hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
仮説:歯列咬合状態から捕食動作は推察できる

咀嚼運動は咬合状態により特徴的に変化することから「捕食動作⇔咀嚼運動⇔咬合状態」の可能性がある。捕食・咀嚼の観察を行った結果、個人内変動が個人間変動より小さいことから、小児の捕食でも口唇・舌・咀嚼筋等により作用を受ける歯列咬合状態が、個人内変動の少ない運動に変化することにより、一定の捕食スタイルが獲得されると推察されることから、歯列咬合状態が捕食動作に影響を与えることが示唆された。複雑な顎口腔機能において「形態と機能」または「機能と機能」の相互関係を解明することは、検査・診断方法の開発に有用な情報が提供できると考えられる。捕食は食物を口腔内に取り込むまでの動作でありその後に咀嚼が行われる。すなわち捕食は咀嚼の前駆動作であり、両者には密接な関係がある可能性が高い。一方、咀嚼運動は咬合状態により特徴的に変化する。このように考えると「捕食動作⇔咀嚼運動⇔咬合状態」の可能性がある。そこで本研究は、この3者の関係を明らかにすることを目的とした。1.捕食動作の計測:本計測はモーションキャプチャーシステムを用いるが、このシステムの精度を検討した。位置計測はサブピクセル、0.3ピクセル単位で行わんており、ジッターフリーの絶対精度で1.5mm以下と考えられた。2.プログラム開発:捕食おおび咀嚼運動の解析プログラムとして以下のプログラムを開発した。(1)任意点の三次元運動解析:運動開始点からの三投影平面および三次元の移動要素の算出(2)サイクリック運動解析:始点およびピーク探索機能の自動認識プログラム(3)反作用解析:主たる運動に付随する反作用様運動の解析3.捕食運動・咀嚼運動計測:捕食運動については成人10名、小児10名の計測を行った。これらの研究結果から、モーションキャプチャーにおいて捕食運動および咀嚼運動の解析が可能となり、本研究の最終目標である捕食と咬合状態の関係について演繹的に研究を行う準備が整ったと考えられる。1.捕食動作の計測:十分な精度があることが確認された。2.プログラム開発:(1)任意点の三次元運動解析、(2)サイクリック運動解析、(3)反作用解析を行った。3.捕食運動・咀嚼運動計測:捕食運動に成人については追加の計測を行った。4.摂食時の食片の大きさによる開口および開口時の頭部運動の解析4については、開口時に、開口量、頭頸部の回転および体躯の前方移動および前方への傾斜が認められるとともに、食片が大きくなると、これらの計測項目が有意に増加することが観察された。頭部および体躯のこれらの変化は、開口時における下顎の開口を助ける働きがあるとともに、一方で頭部自体を支える働きをすることも観察された。これらのことから、捕食動作が頭部および顎顔面形態に影響することが推察できた。今後、小児における計測ならびに口腔内の形態計測項目との関連についての解析も並行して行う必要がある。従って、両者には密接な関係がある。そこで、仮説1:捕食動作から咀嚼運動は推察できる、仮説2:咬合状態から捕食動作は推察できるという2つの仮説を立てた。本研究申請後に、研究代表者は転勤することとなったため、前職施設の既存設備を使用することができなくなったため、研究遂行が申請時の一部に留まった。特に小児の被験者については、小児患者およびその保護者との信頼関係や「慣れ」がないと研究に参加して頂けないことから、対象群として成人における捕食・咀嚼について「一食」の中での変化の観察を行った。被験者は成人女性20名とした。体躯・手・頭部・下顎・口唇周囲の運動計測を行うとともに、その間の被験食品の減少量、タイミング、咀嚼サイクル等について検討した。

その結果、「いただきます」直後では、1)1回の捕食量が多く、2)捕食間時間が短く、従って、3)時間当たりの嚥下量が多く、その期間はおよそ初期の5口までである、ことが明らかとなった。動作としては、頭部の後屈運動は開口量の大きな初期に著しかったが、食が進むにつれ開口時にすでに頭部の後屈位置に近い位置に頭部が固定されていた。また、これらの所見では個人内変動が個人間変動より小さい傾向が認められたことから、小児の捕食でもある一定の捕食スタイルの確立が進むことが想定されることから、その際の口唇・舌・咀嚼筋等が合目的に個人内変動が少ない運動として定着することが推察されるため、捕食が歯列咬合に影響を与えることが示唆されるものと思われる。本研究については、今後も引き続き継続する所存である。これらの研究結果については、今後、学会および紙上発表を行う予定である。研究立案時には、鹿児島大学に在籍していたが、その後、現職である新潟大学に赴任したため、当時現有設備であった計測機器が常時しようできる状態ではなくなったため。24年度が最終年度であるため、記入しない。転任したため、捕食(摂食)動作解析を現有設備でできないことが、研究遂行、特に小児における計測(平日診療時間内に計測が限定されるため)に支障を来していることは明らかであり、その解結には限界がある。しかし、成人(鹿児島大学に赴き休日計測)においては、捕食動作が顎口腔の形態に影響を及ぼす可能性が示唆されており、今後もこの視点からのアプローチを継続して行うものとする。
放射線で誘発されるマウス急性骨髄性白血病の発がん機構の解析

