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新しいコイルによる馬尾・脊髄刺激可能な磁気刺激法開発の基礎的研究とその臨床応用

近年、磁気刺激法により従来の電気刺激では充分刺激ができない部位の刺激が可能となり、広く用いられるようになってきている。近位部の末梢神経(神経根)刺激にも磁気刺激が有用であることがわかってきている。しかし、腰部磁気刺激による神経根刺激には、脊椎管内刺激ができないため最も近位の馬尾部の病変が検出できないことや、体格の大きな正常者では最大上刺激になりにくく反応の振幅の評価が困難という問題があった。今回われわれは、これらの腰部神経根磁気刺激の問題点を解決するため、深い部位の刺激が可能となる直径の大きな刺激コイルを作成し健常者および神経疾患に応用し腰部神経根刺激および馬尾刺激、仙髄刺激が可能であるか検討した。まず、この大きな刺激コイルを用いると、腰部磁気刺激による神経根刺激は正常者において最大上刺激が得られることを明らかにした。また、このコイルを用いることで従来は疼痛を伴う高圧電気刺激でしか行うことのできなかった、脊椎内の最近位の馬尾もしくは仙髄部の刺激が可能であることを見出し、画期的な結果を得た。これらのコイルの最適な部位を確立するとともに、正常値を作成した。その後、臨床的に有効であるか検討するために、末梢神経疾患への臨床応用を行った。この結果、脱髄性末梢神経障害の症例で、近位部位での脱髄およびブロックの検出に大変有用であることがわかり、診断の有効性をしめした。これらの内容は学会および論文にて国内外に発表し大きな成果を得た。本年度は、磁気刺激法たて腰部神経根刺激を従来の方法よりも効率的に行うことを目的に、工学的知見を基礎に考えて、刺激め影響がより深部に達すると考えられる大型の円形コイルを腰部神経根刺激に使用することとした。実際に今年度試したのは、従来のコイルの約倍の痙(半径10cm)の大型円形コイルである。今年度はまずこのコイルを用いた場合には、正常被検者で最大上刺激に達することができるか検討した。下肢筋から運動誘発電位を記録し、徐々に磁気刺激の強度を上げていき、最大上刺激になるか確認した。この結果、従来のコイルでは最大上刺激に達しなかった正常被検者に率いても、この大型コイルを用いた場合には、最大上刺激に達することが確認できた。更に、それぞれの筋肉に対して最適な刺激箇所を見らけるため、コイルの場所や方向を少しずつ変化させて反応の大きさを比較して、一番刺激の効率の良い刺激法を正常者で確立した。これらのデーターを学会で発表すると共に、論文にまとめ投稿した。採択され、来年度に発表される予定である。この成果により、従来最大上刺激に達することが困難であらた腰部神経根磁気刺激法においても、正常者では最大上刺激が得られるようになり、大変有益な成果が得られたと考えられる。この方法を用いることで、今後末梢神経障害の患者において神経伝導ブロックの有無を検討することが可能となり重要な意義がある。更に今年度は磁気刺激法を用いた検査法や神経疾患患者での検査に精通するため、大脳皮質刺激および脳幹部磁気刺激も行った。さまざまな方塔での運動誘発電位の解析もあわせて行うことで、磁気刺激による神経根刺激法による運動誘発電位の解釈法に深い理解を得ることができた。昨年度の研究結果により、従来のコイルの約倍の径(半径10cm)の大型円形コイルを用いて角度をつけて腰部を刺激すると、従来のコイルでは最大上刺激に達しなかった正常被検者においても、腰部神経根誘発電位が最大上刺激に達することが確認できることがわかったため、本年度は神経疾患患者に対して適応を試みた。特に近位部神経根に脱髄病変をおこすような、慢性脱髄性神経根症やギランバレー症候群などに応用を試みた。すると、従来の方法では直接的に近位部での病変を検出できなかったが、この方法では神経伝導ブロックおよび脱随の所見がより直接的に明確に検出可能であった。

