hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
光信号歪みの2次元性に着目したアドホックな歪み補償に関する研究

本研究では,ネットワークの光化において伝送・処理後の光信号の信頼性を確保するために,光信号が被る様々な歪みの持つ時間および周波数の二次元性に着目して研究を行い,時々刻々変化するアドホックな歪みを持つ高いビットレートの光信号列に対する歪み補償に関する原理の確認に成功した.また,国内および米国における関連特許の受理により,権利化に成功するとともに,その独自性が国際的にも認められた.本研究では,ネットワークの光化において伝送・処理後の光信号の信頼性を確保するために,光信号が被る様々な歪みの持つ時間および周波数の二次元性に着目して研究を行い,時々刻々変化するアドホックな歪みを持つ高いビットレートの光信号列に対する歪み補償に関する原理の確認に成功した.また,国内および米国における関連特許の受理により,権利化に成功するとともに,その独自性が国際的にも認められた.本研究課題の目的は、時々刻々変化する光パルスのアドホックな"歪み"を補償する技術の開発である。研究機関全体を通して、1)2次元的な並列処理による光パルスの処理・制御を特徴とする"歪み"を一意的に表現可能な時間-周波数領域で扱う方法、および2)相関処理による信号識別=歪み補償であることに着目した方法の2つのアプローチで検討を進める計画である。このうち本年度は、ア)実際のシステム内での非線形効果や分散効果により引き起こされる歪みの検証とイ)2次元的な並列処理による光パルスの処理・制御を特徴とする"歪み"を一意的に表現可能な時間-周波数領域で扱う歪み補償の方法の検討を中心に進めた。個々に具体的な実施内容を簡潔に説明する。ア)歪みの検証歪みを発生する具体的な光システムとして、当研究室で扱っている光A/D変換システムを設定し、その中での非線形効果や分散の影響のシステム全体に与える影響を検証した。検証した内容に基づき、実際に起こりうる歪みの状況やシステムに与える影響の許容量などを見積もり、歪み補償の検討にリンクさせる準備検討を進めた。イ)歪み補償の方法の検討2次元的な並列処理による光パルスの処理・制御を特徴とする"歪み"を一意的に表現可能な時間-周波数領域で扱う歪み補償の方法の検討を進め、ピコ秒オーダーでの時間ジッタがリアルタイムに変化するパルスに対する例に対して、基本動作の確認実験に成功した。今後、パルスごとに対応が可能であることを実験的に実証していく必要がある。本研究課題の目的は、時々刻々変化する光パルスのアドホックな"歪み"を補償する技術の開発である。このうち本年度は、以下の3つの項目を検討した。ア)実際のシステム内での非線形効果や分散効果により引き起こされる歪みの検証歪みを発生する具体的な光システムとして、設備内で多用される既存の光符号器などが与える影響を検証した。イ)2次元的な並列処理による歪み補償の方法の実証2次元的な並列処理による光パルスの処理・制御を特徴とする"歪み"を一意的に表現可能な時間-周波数領域で扱う歪み補償め方法の検討を進め、ピコ秒オーダーでの時間ジッタがリアルタイムに変化するパルスに対する例に対して、分散の影響により14psの非定常なパルス幅を持つ入力パルスに対して1psのパルス幅にリアルタイムに戻すことに成功した。ウ)相関処理による方法で用いるフィルタ実現方法の確立2)の相関処理による方法で用いる相関フィルタについて、多様な機能発現が可能なサブ波長構造を持つ低コストな作成方法について検討を行った。本研究課題の目的は、時々刻々変化する光パルスのアドホックな“歪み"を補償する技術の開発である。研究機関全体を通して、1)2次元的な並列処理による光パルスの処理・制御を特徴とする“歪み"を一意的に表現可能な時間-周波数領域で扱う方法、および2)相関処理による信号識別=歪み補償であることに着目した方法の2つのアプローチで検討を進める計画で進めてきた。このうち本年度は、最終年度にあたり、以下の3つの項目を検討した。ア)実際のデバイス内での非線形効果や分散効果により引き起こされる歪みの検証歪みを発生する具体的な光デバイスとして、設備内で多用される既存の光符号器などが与える影響を検証した。検証した内容に基づき、実際に起こりうる歪みの状況の影響の許容量などを見積もり、歪み補償の検討にリンクさせる準備検討をさらに進めた。イ)2次元的な並列処理による歪み補償の方法の制御性の検討2次元的な並列処理による光パルスの歪み補償の方法の検討を進め、補償レンジの動的な変更などを念頭に置いた制御デバイスの導入の検討を行い、その効果を確認した。ウ)相関処理による方法で用いるフィルタの設計とその効果の確認2)の相関処理による方法で用いる相関フィルタについて設計を行い、通信帯のパルスに対する保証の効果を確認した。
光による植物アスコルビン酸生合成調節の分子メカニズム解明

1)VTC2遺伝子の光応答性転写調節因子の探索と同定:初年度はVTC2-prom::FLUC遺伝子導入シロイヌナズナに対し、変異原エチルメタンスルホン酸(EMS)処理を施した自殖M2種子ラインを得、研究分担者の中部大・吉村博士の所有する培養搬送装置付き高感度生物発光測定装置を用い、LUC活性を指標に、VTC2プロモーターの光応答性に異常を来した変異体スクリーニングを実施し、候補となる数株の変異体ラインを得た。スクリーニング後の変異体ラインについて自殖植物体を得て、光照射後のLUC発光が消失した変異体のみならず、LUC活性の日周変動性に異常を示すラインを取得した。2)アスコルビン酸によるVTC2フォスフォリラーゼ活性調節機構の解明:大腸菌においてGST融合タンパク質として組換え体VTC2を発現・精製し、種々の酸化剤および還元剤の影響を検証した結果、VTC2は酸化失活しやすこと、安定化にはDTTおよびEDTAの添加が効果的であることを見出した。さらに、VTC2はアスコルビン酸の添加によっても著しく失活すること、その失活には酸化型アスコルビン酸の分解物が影響することを明らかにし、そのメカニズムについて検証を進めている。3)VTC3の標的因子同定とリン酸化シグナル伝達系の解明:VTC3タンパク質をベイトに、シロイヌナズナ酵母Two-Hybrid用cDNAライブラリーに対してスクリーニングを実施した結果、16種類のVTC3相互作用タンパク質候補を得た。これらのうち、VTC3と強く相互作用する5候補のうち4つは葉緑体局在であることが示唆された。さらに今年度は、シロイヌナズナVTC3破壊株を用いてリン酸化プロテオームも実施し、明暗条件下でリン酸化状態に影響を受けるタンパク質のリスト化も進めた。2017年度は、特に研究の進捗の妨げとなる実験上のトラブルもなく、順調にほぼ当初の計画通りに進めることができた。具体的には、項目1では植物変異体の初期探索が完了したこと、項目2ではVTC2活性調節に関わる酸化型アスコルビン酸分解物同定の目処が付き、次年度には論文化する予定であること、項目3では特にリン酸化プロテオーム解析を終え、酵母Two-Hybrid探索も踏まえ、VTC3の標的となる候補タンパク質のリスト化できたこと、が挙げられる。これらの事実を根拠に、概ね順調に進展していると自己評価した。昨年度の進捗状況を受け、各実施項目において今後は以下のように進める方策である。1)VTC2遺伝子の光応答性転写調節因子の探索と同定:前年度までに得られたVTC2プロモーターの光応答性に異常を来したシロイヌナズナ変異体について、親株に戻し交配した後、表現型が分離した複数のラインからゲノムDNAを抽出し、次世代シーケンスにより原因遺伝子の同定を進め、得られた原因遺伝子についてT-DNA挿入変異株等用いて機能解析を推進する。2)アスコルビン酸によるVTC2活性調節機構の解明:前年度までにVTC2の活性調節には酸化型アスコルビン酸あるいはその分解物が要である知見を得た。そこで今年度は各種アスコルビン酸分解物の活性への影響を検討し、VTC2活性抑制要因化合物の同定をすすめた後、速度論的解析を行いデータを揃えて論文化を進める。3)VTC3標的因子同定とリン酸化シグナル伝達系の解明:前年度までに酵母ツーハイブリッド法によりシロイヌナズナのVTC3相互作用タンパク質候補を複数得た。またシロイヌナズナvtc3変異体を用いたリン酸化プロテオーム解析を実施し、野生株と比較して光条件に応答してリン酸化レベルに変動の認められるタンパク質候補をリスト化した。これらの成果に基づき本年度は両解析からオーバーラップするタンパク質あるいは著しくリン酸化応答性が消失したタンパク質を優先し、それらの遺伝子破壊株を入手し、光照射時の応答性やアスコルビン酸合成への影響を中心に検証を実施する。

