hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
低次元トポロジーの代数的・圏論的研究

3次元トポロジーと関連する代数についてのいくつかのトピックスについて研究を行った。T.Widmer氏と共同で、3次元多様体の中のヌルホモトピックおよびヌルホモロガスな枠付き絡み目のKirby計算について研究した。A.Beliakova氏、Z.Guliyev氏、A.D.Lauda氏、B.Webster氏、M.Zivkovic氏らと共同で、量子群の圏化(特にリボン元、トレース、pivotal構造)について研究した。T.Q.T.Le氏と共同で、各有限次元複素単純リー代数gに対して、整係数ホモロジー3球面の種々の1のべき根における量子g不変量を統一する不変量を構成した。当該年度において、3つの論文を(ほぼ)完成させることができた。1.T. Widmer氏と共同の論文で、3次元多様体の中のnull-homologousな枠付き絡み目に対するKirby計算について研究した。主結果は3次元多様体の中の有理係数でnull-homologousな2つの絡み目が、境界のパラメトライゼーションと有理係数1次元ホモロジーの情報込みで同相となるための必要十分条件を、絡み目のある操作の列で移りあうという形で定式化した。ここで通常のKirby操作の他に、IHX操作というものを導入した。これは有限型不変量やクラスパー手術同値関係の理論に現れるIHX関係式に対応している。また、Cochran-Gerges-Orrによる3次元多様体の手術同値関係に対する応用についても考察した。2.A. Beliakova氏、A.D. Lauda氏、M. Zivkovic氏と共同で、量子群U_q(sl_2)の圏化のトレース(0次Hochschild-Mitchellホモロジー群)についての論文をほぼ完成させた。線形圏のトレースはAbel群となるが、この概念を線形2圏に適用することにより線形圏を得ることができる。この構成をU_q(sl_2)の圏化に適用した。通常の圏化の場合には、split Grothendieck groupの時と同様にU_q(sl_2)を回復するのであるが、次数付の圏化に適用するとsl_2のカレント代数が出てくることがわかった。3.A. Beliakova氏、A.D. Lauda氏と共同で、量子群U_q(sl_N)の圏化のトレースについてのサーベイ論文を完成させた。これは上記2のsl_2の場合の概要について述べ、sl_Nの場合の圏化のトレースの、圏化の中心(2圏における恒等1射の自己2射の全体)への作用について考察した。本年度は2つの論文を完成させ、1つの論文をほぼ完成させることができた。1.T. Widmer氏と共同で、3次元多様体の中の枠付き絡み目に関するKirbyカルキュラスについての論文を完成させた。この論文では、まず、FennとRourkeによる閉3次元多様体の中の枠付き絡み目のKirby操作で生成される同値関係の特徴づけを、境界をもつ3次元多様体に対して一般化した。次に、この結果を枠付き絡み目の各成分が3次元多様体の中でヌルホモトピックである場合に対して応用し、そのような絡み目がKirby操作の列で移りあうための必要十分条件を与えた。また、Widmer氏と共同で3次元多様体の中のnull-homologousな枠付き絡み目のKirbyカルキュラスについての研究を進めている(論文準備中)。2.E. Contreras氏と共同で、境界をもつスピン3次元多様体のBorromean手術同値関係の特徴づけについて考察した。ただし、3次元多様体の1次元ホモロジー群が2トーションを持たない場合にのみ予想を証明することができた。現在、一般の場合への拡張を試みている。3.A. Beliakova氏と共同で、量子sl(2)の圏化におけるリボン元に対応する複体の構成を行い、論文をほぼ完成させた。リボン元は量子群における重要な可逆元であり、中心に含まれる。論文ではリボン元に対応する複体の定義と、他の元との可換性に対応する性質、及び可逆性に対応する性質を証明することができた。リボン元は普遍R行列にかなり近い構造であり、今回のリボン元の圏化についての研究が普遍R行列の圏化の構成につながるのではないかと期待している。交付申請書に記述した研究の目的に挙げられている上記以外の事項(特に3次元多様体の量子基本群および量子表現空間)についても、完成にはまだ至っていないものの、研究を行い、論文の準備が進みつつある。当該年度において、次の3つの論文を完成させることができた。1.A. Beliakova氏、A. D. Lauda氏、M. Zivkovic氏との共同の論文「Trace decategorification of categorified quantum sl(2)」において、量子群U_q(sl(2))の圏化のトレース(0次Hochschildホモロジー)について研究した。(これは、前年度の終わりまでに大部分ができていたが、今年度の4月に完成した。)2.A. Beliakova氏、A. D. Lauda氏、B. Webster氏との共同の論文「Current algebras and categorified quantum groups」において、simply-lacedなカルタン行列に対応する量子群U_q(g)の圏化のトレースについて研究した。特に、ADE型の場合に、このトレースがリー代数gのカレント代数U(g[t])と同型になることを証明した。

この証明には、量子群の圏化のcyclotomic商のトレースがカレント代数のワイル加群と同型になるということを使っている。当該年度において次の論文を完成させることができた。1.Khovanov, Lauda, Rouquierによる量子群の圏化は、2圏として実現されているが、この2圏において、1射の2回双対が元の射と同一になる(つまり、2圏がcyclicまたはpivotalとなる)ように、2圏の定義を変形することができるという結果をA. Beliakova氏, A.D. Lauda氏, B. Webster氏と共同の論文「Cyclicity for categorified quantum groups」において得た。この結果により、量子群の圏化におけるダイアグラムを使った計算が、より容易になることが期待される。他に、以下の研究において進展があった(論文は未完成)。2.前年度のA. Beliakova, A. Lauda, M. Zivkovicらとの共同研究において、量子群sl(2)の圏化のトレース(0次Hochschild-Mitchellホモロジー)を計算したが、これを高次のHochschild-Mitchellホモロジー及び巡回ホモロジーに対して拡張する研究を行っている。まだ完成はしていないが、予想される結果が分かる程度には計算が進んだ。3.上記2に関連して、圏化された量子群に限らず、より一般の線形圏に対して、Hochschild-Mitchellホモロジーと巡回ホモロジーの計算について研究を行っている。そのような計算ができるための良い線形圏の定義を見つけることができた。この結果の様々な応用および一般化について検討をしている。3次元トポロジーと関連する代数についてのいくつかのトピックスについて研究を行った。T.Widmer氏と共同で、3次元多様体の中のヌルホモトピックおよびヌルホモロガスな枠付き絡み目のKirby計算について研究した。A.Beliakova氏、Z.Guliyev氏、A.D.Lauda氏、B.Webster氏、M.Zivkovic氏らと共同で、量子群の圏化(特にリボン元、トレース、pivotal構造)について研究した。T.Q.T.Le氏と共同で、各有限次元複素単純リー代数gに対して、整係数ホモロジー3球面の種々の1のべき根における量子g不変量を統一する不変量を構成した。順調に進展していると考えている。特に、研究実績の概要1、2に記した量子群の圏化のトレースの研究は順調に進んでおり、現在は、一般の量子群の圏化のトレースの研究の段階まで来ている。低次元トポロジー今年度に引き続き、研究目的の各項目について研究を行っていく。数学の研究においては、計画通りに研究が進まないこともしばしばあり、予想外の進展があったり困難に直面する可能性は十分に考えられる。そのような場合には柔軟に計画を修正しながら研究を進めていく。順調に進展していると考える。特に研究目的3に関連して、量子群U_q(sl_2)の圏化のトレースについての結果を得ることができた。特に研究目的3の、普遍量子不変量の圏化に関して、リボン元の圏化を構成することができた。
真空電気化学AFMによるイオン液体系電極反応場の3次元イメージング

