hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
認知症高齢者が自ら評価した生活の質とそれに影響を与える因子の検討

認知症のケアには生活の質=Quality of Life(QOL)の視点が重要である.本研究では,施設介護を受けている認知症高齢者の主観的QOLと,ケアスタッフからみた認知症高齢者のQOLを同時に評価し,影響を与える因子との関連を検討した.認知症高齢者のQOLに対して,認知症高齢者自身とケアスタッフの捉え方は多くが不一致であり,認知症高齢者自身に比べてケアスタッフは得点を低く見積る傾向が認められた.多変量解析の結果,認知症高齢者の主観的QOLは,日常生活動作障害とうつと相関することが示された.認知症のケアには生活の質=Quality of Life(QOL)の視点が重要である.本研究では,施設介護を受けている認知症高齢者の主観的QOLと,ケアスタッフからみた認知症高齢者のQOLを同時に評価し,影響を与える因子との関連を検討した.認知症高齢者のQOLに対して,認知症高齢者自身とケアスタッフの捉え方は多くが不一致であり,認知症高齢者自身に比べてケアスタッフは得点を低く見積る傾向が認められた.多変量解析の結果,認知症高齢者の主観的QOLは,日常生活動作障害とうつと相関することが示された.本研究の目的は、施設に入所している認知症高齢者を対象に認知症高齢者が自ら評価した主観的QOL(生活の質)と、QOLに影響を与える日常生活動作障害、認知機能障害、精神機能との関連を明らかにすることである。また、職業介護者によるQOL評価を同時に行い、認知症高齢者の主観的QOLと介護者の考える認知症高齢者のQOLの差異を明らかにする。この研究により認知症高齢者が享受している生活の質に強い影響を与える要因を抽出し、重要な介入目標を提示することによって認知症高齢者の介護や生活の質の向上をめざすものである。また、介護者の考えるQOLと認知症高齢者の主観的QOLの差異を明確にすることによって、当事者の自律性を重視し介護や福祉の実現に貢献しようとするものである。研究手順に基づき、介護老人保健施設入所者あるいは特別養護老人ホーム入所中の認知症高齢者を対象に,臨床情報、日本語版(QoL-AD;仲秋ら),精神症状(Neuropsychiatric Inventory.博野ら)、ADL尺度(バーセル・インデックス)、認知機能評価(MMSE)を各々測定する。QoL-ADは職業的介護者、認知症当事者ともに行う。平成22年度には、長野県内の3施設の協力により約90例程度の認知症高齢者の参加が得られている。現在までの検討では、認知症高齢者の主観的QOLと精神症状とりわけ抑うつ症状との関連と、日常生活動作障害との関連が示唆されている。平成23年度以降はさらに50例程度の参加を求めていく予定である。研究の進捗に合わせ、研究代表者が学術誌や学会等で研究成果を発表していく予定である。本研究の目的は、施設に入所している認知症高齢者を対象に認知症高齢者が自ら評価した主観的QOL(生活の質)と、QOLに影響を与える日常生活動作障害、認知機能障害、精神機能との関連を明らかにすることである。平成23年度までに、長野県内の3施設の協力により約110例程度の認知症高齢者の参加が得られた。現在までの検討では、認知症高齢者はMMSE10点程度の認知機能までは自ら評価できることが確認された。認知症高齢者の主観的QOLは認知機能や認知症の重症度との関連は低く、一方、精神症状とりわけ抑うつ症状との関連と日常生活動作障害との関連が示唆された。一方、介護者の評価するQOLは、認知症の重症度や精神行動学的な症状と関連していることが示唆された。認知症高齢者の主観的QOLと介護者の評価したQOLとの比較検討では、両者の相関は低く介護者は認知症当事者よりQOLを低く見積もる傾向が示された。これは、慢性的な障害のある人々が自身の生活の質をより高く見積もるいわゆるDisability Paradoxの存在が認知症高齢者にも認められることを示している。これまでの研究の成果の一部を国内学会(老年社会学会など)および学術誌(Dement Geriatr Cogn Disord誌)に発表した。今後は認知症高齢者の主観的QOLの経時的な変化やそれに影響を与える因子も含め検討を進める予定である。認知症疾患は慢性進行性の経過をとるため,認知症のケアにはQOLの視点が重要である.QOL評価は,観察式・自己評価式などがあるが,QOL評価は自己評価を重視する必要性がある.QOL-AD (Quality of life in Alzheimer's disease )は,認知症の中核症状である記憶機能を含み,対人関係,生活状況,生活動作機能,身体状況,心理状態について項目立てられた疾患特異的QOL尺度である.本研究は,施設介護を受けている認知症高齢者の主観的QOLとケアスタッフからみた認知症高齢者のQOLをQOLーADを用いて評価し,日常生活動作障害,精神症状,認知機能,認知症重症度との関連を各々検討した.1ヶ月以上施設介護を受けている認知症高齢者141名と,認知症高齢者のケアに直接従事しているケアスタッフ74名を対象に検討した.141名の認知症高齢者うち116名がQOL-ADに回答可能であり、MMSEの得点はいずれも11点以上であった.対象者の主観的QOL

総得点は28.9点,ケアスタッフが評価した対象者のQOL総得点は27.0点で,両者の相関は低く(r=0.24)二群間に有意差を認めた.重回帰分析の結果,主観的QOLは,日常生活動作障害(β=0.207)とNPIのうつ(β=0.218)と有意に関連した.認知症のQOLに対して,認知症高齢者自身とケアスタッフの捉え方は多くが不一致であり,ケアスタッフはQOLを低く見積る傾向が認められた.重回帰分析の結果,認知症高齢者の主観的QOLは,日常生活動作障害とうつと相関することが示され、日常生活動作障害とうつはQOLの向上に関連する重要な介入目標の可能性がある.概ねの目的症例のリクルートは達成し、研究成果の一部を発表した。24年度が最終年度であるため、記入しない。現在の症例に追加の症例を含め最終的な検討を行う。また、経時的な検査結果の安定性ついても検討を加える予定である。
シリコン量子ドットを用いた電子スピン量子ビット開発