さらに今年度は、シロイヌナズナVTC3破壊株を用いてリン酸化プロテオームも実施し、明暗条件下でリン酸化状態に影響を受けるタンパク質のリスト化も進めた。2017年度は、特に研究の進捗の妨げとなる実験上のトラブルもなく、順調にほぼ当初の計画通りに進めることができた。具体的には、項目1では植物変異体の初期探索が完了したこと、項目2ではVTC2活性調節に関わる酸化型アスコルビン酸分解物同定の目処が付き、次年度には論文化する予定であること、項目3では特にリン酸化プロテオーム解析を終え、酵母Two-Hybrid探索も踏まえ、VTC3の標的となる候補タンパク質のリスト化できたこと、が挙げられる。これらの事実を根拠に、概ね順調に進展していると自己評価した。昨年度の進捗状況を受け、各実施項目において今後は以下のように進める方策である。1)VTC2遺伝子の光応答性転写調節因子の探索と同定:前年度までに得られたVTC2プロモーターの光応答性に異常を来したシロイヌナズナ変異体について、親株に戻し交配した後、表現型が分離した複数のラインからゲノムDNAを抽出し、次世代シーケンスにより原因遺伝子の同定を進め、得られた原因遺伝子についてT-DNA挿入変異株等用いて機能解析を推進する。2)アスコルビン酸によるVTC2活性調節機構の解明:前年度までにVTC2の活性調節には酸化型アスコルビン酸あるいはその分解物が要である知見を得た。そこで今年度は各種アスコルビン酸分解物の活性への影響を検討し、VTC2活性抑制要因化合物の同定をすすめた後、速度論的解析を行いデータを揃えて論文化を進める。3)VTC3標的因子同定とリン酸化シグナル伝達系の解明:前年度までに酵母ツーハイブリッド法によりシロイヌナズナのVTC3相互作用タンパク質候補を複数得た。またシロイヌナズナvtc3変異体を用いたリン酸化プロテオーム解析を実施し、野生株と比較して光条件に応答してリン酸化レベルに変動の認められるタンパク質候補をリスト化した。これらの成果に基づき本年度は両解析からオーバーラップするタンパク質あるいは著しくリン酸化応答性が消失したタンパク質を優先し、それらの遺伝子破壊株を入手し、光照射時の応答性やアスコルビン酸合成への影響を中心に検証を実施する。
微粒子分離のための磁路型マイクロ電極の作製と磁気―誘電ハイブリッド泳動微法の開発

500 μmのパーマロイ線を電解エッチングすることで先端を先鋭化し、直径50 μmのエナメル線をコイル状に巻きつけることによりマイクロ電磁石を作製し、これの先端を金メッキし電極としても利用が可能な針状の磁路型電磁石を作製した。また、蒸着法によりパターニングしたクロム状に電析法によりパーマロイを析出させ、さらにその上に金メッキを施すことで厚さ50 μmの薄膜上の磁路型マイクロ電極を作製した。これらの二種類の磁路型マイクロ電極を用いることで、磁場および交流電場を局所的に印加し、マイクロ微粒子に対して磁気泳動と誘電泳動を同時に印加することを可能とし、特異的な挙動を観測することに成功した。まず本課題の根幹となる針状磁路型マイクロ電極を磁路型電極の作製を行った。直径90-500 μmのパーマロイ線を電解エッチングすることで先端を先鋭化し、直径50 μmのエナメル線をコイル状に巻きつけることにより磁路型マイクロ電極とした。パーマロイ線の直径やコイルの巻き数、位置等の検討することにより、磁路型マイクロ電極の先端付近に効果的に磁場を印加できる条件を明らかにし、電磁石として実用が可能な磁路型マイクロ電極を作製することができた。作製した磁路型マイクロ電極の磁気特性を評価するために、溶融シリカキャピラリー中においてフローにより輸送される0.155 M KCl水溶液中の粒径10 μmの磁性ポリスチレン粒子の磁気泳動挙動を観測したところ、磁路型マイクロ電極の先端から約500 μmの距離から磁性粒子は加速され、先端付近約200 μmの範囲に引き付けトラップすることが可能であり、マイクロフロー中への局所的な磁場の印加が可能であった。一方、非磁性のポリスチレン粒子の挙動を同様に観測したところ、その一部が磁路型マイクロ電極とは逆側の壁にトラップされた。これはポリスチレン粒子自体の反磁性的な挙動であると考えられ、これは超伝導磁石を用いた強磁場中やMnCl2水溶液等の磁性溶液中では見られるが、非磁性溶液中で報告例はほとんどなく、非常に先鋭化された磁路による特異的挙動である。このことより磁路型マイクロ電極を用いることで、簡易かつ生体微粒子に適した系において、磁性ナノ粒子修飾を必要としない磁気泳動による分離、分析の可能性を示すことができた。さらにこの磁路型マイクロ電極を用いてTIOガラス上にPDMSにより作製した微小容器中に滴下した0.155 M KCl水溶液中の磁性ポリスチレン粒子の磁気泳動と誘電泳動の同時観測をすることができ、ハイブリッド泳動法としての可能性が確認された。本年度においては、本課題の根幹となる針状磁路型マイクロ電極のデザイン、作製条件を検討することで、磁場を磁路型マイクロ電極の先端付近に局所的かつ効果的に印加が可能なシステムを構築することができた。さらに、この磁路型マイクロ電極を用いた、マイクロフロー中での微粒子の磁気泳動の観測により、マイクロメートルサイズの磁性粒子は磁路型マイクロ電極の先端へ磁気的引力により引き付けトラップすることを確認でき、一方で、非磁性粒子については斥力が作用することが明らかになった。これにより、本課題において作製を行った磁路型マイクロ電極の磁気的特性は、マイクロフロー系への有用性が確認でき、マイクロチップ分析への応用、展開が可能であることが示唆され、本課題の第一段階は計画通りクリアされている。磁路型マイクロ電極の磁気特性に続いて、電極としての特性も評価を行った。ITOガラス表面と先鋭化されたマイクロ電極の間に交流電場を印加することにより、マイクロメートル微粒子の誘電泳動挙動が確認できた。さらに、磁性粒子を用いて磁気泳動と誘電泳動を同時に観測したところ、微小ながら二つの泳動が同時に作用する様子が観測された。現在、定量的な解析を行っているところであり、また、より微小な粒子については今後の検討課題であるが本年度の計画をおおむね順調に進展させている。さらに、磁路型マイクロ電極の応用として、磁気泳動と電磁泳動を同時に観測し、ここでも同時作用による磁路型マイクロ電極先端付近での特異的な泳動挙動を確認することができたことから、ハイブリッド泳動法の新たな展開も期待できる成果をあげることができた。本研究において500 μmのパーマロイ線を電解エッチングすることで先端を先鋭化し、直径50 μmのエナメル線をコイル状に巻きつけることによりマイクロ電磁石に対し、これの先端を金メッキし電極としても利用が可能な針状の磁路型電磁石に加えて、蒸着法によりパターニングしたクロム状に電析法によりパーマロイを析出させ、さらにその上に金メッキを施すことで厚さ数μmの薄膜状の磁路型マイクロ電極を作製した。薄膜状の磁路型電極をデザインすることで、針状マイクロ電極では不可能な微粒子分析に有効なマイクロ流路中への磁路型マイクロ電極の集積化を可能となり、本法の微粒子分析への適用範囲の拡大を期待される。針状磁路型マイクロ電極に対して、マイクロ電極を交流電源に接続し、コイルに直流電流を印加することで、針先端に局所的に磁場および交流電場を印加することができた。本マイクロ電極を用いてTIOガラス上にPDMSにより作製した微小容器中に滴下した0.155 M KCl水溶液中の粒径10 μmの磁性ポリスチレン粒子の磁気泳動と誘電泳動の同時観測をすることができた。