本研究では、われわれが独自に開発を進めてきた真空電気化学原子間力顕微鏡を用い、新規機能性溶媒であるイオン液体と電極との界面構造を原子レベルでの分析に取り組んだ。とくに、リチウムイオン蓄電池電極材料の一つであるチタン酸リチウムに着目し、イオン液体電解液中におけるその表面分析に取り組んだ。またこれに平衡して、装置のさらなる性能向上を目指し、新たなプローブ開発などの技術開発にも取り組んだ。これまで、電解研磨により先鋭化したタングステン探針を取り付けた音叉型水晶振動子をAFMの液中フォースセンサとして用いてきたが、タングステンの比重の高さにより、共振周波数が大きく低下し、これにより、高速化・高感度化が妨げられていた。そこで、比重が小さく、かつ比較的ヤング率の高い材料としてシリコンに着目し、その先鋭化プロセスを開発した。具体的には、フッ酸水溶液中での電解研磨と水酸化カリウム水溶液中での異方性エッチングからなる二段階エッチングプロセスにより、先端径120 nmまで先鋭化することに成功した。このシリコン探針を取り付けたフォースセンサは、タングステン探針を取り付けたそれよりも30 %以上高い共振周波数を示し、さらに液中原子分解能観察も達成され、本プロセスの有用性が示された。さらに、変位検出の高感度化のため、従来の水晶の圧電性を用いた電気的変位検出ではなく、光干渉変位検出系の開発にも取り組んだ。光学系・機械系・電気系の構築はほぼ完成し、基礎的な知見を収集した。これに加え、電気的変位検出とは異なり、光干渉変位検出により高次共振モードも検出可能であることを実験的に検証した。また、電気化学AFMのより実用的な系への展開を目指し、リチウムイオン電池電極材料である酸化物結晶のイオン液体中での構造分析に取り組んだ。原子分解能観察に成功し、この材料表面がイオン液体中においても安定であること、またこのような電池材料に対しても本AFMが適用可能であることを実験的に示した。電気化学AFMのより実用的な系への展開を目指し、昨年度に引き続きリチウムイオン電池電極材料であるチタン酸リチウム単結晶のイオン液体中での構造分析に取り組んだ。純粋なイオン液体ではなく、リチウム塩を添加したイオン液体電解液中においても原子分解能観察に成功し、リチウムイオン最表面のリチウムイオンの配列によく一致した原子スケールコントラストが得られた。また、充放電試験により、このイオン液体電解液中においてリチウムイオンの脱挿入が可能であることを確認した。すなわち、リチウムイオン脱挿入平衡反応下で原子分解能観察が可能であることが示された。この結果は、本技術が電池材料の動作環境下に直接適用可能であることを示しており、重要な成果である。また、別の系として、イオン液体が固-液界面において形成する溶媒和構造の起源を探索するため、アルカリハライド(111)面上におけるAFM分析に取り組んだ。その結果、これまで(100)面では確認されなかった層状の溶媒和構造が(111)面では形成されることが確認された。この結果より、イオン液体の層状の溶媒和構造が固体基板の電子状態に強く依存することが示された。また、(111)面における原子分解能表面形状像観察にも成功し、(100)面と比べて原子配列が大きく歪んでいることが確認された。すなわち、固-液界面において、(111)面のような高エネルギー面においては容易に表面再構成が起きることが実験的に示された。リチウム塩添加イオン液体中においてチタン酸リチウム単結晶の原子分解能観察が実現された。これはイオン液体電解液中における電池材料の原子分解能観察の初めての例である。リチウムイオン電池を含む蓄電池は電気化学AFMの最も重要なアプリケーションの一つであり、本成果はリチウムイオンの脱挿入in situ直接分析へとつながる重要な成果である。またアルカリハライド(111)面の分析結果においては、イオン液体-固体界面構造の形成メカニズムを示唆する結果が得られた。このように、実用・学術双方において重要な知見が得られており、研究は順調に推移している。前年度に引き続き、リチウムイオン電池電極材料であるチタン酸リチウム単結晶(LTO)についてのAFM分析について取り組んだ。今年度は、Li塩を添加したイオン液体を電解液とし、真空電気化学AFMを用いて、電解液中においてLTO電極へのLiイオン挿入過程の観察を行った。まずAFMプローブを試料表面へアプローチ可能なオープンタイプ電池セルを開発し、電気化学計測により、本セル中でLTO電極へLiイオンの脱挿入が可能であることを確認した。次に、この開発したセルを用いて、真空電気化学AFMにより分析をおこなった。ex situ測定では、Li挿入に伴い、LTO(111)試料表面に直径50 nm、高さ0.5 nmほどの円形の凸部が確認された。その凸部はLTO(111)面のテラス上及び原子ステップ端双方に形成された。この結果より、Liイオン挿入がLTO表面に均一に生じるのではなく、ドメイン状に生じること、また同じくリチウムイオン電池電極であるグラファイト電極などと異なり、ステップ端から選択的にLiイオンが挿入されるわけではないことが確認された。一方、in situ分析においては、探針走査領域においての表面構造が変化せず、Liイオン挿入は確認されなかった。しかし、走査領域から少し離れた領域においては、表面構造が大きく変化しており、LTO電極にリチウムイオンが挿入されたことが確認された。この結果は、探針が表面近傍に存在することにより、その近傍でのLiイオン挿入が阻害された可能性がある。