シリコン量子ドット中の電子スピンを量子ビットとして用いる量子情報デバイスの物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を目的として研究を行ってきた。素子作製においては、エッチング条件とトップゲートのゲート絶縁膜形成条件の最適化を行い、制御性に優れたシリコン2重量子ドットの作製に成功した。本素子を用いて極低温における測定を行い、電子スピン状態に依存するトンネル現象の観測に成功した。シリコン量子ドット中の雷子スピンを量子ビットとして用いる量子情報デバイスの物理の解明、ハードウエアのための基本技術の実現を目的として研究を行ってきた。本研究にはスピン状態実現可能なシリコン量子ドットの作製が必要であるが、シリコン中の電子は有効質量が重いため、量子閉じ込め効果を得るためにはGaAs系よりも小さな量子ドットを作製する必要があり、高度な作製技術を要する。本年度は、直径50nm程度のシリコン量子ドットデバイスを設計・作製を行い、素子評価を行った。その結果電気伝導度測定によりゲート電極による量子ドット間結合の制御に成功した。本年度作製した素子は、電子線リソゲラフィにより量子ドット構造及びサイドゲート(G1, G2)をパターニングし、その上部にポリシリコンのトップゲート(TG)左形成した構造となっている。量子ドット量子サイズ効果によりトンネル障壁を形成させるため、ソース-ドレイン間のワイヤ領域に2箇所の狭窄領域をパターニングし量子ドットを形成した。TGにより厚さ5nm程度の反転キャリアを生成し、G1,G2により量子ドットのポテンシャルを制御した。本デバイスではG2と量子ドット間に形状揺らぎに起因する付加的な量子ドットが形成され2重量子ドット構造とたった。低温(T=4.5K)における電荷安定状態図の測定を行うことにより、直列2重結合量子ドットに特有の電流ピークを示した。実験から求めたゲート容量を理論計算と比較することで、くびれにより量子ドットが形成されていることを確認した。また、2重量子ドットの量子ドット間静電結合をサイドゲートで明瞭に制御することに成功した。これは、サイドゲートによる量子ドット間の電子スピン交換相互作用変調の可能性を示唆している。本年度は、偶発的な量子ドットの排除とサイドゲート効果の向上のため、エッチング条件とトップゲートのゲート絶縁膜形成条件の最適化を行い、制御性に優れたシリコン2重量子ドットの作製を行った。本研究で用いた素子は、エッチングにより量子ドット構造とサイドゲートを作製し、その上部にポリシリコンのトップゲート(TG)を形成した構造となっている。ソース・ドレイン間のワイヤ領域に3箇所の狭窄領域をパターニングすることで2重量子ドットを形成した。TGにより誘起した2次元反転キャリアを用いることで面内有効質量の軽い2重縮退谷を有効利用でき、構造及び電圧による量子閉じ込めが効果的に働くという利点が本構造にはある。また、電子線リソグラフィ条件、酸化条件、エッチング条件、酸化膜堆積条件等の最適化を行い、制御性に優れた素子を実現している。極低温において本素子の電子輸送特性を測定することにより、直列結合2重量子ドットに特有の蜂の巣型電荷安定状態図、及び、三角形状の電荷三重点が観測された。また、印加するソースドレイン電圧を逆にすると、電流が抑制される領域が現れることを観測し、パウリスピンブロッケードと呼ばれるスピン依存トンネル現象の特徴的な振る舞いを示している。本研究によりシリコン電子スピン量子ビットに向けた重要な進展を達成した。
骨髄液および生体内環境を考慮した海綿骨の力学的特性に関する研究

海綿骨は骨梁と呼ばれる硬組織と粘性の高いゲル状流体の骨髄とで構成されており,本研究では初めに,海綿骨の力学的特性に及ぼす骨髄液の影響について検討を行った.実験ではウシ海綿骨に対して静的圧縮試験を行い,種々の温度,静水下における応力-ひずみ関係を調べ,海綿骨試験片の力学特性と温度および静水圧の影響について調べた.その結果,静的圧縮下における海綿骨試験片の弾性率,最大応力および吸収エネルギは静水圧の上昇に伴い増加した.また,これら力学的パラメータはいずれも温度の上昇に伴い減少することを明らかにし,骨内部のコラーゲン繊維の化学的構造変化が力学的特性に影響を与えていることを示唆した.次に,海綿骨の材料特性を非破壊的に評価する方法として超音波試験法を確立した.実験では,ウシ大腿骨遠位部から採取した立方体形状の試験片を対象に超音波伝播試験を行い,3つの軸方向弾性率を求め,比較のためにすべての試験片に対して圧縮試験を行った.その結果,周波数5MHzの超音波による動的弾性率は圧縮試験による静的弾性率よりもかなり高い値となるが,両者の相関関係は良好である.本実験で用いた海綿骨は少なくとも横等方性弾性体と見なすことができる.大腿骨の関節面に平行な面内では,弾性率は前方側よりも後方側の方が大きな値となる傾向がある.また,超音波入射方向と骨梁配向の関係がおおよそ定まれば,超音波弾性率と見かけの密度および骨塩量との間には正の線形的相関関係があること等を明らかにした.海綿骨は骨梁と呼ばれる硬組織と粘性の高いゲル状流体の骨髄とで構成されており,本研究では初めに,海綿骨の力学的特性に及ぼす骨髄液の影響について検討を行った.実験ではウシ海綿骨に対して静的圧縮試験を行い,種々の温度,静水下における応力-ひずみ関係を調べ,海綿骨試験片の力学特性と温度および静水圧の影響について調べた.その結果,静的圧縮下における海綿骨試験片の弾性率,最大応力および吸収エネルギは静水圧の上昇に伴い増加した.また,これら力学的パラメータはいずれも温度の上昇に伴い減少することを明らかにし,骨内部のコラーゲン繊維の化学的構造変化が力学的特性に影響を与えていることを示唆した.次に,海綿骨の材料特性を非破壊的に評価する方法として超音波試験法を確立した.実験では,ウシ大腿骨遠位部から採取した立方体形状の試験片を対象に超音波伝播試験を行い,3つの軸方向弾性率を求め,比較のためにすべての試験片に対して圧縮試験を行った.その結果,周波数5MHzの超音波による動的弾性率は圧縮試験による静的弾性率よりもかなり高い値となるが,両者の相関関係は良好である.本実験で用いた海綿骨は少なくとも横等方性弾性体と見なすことができる.大腿骨の関節面に平行な面内では,弾性率は前方側よりも後方側の方が大きな値となる傾向がある.また,超音波入射方向と骨梁配向の関係がおおよそ定まれば,超音波弾性率と見かけの密度および骨塩量との間には正の線形的相関関係があること等を明らかにした.
神経終末におけるエキソサイト-シスの光学顕微鏡的証明