粒径10 μmの磁性ポリスチレン粒子には磁気泳動による引力と誘電泳動による斥力が作用することで、針状マイクロ電極先端の特定位置の粒子のみがトラップされ、それ以外の位置の微粒子は先端から離れるような挙動が観測され、液中に分散した微粒子のうち任意の磁性微粒子のみを捕集が可能な微粒子分離法として確立された。また非磁性粒子への適用も確認できた。櫛形形状にデザインした薄膜状マイクロ電極を作製し、この電極上に粒径10 μmの磁性ポリスチレン粒子を分散させた0.155 M KCl水溶液を滴下し、磁気泳動と誘電泳動を同時に印加すると、どちらも引力が作用し単独の場合よりも早く微粒子を電極に補足することが可能となり、高効率な微粒子分離・捕集法としての可能性を示した。500 μmのパーマロイ線を電解エッチングすることで先端を先鋭化し、直径50 μmのエナメル線をコイル状に巻きつけることによりマイクロ電磁石を作製し、これの先端を金メッキし電極としても利用が可能な針状の磁路型電磁石を作製した。また、蒸着法によりパターニングしたクロム状に電析法によりパーマロイを析出させ、さらにその上に金メッキを施すことで厚さ50 μmの薄膜上の磁路型マイクロ電極を作製した。これらの二種類の磁路型マイクロ電極を用いることで、磁場および交流電場を局所的に印加し、マイクロ微粒子に対して磁気泳動と誘電泳動を同時に印加することを可能とし、特異的な挙動を観測することに成功した。針状字路型マイクロ電極によるマイクロメートルサイズの微粒子の磁気泳動、誘電泳動、磁気-誘電ハイブリッド泳動が確認できたことから、まず観察のし易い10 mmのポリスチレン粒子を用いて印加磁場および電場条件を変更した際の泳動挙動を観測し、その泳動方向および速度を定量的に解析し、磁気泳動支配または誘電泳動支配となる上条件を明らかにすることで泳動制御法について確立する。さらに、より小さいサイズの粒子へ適用するため、サブマイクロメートルサイズの微粒子のハイブリッド泳動挙動を蛍光修飾粒子を用いて明らかにする。さらに、マイクロメートルサイズのポリスチレン粒子を磁性ナノ粒子修飾することで、低修飾密度では磁気力が弱いため誘電泳動支配、高修飾密度では磁気力が多きくなるため磁気力支配となるような条件を検討し、磁性粒子修飾量、つまり表面状態によるハイブリッド泳動分離法の検討を行う。これらを確立したのち、実際に生体細胞を試料としてハイブリッド泳動を行うことで生体試料への展開を図る。上記と並行して、マイクロフルイディクスへの応用として、リソグラフィーによる電極パターニングおよび電解析出によるガラス基盤上へのパーマロイ薄膜のデザインを行い、その基板上へマイクロ流路を成形することにより、磁路型マイクロ電極を有するマイクロチップをデザイン、作成する。このとき、磁場は永久磁石を用いて薄膜上磁路型マイクロ電極を通して印加し、磁路型マイクロ電極の厚さや形状等により効果的な印加法を検討することで、作製したマイクロチップを用いて各種微粒子をマイクロフロー中におけるハイブリッド泳動法により連続的に分離を行う手法を開発する。分析化学
物質・技術文化からみた近代数理諸科学の展開（１６６０－１８４０）