以上のように、本課題により真空電気化学AFMによるイオン液体電極反応場の分析を達成するとともに、学術的にも実用的にも重要であるリチウムイオン蓄電池への展開を進めることができた。本研究では、われわれが独自に開発を進めてきた真空電気化学原子間力顕微鏡を用い、新規機能性溶媒であるイオン液体と電極との界面構造を原子レベルでの分析に取り組んだ。とくに、リチウムイオン蓄電池電極材料の一つであるチタン酸リチウムに着目し、イオン液体電解液中におけるその表面分析に取り組んだ。またこれに平衡して、装置のさらなる性能向上を目指し、新たなプローブ開発などの技術開発にも取り組んだ。シリコン探針先鋭化プロセスの確立とそれによる共振周波数の上昇・原子分解能観察の達成により、AFM高感度化の最初のステップはクリアされた。また、光干渉変位検出系の開発についても、光学系・機械系・電気系の構築はほぼ済んでおり、基礎的知見は十分に収集できた。この知見をもとに、光学系ならびに電子回路の改善により、さらなる力検出感度の向上を目指し、真空電気化学AFMへの組み込みを進める。また、どのような材料に対して原子分解能観察が可能であるのかを実験的に検証していくのは重要な項目であるが、実用材料であるリチウムイオン電池用電極材料に対してこれが可能であることが示され、これは電池動作環境下でのin situ測定への展開が期待できる。これまで2年間培ってきた成果をもとに、真空電気化学AFMによりイオン液体電解液中におけるチタン酸リチウム単結晶の原子分解能観察の実現を目指す。リチウム脱挿入に伴う表面構造変化を原子レベルでの直接可視化が可能となれば、この系にとどまらず、様々な蓄電池系において、蓄電池の動作環境下での電極表面構造の直接分析へと展開できる。また、併せて電極表面構造だけではなく、固-液界面におけるイオン液体溶媒和構造の電位依存性を明らかにすることで、充放電過程における界面近傍のイオンの振る舞いを明らかにすることを目標とする。28年度が最終年度であるため、記入しない。表面・界面科学まず、前年度に構築した光干渉変位検出系の改善により、さらなる力検出感度の向上を目指すとともに、これの真空電気化学AFMへの組み込みをすすめ、3次元フォースマッピングの実現を目指す。さらに、フォースセンサ振動エネルギー散逸検出・高次共振モードの利用などを組み合わせることで、表面・界面構造分析技術だけではなく、物性評価技術へと展開を図る。
精神遅滞原因遺伝子BRAG1による興奮性シナプス調節機構の解明

ヒトの精神遅滞の原因遺伝子の1つであるBRAG1は、膜小胞輸送に重要なArf6を活性化し、高次脳機能発現に重要であることが示唆されているが、その分子機構は不明な点が多い。そこで、BRAG1遺伝子欠損マウスを作成し、生化学的、解剖学的、行動学的に解析した。その結果、BRAG1遺伝子欠損マウスでは興奮性シナプスのPSDに局在するグルタミン酸受容体の発現量に変化が生じていた。また、BRAG1欠損マウスでは海馬依存的な学習異常が観察された。以上から、BRAG1がArf6シグナル経路を介してグルタミン酸受容体の表面発現量調節を担い、高次脳機能発現に重要な役割を果たしていることが示唆された。中枢神経系の興奮性シナプスのシナプス後肥厚部に局在するBRAG1はArf6の活性制御因子であると同時にPSD-95と相互作用することが知られており、ヒトの精神遅滞(知的障害)の原因遺伝子の1つであることが報告されている。これらのことからBRAG1が記憶や学習といった高次脳機能発現にとって重要な分子であることが予想されている。しかしながら、どのような分子機構でBRAG1が興奮性シナプスの機能調節や高次脳機能に関与するのかは不明な点が多い。そこで本研究課題ではBRAG1遺伝子欠損マウスを生化学的、形態学的、行動学的に解析することでBRAG1の興奮性シナプスにおける機能的役割を明らかにすることを目的として研究を行っている。平成26年度は野生型およびBRAG1遺伝子欠損マウスの海馬からタンパク質を抽出し、シナプス関連分子やその調節に関わる分子に対する抗体を用いたウエスタンブロット法によって野生型とBRAG1遺伝子欠損マウスで発現量に違いのある分子のスクリーニングを行った。その結果、発現量の違いが認められる分子が見つかったため、野生型およびBRAG1遺伝子欠損マウスの脳を用いた免疫組織化学染色を行った。そして免疫染色性でも同様の発現量変化が認められることを確認した。今後は、これらのBRAG1遺伝子欠損に伴って発現量が変化する分子とBRAG1との関係性を生化学的および分子解剖学的に検証する予定である。脳の興奮性シナプスのシナプス後肥厚部(PSD)に局在するBRAG1は低分子量GTPaseであるArf6の活性調節因子として機能している。BRAG1はPSD-95との相互作用によりPSD選択的に局在し、興奮性シナプスでArf6シグナル経路を介した膜タンパク等のエンドサイトーシスに関与していると考えられている。また、BRAG1はヒトの精神遅滞の原因遺伝子の1つであることも報告され、高次脳機能に深く関与していることが示唆されている。しかしながら、BRAG1がどのような分子機構を介して記憶や学習といった高次脳機能に関与するのかは不明な点が多い。そこで、本研究課題ではBRAG1遺伝子欠損マウスを作成し、生化学的、形態学的、行動学的に解析することでBRAG1の興奮性シナプスにおける機能的役割を明らかにすることを目的として研究を行っている。平成27年度は前年度から継続して行っているBRAG1遺伝子欠損マウスの海馬において野生型に比べて発現量が変化している分子のスクリーニングを免疫組織学的に行ったところ、興奮性シナプスのPSDに豊富に存在するグルタミン酸受容体の局在量もしくは局在部位に変化が生じている可能性が考えられる結果が得られた。このグルタミン酸受容体はPSD-95と複合体を形成することから、BRAG1もこの複合体を形成しグルタミン酸受容体の局在や細胞表面発現量の調節に関与している可能性が考えられた。また、このグルタミン酸受容体の欠損マウスでは海馬依存的な学習が障害されることから、BRAG1欠損マウスでも海馬依存的な学習行動の解析を試みている。今後は、BRAG1がどのようにグルタミン酸受容体を調節しているのかを検証するために海馬初代培養を用いてシナプス可塑性を誘導する化学的刺激を与え、グルタミン酸受容体の細胞表面発現量の変化等を定量解析する予定である。BRAG1欠損マウスの海馬においてグルタミン酸受容体の発現量もしくは局在の変化と考えられる結果が得られ、シナプス伝達が変化していると考えられるが、学習行動の解析結果がまだ得られていない。また、海馬錐体細胞の棘突起密度等の形態学的解析も29年度に終える予定であるため。哺乳類の中枢神経系における興奮性シナプスのシナプス後肥厚部(PSD)に局在するBRAG1は低分子量GTPaseであるADPリボシル化因子6 (Arf6)の活性調節因子として機能している。BRAG1はPSD-95と結合することでPSD選択的に局在し、Arf6シグナル経路を介して受容体などの膜分子のエンドサイトーシスを制御していると考えられている。また、BRAG1はヒトの精神遅滞の原因遺伝子の1つであることが報告され、高次脳機能に重要な役割を果たしていることが示唆されている。しかしながら、BRAG1がどのような分子調節機構を介して高次脳機能に関与するのかは不明な点が多い。そこで、本課題ではBRAG1遺伝子欠損マウスを作成し、生化学的、形態学的、行動学的に解析することでBRAG1の中枢神経系における機能的役割を解明することを目的として研究を行った。BRAG