放射線誘発のマウス急性骨髄性白血病(AML)と、染色体2番中間部の欠失との関係を明らかにする目的で、以下の3つの実験を進展させた。I.ミュータントマウスの染色体欠失マッピング染色体2番中間部の欠失ミュータントマウス3系統について個々の欠失領域を特定した。D2Mit15(49.3 cM)の隣接部位(44.0 cM63.5cM)のSTSマーカーを50種類選択し、欠失マッピングを行った。1系統マウスはSfpi1を含む領域を欠失し、2系統の小眼球症マウスは、Wt1,Pax6部分を共通に欠失していた。II.ミュータントマウスの白血病誘発試験II-1.Del(2)Sey3Hの放射線に対する感受性を検討した。Del(2)Sey3Hミュータントは、小腸腺がんを自然発症した。γ線(3.0Gy)を全身照射してAMLを誘発したところ、潜伏期が短縮したが,AML誘発率は、正常マウスと有為差がなかった。小腸腺がんは、悪制度を増した。化学発がん物賃に対する感受性については、現在観察中である。II-2.Del(2)Sey4Hの化学発がん物質および放射線に対する感受性を検討した。メチルニトロソウレア(50mg/kg)を暴露して胸線リンパ腫発症を誘発したところ、胸線リンパ腫誘発率は、正常マウスと有為差がなかった。小腸腺がんは、両発がん物質暴露により、それぞれ悪制度を増した。III.がん抑制遺伝子同定染色体2番中間部の欠失ミュータントマウスは、小腸腺がんを自然発症する家系であることが分かった。マウス染色体2番のシークエンスデータと、ミュータントマウスの染色体欠失マッピングから、この表現型をもたらす遺伝子は、総数50以下にしぼられ、そのうち半数が未知遺伝子である。放射線誘発のマウス急性骨髄性白血病と、染色体2番中間部の欠失との関係を明らかにする目的で、以下の3つの実験を行った。I.ミュータントマウスの染色体欠失マッピング。胚細胞のがん抑制遺伝子がノックアウト(ヘミ接合体)になっているミュータントマウスの候補は、5系統あった。Del(2)59H,Del(2)Sey3Hが、がん抑制遺伝子想定部位を欠失していることはすでに明らかにしていたが、新たにDel(2)Sey4Hもこの部位を欠失することを確認した。II.ミュータントマウスの放射線感受性と白血病誘発試験。Del(2)Sey3H,Del(2)Sey4HはDel(2)59Hより繁殖力が高かったので、この2系統を用いることにした。染色体欠失部位にがん抑制遺伝子が存在すると想定しているので、これらミュータントは多段階発がんにおいてすでに1ヒット先行する(胚細胞突然変異)。そこで、γ線(3.0Gy)を照射して造血系細胞に2ヒット目(体細胞突然変異)を惹起し、白血病発症を対象群(胚細胞突然変異なし)と比較する。現在までのところ、Sey3HxJF1のミュータントマウス31匹、コントロールマウス29匹。また、Sey3HxC3Hのミュータントマウス9匹、コントロールマウス25匹をそろえ、放射線照射し、AML発症を観察している。III.がん抑制遺伝子クローニング。がん抑制遺伝子座(1cM)を狭めるために、国立放射線医学総合研究所(放医研)が保有するマウス白血病株159例について、がん抑制遺伝子座の欠失(LOH)を、DNAマーカー(D2Mit15)としてFISH(fluorescence in situ hybridization)法でスクリーニングした。その結果、D2Mit15の欠失(LOH)が、92.4%のAMLに認められ、7.6%は正常であった。放射線誘発マウス急性骨髄性白血病では、染色体2番中間部(49.0cMを含む)の欠失を伴うことが明らかになった。I.ミュータントマウスの染色体欠失マツピングD2Mit15部位がヘミ接合体のミュータントマウスは少なくとも3系統あることを、平成12年度に明らかにしていた。そこでこの3系統について個々の欠失領域を特定するため、D2Mit15(50.3cM)の隣接部位(44.0cM63.5cM)のマーカーを15種類選択し、欠失マッピングを行った。その結果、3系統マウスは、49.0cM51.4cMを共通に欠失していた。II.ミュータントマウスの放射線感受性と自血病誘発試験II-1.Del(2)Sey3HのオスをJF1,C3H/Heのメスと交配して得たハイブリッドマウスに、γ線(3.0Gy)を全身照射してAML発症を観察している。Del(2)Sey3H x C3H系の発がん状況は、ミュータントで6/40例、正常で7/45例。Del(2)Sey3Hx JF1系の発がん状況は、ミュータントで4/13例、正常で4/47例。がんの種類は多彩で、AML、リンパ性自血病、胃腺癌、胃扁平上皮がん、十二指腸腺がん、空腸ポリープ、肝細胞がん、卵巣顆粒膜細胞がん、肺腺がんを得ている。II-2.Del

(2)Sey4HのオスをC3H/Heのメスと交配して得たハイブリッドマウスに、MNU(メチルニトロソウレア)(50mg/kg)を暴露して胸線リンパ腫発症を観察している。Del(2)Sey4H x C3H系の発がん状況は、ミュータントで3/24例、正常で7/40例で、胸線リンパ腫発症率が低かった。III.がん抑制遺伝子クローニング放射線医学総合研究所が保有するマウス白血病株(159株)を用いた、D2Mit15欠失のスクリーニングは昨年度終了し、92.4%の白血病株に欠失がある結果を得、この部位の重要性を独自に再確認した。D2Mit15に隣接するD2Mit185は、Wt1遺伝子と100%リンクする報告がある(1997)。マウス染色体2番の物理マップ、コンセンサスマップから、約100の遺伝子にターゲットを絞ることができた。マウス自血病株(159株)、新たに誘発したがんでの、100余のターゲット遺伝子について欠失、突然変異を検索しはじめた。放射線誘発のマウス急性骨髄性白血病(AML)と、染色体2番中間部の欠失との関係を明らかにする目的で、以下の3つの実験を進展させた。I.ミュータントマウスの染色体欠失マッピング染色体2番中間部の欠失ミュータントマウス3系統について個々の欠失領域を特定した。D2Mit15(49.3 cM)の隣接部位(44.0 cM63.5cM)のSTSマーカーを50種類選択し、欠失マッピングを行った。1系統マウスはSfpi1を含む領域を欠失し、2系統の小眼球症マウスは、Wt1,Pax6部分を共通に欠失していた。II.ミュータントマウスの白血病誘発試験II-1.Del(2)Sey3Hの放射線に対する感受性を検討した。Del(2)Sey3Hミュータントは、小腸腺がんを自然発症した。γ線(3.0Gy)を全身照射してAMLを誘発したところ、潜伏期が短縮したが,AML誘発率は、正常マウスと有為差がなかった。小腸腺がんは、悪制度を増した。化学発がん物賃に対する感受性については、現在観察中である。II-2.Del(2)Sey4Hの化学発がん物質および放射線に対する感受性を検討した。メチルニトロソウレア(50mg/kg)を暴露して胸線リンパ腫発症を誘発したところ、胸線リンパ腫誘発率は、正常マウスと有為差がなかった。小腸腺がんは、両発がん物質暴露により、それぞれ悪制度を増した。III.がん抑制遺伝子同定染色体2番中間部の欠失ミュータントマウスは、小腸腺がんを自然発症する家系であることが分かった。マウス染色体2番のシークエンスデータと、ミュータントマウスの染色体欠失マッピングから、この表現型をもたらす遺伝子は、総数50以下にしぼられ、そのうち半数が未知遺伝子である。
機械的刺激によって活性化されるCI-チャネルの同定と機能解析