本研究では、力学、光学、流体力学、および他の数理的な工学理論の分野など「混合数学」として分類されていた諸分野の知識産出に関して、道具や実験機器など(物質・技術文化)が果たした役割を検証した。「混合数学」の歴史は科学史上における二つの重要な時期に関わる。第一は17世紀末におけるニュートン科学のインパクトと18世紀後半の欧州における代数解析の発展である。この時期は、数学の適用が自然哲学の領域に広がったのだが、理論知を産み出すために適切な方法や「実験」の位置付けについての論争があったことが本研究でわかった。第二の時期については数学は工学諸分野に本格的に応用されたのだがその試行錯誤の様子を分析した。前年に引き続き、科学者集団が、土木建築、軍事、産業に関わる職人層・技師などとの間に役割分担を進めていく社会的な過程を検討するため、(1)学者の協会・アカデミー制度の確立が起きた1660年代頃-1740年代頃(野澤)、(2)協会・アカデミー制度の権威化と国家による技術官僚機構の整備が進んだ1740年代頃から1780年代頃(隠岐)、(3)産業革命と結びついた民間技術者の台頭とそれに呼応した科学諸分野の発展をみた1780年代頃から1840年代頃まで(小林)の三つの時期について、分担者が一人ずつ担当し、研究を行った。小林は渡英し、ロンドン王立協会などを訪問し、資料収集および実験器具、機器・機械などの調査を行った。研究協力者の中澤はオランダのアムステルダムで18世紀の河川整備と流体力学の理論形成に関連した資料収集と実験器具調査を行った。但馬は前年度に収集した資料の整理、分析と同時に国内で資料調査を行った。5月には野澤、研究協力者の中澤、そして代表隠岐が国内の学会で発表した。9月22日には「物質・技術文化」概念と化学史の関わりを検討する研究会を東京で開催し、暁星学園の河野俊哉氏、一橋大学の淵田仁氏を招聘して講演・意見交換を行った。研究協力者の中澤も研究発表を行った。物質技術文化は、化学史においても力学史においても、教育、実験道具などの面で関わりを持つことが確認された。10月には但馬が国内の学会で発表を行った。12月23日には小林と野澤、但馬が研究の成果発表会を行った。また、外部からの講演者として東京工業大学の多久和理美氏が研究発表を行った。この研究会の成果を日本科学史学会誌のHistoria Scientiarum第二号に特集"Science and Material Culture"としてまとめることとし、各自論文執筆に取りかかっている。前年度に引き続き、理論的探求を行う科学者集団が土木建築、軍事、産業に関わる職人層・技師などとの間に役割分担を進めて行く過程を検討した。5月には分担者の野澤聡が日本科学史学会で発表を行い、力学における二つの研究伝統の合流について論じた。7月には英国マンチェスターで開催された国際科学史学会で隠岐と新たに分担者となった但馬亨、そして研究協力者の中澤聡が研究成果発表を行った。この発表により軍事技術や河川整備事業と数学者の関わりについて理解が深まった。更には、その成果を受けて研究成果について分担者と協力者と共に話し合ううちに、この科研プロジェクトにとって特に重要な歴史上の「数理諸科学」とは特に混合数学(Mixed mathematics)のことであるとの認識が共有されるに至った。そこではまさに物質技術文化と数学理論の邂逅が前提となっているからである。そこで冬には隠岐と中澤が成果を英語論文にまとめ、昨年度研究発表会にて招待した東京工業大学の多久和理実氏と共にHistoria Scientiarumで特集「Mixed Mathematics and Its Metrial Culture」として成果を発表した。また、同特集の視野にグローバルな広がりを持たせるため江戸期の測量術とその物質文化について電気通信大学の佐藤賢一氏に招待論文を依頼したことも付記しておく。2014年3月4日には「混合数学と物質文化」の主題で研究会を開催し、隠岐、中澤、多久和、そして分担者の小林学が成果発表を行った。科学者集団が、土木建築、軍事、産業に関わる職人層・技師などとの間に役割分担を進めていく社会的な過程を検討するため、(1)学者の協会・アカデミー制度の確立が起きた1660年代頃ー1740年代頃(野澤)、(2)協会・アカデミー制度の権威化と国家による技術官僚機構の整備が進んだ1740年代頃から1780年代頃(隠岐)、(3)産業革命と結びついた民間技術者の台頭とそれに呼応した科学諸分野の発展をみた1780年代頃から1840年代頃まで(小林)の三つの時期について、分担者が一人ずつ担当し、研究を行った。

まず、方法論的アプローチの共有のため、2012年5月29日に日本科学史学会にてシンポジウム「物質・技術文化からみた近代数理諸科学の展開」を企画・開催した。このアプローチが科学史と技術史を越境した形での歴史記述を可能にすることが、各時代の事例を通じて確認された。2011年10月には「物質・技術文化」概念とそれぞれの科学史・技術史的アプローチの関わりを検討する研究会を開催した。その際に十九世紀の電磁気学史を専門とする金沢工業大学の夏目賢一氏を招いて意見交換を行った。「流体」のメタファーをキーワードにすることで、電磁気学史、水力学史、熱力学史それぞれの分野における理論とモノの関係の特徴が抽出できるかもしれないとの視点が提示された。国内において入手困難な資料が多くあっため、2012年2月に研究協力者の但馬亨氏(龍谷大学他非常勤講師)を軍事技術史・数学史関連資料の収集に派遣した。隠岐と小林は国内での文献収集に当たった。主に、前年度までに生じた遅れを取り戻すための一年であった。本研究では(1)1660年代から1740年代まで、(2)1750年代から1780年代まで、(3)1780年代から1840年代まで、と時代を区切って物質・技術文化と数理諸科学の関わりを考察していた。代表者の隠岐は(2)の担当であり、病気休職のあった平成24年度末以降遅れが生じていたが、日本科学史学会における発表とその報告、および『社会思想史研究』に研究成果を一定度まとめることができた。内容は、河川公共事業、とりわけ運河建設の事例をもとに、科学者が土木建築技師との間に役割分担を進めて行く過程について検討するものであった。その結果わかったのは、科学者達が運河建設における数理諸科学の可能性を主張することや、運河建設を社会実験的な態度で処理することなどが、複数の要因に助けられ一時的に可能となっていたことである。特にフランス国内の水路を中央集権的につなぐ構想である「内陸航行」問題のような行政の新しい流れは、科学者と土木技師が一時的に競合し互いに刺激し合う状態を生んだ。その結果、科学者の公共事業行政への介入と、土木技師による数理諸科学的な知(後の河川工学など)の体系化の試みが進んだと考えられる。分担者の野澤は(1)の時代を担当し、18世紀前半のヨハン・ベルヌーイを中心とする力学研究のあり方を考察した。かねてより18世紀力学の形成過程について、思想的・方法論的対立ではなく、二つの研究伝統が合流していく過程として理解することを提案していたが、平成26年度にはその伝統の一つ(大陸側)について、力学の具体的な問題設定と解法のあり方に着目しつつ詳細な検討を行った。なお平成25年度当初予定されていた海外渡航資料調査は、当該分野においてインターネットなどを用いた国際取引が急激に普及したため必要性がなくなり行われなかった。科学技術史国内外での調査、学会発表、外部からの研究者を招聘した秋と冬の研究会、研究協力者の派遣など、当初予定されていた計画がほぼ遂行されプロジェクトの二年目としては申し分のない調査の進展があった。予定通りでなかったのは旅費使用である。当初はプロジェクト三年目に代表者もしくは分担者一名が国外の学会で発表を行う予定であったため、一名分のみの国外旅費が確保されていた。しかしながら、これまでの調査結果により個々の研究成果が一定の充実をみたため、プロジェクトメンバー全員が4年に一度の国際科学史学会で発表を行うことに予定を変更した。
デジタルハンドを用いた実的な仮想エルゴノミック評価システムの開発