1遺伝子欠損マウスの海馬において野生型マウスと比較して発現量が変化している分子を免疫組織学的に解析したところ、興奮性シナプスのPSDに多く局在するグルタミン酸受容体の発現量もしくは局在部位に変化が生じている可能性が考えられる結果が得られた。このグルタミン酸受容体はPSD-95と複合体を形成することから、BRAG1もPSD95を介してこの複合体を形成し、グルタミン酸受容体の局在や細胞表面発現量の調節に関与している可能性が考えられた。また、このグルタミン酸受容体の欠損マウスでは海馬依存的な学習が障害されることから、BRAG1欠損マウスでも行動解析をしたところ、海馬依存的な学習異常が観察された。これらの結果から、BRAG1がArf6シグナル経路を介してグルタミン酸受容体のシナプスでの表面発現量や局在調節を行うことで高次脳機能発現において重要な役割を担っていることが示唆された。ヒトの精神遅滞の原因遺伝子の1つであるBRAG1は、膜小胞輸送に重要なArf6を活性化し、高次脳機能発現に重要であることが示唆されているが、その分子機構は不明な点が多い。そこで、BRAG1遺伝子欠損マウスを作成し、生化学的、解剖学的、行動学的に解析した。その結果、BRAG1遺伝子欠損マウスでは興奮性シナプスのPSDに局在するグルタミン酸受容体の発現量に変化が生じていた。また、BRAG1欠損マウスでは海馬依存的な学習異常が観察された。以上から、BRAG1がArf6シグナル経路を介してグルタミン酸受容体の表面発現量調節を担い、高次脳機能発現に重要な役割を果たしていることが示唆された。野生型とBRAG1遺伝子欠損マウスの海馬で発現量に違いのある分子を見つけることはできたが、BRAG1との関係性を明らかにできていないため。平成27年度の研究結果を基に、野生型とBRAG1遺伝子欠損マウスの海馬で発現量もしくは局在の違いが認められたグルタミン酸受容体をさらに詳細に検証するために包埋後免疫電子顕微鏡法を用いてPSD内部の局在を定量的に解析する。この定量結果が得られればBRAG1のPSDでの機能的役割が推察できる。これらをさらに検証するために海馬初代培養を用いてシナプス可塑性を誘導する化学的刺激を与え、グルタミン酸受容体の細胞表面発現量の変化等を定量解析する予定である。さらに、行動学的解析結果からBRAG1の欠損と高次脳機能との関連性を推察し、シナプス可塑性発現時のより詳細なBRAG1のタイムラプスイメージングやArf6の活性化型の定量解析を行い、BRAG1の興奮性シナプスのPSDでの機能的役割の解明を目指す。神経科学平成26年度の研究結果を基に野生型とBRAG1遺伝子欠損マウスの海馬で発現量に違いのある分子をさらに詳細に生化学的、分子解剖学的解析を用いてBRAG1との関連性を検証する。また、平成27年度の研究実施計画にあるように、BRAG1遺伝子欠損マウスにおいて興奮性シナプスの形成異常が認められるかを検証するために固定脳組織を用いた細胞内標識法で海馬神経細胞内に電気的に標識蛍光物質であるルシファーイエローを導入し、樹状突起やスパインを可視化した後に蛍光画像を取得して定量解析を行う。これらの解析を行うことでBRAG1と興奮性シナプスの存在する樹状突起スパインの関連性が明らかとなり、興奮性シナプスでのBRAG1の機能的役割を解明する一助とする。継続して行っている形態学的解析のための抗体試薬購入の平成27年度分を平成28年度に使用するため。
可溶性光メタマテリアル

離散双極子近似(DDA)およびFDTDを用いた数値計算により任意の形状のMIM構造の光学特性を予想できるようにした。まず、NaCl基板上に格子状のマスクを用いて正方形状のMIM構造を作製し、基板を水に溶解することにより分散を行うことができるようにした。単純に基板を水に溶解するだけでは、MIM構造が水に分散しないため、分散剤の添加を行い、静電反発による分散化を検討した。その結果、ポリビニールピロリドン溶液を最適な濃度で添加することにより安定に分散されたメタマテリアル溶液の作製を行うことができた。この研究のために作製した極微量(0.11μL)の分散溶液の分光を測定装置で吸収および反射分光を行った。この構造においては、予想された磁気共鳴に起因する光学応答がはっきりとした形で現れなかった。これは、正方形状のMIM構造では形状の異方性が強く、得られたスペクトルが平均化されてしまったためと考えられる。次に、ガラス基板上に直径400nm程度のラテックス球を堆積し、その上にハーフコアシェルとしてMIM構造を構築することを試みた。尚、事前にFDTDシミュレーションにより、球上に構築されたMIM構造でも十分な特性が得られることを確認している。MIM構造は超音波により脱離が可能であり、水中に分散することがえきた。得られた溶液の濃度は低いが、十分な量の溶液が得られたので、この試料では通常の分光装置で計測を行った。その結果、900nm近傍の近赤外領域に強い吸収を持つ可溶な光マテリアルの作製に成功した。この分光結果は、FDTDを用いたシミュレーション結果と良い一致を示しており、コア部分とシェル部分の相互作用により生じることがわかった。以上の得られた知見を活かしそれをさらに発展させるため、引き続き、可溶性メタマテアリルの構造の検討および作製を行い、バイオや医療分野に応用できる粒子の作製をめざしていく予定である。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、主にトップダウン的な手法を使って液体に可溶な光メタマテリアルを作製することを目的とする。ここでは「可溶」とは、熱力学的な溶解ではなく、溶液中に光メタマテリアルが安定に分散されている状態を指す。この方法では、よく規定された構造で、かつ、3次元的な性質を示す光メタマテリアルが作製できる。研究項目は、以下の通りである。(1)所望の光学特性を示す可溶性光メタマテリアルの設計手法を確立する。(2)トップダウン手法にもかかわらず、液体中に安定して分散する光メタマテリアルを作製する。(3)得られる溶液は極微量(0.11μL)であるが、その光学測定が可能な光学系を作製する。そして、設計通りの光学特性が得られているか調べる。平成25年度では、以下の3つの項目について研究をおこなった。(1)大きな吸収断面積、散乱断面積、旋光度、屈折率、非線形光学特性などが得られる構造を明らかする。MIMのユニットの計算には、離散双極子近似(DDA)やミー理論を使った解析的な計算を行い、分極率等を見積もる。(2)設計された構造を実現する。ここでは、収束イオンビーム(FIB)を使ったトップダウン的な手法で作成したメタマテリアル分子、および、サイズ分布が小さい高分子球を使った作製手法の両方について検討を行う。(3)極微量の光学測定を行う光学系を作製する。そして、溶液中に分散した光メタマテリアルの光学的な評価を行い、設計された特性と比較する。