神経終末におけるトランスミッタ-の放出については、開口分泌説と透出分泌説の2つがあり、その間には多くの論争があった。本研究では神経終末の開口分泌の様子を直接可視化してこの論争に決着をつけることを第一の目的とした。ラットの脳下垂体後葉をトリプシン処理して神経終末単離標本を作った。また、クロマフィン細胞やPC12細胞を培養し、細胞間に見かけ上シナプスに類似した構造を形成させた。これらの神経終末をノマルスキ-顕微鏡下におき、ガラス微小電極によって電気刺激を与え、CCD型ビデオカメラを通して1万5千倍の拡大下に観察した。いずれの標本においても直径0.20.5ミクロンの大きさの顆粒がゆっくりと運動しているのが見られた。電気刺激を与えると終末内の顆粒が、多数弾けるような反応を示した。ディジタル画像処理による解析では、顆粒の明るさが突然ステップ状に変化し、続いて、ゆっくりと元の明るさに戻ることがわかった。この様子は、他の細胞やクロマフィン細胞の細胞体部において見られたエキソサイト-シスと、定性的には全く同じものであった。細胞体に見られる顆粒のエキソサイト-シスに比べて特徴的な点は、比較的小さな顆粒の反応が見られること、頻度が数十倍高いこと、明るさの変化が10msと非常に速いものが多いこと、であった。同じ反応は、65mMKClを含む溶液でも引き起こすことが出来た。反応は外液のCaイオン依存性であった。繰り返し刺激は単発刺激よりも強い効果を持ち、促通現象が見られた。長い繰り返し刺激に対する疲労が認められた。これらの結果は、顆粒の弾けるような変化が、分泌顆粒のエキソサイト-シス反応であることを示している。このように神経終末におけるエキソサイト-シスの光学顕微鏡による直視に成功したことによって、歴史的な論争にほぼ終止符が打たれ、本研究計画は当初の予想通りの目的を達することができた。本研究は、神経終末に於ける開口分泌を直接観察しこれに最終的な証明を与えることを目的とする。第一の標本として培養により神経細胞に分化させた副腎随質細胞を用いた。これをノマルスキ-顕微鏡下にCCDカメラと画像処理装置を通して観察すると、0.1から0.4μmの大きさの分泌顆粒がよく見えた(画像処理技置の制御にコンピュタ-を使用)。ガラス微小電極をこれらの突起起始部にあてて(マニピュレ-タ-使用)、1ミリ秒の持続の電気刺激をすると、終末部(成長端)にある顆粒が突然消失し、開口分泌が確認できた。一個の顆粒の反応は16msをきる速いものであった。突然の消失に際して顆粒は全くその位置を変えないこと、16msの時間分解能の精度内では顆粒の膨潤も起こらないことなどがわかった。さらにシ-ケンシャルカメラを使って、エキソサイト-シスの時間経過を高い時間分解能(一駒当り4ms)で観察し、開口直前に顆粒が移動したり膨潤したりすることはないということが定量的に結論できた。また、エキソサイト-シス反応の後に成長端の形が一時的に変形し、その形を整え直すような反応がみられた。電気刺激によって引き起こされる開口放出反応はその数を数えることによって定量化できた。(ビデオの駒の観察にタイムベ-スコレクタ-を使用)。

これによると、一回の電気刺激に対する反応に比べて3回の繰り返し電気刺激に対する反応の大きさは3倍以上の大きさを持つというFacilitationの効果が認められた。第二の標本として下垂体後葉の神経終末についての研究を進めた。単離した終末膨大部に電流刺激を加えると微少な顆粒が突然破裂するような変化が見られた。これが分泌顆粒のエキソサイト-シスであることは明白であった。エキソサイト-シスに際して、分泌顆粒の膨大化と移動は起こらないことが分かった。これらによって、神経終末の分泌顆粒の融合と開口は電顕の観察どおり生ずることが証明された。ラット脳下垂体後葉の神経終末標本はトリプシン処理によって単離できた。電気刺激によって、いくつもの顆粒が典型的なエキソサイト-シス像を示して反応するのが観察できた。後葉神経終末のエキソサイト-シスの特徴は、顆粒に小さいものが多く、顆粒融合後の膜回収過程が速いことであった。これは、副腎髄質細胞におけるカテコ-ルアミンの分泌とやや違っていた点である。その他は両者、殆ど差の無いもので、神経終末におけるエキソサイト-シスの光学顕微鏡的証明は達成された。しかし、標本の作製は容易ではなっかった。このため、多数の例を厚めることはできず、膜電位固定法と組み合わせた細かい解析はできなかった。クロマフィン細胞における観察ははるかに容易であり、神経細胞型に分化させたときにできる神経終末端でのエキソサイト-シスは、強くそれと確信できるものであった。この神経終末端は隣の細胞に接着しシナプスと類似の構造を形成した。このような部位でのエキソサイト-シスも沢山観察することができ、多くの興味ある結果が得られた。特に、エキソサイト-シスの開始に関する教科書的な仮説が、いずれも否定される結果になった。エキソサイト-シスの開始機構については純粋に分子的なものに絞られた。PC12細胞をNGF処理して神経に分化させそのシナプスにおいてエキソサイト-シスを観察する試みは成功しなかった。しかし、この細胞では、電気刺激に応じて神経終末端から急速にフィロポディアが発生し、これが数分間に渡って成長してから消失するという新しい現象が発見できた。このような急速なフィロポディアの成長消失は、繰り返し刺激によってより容易に引き起こせた。これは神経成長端の成長方向の制御や、シナプスにおける可塑性を担っている基礎的な反応である可能性が高い。以上の様に複数の標本において、本研究の中心的な課題は達成され、かつ、新しい現象の発見がもたらされた。
水熱鉱化法による廃水中の有害・有価アニオンの無害化と資源回収

特別研究員採用前の研究で、水酸化カルシウムを用いた水熱鉱化処理により、水溶液中に含まれるホウ酸およびホウフッ化物イオンを、水酸化カルシウムを鉱化剤として用いた水熱鉱化処理により天然鉱物として沈殿、回収できることを明らかにした。そこで、本水熱鉱化処理の適用可能イオン種を拡大するために、3価のヒ素を含む亜ヒ酸、5価のヒ素を含むヒ酸イオンおよび5価のアンチモンを含むアンチモン酸イオンを含有するモデル排水に対して同様の処理を施した。この結果、ヒ酸イオンおよびアンチモン酸イオンについては容易に沈殿生成が可能であり、6-12hの処理で水溶液中のヒ素およびアンチモンをそれぞれCa_5(AsO_4)_3(OH)、Ca_2Sb_2O_5として沈殿、除去できた。3価のヒ素を含む亜ヒ酸イオンについては、酸化剤として過酸化水素を添加することで、水溶液中の亜ヒ酸イオンをヒ酸イオンへと酸化すると同時に鉱化が可能であり、水溶液中のヒ素をCa_5(AsO_4)_3(OH)として沈殿回収できることが明らかとなった。また、処理効率のさらなる向上のため、水熱平衡下において固液分離が可能な水熱処理装置を試作し、5-3000mg/Lのホウ酸イオンを含有するモデル排水に対して水熱鉱化処理を施した。その結果、水溶液中の含まれるホウ素の初期濃度にかかわらず、比較的短時間(1-2h)の処理で水溶液中のホウ素濃度を排水基準値以下にまで低減することに成功した。この結果は、処理後のホウ素濃度が生成鉱物の水熱条件下における溶解度にのみ依存しており、水熱平衡下における固液分離はバッチ式の耐圧容器を用いた処理では不可避であった生成鉱物の再溶解をほぼ完全に回避できることが明らかになった。従って、再溶解防止剤の添加が不要である。以上より、本水熱鉱化処理法は初期濃度にかかわらず非常に多様な有害オキソアニオンを含む排水の無害化およびイオンの再資源化が可能であり、今後流通系処理装置の設計などにより、さらなる処理効率の向上を見込むことができる。
フットケアシートを使用した糖尿病患者に対する視覚的足白癬予防ケア教育の効果の検証