本研究は,ヒトの手指の形状と運動を精密に再現した「デジタルハンド」により,デジカメ等のハンドヘルド型製品の3次元CADモデルを仮想的に把持・操作させ,「持ちやすさ」や「操作のしやすさ」を迅速に評価できる「仮想エルゴノミック評価システム」の開発が目的である.このため,(1)MRI計測に基づく高精度なデジタルハンド構築,(2)最適化に基づく把持姿勢自動生成,(3)手指筋骨格モデルを用いた「持ちやすさ」の定量推定,(4)逆運動学に基づいた「操作のしやすさ」の定量推定,(5)手指・製品間の高速な接触変形シミュレーションといった機能を開発した.またこれらを,企業での製品形状評価に試用した.本研究は,ヒトの手指の形状と運動を精密に再現した「デジタルハンド」により,デジカメ等のハンドヘルド型製品の3次元CADモデルを仮想的に把持・操作させ,「持ちやすさ」や「操作のしやすさ」を迅速に評価できる「仮想エルゴノミック評価システム」の開発が目的である.このため,(1)MRI計測に基づく高精度なデジタルハンド構築,(2)最適化に基づく把持姿勢自動生成,(3)手指筋骨格モデルを用いた「持ちやすさ」の定量推定,(4)逆運動学に基づいた「操作のしやすさ」の定量推定,(5)手指・製品間の高速な接触変形シミュレーションといった機能を開発した.またこれらを,企業での製品形状評価に試用した.(1)MRIによる製品把持時の被験者の手ならびに製品表面を高精度に3次元測定した.その3次元測定データより,製品把持時の手指の骨リンク構造の関節回転軸の高精度な3次元位置を同定し,把持時の手指回転運動の誤差が,骨表面において1mm以内の精度をもつ高精度なモデルを構築した.また,従来特に問題であった親指根元部の表皮変形を,RBF補間により表皮表面誤差2mm以内の精度で近似可能な「高精度デジタルハンドモデル」を構築した.この高精度モデルを,データベース駆動型自動把持姿勢生成システムのモデルとして用い,従来に比べて把持接触点位置,把持接触領域ともに実際の把持状態を極めて高精度で近似可能であることを,実験的に検証できた.(2)実製品把持時の手の把持姿勢を非接触3次元デジタイザで計測しデータベースに登録する機能,把持させたい製品の3次元CADモデルと,データベース内の製品表面点群間で形状類似検索を行い,類似する把持姿勢の初期候補を導出する機能,頭部・上肢の骨格モデルなどを組み合わせることで,使用上で妥当と思われる少数の把持姿勢のみを自動選択する機能を開発し,携帯電話,デジタルカメラ,自転車ハンドル等の例で,妥当な把持状態を生成可能なことを検証した.(3)手の筋骨格モデルを導入し,(2)で推定された把持姿勢において,接触力総和と筋発揮力総和を最小とする最適化問題を解くことで,製品把持にとって力学的に妥当な各指の接触力分布を推定できる機能を開発し,その精度と妥当性をシート型圧力センサを用いた実験により確認した.(1)製品把持時におけるデジタルハンド精度の実験的検証前年度に開発したソフトウエアを用い,複数被験者の手のMRI計測データから手の骨と表皮の3次元モデルを構築し,手指の関節運動を1mm以内の誤差,表皮の形状変形を1.95mm以内の誤差で再現できることを実証した.また自転車ブレーキ部品を把持させた際のMRI計測データから得られた接触領域と,デジタルハンドによる推定接触領域を定量的に比較した.その結果,指先と母指球付近の接触領域は実接触領域を良く近似しており,両者の接触面積差は平均約1500mm^2,デジタルハンド接触面分が両接触領域の共通部分の約79%を占めることが判り,提案するデジタルハンドが実際の把持姿勢・把持接触領域を精度良く近似できることを実証した.(2)デジタルハンドへの手指筋骨格モデルの導入物体の把持しやすさに深い関係を持つと思われる手指の発揮力や筋・腱力をデジタルハンド上で推定可能とするため,デジタルハンドの指骨データから5指分の筋骨格モデルを構築し,筋応力の二乗和を最小化する非線形最適化によって,指の発揮力と指関節作用力,筋・腱力間の関係を定量的に推定できる機能を開発し,その推定結果を既存文献の実験値と比較した.その結果,つまみ動作,および円筒のPower Graspのいずれにおいても,ほぼ過去の実験結果と類似した指の発揮力と指関節作用力値を推定できることが判った.また手指表皮の3次元変形をQuasiRigidモデルとBoussinesq線形近似により高速高精度に推定可能な理論を提案した.(3)デジタルハンドソフトウエアの製品化とメーカによる評価本年度半ばまでの本研究成果である把持機能・接触領域推定機能を実装したデジタルハンドのソフトウエアを外部IT企業により製品化し,自転車部品製造メーカの設計部へ納入し,プロ用自転車ハンドルの把持しやすさ推定に有効か否かの評価を社内で2011年1月より開始した,(1)把持時の力学的状態を推定可能なシミュレーション機能の開発

MRI計測より得られたデジタルハンドモデルの内部に,生理的筋応力二乗総和の最小化により,把持時の接触力分布,5指分の屈筋・伸筋の筋発揮力分布,ならびに手の骨の関節作用力を推定できるシミュレーション機能を実装した.また実験結果との比較より,本モデルが最小保持力時の手指接触力と主要活動筋腱力を,平均誤差12Nの精度で推定できることを実証した.また筋腱力総和と接触力総和の比で表される「快適性評価指標」を考案し,これが主観的な快適性評価値と高い相関をもつことを検証した.(2)高速・高精度な手指の接触変形シミュレーション機能の開発手表皮の変形挙動に対し,変形が局所限定されるQuasi-rigidモデル,力-変位を線形化するBoussinesqu近似,さらに人体組織の特徴である体積保存性制約を加えた接触変形シミュレーションモデルを新たに考案した.接触力,変形量,接触面積を実験値と比較した結果,この3者を高い精度で近似可能なことを実証した.またシミュレーション時間も手指で1sec以下,掌でも30sec以下と高速であることが判った.(3)市販CADシステムと統合された形状・構造変更案の探索機能の開発製品形状の3次元メッシュモデル上で,筐体寸法を直接変形できるメッシュの寸法駆動変形法,ならびに変形後のメッシュ形状の歪みを改善するODTに基づくメッシュ品質改善手法を開発した.(4)製品別設計改良ケーススタディの実施研究協力者の企業の製品であるプロ用自転車ハンドルを対象に「快適性評価指標」を導出し,それらと官能検査の得点に劣る製品は,快適性評価指標も低い値を示すこと,またその原因が,手指関節角度差と接触面積の違いに起因することがシミュレーション結果から推定できた.
宇宙用電気推進機のビーム発散と作動不安定に関する研究