このことを、学会で報告すると共に、英文の論文に報告した。さらに、同様のコイルを用いて従来刺激方法があまりなかった、馬尾および仙髄円錐部の刺激が正常者で可能であるか検討を繰り返し、最大上刺激にならないが刺激は可能であるという知見をえて、症例数をふやしている。昨年までの研究で、平成20年度の研究により、従来のコイルの約倍の径(半径10cm)の大型円形コイルを用いた腰部神経根誘発電位の最大上刺激が可能な刺激法及び脊柱管内刺激が可能な刺激法が確立し、平成21年度においては正常値を求めた。本年度は、更に正常被検者の例数を増やして、年齢、身長、性別毎における正常値を確立した。また、脊柱管内刺激に用いたものと同様の方法で、仙髄円錐部の刺激もできる可能性が昨年度示唆されたため、本年度は、この方法での正常値の確立も行った。正常被検者の例数を増やして、年齢、身長、性別毎における正常値を確立し、論文に報告した。正常ボランティアにおいて正常値が定まった後に、神経疾患に対して臨床応用を試みた。既に、前年度までに少数の脱髄性末梢神経障害患者において、正常ボランティアにおいて最も効果的であった方法を用いて腰部神経根を脊髄円錐部位、馬尾内、神経孔部位の各点にて新しい刺激コイルを用いて経皮的に刺激を行うことで、病変の検出に有用であることを示した。特に潜時の遅延を明確に示すことが可能であったが、更に疾患の種類と症例数を増やして、神経伝導ブロックの検出が新しい刺激コイルによって可能になったか、反応潜時により脱髄病変であることがより明確に示されるかどうかを症例ごとに詳細に検討した。また、馬尾における異常が検出できるかについて分析し、更には仙髄の刺激を組み合わせることで、仙髄病変が検出できるかも検討して、可能であることが分かり症例報告を行った。
視覚的共同注意が可能な遠隔コミュニケーション環境の実現

本研究課題では,遠隔地間コミュニケーションシステムにおいて,相手の映像を複数の深度センサを用いて三次元データとして獲得する技術や,ネットワーク上で互いにリアルタイムに送受信し,視点位置の変化に応じて提示する技術,及び,相手が指示している物体上の位置を遠隔地間で共有する技術を開発した.これらの技術によって,遠隔地間の対話者が,相手が見ているものや位置を把握しやすい遠隔対話インタフェースを構築した.本研究課題では,遠隔地間コミュニケーションシステムにおいて,相手の映像を複数の深度センサを用いて三次元データとして獲得する技術や,ネットワーク上で互いにリアルタイムに送受信し,視点位置の変化に応じて提示する技術,及び,相手が指示している物体上の位置を遠隔地間で共有する技術を開発した.これらの技術によって,遠隔地間の対話者が,相手が見ているものや位置を把握しやすい遠隔対話インタフェースを構築した.Skypeなどに代表される遠隔映像対話コミュニケーションが容易に利用できるようになってきているが,単に遠隔地の相手の映像を見ながら対話するという方式では,同じ空間で直接対話する状況に比べて視覚的共同注意が成立し難いため,意図を伝えにくく自然なコミュニケーションが困難であるという問題を抱えている.そこで本研究では,意図を伝えやすい遠隔コミュニケーション環境の実現のために,オブジェクト共有用のテーブル型ディスプレイを構築し,共有テーブル上のオブジェクトに対する遠隔地間の視覚的共同注意を可能とする技術の確立を目指す.本年度は,研究の目的を達成するために,1.遠隔地間の視線追従のための視線方向の推定,及び,2.遠隔地間の指さし理解のための指示方向の推定を行った.1.