精度な施術を実現する手術ナビゲーションや手術ロボットの使用の際,必要不可欠なものとなっている.手術計画においては,術後のインプラントのゆるみや脱落を防ぐため,インプラント及び骨の応力状態を考慮し,適切なインプラント位置姿勢を決定する必要があるが,位置姿勢の調整中に解析を繰り返し実施することは計算時間の観点から難しい.そこで,本研究では,多様なインプラント及び骨の位置関係での応力状態を事前に解析学習し,新規の骨及びインプラント位置姿勢にフィッティングさせることでその応力状態を短時間で予測する統計アトラス(応力状態予測アトラス)を構築する.最終年度は,人工股関節手術の骨盤及び骨盤側インプラント,カップを対象として,要素数が約13万個となる大規模4面体メッシュの三次元有限要素解析モデルで応力状態予測アトラスを構築し,新規インプラント位置での予測性能を評価した.性能評価では,カップ設置位置20点でleave-one-out交差検定を実施し,本アトラスによる応力値予測結果と商用ソルバによる正解値を比較したところ,平均誤差は18.5±5.3%となった.また,応力値予測時間は約1分となり,大幅な時間短縮が確認できた.これらのことから,提案した応力状態予測アトラスは特定の骨及びインプラントの応力状態を学習すれば,新規のインプラント位置姿勢の応力状態について簡易予測モデルとして充分な精度で高速に推定できることが確認された.また,応力値以外の複数の臨床評価値のバランスを取るためにカーネル密度推定にもとづく手術計画統計アトラスを構築し,専門医と同様に評価値間のバランスの取れた最適手術計画を立案できることが確認された.医用画像解析,バイオエンジニアリング本年度は,骨及びインプラントの応力状態を含む統計アトラスの構築だけでなく,応力状態を含む手術計画最適化方法の実装としてカーネル密度推定に用いた手術計画アトラスを構築し,術前段階における応力状態予測による手術計画最適化の枠組み全体の開発を行った.学習データの作成では,前年まで行ったいた4面体メッシュベースの有限要素解析モデルに加え,研究協力者の協力を得て,よりプリプロセスの自動化が容易なボクセルベースの有限要素解析モデルによるアトラス構築法の検討を行った.また,手術計画アトラス構築のため,手術済み症例の専門医手術計画を有限要素解析を実施し,専門医手術計画17症例分での応力状態の統計解析を行い,その傾向を学習させた.手術計画アトラスには,それで得た最大応力値傾向と臨床評価値傾向を組み込み,新規症例での手術計画最適化を実施し,応力状態及び臨床評価値ともバランスの取れた最適手術計画が得られているのを確認した.これらのことから,全体としておおむね順調に進展しているといえる.本年度は,骨及びインプラントの応力状態を含む統計アトラスモデルの構築に必要不可欠な学習データセットの準備及びモデルの試作に主眼をおいて研究を推進させた.学習データセットの準備では, 67症例のデータを用意し,その全てで三次元CT画像からの対象骨領域抽出及び三次元有限要素解析に利用するソリッドモデルの作成を行った.また,既存の手術計画アトラスを用いた手術計画自動立案法により,学習データ用有限要素解析に必要なインプラント位置姿勢を確定する手術計画候補を生成した.今後,極端な変形等が見られる学習データ構築に不適切な症例を除外する予定ではあるが,予定していた30症例の倍を超える症例データで学習データセットの準備が行えたことから,準備段階として本年度の目的を達成できたと考えられる.統計アトラスモデルの試作では,研究協力者の協力を得て,骨残厚マップを含む統計アトラスモデルを応用したモデルを考案できた.