宇宙用電気推進機の一種であるホールスラスタのプラズマを対象として数値解析を行い,排気ビームの発散やプラズマの不安定現象について調べた.具体的には,電子,イオン,および中性粒子をすべて粒子モデルで扱う粒子シミュレーション(Particle-in-Cell法+モンテカルロ法)を用いた.この結果,ホールスラスタの放電室(プラズマが生成・加速される領域)に印加した外部磁場が放電室よりも下流に染み出していると下流に静電場が形成され,それによってイオンの軌道が影響を受けてビーム発散角が増加することがわかった.この電場は電子とイオンの密度差によって形成されるものであり,電子の挙動が磁場の影響を受けやすいことに起因している.したがって磁場形状を変化させることによってビームの発散角を変えることができると予想される.また,シミュレーションの結果,放電室内に時間的および空間的な(周方向の)プラズマ変動が観察された.更にこの変動によって形成される周方向電界によって電子の軸方向の移動が促進され,放電特性やビームの発散角が影響を受けることがわかった.このような周方向の電子の動きは加速部の壁を構成している絶縁材のエロ-ジョン,ひいてはスラスタの寿命とも関係があると思われるため,今後もさらなる考察が必要である.一方,壁からの二次電子放出によっても電子の陽極方向への移動度が増加することが以前から予想されており,その現象も確認されたが,その影響はプラズマ変動が電子の移動に与える影響よりも小さいこともわかった.静電場の形成によるビーム発散,プラズマ不安定現象などの現象は従来の流体モデルでは取り扱うことができず,本研究によってはじめて解析が可能になったものであり,スラスタの設計に有用な情報が得られたと思われる.宇宙用電気推進機の一種であるホールスラスタのプラズマを対象として数値解析を行い,排気ビームの発散やプラズマの不安定現象について調べた.具体的には,電子,イオン,および中性粒子をすべて粒子モデルで扱う粒子シミュレーション(Particle-in-Cell法+モンテカルロ法)を用いた.この結果,ホールスラスタの放電室(プラズマが生成・加速される領域)に印加した外部磁場が放電室よりも下流に染み出していると下流に静電場が形成され,それによってイオンの軌道が影響を受けてビーム発散角が増加することがわかった.この電場は電子とイオンの密度差によって形成されるものであり,電子の挙動が磁場の影響を受けやすいことに起因している.したがって磁場形状を変化させることによってビームの発散角を変えることができると予想される.また,シミュレーションの結果,放電室内に時間的および空間的な(周方向の)プラズマ変動が観察された.更にこの変動によって形成される周方向電界によって電子の軸方向の移動が促進され,放電特性やビームの発散角が影響を受けることがわかった.このような周方向の電子の動きは加速部の壁を構成している絶縁材のエロ-ジョン,ひいてはスラスタの寿命とも関係があると思われるため,今後もさらなる考察が必要である.一方,壁からの二次電子放出によっても電子の陽極方向への移動度が増加することが以前から予想されており,その現象も確認されたが,その影響はプラズマ変動が電子の移動に与える影響よりも小さいこともわかった.静電場の形成によるビーム発散,プラズマ不安定現象などの現象は従来の流体モデルでは取り扱うことができず,本研究によってはじめて解析が可能になったものであり,スラスタの設計に有用な情報が得られたと思われる.
静圧気体ジャ-ナル軸受の回転精度特性に関する基礎的研究

本研究課題は,静圧気体ジャ-ナル軸受を対象にし,回転精度特性と軸受製作精度の関係を検討し,より高性能な気体軸受の精度設計の指針を明らかにすることを目的としたものであり,得られた主な成果は次のようにまとめられる。1.点状給気孔からの拡がり効果を考慮に入れた,すきま内圧力分布を解析するための修正ダイバ-ジェンス・フォ-ミュレ-ョン法を定式化し,これをもとに,各種製作誤差の影響を考慮に入れて軸受の回転精度特性・軸受基礎特性を解析するプログラムを製作した。2.回転精度を支配すると考えられる軸受製作誤差として,軸の真円度誤差および給気孔径寸法相互誤差をとりあげ,このような軸受系で軸が回転したときに生じる気体膜力変動が〓振力となって軸心の振れが発生すると考える回転精度解析モデルを提案した。そして,軸回転速度が低い場合の「静的回転静度」と軸回転の影響下での「動的回転精度」によって回転精度特性を把握し,両者の関係を明らかにした。3.従来静圧気体軸受の設計に用いられる軸受剛性最大の設計規準は,回転精度特性からみた軸受精度設計の観点からもほゞ満足すベき条件になっていることを明らかにした。4.給気孔寸法相互誤差は,軸の定常偏心量に影響するが,回転精度特性には第二義的にしか影響しない。5.回転精度は軸の真円度誤差によって支配され,特に軸真円度誤差分布をスペクトル分析したとき,(給気孔数+1)次の成分の誤差の影響が重要であることを明らかにした。以上の成果をもとに,本研究で確立した手法により,回転精度からみた気体軸受の精度設計のための理論的背景を与えることができると考える。1.製作誤差を有する静圧気体ジャ-ナル軸受の基礎特性の理論解析本研究の目的は、軸受系が各種製作誤差を有する場合、それによってもたらされる回転精度の低下を理論的に解析し、静圧気体軸受の精度設計の基礎を確立することにある。そこで、理論的研究として、軸受すきま内圧力分布のポイントソ-ス厳密解を求める解析手法を確立し、これを用いて、まず、軸受系に製作誤差(本研究では、軸の真円度誤差と軸受給気孔径の寸法相互誤差をとりあげる)がある場合の軸受基礎特性(軸受剛性と減衰係数)について検討した。そして、給気孔径の寸法相互誤差が軸受特性に及ぼす影響は比較的小さいが、軸の真円度誤差は影響が大きいことを等を明らかにし、その程度を定量的に評価した。2.静圧気体ジャ-ナル軸受の静的回転精度の理論解析上記の製作誤差がある場合、軸の回転に伴って生じる軸受すきま内圧力分布の変化によって軸受気体膜力が変化し、その結果、軸心の変動が生じる。これが静的な回転精度特性の本質であると考え、その特性を軸受設計諸元との関連のもとに定量的に明らかにした。そして、この軸心の振れの大きさは製作誤差のオ-ダよりかなり小さいこと、回転精度特性は給気孔数の増加とともに向上すること等、いわゆる「平均化効果」を理論的に実証した。3.静圧気体ジャ-ナル軸受の静的回転精度特性の実験的検討上記の理論解析結果を実験的に検討するための実験装置を設計・製作した。僅かにレモン状の断面となる真円度誤差を有する軸の製作に時間を要し、本年度は予備実験に終った。作動パラメ-タを変えての実験など、詳細については次年度直ちに行うよう予定している。