最近私たちは乳腺の腺胞の培養を用い、筋上皮細胞の収縮が分泌上皮細胞への機械的刺激となりATP,UTPなどのヌクレオチドが放出され、周りの細胞のプリン受容体を活性化することによって細胞間を伝播するカルシウム波が発生するを明らかにした。この機械的刺激によってヌクレオチドが放出されるメカニズムを探るためパッチクランプ下で機械的刺激を与えた結果CIチャネルの活性化がみられた。本研究はこの機械的刺激によって活性化されるCI-チャネルの同定と機能解析が目的であった。まずCI-チャネルの各種ブロッカーのなかでカルシウム波の発生あるいは伝播を阻害するものを検索した。fura 2をロードした乳癌細胞にカルシウム蛍光測光下で機械的刺激を与え各種薬物の効果を見たところDIDS,9AC,DPC,glibenclamideなどはカルシウム波の発生、伝播に大きな影響は与えなかったが、niflumic acidは高濃度(1mM)ではそれらを抑制した。niflumic acidは機械的刺激によって活性化されるCI-電流を抑制した。また、UTPの投与によって起こるATP分泌も抑制した。これらの結果はniflumic acid感受性のCI-チャネルがATPの放出に関与している可能性を示唆した。しかしもう1つの可能性としてniflumic acidがATP受容体に作用していることも考えられた。実際niflumic acid 1mM存在下ではATPによるCa^<2+>反応が抑制された。抑制の濃度依存性を考慮するとATP受容体への作用の方が可能性が強いと現在考えている。CICファミリーの遺伝子配列を使ったRT-PCRによる解析では、乳癌細胞にCIC-3が発現していることは示されたが、その他の種類のCI-チャネルについてはまだ不明であり、電気生理的に見いだされているCI-電流との関係はまだついていない。
局所投与かつ局所保持可能な理想的な細胞・成長因子送達法による骨欠損治療法の確立

マウスMSC、CB-GF搭載注入型局所硬化ゲルの有用性をマウス広範囲骨欠損モデルを用いて評価する。また、MHCハプロタイプの異なるマウスを用いて広範囲骨欠損モデルを作成し、同種MSC搭載注入型局所硬化ゲルによる治療の可能性を検討する実用化に向けてヒトMSCを用いた効果検証を免疫不全マウス広範囲骨欠損モデルにより検討する。
自律神経指標を用いた自閉症スペクトラム障害児の感覚処理障害の検証

512歳の知的障害を伴わない自閉スペクトラム症(ASD)児の感覚刺激(聴覚と触覚)に対する行動特性(主に過剰反応性・過小反応性)について、自律神経指標(副交感神経活動)を用いた検証を試みた。ASD児の聴覚過敏といった感覚特性に、副交感神経活動の低さが関連している可能性が示唆された。また、触覚刺激の受動的・他動的感覚刺激条件では、ASD児では安静時から副交感神経活動が高くなるのに対して、定型発達児では低くなる傾向が明らかとなった。この結果は、他者から提示される触覚刺激への反応がASD児でと定型発達児とでは異なる生理的反応を引き起こす可能性を示唆した。本研究は自閉症スペクトラム障害(ASD)児の感覚処理障害(Sensory Processing Disorder:SPD)に対し、科学的根拠に基づく支援を考えるために、ASD児と定型発達児の感覚刺激(聴覚と触覚)に対する自律神経活動(副交感神経)の違いについて分析する。平成27年度は、1対象児のリクルート2聴覚・触覚刺激の決定3ASD児・定型発達児の予備調査を実施した。対象児はASD児、定型発達児各40名のリクルートが終了し、WISC-IV知能検査および対人応答性尺度とPARS-TRを用い、基準を満たすASD児37名、定型発達児32名の登録を行った。聴覚・触覚刺激はsensory challenge protocolに則り、羽による触覚刺激と84dBの純音を用いた聴覚刺激を用い、受動的・他動的感覚刺激と能動的感覚刺激の2条件によりカウンターバランスをとり提示を行うこととした。また、刺激前後には2分間の安静条件を設定した。副交感神経指標は心拍変動(HRV)の高周波成分(HF)を用い、心電図(Vitrode F150 M日本光電)により計測した。また、交感神経は皮膚電気抵抗を指標として用いることとした。また、日常生活におけるSPDの行動指標を評価する目的で、日本版感覚プロファイルを保護者に記載してもらった。予備調査としてASD児20名と定型発達児20名のデータを収集し、安静時の副交感神経指標であるHFをASD児と定型発達児で比較検討を行った。また、HFと日本版感覚プロファイルとの関係について検討を行った。その結果、安静時の副交感神経の活動において、ASD児は定型発達児に比較し有意に低いHFの値を示した。また、40名の対象者全体において日本版感覚プロファイルの「低登録」「感覚過敏」「感覚回避」とHFの値に有意な負の相関(ρ=-0.36-0.47)が認められた。1対象児のリクルート平成28年度終了までにASD児、定型発達児それぞれ30名づつを目標としていたが、今年度ですでに目標数のリクルートが終了し、ASD児37名、定型発達児32名の登録が終了している。2研究方法の決定・予備調査研究方法の決定は当初計画通りに進行した。予備調査については定型発達児10名を対象とする予定であったが、ASD児20名と定型発達児20名のデータを収集できた。また、安静時の副交感神経指標であるHFをASD児と定型発達児で比較検討を行い、国内の学会発表と国際誌への発表ができた。本研究は6-12歳の自閉症スペクトラム障害(ASD)児の感覚処理障害(Sensory Processing Disorder:SPD)に対し、科学的根拠に基づく支援の開発を目的に、ASD児と定型発達児の感覚刺激(触覚と聴覚、受動・他動刺激と能動刺激)に対する自律神経活動(副交感神経)の違いについて分析する。対象児は目標の30名を超え、医師の診断とIQ80以上、対人応答性尺度、PARS-TRの基準を満たしたASD児51名、ならびに定型発達児37名、計88名の登録を完了した。全対象児に、聴覚・触覚刺激はsensory challenge protocolを用い、受動的・他動的感覚刺激と能動的感覚刺激の2条件をカウンターバランスをとり提示した。刺激提示前後は2分間の安静条件を設定した。副交感神経指標は心拍変動(HRV)の高周波成分(HF)を用い、心電図により計測した。交感神経指標は皮膚電気抵抗を用いた。また、日本版感覚プロファイルの記載を保護者に依頼した。51名のASD児のうち、14名が聴覚刺激に対し拒否反応を示し実験の継続ができなかった。そのため、すべてのデータが取得できた児は、定型発達児、ASD児とも37名となった。日本版感覚プロファイルでtotal scoreで感覚処理障害があると判断された児はASD児91.9%、定型発達児18.9%であった。触覚過敏性はASD児56.8%、定型発達児13.5%、視覚/聴覚過敏はASD児59.5%、定型発達児8.1%であった。自律神経指標の解析は次年度に実施する。ASD児、定型発達児とも目標対象児数となり、すべてのデータ収集を終了した。また、感覚プロファイルについても解析が終了し、自律神経指標の解析を残すのみとなっている。本研究は自閉症スペクトラム障害(ASD)児の感覚処理障害に対し、科学的根拠に基づく支援の開発を目的に、6ー12歳のASD児と定型発達(TD)児の感覚刺激(触覚と聴覚、受動・他動刺激と能動刺激)に対する自律神経活動の違いについて分析した。