血管新生と増殖因子応答に関する共同研究

我々桑野信彦、小野眞弓、佐藤靖史及び河野公俊は、宮園浩平博士、Daniel B.Rifkin博士及びHsigang-fu-Kung博士らの協力の元に共同研究を進め以下の研究実績を得た。1.ヒト軟骨細胞とヒト最小血管内皮細胞との共培養によって、軟骨細胞より生産されるTGF-βが関腔形成に阻害的に働いていることを明らかにした。この結果は、軟骨の無血管について一部はTGF-βが関与している可能性を示唆している。2.ヒト最小血管内皮細胞はマトリゲル上で毛細血管様のネットワークを形成する。その際にプラスミノーゲン・アクチベータの活性化が大切であることを観察した。更にHGFによる管腔構築には、プラスミノーゲンの活性化が必須であることを明らかにした。3.ヒト最小血管内皮による管腔形成にEGF/TGFαは促進的にTNFαの長時間処理は阻害的に働くことを観察した。その際にEGF/TGFαと同様にEGF受容体のリン酸化がTNFαによっても誘導された。しかしTNFαによるリン酸化はセリン残基に主として生じていた。血管内皮におけるEGFとTGFαによる共通のシグナル伝達がEGF受容体を介している可能性を示唆した。4.牛のアンギオゲニンは初乳に極めて高濃度含まれている。牛アンギオゲニンは牛大血管内皮細胞のプラスミノーゲン・アクチベータの発現を上昇させ、管腔形成を促進することが見い出された。5.ヒト脳腫瘍においてグリオーマ並びにメニンジオ-マの10数症例について外科的切除標本について、新生血管の数を第8抗体で染色して定量した。更にTGFα,TGFβ,bFGF及びVEGF/VPFのmRNAレベルをGAPDHmRNAレベルで標準化して定量化した。その結果、VEGFの発現量がヒト脳腫瘍の血管新生能と相関することが見い出され、VEGFの血管新生への関与が示唆された。6.ヒト脳腫瘍グリオーマ細胞株とヒト細小血管内皮細胞との共培養系において一つの細胞株では主としてVEGFが関与していることそれにもう一つの細胞株では、IL-8が関与していることを各々の特異的な中和抗体を添加することにより示すことができた。7.ヒト細小血管内皮による管腔形成をEGF/TGFαが促進するが新たにEGFファミリーに属するヘパリン結合EGF(HBEGF)にも強い誘導活性が見い出された。特にその際にp91の活性化とプラスミノーゲンの発現上昇が見られた。8.活性型オンコジンH-rasによってEGF受容体発現の低下すなわちダウン調節が見い出された。そのダウン調節はもう一つのオンコジンV-mycの導入により回復がみられた。その調節には転写因子AP-1が関与していることをdominant-negative c-junの変異体を利用することにより示唆した。9.酸化ストレスは炎症その多の疾病の病態と深く関与している。酸化ストレスによる血管新生の有無をH202存在下に見たところ、非常に強く管腔形成が誘導された。その分子機序として転写因子NFχBの関与がアンチセンス・オリゴを用いて明らかにでき、更にIL-8によるオートクライン制御が示唆された。10.抗潰瘍剤イルソグラジンは血管内皮細胞のプラスミノーゲン・アクチベータの発現を阻害することを見い出していた。本研究でマウス生体内におけるグリオーマの増殖とその血管新生の誘導がイルソグラジンの注口投与により阻害されることが初めて観察された。他方、移植した肝細胞やグリオーマによって誘導される生体内の血管新生も強く阻害されることが見い出された。細胞-細胞接着に働くといわれる同薬剤がどのような機序で血管新生を阻害するかは不明である新しい血管新生標的薬剤として今後研究を進めていきたい。