本研究課題は,静圧気体ジャ-ナル軸受を対象にし,回転精度特性と軸受製作精度の関係を検討し,より高性能な気体軸受の精度設計の指針を明らかにすることを目的としたものであり,得られた主な成果は次のようにまとめられる。1.点状給気孔からの拡がり効果を考慮に入れた,さきま内圧力分布を解析するためのダイバ-ジェンス・フォ-ミュレ-ション法を定式化し,これをもとに,各種製作誤差の影響を考慮に入れて軸受特性を解析するプログラムを開発した。2.回転精度を支配すると考えられる軸受製作誤差として,軸の真円度誤差及び給気孔径寸法相互誤差をとりあげ,このような軸受系で,軸が回転したときに生じる気体膜力変動が起振力となって軸回転精度が低下すると考える軸受回転精度特性解析モデルを提案した。そして,軸回転速度が低い場合の「静的回転精度」と軸回転の影響を考慮した「動的回転精度」によって回転精度を把握し,両者の関係を明らかにした。3.通常設計時に適用される軸受剛性を最大にするとの設計指針に従えば,これが同時に,回転精度特性からみた軸受精度設計の観点からもほゞ満足すべき条件になっていることを示した。4.給気孔径寸法相互誤差は,軸の定常偏心量に影響するが,回転精度特性には第二義的にしか影響しないことを示した。5.回転精度特性は軸の真円度誤差によって支配され,特に,軸真円度誤差分布をスペクトル分析したとき,給気孔ピッチに近い誤差波長成分の影響が大きいことを明らかにした。以上のように,本研究で確立した手法より,回転精度からみた気体軸受の精度設計のための理論的背景を与えることができると考える。
培養細胞に損傷活性を示す微生物由来新規生物活性タンパク質の発見と機能解析

Bacillus thuringiensis(BT)は芽胞形成桿菌であり、胞子形成時に菌体内に顕微鏡で観察できるタンパク質のかたまり(結晶性タンパク質)を形成する。この結晶性タンパク質にはさまざまな殺虫タンパク質が含まれており、多くの基礎研究が行われている。さらに、結晶性タンパク質中には培養ガン細胞に対して損傷活性を示すタンパク質が含まれていることが1999年に発見され、Parasporinとよばれている。これに対し、BT A297株が生産する結晶性タンパク質は上記の生物活性を示さない一方で、その培養上清に細胞損傷活性があることを見出した。本研究においては、その諸性質を明らかにする。昨年部分精製標品から予想される目的タンパク質について、ペプチドマスフィンガープリンティングよってその構造遺伝子がA297株のゲノム配列上の遺伝子A297-01-00947であることを特定した。大腸菌による組み換えタンパク質の発現を行ったが、不溶性タンパク質として発現し、活性タンパク質として取得できなかった。そこで、枯草菌を宿主として発現系の構築を行った。その結果、目的タンパク質が菌体外に分泌発現されることを確認したが、ヒト白血病細胞MOLT-4に対する損傷活性を確認することはできなかった。一方、本生物活性タンパク質の細胞損傷機構について蛍光プローブによる解析を行った。まず、MOLT-4細胞にA297培養上清を添加し、1時間培養を行った。次に、生細胞蛍光染色色素Fluorescein diacetate(FDA)および、損傷した膜を透過し、核酸を染色するPropidium iodide (PI)を用いて細胞の二重染色を行った。蛍光顕微鏡観察の結果、死細胞においてPIの染色が確認されたことから、本タンパク質による細胞損傷機構は細胞膜にダメージを与えることによるものと推察された。昨年度同定した目的タンパク質遺伝子の組み換えタンパク質の取得において、大腸菌からBacillus subtilis 1012wtへ宿主を変更することで発現タンパク質を得ることができた。しかしながら、組換えタンパク質を調製し、Molt-4細胞に対して損傷活性を確認した結果、活性を確認することができなかった。そこで、再度目的タンパク質の取得のため精製を行っているが、活性が不安定であり難航している。一方で、蛍光プローブを用いたサンプル処理細胞の顕微鏡観察により、A297株の細胞損傷タンパク質は細胞膜に損傷を与え、死に至らしめていることが推察された。目的タンパク質の特定はできていないものの、培養細胞に対する細胞損傷機構については明らかにすることができた。まずは目的タンパク質取得を目的に継続して精製を行う。これまでにA297株は対数増殖期の培養上清には細胞損傷活性を確認できるが、定常期以降の培養上清には活性を示さないことがわかっている。昨年度次世代シーケンス解析により本菌株のゲノム配列情報を取得していることから、遺伝子の発現変動を解析することで培養初期にのみ発現している細胞外分泌タンパク質を調べることで、目的タンパク質遺伝子を解析できると考えている。タンパク質精製と並行して遺伝子発現情報から目的因子の特定を進める予定である。微生物殺虫剤として多くの基礎研究が行われてきたBacillus thuringiensis(BT)が産生する新たな生物活性タンパク質として、培養ガン細胞に対して損傷活性を示すパラスポリンが発見されている。パラスポリンはBT特有の胞子形成時につくられる結晶性タンパク質中に産生される。本研究では、菌体外に分泌生産される細胞損傷タンパク質が存在することがわかり、その諸性質を明らかにすることを目的とする。BT A297株の培養上清の添加により、ヒト白血病細胞MOLT-4は膨潤し、死滅する。顕微鏡観察下で容易に生死を判別できることから、その形態変化を指標に目的タンパク質の精製を行った。各種クロマトグラフィーによる精製の結果、約60kDaのメジャータンパク質と、わずかに小さいマイナータンパク質にまで部分精製できたことを確認した。本サンプルを1μg/mlとなるようにMOLT-4に添加し、3時間インキュベートした。Cell Counting Kit-8を用いて定量的に生細胞数を解析した結果から、約47%の細胞が死滅させる活性があることがわかった。精製を繰り返した結果、その後の解析に十分な精製サンプルを取得することが難しいと予想されたため、電気泳動後の目的タンパク質をペプチドマスフィンガープリンティングよって特定することとした。それに先立って、次世代シークエンサーによるゲノム配列分析を行った。結果、電気泳動的にメジャーなタンパク質はゲノム配列上の遺伝子A297-01-00947であると特定した。本遺伝子を大腸菌pETベクターによる異種発現系を構築した。しかしながら、可溶性タンパク質として目的タンパク質を取得することができなかった。Bacillus subtilisを宿主とした発現系の構築を行っている。MOLT-4に対する細胞損傷活性を指標に精製を行ったが、最終精製まで至らなかった。電気泳動的に2つのタンパク質が存在し、電気泳動と細胞損傷活性とを確認しながら精製を進めた結果、約60kDaのタンパク質が目的タンパク質であると推察し、ゲノム配列から遺伝子を同定した。現在のところ発現系の構築が確立できず、特定したタンパク質が目的のものであることが今のところ確定できていない。