の実現には,遠隔地の対話者がオブジェクト共有テーブル上に置かれたローカルオブジェクトに視線を向けたときに,その状況をローカルの対話者が把握できるようにする必要があるため,液晶ディスプレイを天板として構築した共有テーブルに対する視線方向をカメラで観測した画像を用いて推定する手法を開発した.2.の実現について,対話者の手と腕の形状及び動きを観測するために,共有テーブルを真上から垂直に見下ろす位置にカメラを設置した.このとき,対話者の手や腕だけではなく,共有テーブル上に置かれたローカルオブジェクトや,液晶ディスプレイ天板上に表示されたリモートオブジェクトも同時に観測してしまうため,手や腕の位置を推定することにより,対話者の手や腕の形状と動きのみを抽出して追跡する手法を提案した23年度は,22年度に構築した基本機能を統合し,遠隔地間の共同注意を支援するための基本システムを構築した.具体的には,相手の姿を映すディスプレイを眼前に設置し,手元の情報を提示するために,ディスプレイのスクリーンを上に向けて設置してテーブル型ディスプレイとした環境を2組構築した.このテーブル型ディスプレイを拡張空間とローカルの実空間との間で幾何的整合性を持つような仮想現実空間を構築した.まず,対面ディスプレイの上に対話者に向けて設置した深度センサで対話者の様子を観測し,深度マップを獲得する.獲得した深度マップから三次元点群データを求める.遠隔地の対話者の環境で得られた三次元点群データは深度センサを原点とする座標系で表現されている.これを自分の実環境の延長上の仮想空間に,通信及び座標変換しながら再構成し,仮想現実空間を構築する.また,対話者に対して視覚的整合性を持った提示を実現するために,構築された仮想現実空間を対話者の運動視差に基づいて提示を行う.このような提示は,対話者の視点位置を推定し,この視点位置から観測可能なシーン映像を人物提示ディスプレイの画面上にレンダリングすることで実現した.構築した基本システムについて,視覚的共同注意がどの程度支援できているかを評価するために,対話者の状況である運動視差を反映しなかった場合と反映した場合の2つ場合について実験により評価を行った.遠隔地の対話者が見ているオブジェクトが分かるかを,視線方向,指差し,の2つの指示方法で評価した.その結果,運動視差を反映しなかった提示では視線方向のみでは33%,指差しのみでは80%の正答率であったのに対して,運動視差を反映した提示では,視線方向のみでは47%,指差しのみでは100%と正答率が向上した.前年度までに構築した基本システムでは,対話者の様子を,深度センサを用いてリアルタイムに点群データとして獲得する機能,獲得した点群データを,ネットワークを通して共有し,それぞれの対話者の実空間を拡張する空間に射影する機能,及び,仮想的に拡張された空間を自分の視点位置に応じてレンダリング表示することで運動視差に応じて提示する機能を持っている.本年度は,まず,前年度までに構築したシステムでは,各対話者を観測する深度センサが1台であり,提示時に視線方向が大きく変化すると深度センサから見えていない部分が欠損し,違和感が大きくなるという問題があるため,これを解決するために,各対話者に対して複数の方向から観測できるように,深度センサを増設し,これらのセンサで得られる点群データを統合することで,欠損の少ない映像提示ができるように改良した.次に,リアルタイム性の向上を行った.基本システムでは,現状では,提示する映像の更新頻度が約1Hzであり,特に運動視差に応じた映像を提示する場合に,視点位置に応じた映像が提示されるまでに大きな遅延が生じていた.これは,これまでのアンケート結果からも,違和感が生じる要因の一つとなっている.そこで,基本システムで実現している点群データの座標変換処理やレンダリング処理を,GPU (Graphics Processing Unit)を用いて超並列処理することでリアルタイム性能を向上した.