糖尿病足病変のリスクとなる足白癬の予防には、足に付着した白癬菌の洗浄や清拭による除去が必要である。洗い残りや拭き残りがあると白癬菌が残存している可能性があるが、これらを簡便に視認できるツールがなかった。本研究の目的は、糖尿病患者において、視覚的ツールを用いて足の拭き残りを確認することにより、拭き残りが減少するかを検証することであった。まず、足の拭き残りを簡便に視認できるブラックライトツールを開発し、このツールを用いて足の拭き残りを患者と共に確認した。拭き残りを介入前後で比較した結果、介入後で有意に拭き残りが減少していた。ブラックライトツールにより効果的に白癬予防教育が行える可能性がある。糖尿病足病変を引き起こす可能性がある足白癬を予防するには、足部に付着した白癬菌を洗浄や清拭で除去する必要がある。洗い残しや拭き残しがあると白癬菌が残存している可能性があるが、簡便に視認できるツールがなく、効果的に洗浄や清拭ができているか確認することが困難であった。本研究の目的は、糖尿病患者において、視覚的ツールを用いて足部の拭き残りを確認することにより、拭き残りが減少するか検証することである。最初の段階として、視覚的ツールの開発を行った。このツールは、光を遮断するようにした箱にブラックライトと小型カメラを内蔵し、蛍光ローションを塗布して足を入れるとタブレットで拭き残しを視認できるようにしたものである。今後、糖尿病患者を対象に開発した視覚的ツールを用いて清拭の教育を行い、趾間および足底において拭き残りを評価する介入研究を行う予定である。本研究の目的は、糖尿病患者において、視覚的ツールを用いて足部の拭き残りを確認することにより、拭き残りが減少するか検証することであった。視覚的ツールとして、光を遮断するようにした箱にブラックライトと小型カメラを内蔵し、蛍光ローションを塗布して足を入れるとタブレットで拭き残しを視認できるツールを開発した。清拭には、以前研究代表者が企業と共同開発したフットケアシートを使用した。糖尿病患者を対象に視覚的ツールを用いて清拭の教育を行い、趾間および足底において拭き残りを評価し教育前後で比較した。解析対象者は30名であり、画像解析ソフトを用いて拭き残り箇所の輝度値の合計を算出した。その結果、趾間では教育前が中央値3.1 (0.0-7.1)、教育後が0.0 (0.0-1.7)であり、教育後で有意に減少していた(P = 0.002)。足底では、教育前が8.5 (4.0-18.5)、教育後が1.6 (0.0-14.0)であり、教育後で有意に減少していた(P <0.011)。視覚的ツールを用いることによって、より効果的に白癬予防ケア教育が行える可能性が示唆された。26年度が最終年度であるため、記入しない。視覚的ツールの作成に時間がかかったが、作成後の調査が順調に進んだため。看護学病棟看護師長、連絡看護師と密に連絡をとり、調査を円滑に進める。
高感度重金属バイオセンサーの開発を目的とする細胞内亜鉛応答システムの研究

細胞内の亜鉛センサーである転写因子MTF-1のシステイン、ヒスチジン残基の点変異体を作成し、それら変異体の転写活性化機能を調べることによりMTF-1の亜鉛応答性に必要なアミノ酸を特定し、その亜鉛応答性機構解明の糸口を得た。また、緑色蛍光タンパク質であるGFPおよび核外輸送シグナルをMTF-1に付加し、亜鉛依存的に細胞質から核へ移行するMTF-1を作成した。これは、蛍光の動きを指標にして亜鉛の細胞内濃度を感知する新規バイオイメージングセンサーとして利用できる。本研究では重金属によって活性化される転写因子MTF-1の重金属応答機構を明らかにし、その情報を基盤として環境中重金属の高感度バイオセンサー作出を目指している。MTF-1の重金属応答を知るために、本年度は各種点変異体の作成と機能解析のためのレポーターアッセイシステムの確立を中心にして研究をおこなった。すなわち1.MTF-1と重金属との相互作用に重要と思われるCysとHisの点変異体をすべて作成した。ただし、MTF-1が有する6個の亜鉛フィンガー構造に関しては亜鉛キレートに関わる第二Cysを変異させた。さらに、重金属シグナルがリン酸化を介する可能性も考慮し、MTF-1中のリン酸化サイトと予想されるアミノ酸の点変異体の他、NLS、NESと予想される領域の変異も同時に作成した。2.GFPおよび外来性NESとの融合MTF-1を作成しHeLa細胞で発現させた結果、本来核に局在するMTF-1を亜鉛依存的に細胞質から核へ移行させるシステムを確立した。この亜鉛依存性に関与する部位を点変異体によって解析した結果、MTF-1の第1第4亜鉛フィンガーおよび、C末端領域に存在するシステインクラスターが重要であることを見いだした。3.MTF-1の結合塩基配列であるMREを介するレポーターアッセイでは、高いバックグラウンドにより重金属応答性が明確でなく、かつ遺伝子導入効率のリファレンス自体が重金属によって変動する。そこで、HeLa細胞およびMTF-1^<-/->のdko7細胞において重金属濃度や添加時間などの諸条件を最適化し、再現性よく重金属応答を測定できるシステムを確立した。来年度は、この系を用いてMTF-1の重金属応答部位の決定およびその改変による応答性の上昇を検討する予定である。本研究では重金属によって活性化される転写因子MTF-1の重金属応答機構を明らかにし、ぞの情報を基盤として環境中重金属の高感度バイオセンサー作出を目指している。MTF-1の重金属応答を知るために昨年度確立したレポーターアッセイシステムを用いて、作成済みの各種点変異体に関して機能解析を行った。すなわち1. MTF-1と重金属との相互作用に重要と思われるMTF-1のすべてのCysとHis残基点変異体を用いてレポーターアッセイを行った結果、亜鉛依存的な転写活性化にはMTF-1の6個の亜鉛フィンガーのうち第15フィンガーの重要性が示唆された。また、第5フィンガーはDNA結合性の低下を介さずに転写活性化に関与する特異なフィンガーであることがわかった。この他、亜鉛依存的な転写活性化に重要なCys残基を数カ所発見した。以上の結果は、MTF-1の重金属応答性の分子基盤を解明する重要な糸口となりうる.2. MTF-1の細胞内分布に関しては研究者の間で異論があり、未だ結論が得られていない。我々はMTF-1が核に局在することを示してきたが、今回GFPをC末端に融合させたMTF-1とその欠失変異体を作成し、NLS(核局在シグナル)の同定を試みた。亜鉛フィンガーのすぐN末側にある典型的なNLS配列はMTF-1の核局在には関与せず、亜鉛フィンガードメインがNLSとなっていることが明らかになった.3. MTF-1の亜鉛に対する応答性を上昇させるために、重金属結合タンパク質であるメタロチオネインをMTF-1に融合させ、重金属のMTF-1への受け渡しが高効率に起こることを期待した。しかし、レポーターアッセイの結果では、MT融合MTF-1の亜鉛応答性は野生型と大差無く、亜鉛応答性を上昇させることはできなかった。おそらく、MTF-1の関与する重金属応答システムの全貌が明らかになることによってさらなる高感度化の突破口が見いだせるものと考えている。
大脳皮質ニューロンでみられるネトリンー１作用の軸索伸長から分枝新生への転換の解析