対象児は、医師の診断とIQ80以上、対人応答性尺度とPARS-TRの基準を満たしたASD児37名、定型発達児37名であった。聴覚・触覚刺激はsensory challenge protocolを用い、受動的・他動的感覚刺激と能動的感覚刺激の2条件を提示した。刺激提示前後は2分間の安静条件を設定した。自律神経指標は心拍変動の高周波成分(HF-HRV)を用い副交感神経の活動を指標として用いた。統計解析は反復測定二元配置分散分析を用い触覚、聴覚それぞれの刺激における2グループ間、刺激間の差を検討した。対象児属性は年齢、性別に有意な差はなかったが、IQにおいて有意な差(p<0.01)があった(ASD児:96.8±17.4、TD児114.8±12.2)。聴覚刺激においてグループ間[F(1,66)=0.16,p=.69]、感覚刺激の種類(受動・他動と能動)間[F(1,66)=1.29,p=.26]の主効果は有意ではなかった。また、交互作用もなかった[F(1,66)=1.76,p =.18].。触覚刺激ではグループ間主効果は有意であり、ASD児はTD児よりもHF-HRV値が上昇した[F(1,72)=7.89,p<.01]が、感覚刺激の種類は有意ではなかった[F(1,72)=0.004,p=.95]。しかし、交互作用は有意[F(1,72)=5.37,p<.05]であった。触覚刺激に関して、ASD群とTD群で副交感神経の活動に違いがあることが明らかとなった。ASD群では安静時よりも触覚刺激を提示している時に、副交感神経の活動が高まり、定型発達児では低下した。512歳の知的障害を伴わない自閉スペクトラム症(ASD)児の感覚刺激(聴覚と触覚)に対する行動特性(主に過剰反応性・過小反応性)について、自律神経指標(副交感神経活動)を用いた検証を試みた。ASD児の聴覚過敏といった感覚特性に、副交感神経活動の低さが関連している可能性が示唆された。また、触覚刺激の受動的・他動的感覚刺激条件では、ASD児では安静時から副交感神経活動が高くなるのに対して、定型発達児では低くなる傾向が明らかとなった。この結果は、他者から提示される触覚刺激への反応がASD児でと定型発達児とでは異なる生理的反応を引き起こす可能性を示唆した。平成28年度は、登録したすべての対象児について、自律神経指標の計測、日本版感覚プロファイルを用いた評価を実施する。また、対象児数を増加し、より研究の質の向上を目指す。データ解析はASD児と定型発達児の安静時における自律神経系(交感神経、副交感神経)の活動に違いがあるか否かを検討した上で、聴覚と触覚、受動・他動刺激と能動刺激による比較、行動指標と自律神経指標の関連について検討する。当初の計画案では、副交感神経のみを指標とすることとしていたが、自律神経系においては交感神経と副交感神経の両者を評価することが推奨されていることから、新たな指標として交感神経指標を皮膚電気抵抗により計測することとした。平成29年度は、自律神経指標の解析を前半までに終了し、研究成果を国内学会、Asia Pacific Autism Conference 2017で発表する予定である。また、国際誌への投稿も行う。作業療法聴覚刺激、触覚刺激を作成するための材料費が安価で行えたため、わずかであるが余剰金が生じた。当初の計画よりも対象児数を増やすため、それにかかる物品費(消耗品)にあてる。
人工股関節手術における自動計画立案のための熟練医師が持つ専門知識のアルゴリズム化

本年度は,1.カップ自動計画システムの改良,2.関節機能評価を含めた全体計画調整システムの改良,3.遠隔手術計画に対応したXML手術計画データフォーマットの策定を行った.1.カップ自動計画システムの改良カップ自動設置計画の入力データとして必要となる骨盤ソケット縁(臼蓋縁)形状の抽出作業を,正規化相互相関法を用いたテンプレートマッチングにより半自動化した.また,骨残厚測定アルゴリズムを効率化することで自動計画システムを高速化した.追加実験では18症例に適用し,熟練専門医の計画と比較したところ,誤差は位置で平均3.94mm,サイズで平均1.44mmとなり,専門医計画近傍の計画を自動的に得られ斥ことから,本手法の有効性を確認できた.2.関節機能評価を含めた全体計画調整システムの改良本年度はこれまでマニュアルで行ってきた人工関節の設置位置に基づく骨モデルの切除(骨切・掘削)を自動化した.また,前年度使用していた単純な形状の人工関節システムだけでなく,より骨の解剖構造に適したアナトミカルシステムへも対応させた.11症例を用いた実験では,脚長差が平均2.3mm(閾値5.0cm),関節可動域(閾値30.0度)が平均36.7度となった.自動調整システムで設定した制約条件を満たす,調整された計画を11症例中9症例で得られたことから,本システムの有用性が確かめられた.3.遠隔手術計画に対応したXML手術計画データフォーマットの策定3次元手術計画データは,これまで中間データフォーマットが存在しなかったため,今回1XMLドキュメント内に1手術計画の全ての情報を記録可能で,標準化可能な手術計画データフォーマットを策定した.また,骨の切除方法を記したスクリプトを手術計画データ内に埋め込み,計画読み込み側で切除した骨モデルを生成することを可能にすることで,受渡しデータ量を削減できた.本年度は,1.カップ自動計画システムの改良,2.脚長差,関節可動域調査の導入,3.遠隔システムの構築の基礎検討を行った.1.カップ自動計画システムの改良臨床適用を目指し,更なる立案アルゴリズムの改良を行った.探索途中において前壁・後壁のいずれかに骨残厚が偏ってしまうことを防ぐために,カップの探索方向に平行してマージンを設け調整するようにした.これにより,自動設置計画が専門医設置よりも浅くなっていた症例の結果を改善することができた.また,2で述べる脚長差,関節可動域補正にカップ計画の再調整を盛り込むため,探索時において手術計画の制約条件を満たす再調整用候補の自動選択し,保持するようにした.2.脚長差、関節可動域調整の導入骨盤側のカップ計画と,大腿骨側のステム計画を統合する際,脚長差を最小限にする調整として,ネック長調整及びカップの垂直方向調整を実装した.これはまずステムのネック長調整を行い,人工関節での長さ調整により脚長差を最小化し,それでも基準以上となった場合は,カップ再調整候補を適用してカップ計画の垂直方向調整を行うことで,脚長差を最低限に抑えるものである.これにより適用した4例全てで基準内とすることができた.また,ISBが推奨する座標系及び動作定義に従い,股関節の動作シミュレーションシステムを構築,各コンポーネント間の接触判定を可能にすることで関節可動域を測定することも可能にした.関節可動域の調節には,カップ再調整用候補を適用し水平方向の調整を行うことで,関節可動域を最大化するようにした.実験では,屈曲上限を定め,4例中3例で基準以上にすることができた.3.遠隔システムの構築の基礎検討まず遠隔システムのサーバークライアントシステムの構成を検討し,2で導入した関節状態を含めたデータをネットワークで扱いやすいXML形式で保存できるようにした.本年度は,1.カップ自動計画システムの改良,2.手術計画調整システムの構築,3.他種人工関節システムへの適用を行った.1.カップ自動計画システムの改良骨盤ソケット構造の縁周辺部や変形により生じた空洞を自動的に検知し,最小骨厚の測定対象として不適当な領域を除外できるよう骨残厚測定アルゴリズムの改良を行った,また,本システムはカップの固定性を重視するため,骨盤ソケット構造の解剖学的特徴からソケット上部に設置する傾向があったが,Teardrop line偏位量を評価に加えることで顕著な高位設置解とその探索を回避できるようにした.改良の結果,熟練専門医との設置位置誤差は8症例の平均で3.2mmとなり,探索の効率化によって計算時間が平均19.8%短縮された.2.手術計画調整システムの構築前年度報告した脚長差と関節可動域の最適化を行い,最終的な手術計画を決定するモジュールを構築した.関節可動域の最適化において,骨盤ソケット縁の一部が棘状に伸びた変形を起こし,関節動作を阻害している場合,自動的に変形部位を除去して可動域計測を行えるようにした.実験では,脚長差の閾値は5mmとし,関節可動域は屈曲90度での内旋閾値を30度して4症例に適用した.その結果,平均脚長差は1.4mm,平均内旋角度は36.3度となり,4症例中3症例で脚長差及び関節可動域の最適解を得た.3.他種人工関節システムへの適用これまでは構成部品数が少なく直線的な基本形状を持つ人工関節システムを用いて自動手術計画の基礎アルゴリズムを構築してきた.今回本研究では,臨床的に多く用いられている,より構城部品数が多く,挿入対象骨の解剖学的形状を考慮した人工関節を使用できるよう改良を行い,自動手術計画アルゴリズムが他種の人工関節に適用可能かどうか検証を行った.