さらに,指示の共有について,3DCGで構成した仮想物体を遠隔地間で情報共有する際に,物体への指示に関する情報を互いに送受信して提示することで,本研究課題の目標である,遠隔コミュニケーション下での視覚的共同注意が成立しやすくなることを検証した.23年度までに,対話者の状況を三次元点群データとして獲得し,獲得したデータを用いて仮想現実空間を構築し,対話者の運動視差情報に基づいて映像提示を行う,一連の基本的な機能を持ったシステムが構築できている.24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は,GPU(Graphics Processing Unit)などを用いることで,処理性能の向上や,遅延の軽減など,リアルタイム性の実現を目指す.また,深度センサの台数を増やすことで,映像上の欠損のない,より自然な映像表現の実現を目指す.24年度が最終年度であるため、記入しない。
人における短期記憶の発達

今年度の研究は、昨年度に引き続き、Hiding-taskの直接法課題(直後課題と3秒遅延)と間接法課題(直後)を経時的に観察することによって行われた。症例数を増やすことだけでなく、ダウン症児を対象にして比較実験も行った。正常乳児の観察では、昨年度の研究結果とほぼ同じ結果を得ることができ、昨年度と合わせると、人における短期記憶は89ケ月で直接法直後課題が、3秒遅延が12ケ月で完成されることが解った。しかし、10ケ月頃には、この試行のもつ矛盾(つまり“取りなさい"と示しておきながら、“取るな"というように物を隠すという)に対する混乱のため、一時的にはテストができないケースがあることが明らかになった。一方ダウン症児では、この試行は1歳半までにはほとんどできなかった。しかし、彼らは、この試行の中で、特徴的な行動をとることが確認された。すなわち、どちらのコップに対象物が隠されているかを記憶せず、無作為に一方のコップを押さえ、験者に教えを乞うような行動をとるのである。隠された事と、それを取り出すということは理解できても、どちらにあるのかが解らない為に、他人に援助を求めるという態度は極めて興味深いものであった。この研究を終えるにあたり、Hiding-taskという試行そのものが極めて社会性の強い施行であり、単に短期記憶を調べるというより、対象児の社会性をも含めた非常に興味ある方法であると思われた。今後、発達障害児、とりわけ自閉症児などを対象に検討を進めてみたいと考えている。
末梢神経の加齢現象とサルコペニア発症への関与の解明

本研究は、従来の末梢神経加齢変化の研究が大径神経線維に限られてきたのに対し、小径神経線維をもターゲットにし、新しい観点からアプローチした。高齢者・超高齢者において小径神経線維の脱落を認めた。また早期老化モデルマウスでは、後根神経節および大経有髄神経線維の著明な軸索萎縮を認めた。この結果、末梢神経の「生理的老化」での小径神経線維と大径神経線維の脱落を病理学的指標に基づいて証明した。またサルコペニアの発症については、末梢神経の加齢性変化の役割が考えられる。本研究の成果は末梢神経老化現象の解明のみならず、さらに老化と生活習慣病と末梢神経障害の関連という新しい概念を提唱する可能性を持つ。本研究は末梢神経の「加齢的変化(老化)」について、1)臨床的に高齢・超高齢者、および2)動物モデル(α-Klotho遺伝子ノックアウトマウス)を用い、大径神経線維・小径神経線維の機能的・形態学的加齢変化を比較検討することである。また「生理的老化」と「病理的老化」との神経線維の変性時期・過程・程度の相違を明らかにする。今年度は、末梢神経の「老化」について、ヒト早発性老化症候群モデルであるα-Klotho KOマウスを用いて、末梢神経の加齢現象での大径神経線維と小径神経線維の変性時期・過程・程度の相違を生理学的・病理学的指標に基づいて検証中である。動物実験については、α-Klotho KOマウス、wildタイプおよびコントロールについて各3匹、合計9匹のマウスから標本を採取した。現在形態学的に検討中である。本研究は末梢神経の「加齢性変化」について、1)臨床的に高齢・超高齢者、および2)動物モデルを用いて、大径有髄神経線維・小径神経線維の機能的・形態学的加齢変化を比較検討することである。また「生理学的変化」と「病理的変化」との神経線維の変性時期・過程・程度の相違を明らかにする。今年度は、臨床的には当財団付属病院の外来および入院患者について、また早期老化モデルマウスであるα-Klotho遺伝子ノックアウトマウス(α-Klotho KO)を用いて検討を行っている。