軸索ガイダンス因子ネトリン-1は軸索の伸長や反発、分枝新生など多様な役割をもつ。大脳皮質ニューロン軸索での作用は伸長促進とも分枝新生促進ともいわれるため、この不一致の解消を目指しマウス初代培養系で形態学的解析を行った。胎生14日ニューロン軸索の伸長、胎生16日ニューロン軸索シャフトでの糸状仮足生成とこれに続く分枝新生がネトリン-1依存的に認められ、いずれにもネトリン受容体の一つDCC (deleted in colorectal cancer)が必要であった。ネトリン-1が大脳皮質ニューロン軸索で示す作用は発生過程で伸長促進から分枝新生促進に転じ、DCCはこれらの両方を担うことが示唆された。軸索ガイダンス因子ネトリン-1には軸索伸長/誘引、反発、軸索シャフトからの分枝新生など多様な機能が知られている。このうち軸索伸長に関する研究は過去に多数あり、齧歯類では胎生13日マウス由来の大脳皮質ニューロンで報告されている。一方、分枝新生については多くの部分が未解明であるが、我々を含むいくつかのグループは、ハムスター(胎生期は16日間)の新生仔に由来する大脳皮質ニューロンでネトリン-1依存的な分枝新生を認め追究してきた。これらの知見を考え合わせると、ネトリン-1が大脳皮質ニューロンにおいて示す生理作用は、発生初期においては軸索伸長促進であるが、後に分枝新生促進に転ずるという仮説に行き当たる。本研究はこのネトリン-1作用の転換に関し、ネトリン-1シグナルの受容や伝達、ニューロンの示す応答がどう変化するか調べ、その全体像を明らかにすることを目指す。計画2年目に当たる24年度は特にニューロンの示す応答の解析に取り組んだ。光学顕微鏡画像の解析から、胎生16日マウス由来の大脳皮質ニューロンをネトリン-1で4時間にわたり刺激すると、ハムスター新生仔ニューロンと同様、軸索分岐数が増加することを見出した。一方、胎生14日マウスに由来するニューロンの軸索分岐数にはネトリン-1の影響がみられず、大脳皮質ニューロンのネトリン-1に対する応答は発生が進むにつれ変化することが確かめられた。また最近開発された新型の走査電子顕微鏡による溶液中試料の観察で、胎生16日ニューロンのシャフト上にネトリン-1刺激直後より多数の糸状仮足が認められた。ハムスター新生仔大脳皮質ニューロンを用いた過去の研究では、ネトリン-1刺激直後より分枝新生に先立ちシャフトで糸状仮足の形成・退縮が盛んにおこることが報告されており、胎生16日マウス大脳皮質ニューロンもネトリン-1に対し同様の応答を示すものと考えられた。本研究で注目するネトリン-1は多機能性の軸索ガイダンス因子であり、種々のニューロンにおいて軸索の伸長、反発、分枝新生などの様々な生理作用を示すことが知られる。このうち軸索伸長に関しては胎生13日(E13)マウス由来の大脳皮質ニューロン等において多数の報告がある。一方、我々の注目してきたネトリン-1依存的な分枝新生には依然不明な点が多く、主にハムスター(胎生期:16日間)新生仔由来の大脳皮質ニューロンで研究が進められている。これら過去の知見からは、ネトリン-1が大脳皮質ニューロンで示す生理作用が発生の過程で軸索伸長促進から軸索分枝新生促進へと転換する可能性が考えられたため、本研究でこの仮説の検証を進めている。本年度はまずネトリン-1による刺激の際に、E14マウス由来の大脳皮質ニューロンでは軸索伸長、E16ニューロンでは軸索シャフトからの分枝新生がみられることを、光学顕微鏡画像を用いた定量的解析により確認した。次にこの軸索伸長と分枝新生の各々を担うネトリン受容体の特定を目指し、ネトリン受容体の一つDCC (deleted in colorectal cancer)に対する機能阻害抗体を培地に加えた際の影響を調べた。軸索伸長と分枝新生の程度を形態学的に定量化し比較したところ、E14ニューロンでみられる軸索伸長と、E16ニューロンでみられる分枝新生との両方で、DCCの寄与が大きいことが示された。さらに分枝新生に先立ちネトリン-1刺激直後からシャフト上で盛んになる糸状仮足形成に着目し、DCC機能阻害がこれにも影響を及ぼすことを、溶液中試料の観察が可能な新型の走査電子顕微鏡を駆使してE16ニューロンで確認した。以上のことから(1)ネトリン-1が大脳皮質ニューロンで示す生理作用は発生の進行に伴い軸索伸長促進から軸索分枝新生促進に転ずること、(2)これらはともにDCCを介して起こることが示唆された。

軸索ガイダンス因子ネトリン-1が大脳皮質ニューロンにおいて発揮する生理作用は、齧歯類の初代培養系を用いた過去の研究より、発生過程初期においては軸索伸長の促進であるが、後に軸索分枝新生の促進に転ずるものと考えられる。本研究ではこのネトリン-1作用の転換について、ネトリン-1シグナルの受容と伝達、ならびにニューロンの示す応答のそれぞれにどのような変化がみられるかを調べ、その全体像を明らかにすることを目指す。ニューロンの軸索伸長に関しては多数の知見があり、その際ガイダンス因子類は軸索先端の成長円錐において感知されることなどがわかっている。一方、軸索分枝新生は、一本の軸索が複数の標的に投射することを可能にする重要な機構であると考えられるが、その実体については未知の部分が多く、これを解明することが本研究の目的を果たすうえで大きな課題となる。研究計画初年度となる平成23年度は、分枝新生期の大脳皮質ニューロンにおけるネトリン-1シグナルの受容について解析を行った。ハムスター新生仔大脳皮質より調製した初代分散培養に4時間のネトリン-1刺激を行ったところ、一次軸索上の分岐数増加が確認されたため、以後この実験系を用いて、ネトリン-1依存的な分枝新生の観察・定量化を行うこととした。この分岐数増加はDCCに対する機能阻害抗体の添加により阻害されたことから、ネトリン-1依存的な分枝新生においては、種々のネトリン受容体のうち特にDCCの貢献が大きいことが明らかになった。一方、細胞膜上の脂質ラフトを破壊した場合にもネトリン-1依存的な分枝新生の阻害がみられ、さらに脂質ラフト画分においてDCCの存在が確認された。これらのことから、ネトリン-1依存的な大脳皮質ニューロンの軸索分枝新生に、DCCの脂質ラフトへの局在が関与している可能性が考えられた。ネトリン-1は多機能性の軸索ガイダンス因子であり、種々のニューロンにおいて軸索伸長、反発、軸索シャフトからの分枝新生など様々な生理作用を示す。このうち軸索伸長作用については、胎生13日(E13)マウス由来の大脳皮質ニューロンにおける報告を含め過去に多くの研究がある。一方、分枝新生作用については未知の部分が大きいが、我々を含むいくつかのグループは、ハムスター(胎生期:16日間)新生仔由来の大脳皮質ニューロンでネトリン-1依存的な分枝新生を認め追究してきた。一般にニューロン軸索で伸長と分枝の形成とは独立に制御されることが知られており、ネトリン-1が大脳皮質ニューロンで示す生理作用は、発生初期においては軸索伸長促進であるが、後に分枝新生促進に転ずるという仮説について、本研究で検証を行った。最終年度となる26年度は主に成果の取りまとめにあたった。E14マウス大脳皮質に由来する培養ニューロンではネトリン-1依存的な軸索伸長、E16ニューロンではネトリン-1依存的な軸索分枝新生がみられることが、定量的画像解析よりまず明らかになった。そこでネトリン受容体の一つDCC (deleted in colorectal cancer)がこれらのニューロンに発現していることを確かめた上で、ネトリン-1依存的な軸索伸長と分枝新生の両方でDCCの寄与が大きいことを機能阻害抗体の添加により示した。さらにE16ニューロンにおいて、ネトリン-
立体映像符号化のためのシーンフロー推定法の構築とその動き補償と奥行き補償への応用