その結果,従来の人工関節と同様に適切な解を求められることを確認できた.本年度は,1.カップ自動計画システムの改良,2.関節機能評価を含めた全体計画調整システムの改良,3.遠隔手術計画に対応したXML手術計画データフォーマットの策定を行った.1.カップ自動計画システムの改良カップ自動設置計画の入力データとして必要となる骨盤ソケット縁(臼蓋縁)形状の抽出作業を,正規化相互相関法を用いたテンプレートマッチングにより半自動化した.また,骨残厚測定アルゴリズムを効率化することで自動計画システムを高速化した.追加実験では18症例に適用し,熟練専門医の計画と比較したところ,誤差は位置で平均3.94mm,サイズで平均1.44mmとなり,専門医計画近傍の計画を自動的に得られ斥ことから,本手法の有効性を確認できた.2.関節機能評価を含めた全体計画調整システムの改良本年度はこれまでマニュアルで行ってきた人工関節の設置位置に基づく骨モデルの切除(骨切・掘削)を自動化した.また,前年度使用していた単純な形状の人工関節システムだけでなく,より骨の解剖構造に適したアナトミカルシステムへも対応させた.11症例を用いた実験では,脚長差が平均2.3mm(閾値5.0cm),関節可動域(閾値30.0度)が平均36.7度となった.自動調整システムで設定した制約条件を満たす,調整された計画を11症例中9症例で得られたことから,本システムの有用性が確かめられた.3.遠隔手術計画に対応したXML手術計画データフォーマットの策定3次元手術計画データは,これまで中間データフォーマットが存在しなかったため,今回1XMLドキュメント内に1手術計画の全ての情報を記録可能で,標準化可能な手術計画データフォーマットを策定した.また,骨の切除方法を記したスクリプトを手術計画データ内に埋め込み,計画読み込み側で切除した骨モデルを生成することを可能にすることで,受渡しデータ量を削減できた.
均質構造を持つカーボンナノチューブ薄膜・超薄膜の創製

単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は全ての溶媒に不溶であり、SWCNT薄膜、超薄膜の作成に関する手法は、極めて限定される。本萌芽研究では、SWCNT均一水溶液からの電極上への薄膜・超薄膜の形成法および形成プロセスの解明、並びに得られたSWCNT薄膜の特性、機能を明らかにすることを目的として研究を行った。得られた成果は以下の通りである。SWCNT可溶化のために様々な電気化学活性能をもつミセル形成化合物を用いた。これらを用いて電極電位の制御により、電極上へSWCNTの薄膜あるいは超薄膜が形成されるプロセスを電気化学水晶振動子マイクロバランスを用いて詳細に解析した。薄膜形成は10時問以上も続き、電解時間によりSWCNTの膜厚制御が可能であることがわかった。表面構造は、用いたミセル形成化合物の種類、電極電位によりことなることがわかった。走査型電子顕微鏡で観測したところ、12時問の電解後では黒色のフィルムで覆われていた。この電極表面を拡大すると繊維状物が確認できたことから電解によりミセルから排出されたSWCNTが重なり合う、もしくは固まりとなって金電極表面に定着したものと指定出来た。太さは30nm前後であった。SWCNTの膜の厚さは約1μmであつた。SWCNT-エタノール分散溶液をキャスト、風乾した電極からはバンドル構造形成したSWCNTが観察され、電解後の走査型電子顕微鏡像とは大きく異なる。このことから可溶化に用いたミセル形成化合物がSWCNTをミセル内に折りたたみ構造で取り込み、これが電解後の構造に反映しているものと推定された。カーボンナノチューブは、1-2nmサイズの直径とミクロン長を持つ分子ナノ電線である。カーボンナノチューブの薄膜化、超薄膜化及びそれらのデバイス化は、広範な科学の分野でのナノチューブの応用範囲を大きく広げるものと期待される。カーボンナノチューブは全ての溶媒に不溶であり、カーボンナノチューブ薄膜、超薄膜の作成に関する手法は、極めて限定される。本研究では、カーボンナノチューブ均一水溶液からの電極上への薄膜・超薄膜の形成法および形成プロセスの解明、並びに得られたナノチューブ薄膜の特性、機能を明らかにすることを目的として研究を行った。精製した単層のカーボンナノチューブを素材として用い、フェロセン基あるいはアゾベンゼン基を含む界面活性剤水溶液にカーボンナノチューブを加え、超音波照射(バス型)により可溶化させた。遠心分離により、カーボンナノチューブ可溶化透明水溶液が得られた。この可溶化溶液の紫外-可視-近赤外吸収スペクトルより、カーボンナノチューブに特異な吸収バンドが確認された。これらの水溶液に対して、フェロセン型は酸化反応により、アゾベンゼン型は、酸性条件下での還元反応により、カーボンナノチューブへの吸着能を失い、同時に電極上にカーボンナノチューブの超薄膜、薄膜が生成するプロセスを電気化学水晶振動子マイクロバランス法により追跡出来ることがわかった。作成したカーボンナノチューブ薄膜、超薄膜の表面構造を走査型電子顕微鏡で観測した。
鞭毛・繊毛運動を制御する分子調節機構の解明