α-Klotho KOは生後3週までは野生型と同様に成長するが、3週を超えると成長が止まり、平均寿命60日。臨床的には80歳以上の当財団付属病院の外来および入院患者12名について神経学的所見、電気生理学的検査(大径有髄神経線維)および皮膚生検(小径神経線維)を行い、現在結果を分析中である。動物実験については、α-Klotho KOを用いて、生後4,6,8,10週毎にフォンフライ検査、温熱刺激検査を行い、神経伝導速度を測定した。更に脊髄・後根神経節・末梢神経を採取し、コントロール群(C57BL/6)と比較検討中である。本研究は高齢・超高齢者および動物モデルを用いて、まず末梢神経の「生理的老化」について解明し、次いで「病的老化」としてサルコペニア発症との関連について追究した。末梢神経の「生理的老化」として、大径有髄神経線維については下肢の振動覚・位置覚の低下、アキレス腱反射消失、神経伝導速度の低下が知られている。しかし小径神経線維の加齢に伴う病態は明らかでない。1.末梢神経の「生理的老化」について:高齢・超高齢者および動物モデル(α-Klotho KOマウス)を用い、小径神経線維の機能的・形態学的加齢変化について検討し、大径神経線維の加齢変化と比較した。α-Klotho KOマウスでは、後根神経節細胞の萎縮および小径神経線維の脱落が、大径神経線維の脱落より早期から認められる。高齢者の皮膚生検では表皮内小径神経線維の脱落が見られた。2.末梢神経加齢現象とサルコペニアの関連について:サルコペニアの高齢・超高齢者については大径・小径神経線維が共に脱落しており、サルコペニア発症以前からの末梢神経線維の脱落が示唆された。本研究は、従来の末梢神経加齢変化の研究が大径神経線維に限られてきたのに対し、小径神経線維をターゲットにし、新しい観点からアプローチした。その結果、「生理的老化」での小径神経線維と大径神経線維の変性時期・程度の相違を生理学的・病理学的指標に基づいて証明した。またサルコペニアについては、その発症機序の一環としての末梢神経の加齢性変化の役割が考えられる。本研究の成果は末梢神経老化現象の解明のみならず、アンチエージングを目指した治療戦略に一石を投じ、さらにサルコペニアの病態把握に関与し、老化と生活習慣病と末梢神経障害の関連という新しい概念を提唱する可能性を持つ。

平成28年度には臨床的研究については、表皮内神経線維末端痛覚閾値(PINT)検査を実施し今年度の遅れを取り戻せる予定である。動物実験については、更にマウスの数を増やし、末梢神経の「生理的老化」と「病的老化」の違いについても検討予定である。平成29年度には、臨床および動物実験にて得られたデータの解析を予定している。特に末梢神経の形態学的定量・統計学的解析には時間がかかるため、この点についてはは既に開始している。神経内科上記「進捗状況」に述べたように、本年度は臨床研究が使用予定の機器が使えず進捗が遅れている。このため平成27年度に実施予定だった臨床研究が、平成28年度にずれ込んだ。平成28年度には、臨床研究について本年度分を含めて実施する。
星間物質とその進化

本研究は、平成3年度から発足する重点領域研究「星間物質とその進化」の準備を進めることをその目的としたものである。この重点領域研究は星間物質の化学・物理・星形成及びその歴史と宇宙における役割を総合的に明らかにするため、観測、理論、実験、技術開発までを含めた広い学術的協力を組織していくことを目指している。従って今年度の準備においては、計画のねらいと進行状況をひろく研究者に知らせるとともに、計画研究の補強・新しい方向の導入を含む幅広い公募研究を集めることに力点をおいた。そのために、平成3年1月31日、2月1日の両日にわたって、研究会「星間物質とその進化」を三鷹の国立天文台において開催した。この研究会の参加者は74名、論文発表は55件であって、予想をこえる広い分野の研究者から強い興味が寄せられ、星間物質の多方面からの研究可能性とアクティビィティが示された(研究会集録を添付)。この結果は、53件という公募研究申請数に反映されている。各計画研究については、それぞれの補強と詰めが各グル-プごとに図かれ、そのために数回の小規模な打ち合わせが行われた。総括班予定者(評価委員を含む)の検討会を行い、全体計画、新しい研究方向の導入の可能性、重点領域研究の運営方法などについて意見交換を行った。その他、「ニュ-ス」を発行・配布し、また関連学会誌に紹介を掲載した。
MD-NSE法による新規タンパク質ダイナミクス解析法の開発