5.ヒト脳腫瘍においてグリオーマ並びにメニンジオ-マの10数症例について外科的切除標本について、新生血管の数を第8抗体で染色して定量した。更にTGFα,TGFβ,bFGF及びVEGF/VPFのmRNAレベルをGAPDHmRNAレベルで標準化して定量化した。その結果、VEGFの発現量がヒト脳腫瘍の血管新生能と相関することが見い出され、VEGFの血管新生への関与が示唆された。6.ヒト脳腫瘍グリオーマ細胞株とヒト細小血管内皮細胞との共培養系において一つの細胞株では主としてVEGFが関与していることそれにもう一つの細胞株では、IL-8が関与していることを各々の特異的な中和抗体を添加することにより示すことができた。7.ヒト細小血管内皮による管腔形成をEGF/TGFαが促進するが新たにEGFファミリーに属するヘパリン結合EGF(HBEGF)にも強い誘導活性が見い出された。特にその際にp91の活性化とプラスミノーゲンの発現上昇が見られた。8.活性型オンコジンH-rasによってEGF受容体発現の低下すなわちダウン調節が見い出された。そのダウン調節はもう一つのオンコジンV-mycの導入により回復がみられた。その調節には転写因子AP-1が関与していることをdominant-negative c-junの変異体を利用することにより示唆した。9.酸化ストレスは炎症その多の疾病の病態と深く関与している。酸化ストレスによる血管新生の有無をH202存在下に見たところ、非常に強く管腔形成が誘導された。その分子機序として転写因子NFχBの関与がアンチセンス・オリゴを用いて明らかにでき、更にIL-8によるオートクライン制御が示唆された。10.抗潰瘍剤イルソグラジンは血管内皮細胞のプラスミノーゲン・アクチベータの発現を阻害することを見い出していた。本研究でマウス生体内におけるグリオーマの増殖とその血管新生の誘導がイルソグラジンの注口投与により阻害されることが初めて観察された。他方、移植した肝細胞やグリオーマによって誘導される生体内の血管新生も強く阻害されることが見い出された。細胞-細胞接着に働くといわれる同薬剤がどのような機序で血管新生を阻害するかは不明である新しい血管新生標的薬剤として今後研究を進めていきたい。本年度は宮園浩平博士(スウエーデン・ウプサラ大学)を招へいし、佐藤靖史博士(東北大・加齢研)はニューヨーク大学医学部へ出向し、共同研究を進めることができた。その結果、1.ヒト軟骨における無血管新生は、我々のco-culture血管新生モデル系を用いた結果から軟骨から生産されるTGF-βファミリーによることが示唆された。2.ヒト細小血管内皮細胞においてTGFα/EGF、VEGF/NPF、HGFまたHB-EGFなどが管腔形成をひきおこすがその際、シロシンキナーゼの活性化によるp93の核移行が観察された。この管腔形成はTGF-βやTNF-αによって阻害された。3.抗血管新生活性を示すTNF-αはヒト細小血管内皮細胞のEGF受容体のチロシンキナーゼの活性化を誘導することにおいて、強い血管新生活性を示すEGF-TGFαと同じ効果を示した。4.ヒト脳腫の34症例の患者手術材料において、グリオーマやメニンジオ-マの血管新生レベルは腫瘍が生産するVEGF/VPMの発現量とよく相関したが、bFGF、TGFαやTGFβとは相関しなかった。
低血圧麻酔下における脊髄牽引の脊髄に及ぼす影響に関する実験的研究

一般に臨床の低血圧麻酔に用いられている降圧剤により維持された低血圧状態が脊髄に与える影響を、脊髄のautoregulationに注目し、脊髄血流量および脊髄誘発電位を用い検討した。(方法)成熟家兎を用いGOE麻酔下に動脈圧をモニターし、低血圧状態の作製にはPGE1、ニトログリセリンの二種薬剤を用いた。収縮期血圧を正常圧の30%低下状態に維持した後に薬剤投与を中止し、血圧回復後に再度50%,70%と順次低下させ脊髄血流量と脊髄誘発電位の変化を経時的に測定した。またPGE1を用いて30%,50%血圧を低下させた状態で脊椎に牽引を加え、牽引解除したさいの変化を脊髄血流量と脊髄誘発電位について経時的に測定した。脊髄血流量はレーザードップラー法を用い測定した。