高橋は断片化したウニ精子鞭毛軸糸にエラスターゼを作用させATP中で滑り運動を解析し、滑り速度のCa^<2+>依存性を示した。真行寺は除膜ウニ精子頭部に強制振動を与え、微小管滑り速度を解析し、滑り速度変化は振動に応じ内腕のみによっても起こることを示した。豊島は遺伝子組替え技術でダイニンの特定部位を固定する方法を開発し、モータードメインをほぼ確定することができた。小川はcDNAをバキュロウイルスで発現させる系を確立し、ダイニンモーターの4個のP-ループ配列が酵素活性に関与しているかを調べた。神谷はクラミドモナスでダイニン内腕・外腕異常の突然変異株を単離した。内腕・外腕の構造と重鎖個々の機能を知るためin vitro運動を詳細に解析した。毛利は原生動物のダイニンは3頭構造、ウニ,魚,哺乳類と他の動物門では2頭構造であることを明らかにした。中村はテトラヒメナ繊毛の軸糸形成、運動過程でtubulin isoform,α_5が構造的に変化することをキモトリプシン消化法で示した。森沢は精子運動開始・活性化・走化性機構の各々の関連タンパク質の精製、cDNAクローニングを勢力的に進め大きな成果をあげた。稲葉はシロサケ精子プロテアソームを単離・精製し、鞭毛運動調節因子であり、鞭毛軸糸と細胞膜を連結する構造に局在することを明らかにした。奥野は哺乳類精子で運動活性化に関連するリン酸化タンパク質を明らかにした。また、外繊維鞘の滑り現象を発見した。中岡はゾウリムシの繊毛運動活性化はCa流入で起こること、有効繊毛波はcGMPによって形成されていることを明らかにした。野口は繊毛打方向制御に外腕3ヘッド22Sダイニンの29KDaの軽鎖と65KDaのタンパク質のcAMP依存のリン酸化が特に重要であることを示した。馬場は精子の鞭毛打周波数をパラメーターとして解析し、2オシレーターモデル仮説を提唱し、オシレーター2に特異的に作用する因子を見いだした。鞭毛運動の基本機構に関しては、主に、ダイニンとチューブリンの生理生化学的研究が中心に行われ、高橋・真行寺はウニ除膜精子に強制振動を加え、様々なATP濃度での微小管滑り速度を測定し、滑り速度は必ずしもATP濃度で決定されない事を、豊島は、ウニ精子ATPaseにはDバンドダイニン重鎖を含み、ATP濃度依存的に微小管運動を阻害、回転、並進と様々に調節する事を示した。クラミドモナスで神谷はダイニンの再構成に成功し、その過程で新しいタンパク質の関与を発見した。再に、小川は細胞質ダイニンのcDNAクローニングを行い、β重鎖のCドメインに20%類似の者を得た。比較生化学的には、軟体動物精子鞭毛ダイニンは原腸体腔幹に属する者と同様2頭構造である事が示された(毛利)。中村はチューブリンアイソフォームの内α_5,β_3が可溶化され易い軸糸内微小管に存在する事を示した。精子の運動調節に関しては、運動開始機構・活性化・走化性について研究が進み、最近の話題をとなっているプロテアソームについて、稲葉はそれをサケ精子から精製し、精子鞭毛に局存し鞭毛運動を調節している事を明らかにした。

森沢は、精子運動開始機構におけるシグナルトランスダクション機構解明を進めると共に、ニシンとホヤで精子活性化、走化性機構解明に向けて研究を進め、各々の過程で活性化走化性物質の精製を進めた。哺乳類では、マウス精子の運動開始にはHCO_3^-,Ca^<2+>,cAMP存在の65KDペプチドのリン酸化が関与している事が示された(奥野)。また馬場は、CA^<2+>が鞭毛波の伝播を担うオシレーターに特異的に作用する事をみつけた。繊毛運動の調節に関しては、ゾウリムシで繊毛打方向を制御するタンパク質の電気泳動による分離を試みた結果、22Sダイニンの重鎖が候補として浮かび上がってきた(野口)。また、ゾウリムシの繊毛打運動は、細胞体膜部から流入するCa電流によって活性化される事が明らかとなった。(中岡)。高橋は断片化したウニ精子鞭毛軸糸にエラスターゼを作用させ、ATP中で滑り運動を解析し、滑り速度のCa^<2+>依存性を示した。真行寺は除膜ウニ精子で、振動数を変えて鞭毛微小管滑り速度を解析し、滑り速度の振動数に伴う変化は外腕を抽出しても起きることを示した。豊島はキネシン頭部の遺伝子を用い特定部位を修飾し、頭部のみで微小管を滑らせる能力があることを明らかにした。小川はダイニンβ重鎖機能ドメインを、その相当領域をコードするcDNAをベクターにつなげ、バキュロウイルス発現系を用い量産する方法を確立した。神谷はクラミドモナスでダイニン外腕β鎖が短い変異株、内腕重鎖一部欠失株を単離、解析し、外腕の機能にβ重鎖が重要で、内腕重鎖の機能が重複していることを示した。毛利は系統上重要な腔腸動物イソギンチャクで精子鞭毛外腕ダイニンを生化学的・超微形態学的に検討し、2頭構造であることを示した。中村はキモトリプシン感受性の著しく異なるαチューブリン由来のチューブリンアイソフォームを見い出した。森沢は海産魚精子運動開始に細胞内イオン強度の増加が必要であることを示し、更にニシン精子活性化物質のcDNAクローニングを完成した。稲葉はシロサケ精子で、プロテアソームが鞭毛軸糸と細胞膜を連結している構造に局在していることを免疫電顕法により明らかにした。奥野は哺乳類精子で、繊維鞘の滑りが微小管#5-6のそれに伴って起きることから#5-6のダイニンの活性が高いことを示した。中岡は繊毛波の形成をcGMPが調節していることを示した。野口はゾウリムシ繊毛の有効打の方向制御機構に、29,65kDaタンパクのcAMP依存的リン酸化が重要であることを示した。馬場は精子鞭毛断片の周波数測定で、高Ca^<2+>でオシレーター2が特異的に阻害されることを示した。
オリンピックを契機とするビッグ・データに基づくスポーツ政策の形成に関する研究