蛋白質のドメイン運動は蛋白質が有する固有の機能に深く関与していると知られていたが、精度良くその運動を探知し更に解析する手法が確立していなかった。そこで、申請者は中性子スピンエコー法(NSE)とMDシミュレーションを組み合わせたMD-NSE法により蛋白質のドメイン運動の記述を試みた。NSE測定から得られた拡散定数のQ依存性(D(Q))をMDシミュレーションのtrajectoryから計算されたD(Q)と比較すると回転拡散のみならず、ドメイン運動に由来する運動の組み合わせで記述できた。更に、ドメイン運動を詳細に解析すると主にドメインの開閉に対応した運動であることが分かった。生体高分子はピコ秒から実時間スケールにまでに及ぶ広い時間領域にわたり階層的なダイナミクスが存在することが知られており、特に近年ではそのダイナミクスこそが生体高分子の機能発現を誘発する主要因として考えられている。しかしながら、その中において特にナノ秒からサブマイクロ秒の時間領域に存在する内部運動を精度良く観測出来る生物物理学的実験手法は未だ確立しておらず、新規手法の確立が強く望まれている。そこで、本研究においてタンパク質の内部運動を実測を中性子スピンエコー法(NSE)法により試み、更に解析法が十分に確立していないNSE測定から実測データの解釈のために分子動力学計算(MD-simulation)を行うことであらゆるタンパク質の内部運動の記述を可能にするMD-NSE法の開発を目指している。平成27年度においては制限分解酵素EcoO109IのMD-simulationをGromacsを用いて全原子計算をおこなった。なお、初期構造として既に報告されている結晶構造を用いた。得られた計算結果の妥当性を確認するためにMD-simulationから得られた構造を元に小角散乱領域における静的構造を計算したところ小角X線散乱測定(SAXS)から得られた散乱関数を非常に良く再現した。更に、MD-simulationから得られたトラジェクトリーを元にNSE測定で実際に得られる中間散乱関数を計算した。更にその得られた中間散乱関数から緩和速度の空間依存性を見積もったところ、並進、回転拡散から予測されるよりも余剰分の緩和速度が見積もられた。この結果はEcoO109Iの内部運動を反映したものと考えら、現在主成分解析(PCA)を行い支配的な内部運動のモードの抽出を行っている。MD-NSE法の最初の候補となるEcoO109IのNSE測定は当初平成27年度にビームタイムが確定していた。しかしながら、使用する予定の中NSEのアップグレード及び調整の大幅な遅延により当初予定されていたビームタイムが延期されて平成28年度7月にへとシフトされた。そのため、MD-ダイナミクス測定を研究を進めるための礎となる実験データ側のダイナミクスが欠落している状況である。平成27年度においては制限分解酵素EcoO109Iによる全原子シミュレーションをGromacsを用いて行い、そこから得られたtarjectoryを用いて小角散乱領域の構造及び中間散乱関数を計算した。その結果、回転拡散のみならず内部運動の寄与が確認された。平成28年度においては実際にEcoO109Iに対して中性子スピンエコー測定を適用し、MDシミュレーションから予測された運動が実際に観測できるかの検証を行った。測定はフランスの中性子散乱施設であるラウエランジュバン研究所(ILL)に設置されているスピンエコー分光器であるIN15を用いて行った。得られた中間散乱関数に対してキュムラント解析を行い、そのinitial decayを散乱ベクトル(Q)の二乗であるQ2で割ることで得られる拡散定数のQ依存性(D(Q))の評価を行った。その結果、D(Q)に対して明確なQ依存性を示した。この実測データから得られたD(Q)を解釈するために動的光散乱測定(DLS)の結果及び、MDシミュレーションから得られたD(Q)との比較を行った。実測のD(Q)に対してQ依存性を示さないDLSから見積もられる並進拡散定数(Dt)を差し引いた後でもD(Q)_Dtは明確なQ依存性を示した。興味深い事にMDシミュレーションから評価可能な回転拡散及び内部運動由来のD(Q)-Dtと良い一致を示した。つまり、実測で得られたD(Q)_Dtは回転拡散と内部運動由来であると推察される。しかしながら、回転拡散のみからのD(Q)-Dtは実測データをうまく表現できなかったことから中性子スピンエコー法で確かにEcoO109Iの内部運動を捕らえることが出来たことを示している。主成分解析と組み合わした最終的な解析を進めている。既にEcoO109Iに対して予想される中間散乱関数はMD-simulationにより計算済みであるので、本年度実施予定のNSE測定に対して最適な測定条件を設定済みである。また、本年度実施する天然変性蛋白質のダイナミクス測定の礎となる構造をSAXSにより決定し、その構造からMD-simulationを行う。最終的に本手法の構造が不明確な蛋白質のダイナミクスの記述法を目指す。生物物理