26年度が最終年度であるため、記入しない。設計の項目では、3つの手法で計算ができるように研究をすすめた。離散双極子近似(DDA)を用いたシミュレーションでは、任意の形状のMIM多層構造の計算が行えるようにした。また、DDAによる計算をサポートするため、FDTDによるシミュレーションが行えるように環境を整備した。以上2つの計算手法は数値計算によるものであるが、設計上の見通しをよくするために、ミー理論を使った多層の微小球の計算プログラムを作製した。この計算では、球や球に多層膜が堆積した構造しか計算できないが、構造設計をする上での見通しが良いため、この方法も合わせて行うことことができるようにした。作製の項目では、収束イオンビームを用いたトップダウン的な手法によるナノ構造の作製条件を調べて、それが可能となった。また、高分子球を用いた作製方法も実験を行い、基板から高分子球を脱離させて、分散できる条件を調べた。また、微量のサンプルを測定できる光学系の作成をおこなった。25年度に引き続き26年度では、光メタマテリアルの設計、および、光メタマテリアルの作製と評価を行う。後半では、顕微分光技術を使い、単一のユニットの光学特性を観察する。現有設備の超高感度非線形顕微分光システムは、単一の金属ナノ構造(ここでは、メタマテリアルのユニット構造)の非線形光学応答も観察可能であり、微視的な構造解明に威力を発揮する。ここで得られた結果は、有効媒質近似を用いる必要はなく、DDAを使った計算と直接比較を行うことができる。その結果、大きな吸収断面積、屈折率、非線形光学特性が得られる構造を明らかにすることができる。
外断熱工法と居住空間のカビ防止に関する研究

日本におけるRC造建築の断熱工法には大きく分けて、内断熱工法と外断熱工法の2つがある。本研究室における過去の研究では結露が生じにくい、省エネルギー性が高いなどの点から、外断熱工法の優位性を確認している。しかし、一方で外断熱工法は内断熱工法よりコストがよりかかる為、施工数は少ないのが現状である。本研究では、内断熱工法と外断熱工法のモデルにおいて、日本各地の気象データを用いた長期間の非定常解析を行い、壁内の温湿度性状の比較を行った。そして、カビの発生にくい断熱工法を検討することを目的とした。今まで建物壁体の温湿度性状の評価は結露するか否かで判断されてきた。しかし、カビは養分や酸素などの条件がそろえば温度0°C、相対湿度(RH ; Relative Humidity)70%以上で生息可能だといわれている。よって結露発生すなわち相対湿度100%での評価では不十分である。日本におけるRC造建築の断熱工法には大きく分けて、内断熱工放と外断熱工法の二つがある。本研究では、内断熱工法と外断熱工法のモデルにおいて、日本各地の気象データを用いた長期間の非定常解析を行い、壁内の温湿度性状を比較を行った。そして、カビの発生しにくい断熱工法を検討することを目的とする。しかし、カビは養分や酸素などの条件がそろえば温度0°C相対湿度70%以上で生息可能だといわれている。よって、結露発生すなわち相対湿度100%での評価では不十分である。今回、壁体内わ相対湿度(RH ; Relative Humidity)を非定常計算できこるシミュレーションソフトとして、ドイツFraunhofer研究所製の汎用プログラム"WUFI : Warme und Feuchtetransports in Bauteilen"(建物における温湿度の輸送解析プログラム)を用いて一次元非定常解析を行った。この結果内断熱は壁体内に水分が蓄積すること、外断熱は蓄積が少ないことが判明した。特に北の地域では外断熱が有利である。長野県にあるO総合病院は西棟が外断熱、東棟が内断熱になっている。両方の棟で病室、診療室、透析室、受付などで2004年7月、10月2005年1月に真菌の測定を行った。その結果特に10月の測定では明らかに外断熱の各部屋の真菌数が少ないという結果を得た。一方ドイツのFraunhofer研究所(Sedlbauer所長、Kunzel博士ら参加)と合同で6月から7月にかけて田中が実行委員長を努め建築物理に関するシンポジウムを東京、札幌、京都で開催、外断熱、真菌の問題を論じた。また同研究所と熱と水蒸気が同時に移動する場合に解析が行える計算プログラムWUFIに関し共同研究を行い、理論計算上も外断熱が外壁内に水蒸気が蓄積しにくい事を確認した。このことに関し2005年3月11日にStuttgartのFraunhofer研究所でWork Shopを開き結果の報告を行う。日本におけるRC造趣建築の断熱工法には大きく分けて、内断熱工法と外断熱工法の2つがある。
直交曲線座標系による貯水池水理の3次元解析