イギリスにおけるスポーツおよび関連分野の政策の展開と政府におけるデータの使用、特に、オープン・データの状況を含め、政策へのデータの活用についての現地調査、および研究協力者とのスポーツ政策と関連分野の政策との関係およびその際のオープン・データの活用についての研究は順調に進んでいるが、現地での当該分野の政策における進展もあって、予想以上の成果が出ている。これらをもとに2019年8月に東京において開催されるアジア・スポーツ・マネジメント学会の一環として国際シンポジウムを実施する予定であるが、その準備も順調に進んでいる。同シンポジウムでは、これまでの研究成果を発表する他、イギリスの研究協力者には依頼している政策の報告および研究成果の発表をする計画である。また、研究成果の発表については、文献研究およびイギリスにおける現地調査に基づき、複数の論文を国際学会等で口頭発表した。一部の論文は2019年度の国際学会において既に受理されており、今後、口頭発表の予定である。研究代表者のみならず、分担者も主に担当分に基づく論文を執筆した。研究初年度のもう一つのハイライトは、スポーツと生活習慣および価値観に関する国内におけるオンライン調査であったが、これについては、ロンドン五輪を機にイギリスにおいて実施された調査を元に、これまで日本において実施された類似の調査の結果も考察したうえ、新たに設計し、性別、年齢層を考慮した2400サンプルに対して実施することが出来た。これは当初予定していた内容を超えるものであったが、結果についてはデータ分析を続けている段階であり、2019年度にその分析に基づく研究成果を発表していく予定である。また、このデータ分析および国内地方自治体の政策分析を考察し、2019年度に実施する地方自治体へのヒアリングおよび地元市民のフォーカス・グループに対する調査の準備を実施した。海外調査および2019年度に東京で開催する国際シンポジウムの準備(シンポジウム時に海外研究協力者の研究の成果および共同研究の成果を発表する予定)については計画以上に進展し成果をあげることが出来た。またこれらに関する成果発表については年度内に複数の国際学会等において論文を口頭発表し、2019年度の複数の学会においても既に論文が受理されており、論文口頭発表をする予定であるが、学術誌への投稿については査読中のものがあるものの年度内の掲載は出来なかった。また国内調査については、オンライン調査は当初の計画以上の内容で実施出来たが、実施時期が予定よりも少し遅かったため、データ分析を担当している分担者の諸事情もあり、それに基づく分析が完全に終了しておらず、2019年度前半に少し持ち越してしまった。これに伴い、国内におけるヒアリングおよびフォーカス・グループによる調査が年度内に実施出来ず、2019年前半にずれこんでいる。2019年度は、本調査前半最大のイベントである東京での国際シンポジウムを成功させ、これまでの成果をまとめるのみならず広く発表することで、新たな課題の発見や内外からのインプットを得ることが一つの大きな目的であり、その準備を進める。2019年度はまた、国内地方自治体に対するヒアリングおよびフォーカス・グループによる調査を少なくとも2箇所において実施することで、2018年度・2019年度に実施を予定していた国内調査を完了させることを目標としており、オンライン調査による定量的な分析に加え、定性的な分析を実施し、その成果をなるべく早い時期に問いたいと考えている。さらに、イギリス政府の新たな政策フェーズを踏まえ、文献研究および現地調査を実施するとともに、新たな研究協力者の発掘および共同研究の開始を計画している。特に、当該研究は学際的なアプローチが必至であることから、これまでの協力者に加え、データ・サイエンスおよびAI、また医療・保健分野の研究者との関係構築を始めているが、これらの研究者との共同研究体制を早期に構築する予定である。

またこれらに関する成果発表については年度内に複数の国際学会等において論文を口頭発表し、2019年度の複数の学会においても既に論文が受理されており、論文口頭発表をする予定であるが、学術誌への投稿については査読中のものがあるものの年度内の掲載は出来なかった。また国内調査については、オンライン調査は当初の計画以上の内容で実施出来たが、実施時期が予定よりも少し遅かったため、データ分析を担当している分担者の諸事情もあり、それに基づく分析が完全に終了しておらず、2019年度前半に少し持ち越してしまった。これに伴い、国内におけるヒアリングおよびフォーカス・グループによる調査が年度内に実施出来ず、2019年前半にずれこんでいる。2019年度は、本調査前半最大のイベントである東京での国際シンポジウムを成功させ、これまでの成果をまとめるのみならず広く発表することで、新たな課題の発見や内外からのインプットを得ることが一つの大きな目的であり、その準備を進める。2019年度はまた、国内地方自治体に対するヒアリングおよびフォーカス・グループによる調査を少なくとも2箇所において実施することで、2018年度・2019年度に実施を予定していた国内調査を完了させることを目標としており、オンライン調査による定量的な分析に加え、定性的な分析を実施し、その成果をなるべく早い時期に問いたいと考えている。さらに、イギリス政府の新たな政策フェーズを踏まえ、文献研究および現地調査を実施するとともに、新たな研究協力者の発掘および共同研究の開始を計画している。特に、当該研究は学際的なアプローチが必至であることから、これまでの協力者に加え、データ・サイエンスおよびAI、また医療・保健分野の研究者との関係構築を始めているが、これらの研究者との共同研究体制を早期に構築する予定である。
リラクサー系強誘電体のドメイン制御による非線形光学素子の研究

本研究は,散漫相転移や大きな圧電効果などの特異な物性を示すリラクサー系強誘電体の,ドメイン構造を制御することにより,これまでに無い新たな非線形光学素子の開発を目指すことを目的としている。特に,リラクサー系強誘電体としてPb(Zn1/3Nb2/3)03とPbTi03の混晶である(1-x)PZN-xPT(xはPT組成比)を中心に取り上げ,マクロな領域にわたる自発分極方向の均一化による,巨大な,電気光学効果・非線形光学効果・フォトリフラクティブ効果等の発現を目指す。さらに1次元あるいは2次元のドメインパターンを分極反転技術により形成し,擬似位相整合等を用いた波長変換,さらには超短光パルスの時空間ソリトン圧縮等を行うさまざまな高機能非線形光学の実現を目指した。さらに実現するためには,現在のところ完全には解明されていない,リラクサー系強誘電体混晶の自発分極・ドメイン構造に関する物理のより深い理解を目指した。今年度は、PZN-PT結晶の単一ドメイン化とドメイン観察を行なった。各方位、[001]、[110]、[111]方向へのポーリングを行い、ポーリング方向によるドメインの性質の違いを計測・評価した。原子間力顕微鏡(AFM)と同じ原理に基づく、圧電応答顕微鏡によるドメインの観察を行なった。この結果、[110]方向にポーリングした結晶は、周期的の高い整然としたドメインが形成されているのに対して、[001]方向にポーリングした結晶では、ドメイン形状の規則性が非常に低いことがわかった。これはPZN-PT結晶の本来の自発分極の向きが[110]方向であるという過去の報告を裏付ける結果となった。これにより、PZNとPTの構成比により自発分極の向きは[001]方向の場合と[110]方向の両方がありうることが明らかになった。リラクサー強誘電体は、室温付近で散漫相転位を起こすことが特徴であり、特異な物性を示す。中でもPZN-PTは組成相転位点付近で大きな圧電効果を示すことが知られており、圧電材料として期待されている。しかしながらこの材料は光学的な応用はほとんど研究されておらず、われわれは大きな圧電効果を生かした光学的応用を目指した研究を行っている。われわれはこれまでに、PZN-PTを[001]方向にポーリングすることにより、結晶全体を単一ドメイン化し、散乱を著しく減少させられることを示した。PZN-PTはその大きな圧電定数から、歪光学効果を介して、実効的な電気光学定数も増強されることが期待される。大きな電気光学定数を持てば、材料のフォトリフラクティブ効果も大きいことが期待され、われわれはこれまでにリラクサー系材料であるPZN-PTにおけるフォトリフラクティブ効果を観測してきた。しかしながら、測定された実効的電気光学定数およびデバイ波長から求まるフォトリフラクティブ定数に比べ、実際の測定値は1桁程度小さいという問題を持っていた。そこでわれわれは真性電気光学定数と圧電効果による実効的電気光学定数を測定により分離し、さらにフォトリフラクティブ二光波混合結合定数の電場依存性の測定から、フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアが電子と正孔の両方であることを明らかにした。現在ドメイン構造の制御による、フォトリフラクティブ効果の増強を目指して、理論的な見積もりを行っている。また、フォトリフラクティブ効果による空間電場をアシストとしたドメイン反転技術に関しても、検討中である。