脊髄誘発電位はL4/5,Th9/10椎弓間より各々硬膜外電極を挿入し、上行性と下行性について記録した。刺激強度は閾値の3倍(以下3T)および最大上刺激(以下SUPRA)の二種類を用いた。(結果)1.作用機序の異なる2種類の降圧剤(ニトログリセリン、プロスタグランディン)を用いて維持した低血圧状態では、ともに脊髄血流量の低下を認めたが、両薬剤において血圧と脊髄血流量の低下率との関係には相関はなかった。また薬剤投与中止による脊髄血流量の回復は、血圧低下率の低いものほど良好であった。2.血圧変化に対する脊髄誘発電位の変化に関しては、弱刺激〔3T(T:閾値)〕による第二電位の振幅変化が脊髄血流量の変化も最もよく反映していた。3.30%および50%血圧低下状態にある脊髄に脊髄牽引を加えると、双方とも脊髄血流量はさらに低下したが、両者の間には統計学的な差はなかった。しかし牽引を解除した後の脊髄血流量は、30%低下状態では脊髄血流量の回復は見られたが、50%低下させたものは悪化の傾向を認めた。4.下行性弱刺激の第一電位の振幅変化は、弱刺激の第二電位と同様の反応を示し、低血圧状態における脊椎牽引が脊髄機能に及ぼす影響は両者を用いて評価することが出来た。5)従来、臨床において行われていた低血圧麻酔は血圧の30%低血圧率であり、この範囲内では脊髄血流量、脊髄誘発電位からみた脊髄機能に関しては安全性が保たれていると考えられる。本年度は、作用機序の異なる薬剤を用いて低血圧状態を実験的に作製し、脊髄血流量の経時的変化と脊髄誘発電位(以下SEP)変化との相互関係について検討を加えた。(方法)成熟家兎を用い、GOE麻酔下に頚動脈内の血圧を測定した。動脈血C02は30mmHg前後に、また直腸温を36°C前後に保った。ニトログリセリン、プロスタグランディン(PGE_1)を用い、収縮期血圧をその30%、50%、70%低下させた状態に設定した。L_1,L_2の椎弓を切除したのち硬膜切開し、Laser Doppler法により脊髄血流量を経時的に測定した。

SEPは、L_<4/5>およびTh_<9/10>椎弓間より各々硬膜外電極を挿入し、上行性と下行性について記録した。刺激強度は閾値の3倍(3T)及び最大上刺激(以下SUPRA)の二種類を用いた。(結果)1.血圧低下に伴い脊髄血流量(以下SCBF)は低下したが、PGE1、ニトログリセリン薬剤の間においてSCBFの減少率には差は認めなかった。又、薬剤投与の中止による血圧回復に伴ってSCBFは増加する傾向にあった。2.上行性、下行性SEPにおける3TとSUPRAの振幅変化においては、3Tでは血圧低下に伴い第一電位、第二電位ともに振幅が低下した。SUPRAにおいては第二電位に低下傾向を認めたが、第一電位に関しては明かな傾向はなかった。3.第二電位は、上行性および下行性電位において3T、SUPRAともに血圧の低下に伴い低下傾向が強く、特に下行性電位では90%以上に振幅の低下を認めた。4.潜時は、血圧低下に伴い各電位において延長傾向にあった。(本年度のまとめ)1.体血圧低下により脊髄血流量が減少し、血圧の回復により脊髄血流も同様の経過をたどるという興味ある結果を得た。したがって、脊髄は常に一定の血流量を保っているのではなく変動することが判明した。2.体血圧の変化に伴う脊髄機能評価法として脊髄誘発電位を用いたが、後索由来と考えられている第二電位の低下と潜時の延長が脊髄血流量の減少をよく反映すると考えられた。本年度は、薬剤を用いた低血圧状態が牽引下の脊髄に及ぼす影響を脊髄血流量と脊髄誘発電位(以下SEP)の経時的変化をもとに検討を加えた。(方法)成熟家兎を用い、GOE麻酔したのちに頸動脈より血圧モニタ-を行った。低血圧状態は、降圧剤にプロスタグランディン(PGE1)を用い、収縮期血圧を30%(30%群)、50%(50%群)低下状態に設定した2群を作製した。脊髄血流量の測定はL1ー2間を椎弓切除したのち硬膜切開し、レ-ザ-ドップラ-血流計を用い経時的に測定した。