将来的に国家レベルで実施される任意視点3Dテレビ放送や遠隔中継、ステレオ内視鏡などへの実用化が期待されている奥行き情報を伴う多視点映像で構成される立体映像情報のデータ圧縮率の向上を目的として、被写体の3次元の動きを表す「ステレオシーンフロー」および「RGB-Dシーンフロー」の推定理論を再構築するため、次の2つの項目について主に研究を行った。3.変分法に基づく多視点RGB-Dシーンフロー推定理論の定式化とその並列計算法の構築変分法の枠組みにより、符号化済みのフレーム間と多視点間の両方の対応点誤差に基づく最適化問題を定式化し、オイラー・ラグランジュ偏微分方程式を導出した。離散化した方程式についてフォンノイマンの数値安定性解析を行うことで安定条件を導出し、ラックスの等価定理により数値解が解析解に収束することを証明した。続いて後半として、高速化のために離散方程式の数値計算をRBGS法により高速並列計算を行うための条件の導出やメモリ間通信速度を向上させるためのデータ構造について解析し、高速化の可能性を見出した。これまでの成果とインター予測の成果も参考に、等速直線運動の仮定から画素毎の動き補償予測と視差補償予測に基づき近似画像を生成し、参照ピクチャリストに追加することで、予測効率が向上することを確かめた。おおむね計画に沿って研究を進め、成果が得られている。これまでの成果をまとめ、論文等として投稿を計画している。映像データ圧縮符号化方式は、放送、通信、ストレージなどの様々な分野の基盤技術であり、そのさらなる進化は、IoT (Internet of Things)での大規模な通信量の削減や、災害時等に輻輳する通信インフラでの高品質な映像中継などを行うためにも必要不可欠であり、被写体の奥行き情報を含む立体映像(3DTV)データのための拡張機能(3D-HEVC)の規格化も行われている。この規格における立体映像データは多視点の奥行き情報付き映像(RGB-D映像)で構成され、任意視点テレビ放送や、ステレオ内視鏡による臓器の立体情報の伝送・蓄積など、医工学のみならず国家的な幅広い応用が期待されている。このような立体映像データの圧縮方式について国際的な研究開発が活発に行われており、圧縮率のさらなる向上が求められている。本研究課題では奥行き情報を伴う多視点映像で構成される立体映像情報のデータ圧縮率の向上を目的として、平成29年度に次の2項目の研究を実施した。1.ステレオとRGB-Dのシーンフロー推定による近似画像とそのMC-DCT符号化方式への統合2.シーンフロー推定精度向上のための信頼性評価・領域分割・遮蔽除去方法の開発復号済みフレームから推定される画素毎の動きによって符号化対象画像の近似ピクチャを生成し、参照ピクチャリストに追加することでインター予測精度を向上させることができた。また、奥行きマップは時間的に奥行き値が変化するため、その時間変化をシーンフローにより推定することで奥行き方向の動き補償も行う手法を提案した。これにより、奥行きマップの予測精度を向上させることができた。また、シーンフローは被写体境界付近での精度低下が課題となるため、その境界領域の検出を信頼性判定により行う手法を提案した。平成29年度は上述の2項目を実施する計画であり、おおむね順調に進展している。当初の計画通り、研究項目1,2の成果をまとめつつ、計画3,4を実施する。計算機が当初の見積もりより安く購入できたためである。次年度使用額は少額であり、計画に合わせて消耗品や会議参加費等に使用する。参加予定の国際会議の開催地変更に伴い旅費が低額となったため。次年度予算と合わせて旅費などに使用する。
ピリジン型窒素原子導入によるpi共役系導電性ポリマーの高機能化

モノマーとして芳香環中に電子吸引性ピリジン型窒素原子を有するいくつかのジハロゲン化芳香族化合物を別途合成した。そして、各モノマーにニッケルゼロ価錯体を各々当量加えて脱ハロゲン化重縮合反応を進行させることにより、単位構造にピリジン型窒素原子を有する新規のpi共役ポリマーであるポリ(キノキサリン-5,8-ジイル)及びその誘導体、ポリ(キノキサリン-2,6-ジイル)、ポリ(ベンゾイミダゾール-4,7-ジイル)、ポリ(2,1,3-ベンゾチアジアゾール-4,7-ジイル)を合成した。得られた各ポリマーについて、化学的・電気化学的酸化還元特性を検討した。その結果、ポリ(ベンゾイミダゾール-4,7-ジイル)、ポリ(ベンゾチアジアゾール-4,7-ジイル)は、pi電子過剰系複素5員環骨格と電子吸引性ピリジン型窒素原子の両方を有するため、酸化(p-ド-ピング)及び還元(n-ド-ピング)両反応において導電体へと変換された。一方、電子吸引性ピリジン型窒素原子を2つ有する複素6員環構造からなるポリ(キノキサリン-5,8-ジイル)及びその誘導体は酸化反応での導電性の向上は見られず、還元反応によってのみn型導電体へと変換された。そして、類似の結合様式を持つポリナフタレン、ポリキノリンのn型ド-ピング電位との比較から、芳香環へのピリジン型窒素原子の導入によりn型ド-ピング電位が正側にシフトすることが明かとなった。また、ポリ(キノキサリン-5,8-ジイル)の異性体ポリマーであるポリ(キノキサリン-2,6-ジイル)は主鎖骨格中にピリジン型窒素原子を有するため、電子吸引性が更に向上することがわかった。
クロマチン構造変化が引き起こすがん化メカニズムの解明