1、直交曲線座標系を用いた平面多層流に関する数値解析モデルを開発し、複雑な幾何形状と境界条件を有する現実の貯水池に適用して、貯留水の流れとそれに密接した濁水および富栄養化現象の3次元的挙動を解析した。その結果、貯水池の形状特性と境界条件に対応した流れの運動学的特徴が明らかにされるとともに、入り江や水路の湾曲等の局所的な流れに及ぼす影響が表現された。また、貯留水の流れの挙動を反映した濁度および富栄養化関連水質濃度の流下・貯留過程,流れの滞留特性に関連した藻類の発生現象を再現し、これらの水質変化に寄与する流れの分布を定量的に明らかにした。とくに、藻類の発生現象が入り江などの局所的滞留域より生じ、それが表面流によって貯水池表層を移流・分散される過程を表現し、従来の経験的事実を確めるとともに、その時間的・空秀的変化の特徴を詳細に解明した。2、貯水池へ流入する支川とその流入域が、藻類発生等の富栄養化現象に及ぼす影響をより忠実に取り扱うため、支川流入域を組み入れた3次元解析を実施し、支川からの流入負荷と、合流部での流れを挙動が実際現象に如何に寄与するかを把握するとともに、支川域を導入することが現象の再現と理解に有効であることを示した。3、河口堰湛水池を対象とした流れの3次元解析を、直交曲線座標系に基くより一般的な水域分割の下で実施し、湛水池形状の忠実な表現と流れの3次元分布を再現した。また、この解析を通じて、幅方向に等分割する解析法と等分割しないより一般的な解析法とを比較し、ダム貯水池には前者が、入リ江等を有しない河口堰湛水池では後者が適当であることを示した。さらに、解析に用いる数値計算法について、リ-プフロッグ法,スタッガ-ドスキ-ム法,アダムスバッシュフォ-ス法を比較し,いずれの方法でも計算結果に大差ないことを示した。1.我国に存在する貯水池の多くは、流下方向に細長く蛇行する複雑な平面形状とくさび形の縦断形状を有し、そこでの流体運動は現象論的にみた場合、1方向多層流れあるいは平面多層流れの特徴をもつことを実測資料より確めた。その上で、貯水池の形態的特徴をできるだけ忠実かつ汎用的に、しかも解析を行う上で効率良く表現するための手法について検討し、既存の測量デ-タを用い直交曲線座標系に従って形状を近似すると同時に3次元解析のための空間分割を行う方法を提案した。また、この形状表現法を室生貯水池と耶馬渓貯水池へ適用した結果、いずれにおいても良好な形状表現が得られ、その妥当性・有用性が検証された。2.1.で得られた貯水池モデルと空間分割に基いて、貯留水の流れと水温・水質濃度の非定常な3次元的変化を取り扱うための平面多層モデルを直交曲線座標系を用いて定式化した。さらに、得られたモデルをコントロ-ル・ボリュ-ム法により積分展開し、空間平均量に関する離散型の数値解析のためのモデル式に変形するとともにその数値アルゴリズムを作成した。3.2.で得られた数値解析手法を室生貯水池および耶馬渓貯水池に適用し、水温成層流の挙動とそれに伴う各種水質物質の流下・伝播・貯留過程ならびに各種藻類の発生現象とそれに関連する水質変化を解析した。

その結果、過去に得られた知見と一致する流体運動特性が再現されるとともに、流速分布に基いた流れの滞留状況が3次元的に示され、流出入に伴う各種水質の流下・貯留特性が明らかとなった。また、流れの滞留域において藻類の発生と集積化が進み、出現した高濃度塊が流れにより移流・拡散する状況が再現され、富栄養化現象に及ぼす水理的要因の影響を少なくとも定性的に把握することができた。なお、モデルによる現象再現性についても実測値との比較より良好であることを確認した。1.本研究で開発した直交曲線座標系による平面多層流に関する数値解析モデルを、複雑な幾何形状と境界条件を有する現実の貯水池に適用し、貯留水の流れとそれに密接に関連した濁水および富栄養化現象の3次元解析を実施した。その結果、貯水池の形状特性と境界条件に対応した流れの3次元的特微が明らかにされるとともに、入り江や水路の湾曲等の局所的な流れに及ぼす影響を再現した。また、貯留水の流れの挙動を反映した濁度および富栄養化関連水質濃度の流下・貯留過程、流れの滞留特性に関連した藻類の発生現象を再現し、これらの水質変化に寄与する流れの挙動を明らかにした。とくに、藻類の発生現象は、入り江などの局所的滞留域より生じ、それが表面流により湖面へ移流・分散されることを表現し、従来の経験的事実を確認するとともに、その詳細な変化過程を明らかにした。2.貯水池へ流入する支川とその流入域が、藻類発生等の富栄養化現象に及ぼす影響をより忠実に取り扱うため、支川流入域を組み入れた3次元解析を実施し、支川からの流入負荷と、合流部での流れが実際現象に寄与する程度を考察するとともに、支川域を組み入れることが現象の再現と理解に有効であることを示した。3.河口堰水池を対象とした流れの3次元解析を、直交曲線座標系に基くより一般的な水域分割の下で実施し、湛水池形状の患実な表現と流れの3次元分布を再現した。また、この解析を通じて、幅方向に等分割する方法と等分割しないより一般的な分割法との結果を比較し、ダム貯水池には前者が、入り江等を有しない河口堰湛水池には後者が有効であることを示した。さらに、3次元解析に用いる数値計算法について、リ-プフロッグ法、スタッガ-ドスキ-ム法、アダムスバッシュフォ-ス法を比較した結果,いずれも大差がないことを示した。
核燃料再処理環境における金属材料の腐食と環境割れ

ステンレス鋼やチタン合金は、耐食性が高いため化学プラントから生体材料等の幅広い環境中で使用されている。しかし,環境が変化すると予想しない腐食が発生することがあり、その腐食挙動は十分に理解されているとは言い難い。特に,次世代高強度材料として期待されている,酸化物分散強化型(ODS)フェライトス鋼については,腐食挙動に関する知見が殆ど無い。そこで、本年度はクロム濃度を変えて作製したODSフェライト鋼,オーステナイトステンレス鋼,チタン合金の硝酸環境中を中心に腐食挙動の調査を電気化学的手法と浸漬腐食試験により行うとともに,表面酸化物皮膜構造をXPSにより分析した。12%-15%CrODS鋼の3Mから9Mの沸騰硝酸中の腐食挙動を浸漬試験により調査した。浸漬時間は,最長240時間とした。その結果,15%Cr ODS鋼の腐食速度は,0.02-0.24mm/年であり,304Lステンレス鋼の腐食速度は,0.02-016mm/年(浸漬初期)であった。ODS鋼は,240時間浸漬しても粒界腐食は観察されなかった。動電位分極曲線から求めた,腐食電位は硝酸濃度が高くなるに従って,貴側に変化した。XPSによる表面分析の結果から,ODS鋼とステンレス鋼の腐食挙動の違いは,不働態皮膜組成の違いによることを明らかにした。JIS-2Tiとチタン合金,(Ti-0.4Ni-0.15Cr-0.01Pd-0.03Ru-Ta, KS50AKOT)の沸騰濃硝酸溶液中における腐食挙動を調査した。浸漬腐食時間は240時間とし,48時間毎に溶液を交換した。腐食速度は,JIS-2Tiで0.07mm/年,チタン合金で0.000763mm/年であった。ODS鋼の硝酸環境中における使用の可能性を明らかにした。これまでの成果を,国際会議で2回(1回は招待講演),国内の学会で1回発表している。更に,投稿論文(印刷中)査読付きが2報,投稿中(査読付き)が1報,解説(査読中)が1報あであり,その他2報投稿準備中であるため。今後,新たな材料についても高温硝酸環境中における耐食性を調査するとともに,その耐食性に影響している表面酸化物皮膜の構造についても研究を進めていく。ステンレス鋼やチタン合金は,耐食性が高いため化学プラントから生体材料等の幅広い環境中で使用されているが,その腐食挙動は十分に理解されているとは言い難い。また,新規なステンレス系材料として注目されているODSフェライト鋼は,水溶液中に於ける腐食挙動について殆ど知見がない。特に,厳しい腐食環境中において,これら金属材料の腐食挙動を解明することは,将来の材料使用際して重要な指針を与える。本年度は,ODS(Oxide Dispersion Strengthened)フェライト鋼を中心にその水溶液環境中における腐食挙動を溶液組成,溶液濃度,温度に着目して電気化学的手法と表面分析法により調査した。試験終了後の各試料表面を光電子分光分析装置により測定したところ,ODS鋼表面はFe_2O_3主体の酸化物であるが,Cr_2O_3とY_2O_3も存在していることが明らかになった。SEM観察の結果,11 mass%Cr二相ステンレス鋼は,腐食によりいずれの環境においてもクラックが発生していた。二相ステンレス鋼とODS鋼の強度レベルはほぼ同じであることから,腐食によるクラック発生(SCC)の挙動が組織によって異なることが示唆された。