DNAマイクロアレーを用いた嚢胞性腎疾患の発症機序の解明

種々の病態で管腔構造を呈すべき尿細管が嚢胞を生じるが、その機構には不明な点が多い。コラーゲンゲル内で3次元的に培養すると嚢胞状になることが知られているMDCK細胞を腎嚢胞のモデルとして、嚢胞構造を呈する機構を体系的に検討することを目的とした。これまでにMDCK細胞を管腔構造化させる因子としてはHGF, follistatinしか知られていなかったが、MDCKのクローン化の過程で牛胎児血清のみで分岐管腔構造を呈するクローン(C4)と嚢胞構造しか呈さないクローン(C1)を得た。分岐管状構造を呈する因子を同定するために、C1,C4のmRNA発現の違い、HGFにより誘導されるmRNA発現等につき、約9000のcDNAを固定したDNAチップを用いて検討した。C1とC4にはchannel, ATPase, solute carrier,ホルモンレセプター,接着等にかかわる多くの因子の発現には差が無かった。管腔構造生成に関係あると思われるPKD1,2の発現に有意差は認めず、またHGFやHGFレセプターの発現に差は認めなかった。follistatinはむしろC1で多く発現していた。fibronectinの発現がC1では有意に低下していたが、C1を種々濃度のfibronectinを含有するコラーゲンゲル内で3次元的に培養しても管腔構造は呈さず、単にfibronectinの発現低下のみですべてを説明することはできなかった。C1にHGFを加えると、MDCK細胞はコラーゲンゲル内で尿細管様構造をとったが、HGF添加より有意に発現が亢進するmRNAはなかった。コラーゲンゲル内では通常の培養フラスコ上で培養した場合とは異なるmRNA発現が生じている可能性があるので、現在コラーゲンゲル内で生育している細胞からmRNAを生成して分析を進めている。予備実験ではC4に明らかに発現が亢進しているmRNAは認めなかったが、現時点ではmRNAの量的な問題や精製上の問題が十分改良されていない可能性もあると考えている。たまたま10%牛胎児血清の存在下で、尿細管様管腔構造を呈するクローン(C4)と嚢胞構造を呈するクローン(C1)を得た。これまでにMDCK細胞を管腔構造化させる因子としてはHGF, follistatinしか知られておらず、牛胎児血清のみで管腔構造を呈するMDCKは知られていない。C1には管腔構造を呈する上で重要な遺伝子の発現が低下している可能性を考え、C4、C1のmRNAの発現の違いを約9000のcDNAを固定したDNAチップを用いて検討した。検討されたchannel, ATPase, solute carrier,ホルモンレセプター,接着にかかわる多くの因子の発現には差が無く類似の尿細管細胞と考えられた。管腔構造生成に関係あると思われるPKD1, 2の発現に有意差は認めず、またHGFの有意な発現は共に認めなかった。HGFレセプターの発現に有意差は認めなかった。, follistatinはむしろC1で多く発現していた。細胞外基質ではcollagen、lamininの発現には差が無かったが、fibronectinの発現がC1では低下していた。しかし、C1を種々濃度のfibronectinを含有するコラーゲンゲル内で3次元的に培養して管腔構造は呈さず、単にfibronectinの発現低下のみですべてを説明することはできなかった。

予備実験ではC4に明らかに発現が亢進しているmRNAは認めなかったが、現時点ではmRNAの量的な問題や精製上の問題が十分改良されていない可能性もあると考えている。
キャラバン型実験工作教室による体験学習の高度化と教材化