これに対し、BT A297株が生産する結晶性タンパク質は上記の生物活性を示さない一方で、その培養上清に細胞損傷活性があることを見出した。本研究においては、その諸性質を明らかにする。昨年部分精製標品から予想される目的タンパク質について、ペプチドマスフィンガープリンティングよってその構造遺伝子がA297株のゲノム配列上の遺伝子A297-01-00947であることを特定した。大腸菌による組み換えタンパク質の発現を行ったが、不溶性タンパク質として発現し、活性タンパク質として取得できなかった。そこで、枯草菌を宿主として発現系の構築を行った。その結果、目的タンパク質が菌体外に分泌発現されることを確認したが、ヒト白血病細胞MOLT-4に対する損傷活性を確認することはできなかった。一方、本生物活性タンパク質の細胞損傷機構について蛍光プローブによる解析を行った。まず、MOLT-4細胞にA297培養上清を添加し、1時間培養を行った。次に、生細胞蛍光染色色素Fluorescein diacetate(FDA)および、損傷した膜を透過し、核酸を染色するPropidium iodide (PI)を用いて細胞の二重染色を行った。蛍光顕微鏡観察の結果、死細胞においてPIの染色が確認されたことから、本タンパク質による細胞損傷機構は細胞膜にダメージを与えることによるものと推察された。昨年度同定した目的タンパク質遺伝子の組み換えタンパク質の取得において、大腸菌からBacillus subtilis 1012wtへ宿主を変更することで発現タンパク質を得ることができた。しかしながら、組換えタンパク質を調製し、Molt-4細胞に対して損傷活性を確認した結果、活性を確認することができなかった。そこで、再度目的タンパク質の取得のため精製を行っているが、活性が不安定であり難航している。一方で、蛍光プローブを用いたサンプル処理細胞の顕微鏡観察により、A297株の細胞損傷タンパク質は細胞膜に損傷を与え、死に至らしめていることが推察された。目的タンパク質の特定はできていないものの、培養細胞に対する細胞損傷機構については明らかにすることができた。今後、B. subtilisによる発現系の構築を行い、発現タンパク質の活性を確認すると共に再度培養上清からの精製を試み、目的タンパク質の確定を行う。これまでの結果から60kDaのタンパク質とそれよりもやや分子量の小さなタンパク質の2種類が活性画分に存在することから、このたんぱく質の同定も並行して行う。まずは、目的タンパク質を確定し、発現系を構築する。その後、構築した発現系を用いて、遺伝子工学的手法を用いてアミノ酸置換変異体を作成し、細胞損傷活性との相関を解析することで、活性に必要なアミノ酸の特定や細胞損傷作用機序解明への手がかりを探索する。
3T MRIによる冠血流予備能評価：心筋血流PET・FFRによる検証

虚血心疾患疑い13患者を対象に、位相コントラストシネMRI(PC-MRI)を用いて右冠動脈の血流速度予備能(CFVR)を測定し、15O-H2O心筋血流PET/CT検査から求めた心筋血流予備能(MPR)と比較検討した。MPR低下群(<2.0)のCFVR値は、MPR正常群(≧2.0)に比し、有意に低値を示した(1.3±0.3 vs 2.2±1.2, p=0.03)。CFVR 1.5を閾値とした場合、MPR低下を感度80%(4/5)、特異度100%(8/8)で診断可能であった。PC-MRIによって、放射線被ばくや造影剤使用を伴わず、非侵襲的にMPRの異常を捉えることが示唆された。1)まず健常ボランティア6例を対象にして、冠動脈血流計測における3テスラ位相コントラストシネMRI(3T PC-MRI)の撮影パラメータを最適化した。次に、3T PC-MRIを用いた冠動脈血流の計測再現性を、健常ボランティア9例を対象にして評価した。3T PC-MRIを用いると、左右冠動脈ともに、測定者間の優れた計測再現性が認められた(左冠動脈主幹部, ICC [intra-class correlation coefficient] = 0.89;右冠動脈, ICC = 0.96)。検査間の計測再現性に関しては、右冠動脈で特に良好であった(ICC = 0.88)。左冠動脈血流計測に関しては、中程度の検査間再現性を認めた(ICC = 0.46)。2)15O-H2O心筋血流PET/CT検査の実施にあたっては、フィンランドのTurku PET Centreの研究チームから指導および助言を受け、15O-H2Oの投与経路や投与量の最適化を行い、心筋血流解析ソフト(Carimas)による解析手法を決定した。その研究結果は、第24回日本心臓核医学会総会・学術大会(平成26年7月19日、愛媛)にて報告した。3)上記研究1)-2)を行った後、虚血性心疾患患者を対象にして、3T PC-MRIによる冠動脈血流計測を行い、冠動脈造影検査(Fractional flow reserve検査を含む)および15O-H2O心筋血流PET/CT検査にて検証する研究を開始した。平成27年4月22日現在、5症例のデータを蓄積している。前年度から当該年度にかけて、虚血性心疾患患者(疑い例を含む)を対象にした検討を開始した。当該年度末までに、計13症例をエントリーし、冠動脈の3テスラ位相コントラストシネMRI(3T PC-MRI)検査及び15O-H2O心筋血流PET/CT検査を実施している。3T PC-MRIでは、安静時及びATP負荷時において、右冠動脈を撮像し、独立した2名の医師が、血流速度予備能(CFVR)を測定し、15O-H2O心筋血流PET/CTから求めた心筋血流予備能(MPR)と比較検討している。これまでの処、全例で、3T PC-MRIからCFVRが計測されており、MPR低下群(2.0未満)におけるCFVR値は、MPR正常群(2.0以上)と比較して、統計学的有意に低値を示すことが明らかとなってきた(1.3±0.3 vs 2.2±1.2, p=0.03)。ROC解析を行うと、MPR低下の検出におけるCFVRのarea under curveは0.88であり、良好な診断能が認められている。CFVRの閾値を1.5とした場合、MPR低下を検出する診断能は、感度80%(4/5)、特異度100%(8/8)であった。CFVRの測定者間の計測再現性は良好であった(Intra-class correlation coefficients = 0.98)。これら結果を取りまとめて、平成28年開催の北米放射線学会へ一般演題として応募している。平成28年度も引き続き、虚血性心疾患症例をさらに蓄積し、検討を進めていく予定である。計画の通り、平成26年度に健常ボランティアを対象にして、冠動脈血流計測用に3T PC-MRI撮像パラメータを最適化し、平成27年度では、虚血性心疾患患者を対象にして、PC-MRIによるCFVR測定を行って、15O-H2O PET/CTから得られるMPRとの比較検討を開始した。これまでの結果をまとめると、3T PC-MRIから得られるCFVR値は、MPRの低下を予測する有用な指標である可能性が示唆されている。ただし冠動脈血流計測のための3T PC-MRI検査枠が十分に確保できなかった影響があり、虚血性心疾患の症例数は、実施計画数には至っていない。最終年度末までに、虚血心疾患が疑われた計14症例を本研究にエントリーし、冠動脈の3テスラ位相コントラストシネMRI(3T PC-MRI)検査及び15O-H2O心筋血流PET/CT検査を実施した。3T PC-MRI検査では、安静時およびATP負荷時において、右冠動脈を撮像し、独立した2名の医師が、血流速度予備能(CFVR)を測定し、15O-H2O心筋血流PET/CTから求めた心筋血流予備能(MPR)との比較検討を行った。右冠動脈が低形成であった1例を除き、全例で、3T PC-MRIからCFVR値を求めることができた。