研究開始当初より精力的に研究を進め,過酷環境中で使用が期待される材料の腐食挙動についいて有用な知見を得ている。その成果の一部は,既に国際会議で発表し,本年度中に更に2つの国際会議で発表する予定である。また,論文を1報投稿中であり,更に2報目を投稿準備中である。これまでの成果を,国際会議で2回(1回は招待講演),国内の学会で1回発表している。更に,投稿論文(印刷中)査読付きが2報,投稿中(査読付き)が1報,解説(査読中)が1報あであり,その他2報投稿準備中であるため。前述したように,当初の計画以上に研究が進展している。これまでは,電気化学的手法による研究が中心であったが,対象材料の使用が想定される環境を模擬した環境中における腐食試験および腐食機構解析を行う。今後,新たな材料についても高温硝酸環境中における耐食性を調査するとともに,その耐食性に影響している表面酸化物皮膜の構造についても研究を進めていく。
労働者のワーク・エンゲイジメントを高める認知行動療法プログラムの開発と効果検証

労働者のワーク・エンゲイジメントを高める研修プログラムの開発を目的とし、ポジティブ心理学をベースとした組織開発手法であるAppreciative Inquiryを援用したプログラムを作成し、50名規模の事業所で前後比較試験を行った。事前の調査より、部下のワーク・エンゲイジメントを高める上司の行動として「誠実さ」があることが明らかになったため、プログラムには「誠実さ」に関する上司向け教育も取り入れた。効果指標として、ユトレヒトワークエンゲイジメント尺度と新職業性ストレス簡易調査票を用いたが、前後比較の結果、有意差は認められたものの、ワーク・エンゲイジメントが低減するという結果となった。平成27年度(CBTプログラムの開発と前後比較試験)1)文献レビュー(平成27年49月):完了。本文献レビューの結果に基づいて、当初予定していt認知行動アプローチにとどまらず、ジョブ・クラフティングなど、新しい視点を取り入れて、教育プログラムの開発を行った。2)海外のワーク・エンゲイジメントに関する研究を専門とする研究者を訪問(平成27年7月9月):先方研究者との都合がつかなかったため、未完了。2016年度に、完成しているプログラムに対する意見・助言等をもらうために訪問することを現在計画中。3)CBTアプローチに基づいた個人向けストレス対策プログラムの開発(平成27年911月):完了。文献レビューをもとに、当初予定していたプログラムとは内容・形式を変えたため、開発に時間を要した。4)研究協力スタッフのトレーニング(平成27年11月):介入マニュアル作成まで完了。スタッフ募集について、スタッフがまだ集まっておらず、教育については未完了。5)前後比較試験の倫理審査申請(平成27年11月):研究デザインを、前後比較試験ではなく、統制群と介入群2群をおいての研究デザインへと変更することを検討中のため、未完了。6)試行版CBTプログラムの効果検討のための前後比較試験(平成27年12月平成28年1月):上記のとおり、現在、研究デザインの変更を検討中でるため、まだ開始しておらず、未完了。研究プログラムの内容、研究デザインの変更検討にともない、当初の計画に比べると少し遅れているが、教育プログラムは完成しており、来年度には試験を開始できる状況である。1)試行版CBTプログラムの効果検討のための前後比較試験:少人数を対象として、試行版のプログラムを実施した。実施の結果、教育研修の対象者を一般従業員から管理監督者へと変更することとし、テーマもHSE(英国安全衛生庁)が開発した部下のストレスを予防する上司のマネジメントコンピテンシーリストを活用した教育研修プログラムへと変更した。2)プログラムの変更・完成:試行版プログラムの実施状況と参加者からの反応等を踏まえて、管理監督者向けのHSEマネジメントコンピテンシーリストを用いた教育研修へとプログラム内容を変更させることとし、3時間の教育研修プログラムを完成させた。3)研究協力スタッフのトレーニング:研究協力を依頼した企業との打ち合わせより、研究デザインを無作為比較化試験から前後比較試験に変えることとし、対象人数が100名程度であったため、スタッフ募集を・トレーニングを行わず、研究責任者がすべての回の教育研修プログラム実施を担当することとした。4)前後比較試験の実施:ある金融系企業における94部署の管理監督者94名を対象に、約3時間の教育研修プログラムを提供し、研修前と研修実施から1か月後に自己記入式質問票に記入してもらった。あわせて、その部下1,193名に研修前と研修実施から1年後に自己記入式質問票に記入してもらい、研修実施による部下のワーク・エンゲイジメントにおける効果を検討する予定である。研究プログラムの内容や、研究デザインの変更はあったものの、教育研修プログラムの実施までは終了しており、当初のお邸通り平成29年度にはデータの解析および結果の公表の段階に移ることができる予定である。(1)ワーク・エンゲイジメントに焦点をあてた研修プログラムの作成:HSEマネジメントコンピテンシー調査票を活用した管理監督者向け教育研修プログラムの効果検討のデータ解析の結果、マネジメントコンピテンシーのうち、「上司の誠実さ」がワーク・エンゲイジメントの向上と関連していることが明らかとなった。そこで、「上司の誠実さ」に関する教育を管理監督者に行った上で、介入プログラムを実施することとした。介入プログラムの手法としては、ポジティブ心理学をベースとした組織開発手法であるAppreciative Inquiryを採用し、1回3.5時間の研修プログラムを作成した。(2)試行版プログラムのトライアル実施とプログラムの改善:平成29年8月に産業医、人事労務担当者、臨床心理士、社会法研労務士など、産業精神保健に関わる専門職を対象にプログラムのトライアルを実施した。実施後のアンケート結果をもとに、研修プログラムへの事例の追加、教示方法の変更など、プログラムの改善を行った。(3)プログラムの実施と効果検討の結果の解析:従業員50名の製造業の企業にて、11月に全従業員を対象に介入プログラムを前後比較試験にて実施した。実施前と実施から3ヶ月後に全従業員に自記式調査票への回答を求めた。効果測定の指標として、ユトレヒト・ワーク・エンゲイジメント尺度(U-WES)、新職業性ストレス簡易調査票を使用した。2回の調査に両方回答した24名のデータについて、解析を行った結果、U-WESにおいて有意差が見られた(t=2.34, df=24, p<.05)が、ワーク・エンゲイジメントが低減するという結果であった。また、新職業性ストレス