リラクサー強誘電体は、室温付近で散漫相転位を起こすことが特徴であり、特異な物性を示す。中でもPZN-PTは組成相転位点付近で大きな圧電効果を示すことが知られており、圧電材料として期待されている。しかしながらこの材料は光学的な応用はほとんど研究されておらず、われわれは大きな圧電効果を生かした光学的応用を目指した研究を行っている。われわれはこれまでに、PZN-PTを[001]方向にポーリングすることにより、結晶全体を単一ドメイン化し、散乱を著しく減少させられることを示した。今年度は、より大きなフォトリフラクティブ効果の発現を目指して、[001]方向へのポーリングによる単一ドメイン化と低散乱化を目指して実験を行った。[001]方向にポーリングした場合の問題点は、散乱が大きいという点であり、この観点から特性改善を図った。結晶成長法に関して再検討を行い、温度の降下スケジュールを工夫して、より散乱の小さい結晶を育成するための試みを行った。また応答速度の向上を図るため、その基礎的データとして、移動度の測定を試みた。ホール効果測定、およびtime of flight測定に関して検討を行った。現在、4光波混合によるポンププローブ分光による、キャリア寿命の測定を行っている。移動度とキャリア寿命の積はフォトリフラクティブ効果そのものの計測から求められ、これから移動度が求められる。現在ドメイン構造の制御による、フォトリフラクティブ効果の増強を目指して、理論的な見積もりを行っている。また、フォトリフラクティブ効果による空間電場をアシストとしたドメイン反転技術に関して検討を行っている。本研究は,散漫相転移や大きな圧電効果などの特異な物性を示すリラクサー系強誘電体の,ドメイン構造を制御することにより,これまでに無い新たな非線形光学素子の開発を目指すことを目的としている。特に,リラクサー系強誘電体としてPb(Zn1/3Nb2/3)03とPbTi03の混晶である(1-x)PZN-xPT(xはPT組成比)を中心に取り上げ,マクロな領域にわたる自発分極方向の均一化による,巨大な,電気光学効果,非線形光学効果,フォトリフラクティブ効果等の発現を目指す。さらに1次元あるいは2次元のドメインパターンを分極反転技術により形成し,擬似位相整合等を用いた波長変換,さらには超短光パルスの時空間ソリトン圧縮等を行うさまざまな高機能非線形光学の実現を目指した。さらに実現するためには,現在のところ完全には解明されていない,リラクサー系強誘電体混晶の自発分極,ドメイン構造に関する物理のより深い理解を目指した。今年度は,PZN-PT結晶の単一ドメイン化とドメイン観察を行なった。各方位,[001],[110],[111]方向へのポーリングを行い,ポーリング方向によるドメインの性質の違いを計測,評価した。原子間力顕微鏡(AFM)と同じ原理に基づく,圧電応答顕微鏡によるドメインの観察を行なった。この結果,[110]方向にポーリングした結晶は,周期的の高い整然としたドメインが形成されているのに対して,[001]方向にポーリングした結晶では,ドメイン形状の規則性が非常に低いことがわかった。これはPZN-PT結晶の本来の自発分極の向きが[110]方向であるという過去の報告を裏付ける結果となった。これにより,PZNとPTの構成比により自発分極の向きは[001]方向の場合と[110]方向の両方がありうることが明らかになった。
熱電変換デバイスに関する研究

研究目的:熱電変換デバイスは外部電力を要せず、クリーンで低環境負荷である等の優れた特長を有しており、工場、自動車等からの廃熱を有効利用するデバイスとして期待されている。Si_xGe_<1-x>は(1)有害元素を含まないこと、(2)常温から1,000°Cまでの広い範囲で使用できる等の特長を有している。本研究は、(1)Si_xGe_<1-x>不純物濃度制御、(2)均一組成のSi_xGe_<1-x>単結晶、多結晶、焼結試料の作製、(3)熱電特性(電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率)を評価し、組成、不純物濃度、形態が熱電特性に及ぼす効果を調べ、熱電変換効率向上を図ることを目的とした。研究方法:Si種結晶/Gs/Si供給原料から構成される試料アンプルを用いて、温度差徐冷法により均一組成SiGe多結晶を成長させた。組成分布と熱電特性(電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率)を測定し、特性を評価した。研究成果:温度勾配を0.5°C/mmと小さくすることで組成変化を抑制し、組成変動が0.006と小さいSi_<0.73>Ge_<0.27>結晶成長に成功した。さらに、Ga添加(1×10^<18>cm^<-3>)Si_<0.68>Ge_<0.32>結晶とSb添加(1×10^<19>cm^<-3>)Si_<0.73>Ge_<0.27>結晶を成長させ、不純物の種類が抵抗率、ゼーベック係数、熱伝導率と無次元性能指数の温度依存性を調べた。両試料とも抵抗率は温度が高くなるにつれて抵抗率は高くなった。これは、電子-フォノン散乱が大きくなったためで、金属的な性質を示していた。ゼーベック係数は温度上昇に伴い大きくなるが、さらに温度を高くすると減少した。これは、電子と正孔の両キャリアが生成されたことに起因した。熱電性能指数は温度が上昇すると高くなり、820Kで最大値を示した。Ga添加試料とSb添加試料の最大熱電性能指数はそれぞれ0.34と0.44であった。今までに報告されているリン添加5×10^<19>cm^<-3>のSiGeバルク結晶の値0.06よりも大きな値が得られた。