SEPは、L4ー5、及びTh9ー10椎弓間より、各々硬膜外電極を挿入し上行性および下行性電位について記録した。また、刺激強度は閾値の3倍(3T)及び最大上刺激(以下SUPRA)の二種類を用いた。脊椎の牽引は前方解離した後、L1、L2棘突起基部にKーwireを通し我々の考案した牽引装置を用いて行った。(結果)1.正常血圧群に比べて30%群、50%群共に脊椎牽引による脊髄血流量の低下率に差はなかった。牽引解除後の脊髄血流量の回復は30%群において良好であった。2.脊椎牽引が脊髄に及ぼす影響をSEPを用いて評価すると、血圧低下時は牽引により振幅は低下するが、50%群に比べて牽引解除後の振幅の回復は30%群において良好であった。3.脊椎牽引による上行性、下行性脊髄誘発電位における3TとSUPRAの振幅変化においては、前年度報告したように血圧低下により3T刺激の第二電位に変化が著明であったが、牽引により第二電位だけでなく下行性SEPの第一電位においても変化を認めた。このことにより牽引が虚血時の脊髄に及ぼす影響を評価するには下行性SEPの3T刺激の第一電位が有用であった。(本年度のまとめ)1.血圧低下により脊髄血流量が減少することは昨年度報告した、本年度は血圧低下状態において脊椎に牽引を加えることにより脊髄血流量の減少がより顕著となることを認めた。また牽引を解除すると30%群では50%群に比して回復が良好であることが解った。2.脊髄牽引が虚血時の脊髄に及ぼす影響を評価するためには、下行性脊髄誘発電位の弱刺激による第一電位が有用であった。
AISデータを用いたAIS非搭載船の位置推定に関する研究

本研究の目的は、AISデータを用いてAISを搭載していない船舶もしくは物体(以下、AIS非搭載障害物)が存在しうる位置を推定する手法を構築することである。初年度の実施事項を以下に示す。AIS非搭載船の航行状況を分析することを目的とし、東京湾を対象とした位置情報を含むレーダー情報をデータベース化した。レーダー情報は、同一船と考えられる情報毎に自動的に識別番号がラベリングされているため、同一の識別番号を時間順に並べることにより航跡情報が取得でき、AIS非搭載船の典型的な航行状況を分析することが可能である。なお、レーダー情報は、東京海洋大学の先端ナビゲートシステムで保存している情報を提供いただいた。AISデータをもとにAIS非搭載障害物が存在しうる位置の推定方法の概略を検討した。位置の推定方法は、大きくは、(1)本船(AIS搭載船)が受信したAISデータから、AIS搭載船(B船)が不自然な変針を行ったデータを抽出する。(2)変針して避けた場所に物体との衝突エリアが存在すると仮定する。(3)レーダー情報を分析することによって得られたAIS非搭載船の典型的な航行状況から、衝突エリアを通航する可能性がある船舶の進路および速力を推定する。(4)上述(2)(3)の情報から、AIS非搭載障害物の位置を推定する、の手順を持つ。実際にAIS非搭載障害物の存在や位置を推定するには、さらに検討が必要である。
心情に注目した発話者の意図理解

最近、ネットワーク通信が急激に発達し、それとともに多様化に対応するために協調活動の重要性が増大している。通信を利用して適切な協調活動を行うために、これまであまり考慮されなかった人間的要素が急激に重要となってきた。本研究では、その中でも、とくに感情に焦点をおいた。感情表出には、顔の表情など、いろいろな媒体があるが、対象として2次元であり、比較的解析が容易と考えられる音声を対象にした。ネットワーク通信はディジタル通信が主流となっている。しかし、現状のアナログ電話は単に情報を伝えるだけではなく、雰囲気を共有できる利点があり、ディジタル電話とは異なる効用がある。本研究では、アナログの音声から、感情の内、意図して、メッセッジとして伝える感情を対象に研究を行った。