細胞のがん化の過程では、ゲノム上に存在する2-3万もの遺伝子から特定遺伝子の選択的な発現が失われ、無秩序な発現形式に陥る。そのため、遺伝子発現調整システムの破綻の本質的な理解のためには、ヒストンバリアントの選択、そしてヒストン修飾からクロマチン高次構造に至る情報を全ゲノムレベルで明らかにしていく必要がある。そのなか我々は2015年に、コンピュータを用いたヒストンバリアントの探索手法を開発し、マウスおよびヒトに存在する未知のヒストンH3様のバリアント遺伝子を多数報告した。そこで本研究では、これらヒストンバリアントを軸にしたクロマチン変動機構の全ゲノムレベルでの解析によって、発がんにおけるヒストンバリアントの機能破綻の解明を目指している。本年度は、マウスにおける新規H3バリアントのひとつであるH3mm7が、骨格筋組織の正常な再生に必要であることを示し、論文報告を行った。解析結果から、H3mm7を含むヌクレオソームは、弛緩したクロマチン構造を形成しやすいことが示された。また、H3mm7遺伝子を欠失した細胞のトランスクリプトーム解析から、骨格筋分化の過程に伴って活性化される遺伝子発現量の微調整(レート変化)が引き起こされることが分かった。すなわち、遺伝子発現調整システムの一端が、クロマチンにおける精妙なヒストン組成の変化によって実現されることを意味している。一方で、ヒト固有のバリアントと考えられるH3.6, H3.7, H3.8については、これらを含むヌクレオソーム構造の安定性を評価し、ChIP-seqデータの解析によってゲノム上の特徴的な局在のパターンを明らかとし、共同研究の成果として論文報告を行った。さらに、幹細胞など組織における少数の細胞群のエピゲノム情報を取得するために当研究の過程で新たに創出された解析技術ChILTについては、現在論文を投稿中である。29年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、ヒストンの新規バリアントが果たす固有の機能を中心にして共同研究の成果を発表してきた。精巣特異的バリアントとして同定されたヒストンH3tを破壊したノックアウトマウスでは、雄が無精子症となり、不妊となることを明らかとし、論文報告を行った。また新規のヒストン修飾については、co-localization modelによって、H4K20acが遺伝子発現抑制と関わる核内因子を国際エピゲノムデータベースより探索・同定し、論文発表した。一方で、ヒト固有のバリアントと考えられるH3.6, H3.7, H3.8については、これらを含むヌクレオソーム構造の安定性を評価し、ChIP-seqデータの解析によってゲノム上の特徴的な局在のパターンを明らかとしており、本成果については論文投稿中である。当初の計画通り、ヒストンバリアントの機能解析については共同研究の成果もあがっており、進捗はおおむね順調である。マウスにおける新規H3バリアントのひとつが、遺伝子の発現を調整する可能性を見出しており、次年度の論文発表を目指す。

また、がん細胞において特徴的に形成あるいは破壊されるようなクロマチン構造を明らかにすることを目的として、多種多数のエピゲノムデータから特徴的クロマチン構造を抽出する情報解析手法の開発を行いながら、がん組織細胞データへの適用を行う。29年度が最終年度であるため、記入しない。
乱流揺動計測用イメージング干渉計を用いたLHDにおける粒子異常輸送の研究

平成17年度に開発を行つた炭酸ガスレーザー位相コントラストイメージング法による乱流揺動計測に加え、平成18年度は密度分布を計測するための炭酸ガスレーザーヘテロダインイメージング干渉計を開発した。これらの計測器は核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)において電子密度、および電子密度の乱流揺動をルーチン的に計測し、多くの研究者に貴重な物理データを供給した。ヘテロダイン干渉計の信頼性向上のために、機械的振動によるノイズをYAGレーザー干渉計で取り除くことに成功した。また、測定量は線積分値でありため、プラズマの閉じ込めを解析するために数値的なアーベル変換をおこなうプログラムを開発した。ヘテロダインイメージング干渉計と位相コントラストイメージング法を組み合わせることにより、LHDにおける電子密度の粒子閉じ込めを前者で評価し、粒子閉じ込めの物理機構を後者で実験的に明らかにすることに取り組んだ。その結果、以下のことがわかった。LHDにおいて電子密度の空間分布は加熱入力や磁場構造により大きく変化する。密度空間分布はプラズマ中心部が尖鋭化した分布から中心部が凹んだ分布まで変化する。将来の核融合の運転にはプラズマの中心部での核融合出力を高くするために尖鋭化した分布が望まれる。実験の結果、中心部で温度勾配を平らにするか、または磁場構造の空間的な揺らぎ(磁気リップル)を下げることにより尖鋭化した分布を達成することができることがわかった。また、尖鋭化した分布と凹んだ分布では乱流揺動の空間構造も大きく異なることがわかった。理論モデルとの比較により、尖鋭化した分布では乱流揺動が尖鋭化を形成し、凹んだ分布では乱流揺動と粒子の衝突できまる温度勾配による粒子拡散のバランスで分布の凹みが決まる可能性を実験から見出した。炭酸ガスレーザーを用いた新しい乱流揺動計測手法を開発した。当初平成17年度はテストベンチでの原理検証実験のみを行う予定だったが、原理検証を終了した後計画を前倒しして、核融合科学研究所大型ヘリカル装置(LHD)に計測システムを設置し、高温プラズマの乱流揺動を計測した。本手法はプラズマ中の乱流揺動が磁力線方向に波長が長くそれと垂直方向に短いことを利用して揺動の進行方向を2次元検出器を用いて計測するものである。乱流揺動の進行方向がわかればそれと直交する磁力線方向がわかり、磁力線方向は磁力線追跡計算より同定できるので、進行方向からプラズマ中の空間位置を決定することができる。本手法により高温プラズマの粒子、エネルギー閉じ込めに寄与していると考えられるイオンのラーモア半径の10倍程度の波長を持つ揺動をプラズマの小半径の1/3-1/5程度の空間分解能で存在位置を決定することができた。LHDにおける粒子閉じ込めと乱流揺動の相関を探るために中性粒子ビームによる加熱パワーをスキャンし粒子閉じ込めを変化させたときの乱流揺動の応答を計測した。それによると、プラズマ境界近くに存在するイオンの反磁性方向に進行する乱流揺動とプラズマ周辺付近の拡散係数に明確な相関があることを見出した。拡散係数が大きくなるに連れて乱流揺動の振幅も大きくなった。この結果は観測した乱流揺動が粒子閉じ込めの劣化を引き起こしていることを示している。これらの結果は平成17年10月米国コロラド州デンバーで開催されるアメリカ物理学会プラズマ分科会で報告した。
軟組織を対象とした手術ナビゲーションのための臓器位置・変形計測に関する研究