簡易調査票におけるワーク・エンゲイジメントの項目についても有意差がみられた(t=2.73, df=24, p<.05)が同様にワーク・エンゲイジメントが低減するという結果であった。労働者のワーク・エンゲイジメントを高める研修プログラムの開発を目的とし、ポジティブ心理学をベースとした組織開発手法であるAppreciative Inquiryを援用したプログラムを作成し、50名規模の事業所で前後比較試験を行った。事前の調査より、部下のワーク・エンゲイジメントを高める上司の行動として「誠実さ」があることが明らかになったため、プログラムには「誠実さ」に関する上司向け教育も取り入れた。効果指標として、ユトレヒトワークエンゲイジメント尺度と新職業性ストレス簡易調査票を用いたが、前後比較の結果、有意差は認められたものの、ワーク・エンゲイジメントが低減するという結果となった。平成28年度の計画(無作為比較化試験)1)倫理審査申請:変更した研究デザインをもとに、倫理審査申請を行う。2)無作為比較化試験の実施:無作為比較化試験を行う。平成29年度の計画(フォローアップ調査およびデータ解析、結果の公表)1)フォローアップ調査:全2回のフォローアップ調査を行う。2)解析と結果の公表:収集されたデータを研究計画に基づいて解析し、国内外での学会発表により公表する。1)データ入力と解析(平成29年46月):調査終了後、データ入力と統計解析を行う。2)成果の公表(平成29年7月平成30年1月):国内外での学会発表、国際英文誌への原著論文投稿に向けた論文作成を行う。産業精神保健研究の教育研修プログラムに活用するために参加予定であった講座受講のための費用として確保していたが、予定が変更されたため、当該年度に支出しなかったため。研究デザインの変更にともない、人件費がほぼ必要なくなったために、使用額に変更が生じました。次年度以降、教育研修プログラムに必要な心理療法の技法習得のための講座受講の費用にあてる。解析を行い、結果を公表するので、国際学会への渡航費用や投稿料にあてることを予定しております。
三次元計測をベースとした光造形システムの研究

整形外科領域における画像診断として、CTスキャンを利用した三次元表面再構成法が普及している。これはCT画像からのデータをもとにCRTディスプレイ上に三次元モデルを生成し、骨の外観を立体視するものであるが、CRTディスプレイによる画面では、対象となる患部の大きさと位置が画面を通したスケールでしか判断できないといった欠点がある。また、骨のモデルを生成する際のデータ抽出としてCT画像を用いると、スライスピッチを細かくするために患者に長時間同姿勢でいることを強いることになる。そこでわれわれは、患部のX線画像からのデータをもとに光造形法を用いて患部の立体モデルの生成を試みた。この方法により患部データの抽出時間の短縮が可能となるため患者に対する負担が軽減し、より的確な術前検討が可能になると考えられる。今回のモデル生成では股関節、なかでも大腿骨近位部を対象とし、従来より行なわれていた石膏の削り出し法により形状を生成する方法から光造形法に変えることで、よりリアルな大腿骨頭部のモデル生成が可能となった。また、光造形法によるモデル生成では光硬化樹脂の種類を変えることで生成モデルに容易に切り込みを入れること、さらに骨の外観の形状データとともに内部の形状データを組み込むことによって、骨内部の形状を生成することが可能である。股関節疾患でしばしば遭遇する変形性股関節症に対し、人工股関節置換術が広く行なわれる昨今、術前に病変部の形態をより正確に把握する必要があるが、本研究で生成されるモデルはその目的をみたすものであり、今後、実際の臨床面での応用も可能と考えられる。股関節を形成する大腿骨近位部のX線撮影画像による3次元ソリッドモデル化は、これまでのCT画像から再構成したものに比し、撮影時間が短縮され、放射線被爆量も少ないなどの利点を有している。われわれは、骨のX線撮影画像による3次元ソリッドモデル化の実現をめざし、研究を行ってきた。平成7年度は以下のような研究成果を得たので、以下のごとく報告する。(1)股関節疾患を有する患者のX線撮影のカメラの位置座標系を確立した。(2)局所撮影用フィルムカセット装置の標準位置を2通りに設定した。(3)X線フィルム上の骨の形状で判断し難い部分に関しては、熟練医師による判断理解を導入した。(4)X線画像の輪郭部以外に重なり部の輪郭を理解しデータとして利用できることがわかった。(5)デジタイザーによるX線画像からのデータ抽出の変換プログラムを完成させた。従来6日間を要した作業を2日間に短縮した。(6)3次元ソリッドモデルの作成には三角パッチによる形状生成を行っているが、より滑らかな表面の曲線生成にはNC工作機械のデータ構造が有利である。今年度ではNCデータの基本構造を確立した。(7)また、光硬化樹脂のモデル化には所要時間として薬24時間を要するのに対して、積層法による3次元モデル化は、約3時間程度で可能である。この手法は、ラミネート・オブジェクト作成法(LOM Laminated object Manufacturing)といわれ、欧米では工業的に利用されているものであり、レーザー加工を利用しシート材と切断していくものである。今回は紙を用い基本的なモデル化を実現した。整形外科領域における画像診断として、CTスキャンを利用した3次元表面再構成法が普及している。これはCT画像からのデータをもとにCRTディスプレイ上に3次元モデルを生成し、骨の外観を立体視するものであるが、CRTディスプレイによる画面では、対象となる患部の大きさと位置が画面を通したスケールでしか判断できないといった欠点がある。

この方法により患部データの抽出時間の短縮が可能となるため患者に対する負担が軽減し、より的確な術前検討が可能になると考えられる。今回のモデル生成では股関節、なかでも大腿骨付近部を対象とし、従来より行なわれていた石膏の削り出し法により形状を生成する方法から光造形法に変えることで、よりリアルな大腿骨頭部のモデル生成が可能となった。また、光造形法によるモデル生成では光硬化樹脂の種類を変えることで生成モデルに容易に切り込みを入れること、さらに骨の外観の形状データとともに内部の形状データを組み込むことによって、骨内部の形状を生成することが可能である。股関節疾患でしばしば遭遇する変形性股関節症に対し、人工股関節置換術が広く行なわれる昨今、術前に病変部の形態をより正確に把握する必要があるが、本研究で生成されるモデルはその目的をみたすものであり、今後、実際の臨床面での応用も可能と考えられる。