これは、話し手が、感情を意図して制御して、伝えようとしているので、真の感情(制御できない感情)よりも、特徴抽出が容易であると考えたためである。このような特徴抽出ができれば、それを基礎に、ディジタル通信においても、感情を通信に含めることが可能となると期待される。研究は、時系列と周波数分析を利用して、周波数のパワーの集中領域に注目して、領域分割を行い、さらにそれを基礎に時系列をチャンクに分割した。そのチャンクのエンベロープについて、波形特徴を分類し、怒りなどを抽出した。また、音声サンプルから「明るい」、「暗い」などの特徴を抽出し、また日本人と外国人の間での相違についても検討を行った。社会が多様化、複雑化し、協調活動が不可欠となり、さらに広域化によって遠隔地間での通信が重要となってきた。これまでの計算機利用は分析的であったが、かかる協調活動を支援するためには、大まかな判断支援が重要となる。従来の情報処理は文字、画像中心で展開されたが、通信負担を考えると音を主に、画像を副に考えるほうが実用化により役立つと期待される。そこで本研究では、音声特徴を総合的、大局的にとらえる。本研究では、「感情」を、外部からの刺激によって人の心に生起される意識的状態である「心の感情」と、この真の感情とは別に理性や経験学習で制御される「メッセージとしての感情」に大別する。「メッセージとしての感情」は感情を相手に対して効果的、かつ正確に伝えるためにパターン化されており、「心の感情」よりも認識されやすいと考えた。本研究では、人はメッセージとしての感情を時系列上でパターン化し、感情や音声で表出していると考えた。開発したシステムは(1)音声情報のディジタル化、(2)ピッチ周波数、短時間エネルギー、音節、最大周波数の解析、(3)変動量の時系列パターン化、(4)各感情表出の特徴パターンの抽出により構成されている。音声情報のディジタル化では、音声情報をサンプル周波数11KHz、量子化数8ビットでディジタルデータに変換する。ピッチ周波数はノンパラメトリック法のケプストラム法を用いて解析した。短時間エネルギーの解析には、音圧サンプル値の2乗和を用いた。音節についてはまず短時間エネルギーを算出し、一度平滑化した後に変動の極大、極小値を求め、極小値の間隔を音節とし、極大値をその音節のピークとする。この方法で日本人、外国人も含めて怒りの抽出に成功した。本研究は、発話者のアナログ音声中から、怒り、喜び、悲しみ等の感情を特徴抽出することを主たる目的として実施した。まず単独の発話者の音声時系列から、音声のチャンクを基礎にその傾き、全体的傾向から概略の感情抽出が可能なことが初期実験から明確となった。本研究では、発話者の使用言語は問題なく、どこの国の人の音声でも感情抽出ができる。この意味で、従来の「意味」中心の音声解析とはまったく異なる新しい方法と言える。その後複数の発話者、すなわち、交話へと展開を進めたが、単独の場合とは異なり、相互の発話状況が深く関係するために、単独発話者の感情抽出よりも非常にむずかしい。しかし、マハラノビス-田口法の適用により、複数発話者の場合も、それぞれの感情抽出が可能であることが判明した。本研究期間内には、複数の発話者の、それぞれの感情を完全に抽出できるまでは至っていない。しかし、少なくとも、発話者が、ある意図を持って、感情を発話に含め、交話を行う場合には、発話者の使用言語に関係なく、意図された感情を抽出できる。抽出された、意図された感情をディジタル表現中に含める方法についてもいろいろ調査検討した。背景音として音楽的に表現する方法、また色コードと関連させる方法等について検討を行った。色コードと関連させる方法は、コンピュータに音声入力を行い、それをe-mailで送信し、受信側で、e-mailを読むと、その色により送信者の感情を理解する。またそのメッセージを音声で再生する時に、感情を含めた再生音とすることが可能となる。そこで、現在本研究を基礎に、この方向でさらに研究を発展させつつある。