高精度な手術ナビゲーションを実現するためには,術中における臓器移動の補正に加え,脳外科手術中に生じるブレインシフト(脳の変形)や外科手術中に生じる肝臓など軟組織の変形を補正することが求められる.手術ナビゲーションシステムは,術中における患部の移動量を補正するため,随時,患部の位置を計測し更新するが,現在,臨床に導入されている手術ナビゲーションシステムでは,計測方式に関わらず,位置計測用のマーカを臓器の対象部位に固定・留置する必要がある.臓器へのマーカの固定は,皮膚や筋肉組織の切開などの外科的な侵襲を伴うだけでなく,時にマーカが術野の一部を覆ってしまい手術行為を妨げる要因になり得る.また,マーカを固定する方法は,脳や肝臓など柔らかく変形を生じる組織に対しては,固定が困難であり,さらに変形量の捕捉には多くのマーカを空間配置する必要があることから,適しているとは言い難い.これら軟組織に対しては,非接触計測が有効である.我々は,軟組織表面を対象とし,非接触でかつマーカを使わない移動量ならびに変形量の計測手法を確立した.まず,臓器表面をスキャンし3次元形状を得る.同時に,texture(模様)を取得し,textured形状を生成する.Textureは,変形量計算における対応点探索に利用して変形量推定の安定化ならびに高精度化を図る.脳,皮膚ならびに腹腔内臓器の多くはその表面にtextureを有している.形状に加えてtextureを利用することで,安定にかつ高精度に移動量と変形量を推定できる.本手法は,軟組織を対象とした移動・変形計測を実現する手法であり,軟組織手術ナビゲーションを実用化に導くものである.平成30年度は,システムの改良と性能評価に加え,国際会議での発表を行い,設計にフィードバックした.Textured形状計測について,レーザ光デバイスと高速カメラによるステレオ位相差形状計測と,多焦点計測による形状計測について,生体計測の実現を目指して改良を加えるとともに,性能評価を進めた.レーザ光デバイスと高速カメラによるステレオ形状計測では,位相差計測法を中心に動物実験ならびに全臨床試験に向けて実装を進めるとともに,性能を評価した.まず,計測デバイスについて,当研究チームが開発した既存のプロトタイプからさらに計測精度を高めるため,一昨年度実施したハードウェアの改良に加えた.さらに,形状推定アルゴリズムの改良とソフトウェアへの実装を進めた.脳表面形状ならびにテクスチャの計測について,一定の成果を得た.Intel RealSenseを導入したシステムも構築し,それらデバイスと当方で開発を進めているデバイスとの性能を,空間分解能,誤差ならびに応答速度の観点で比較検討した.応答速度に関しては,商品化されているデバイスに及ばなかったが,空間分解能ならびに誤差については提案手法は安定して優位性を示した.3次元再構成計算においては,高速化のため,高性能並列演算を可能にする技術であるCUDAを利用するなどプログラムの並列処理化を昨年度に引き続いて進めた.さらに,その上に臓器形状再構成ソフトウェアを実装し,処理の高速化を図った.手術プロジェクションマッピング(PM)システムへの実装では,脳や肝臓の臓器モデルを用いて移動,および変形の追跡精度について,高分子材料を使ったファントムを使って検証した.ファントムはヤング率などの力学特性を脳に合わせて作製し,術中の脳圧変化や組織切開等により生じる脳変形(ブレインシフト)で実験を行い,提案手法における変形追従の安定性向上や誤差の大幅低減を確認した.また,脳表面におけるPM(レーザ光での描画)についてパラメータを最適化した.Textured形状計測,臓器移動・変形追跡を術具位置姿勢誘導のための立体PMシステムの安定性と情報視認性をさらに向上させる.まず,脳テクスチャの空間分解能を向上させるため,赤外光を用いた脳表毛細血管の画像計測,ならびにそれを用いたトラッキング法を検討する.現時点で,脳形状ならびにテクスチャは可視光で計測している.現時点で数mmの分解能と精度を得ているが,計測誤差の分布は一様ではなく,さらなる安定化のためにはテクスチャの空間分解能を向上させる必要がある.光学計測系を赤外線に対応させる改良を加えることで,太い血管だけでなく毛細血管まで含めた脳表血管テクスチャの計測を行い,計測の安定化と高精度化を目指す.さらに,形状再構成アルゴリズムにサブサンプリングと信号補間最尤推定を導入し,さらなる安定化と高精度化を図る.また,昨年度の成果において,3D空間の2Dプロジェクション系では誤差が計測系の空間配置に特徴的な分布を示すことがわかってきた.そこで,形状計測系ならびにプロジェクションマッピング系の安定化のため,システムパラメータの最適化と,使用条件の定量評価ならびに定式化についても,研究を進める.システム評価については,今年度は東京医科歯科大学医歯学総合研究科と連携して,動物実験による生体での性能評価など,実用化に向けた取り組みを進める.実験では,腹部手術を想定し,手術具など実際の手術に近い環境下で性能評価を行う.本研究は,医療に使用できるレベルの高信頼性,高精度な可視光による画像3次元計測手法,およびそれを用いた物体追跡手法を確立するものである.具体的には,可視光画像からtextureを持った表面形状を計測し,形状情報とtextureの両方を用いた安定で高精度な物体移動ならびに変形追跡を実現する.平成28年度は,Textured形状計測について,レーザ光デバイスと高速カメラによるステレオ位相差形状計測と,多焦点計測による形状計測について,生体計測の実現を目指してハードウェアならびにソフトウェアの両方から改良を加えた.まず,ハードウェアについては,申請時のプロトタイプからさらに計測精度を高めるため,レーザ光デバイスとカメラの間の相対位置姿勢をシミュレーションにより最適化し,計測デバイスを再設計,試作した.高精度化のためレンズを大口径化し,それにともなう光学系パラメータの最適化を行った.

試作機は,3Dプリンタを用いてフレームを造形し,それにレーザ光デバイスと高速カメラを固定した.また,実用性を高めるべく,計測デバイス位置調整用の駆動部のパラメータに対する精度を検証し,設計の最適化を図った.多焦点画像による計測デバイスにおいても,小型リニアガイドの導入し,またモータ振動の影響を低減させた.ソフトウェアでは,位相差計測法とモアレなどの多重解像度空間コーディング法を比較し,精度を検討した.また,多焦点画像群からの形状復元について,繰り返し最適化に基づく非線形パラメータの解法を提案,実装し,その優位性を確認した.成果を国際論文誌に発表するとともに,さらなる成果分を国際論文誌ならびに国際会議にて発表すべく,現在,準備を進めている.また,成果の大学承継手続きを行い,H29年5月末に特許明細出願予定である.Textured形状計測について,レーザ光デバイスと高速カメラによるステレオ位相差形状計測と,多焦点計測による形状計測について,生体計測の実現を目指してハードウェアならびにソフトウェアの両方から改良を加えた.まず,ハードウェアについては,申請時のプロトタイプからさらに計測精度を高めるため,レーザ光デバイスとカメラの間の相対位置姿勢をシミュレーションにより最適化し,計測デバイスを再設計,試作した.高精度化のためレンズを大口径化し,それにともなう光学系パラメータの最適化を行った.試作機は,3Dプリンタを用いてフレームを造形し,それにレーザ光デバイスと高速カメラを固定した.また,実用性を高めるべく,計測デバイス位置調整用の駆動部のパラメータに対する精度を検証し,設計の最適化を図った.多焦点画像による計測デバイスにおいても,小型リニアガイドの導入し,またモータ振動の影響を低減させた.ソフトウェアでは,位相差計測法とモアレなどの多重解像度空間コーディング法を比較し,精度を検討した.また,多焦点画像群からの形状復元について,繰り返し最適化に基づく非線形パラメータの解法を提案,実装し,その優位性を確認した.特に,多焦点画像群からの形状復元において,従来の復元手法では線形近似して計算していた非線形項が生じる誤差が無視できないことに言及して,その安定解法を提案した.提案した手法は,形状計測誤差を従来とくらべて50%近くに半減させた.成果を国際論文誌に発表するとともに,さらなる成果分を国際論文誌ならびに国際会議にて発表すべく,現在,準備を進めている.また,成果の大学承継手続きを行い,H29年5月末に特許明細出願予定である.高精度な手術ナビゲーションを実現するためには,術中における臓器移動の補正に加え,脳外科手術中に生じるブレインシフト(脳の変形)や外科手術中に生じる肝臓など軟組織の変形を補正することが求められる.手術ナビゲーションシステムでは,術中における患部の移動量を補正するため,随時,患部の位置を計測し更新する.