57回の実験工作教室を開催し、延べ約2300名の小学生が参加した。アンケート調査によると参加者の評価は極めて高い。理科離れを防ぐために実験等の体験的な学習が効果的であることが確認された。実験内容・実験工作教室の企画にも関わった大学生は延べ約500名である。学生たちは「任される」ことによる責任感を自覚し、主体的に実験内容とこどもたちに提示する方法に関する工夫を重ね、科学コミュニケーターとしての能力の向上が認められた。本研究の目的は、児童生徒が科学の楽しさ、素晴らしさを感じて、科学に夢を持てるような機会を提供しながら、(1)生徒にとって身近に感じられる手作り的な実験工作を行ないながら、より科学的に高度な内容をこの中に組み込むことの有効性を実践的に研究することと、(2)体験学習の科学的内容の高度化・教材化と、科学コミュニケーション能力をもった学生の養成を行なうことである。21年度の実験工作教室の実施回数、参加学生数、参加児童数した児童生徒の数は、それぞれ13回、113名、618名であった。各回とも、事前に実験等のテーマを研究者と学生が決定して、実験を通してこどもたちに何を理解させようとするのかを確認し、実験工作教室の改善のために事後の反省会も毎回行なった。こどもたちと保護者からの実験工作教室に対するアンケート結果は、ほぼ全ての回答が「大変良い」と「良い」であった。21年度はいくつかの学校で理科教員が参加して、学生の指導について有益なコメントを得ることができた。学生たちは準備・予行から終了後の整理・反省まで主体的に取組み、科学コミュニケーション能力を持つ学生の養成に関しては着実に成果が上がっている。内容の高度化に関しては、大気圧による無の圧壊などこれまでに行なってきた実験テーマの多くを高速度カメラで撮影して、これを通して物理・化学的な基礎を学生たちが学習する機会を設けた。それらを取り入れたPCを活用した説明の工夫を学生たちとともに行うことによって、21年度は実験工作教室が質的に向上している。本研究の中間成果は21年度の物理学会で発表した。研究の目的は「児童生徒が科学の楽しさ素晴しさを感じて科学に夢を持てるような機会を提供する」であり、2010年度は15回の実験教室を開催し、参加した学生、こども、保護者の数はそれぞれ148名、779名、299名であった。実験のテーマは「液体窒素を用いる低温の実験」「偏光板を用いた光の実験」など多様である。参加し者のアンケートでは「大変満足した」と「満足した」の回答を合わせるとそれぞれ94%と99%であり、高評価が得られている。12回目と15回目の教室はそれぞれ和歌山県教育委員会と本学地域創造支援機構からの依頼に応えたものであり、これらの他の依頼も全て地域の小学校等からである。本取組に対する地域からの認知と支持が十分に進んでいると考えられる。もう一つの目的である「科学的内容の高度化と科学コミュニケーションの能力を持った学生の養成」に関しては、学生たちは実験教室の度に内容の高度化を意識しながら実験に独自の創意・工夫を重ねている。このことを通じて次のような効果が認められる。また、準備のための打ち合わせの開始日を決めて実験当日までの計画を立てることができるようになり、全体リーダーとテーマリーダーの下で実験教室を授業に見立てて模擬授業を行い、終了後には毎回反省会を開いている。これらの一連の活動を写真や文書データとして記録することや、ホームページから発信することも、学生が主体となって行える段階に達している。実験等に必要な物品等は教員が管理するが、学生が、参加予定者の年齢と人数を考慮して適切な実験のテーマを考え、その実験のために必要な物、補充が必要な物を教員に申し出るようになった。仕事を与えられるのを待つといった姿勢からの大きな進歩が見られる。23年度の研究実施計画は、(1)児童生徒を対象として学生が指導する実験工作教室を開催することと、(2)実験工作教室の内容の高度化を行い教材化を進める、それに(3)学生の科学コミュニケーターとしての力を養成することである。実験工作教室の実施回数、参加学生数、参加した児童生徒の数は、それぞれ18回、180名、609名であった。

こどもたちと保護者からの実験工作教室に対するアンケート結果は、ほぼ全ての回答が「大変良い」と「良い」であった。学生たちは準備・予行から終了後の整理・反省まで主体的に取組み、科学コミュニケーション能力を持つ学生の養成に関しては着実に成果が上がっている。内容の高度化に関しては、エーテルの引火実験や、23年度に明らかにされた科学の新発見等を通して物理・化学的な基礎を学生たちが学習する機会を設けた。また「星座のしおり」づくりのテーマでは学生がPCを活用した説明の工夫を加え、実験工作教室が質的に向上している。本研究の成果は23年度の日本理科教育学会近畿支部大会で発表した。
「非自己決定性」における道徳的責任の原理的基礎研究

国内におけるバイオエシックス研究の状況を把握するために、1970年代から現在に至る約20年間の研究動向を調査した。この結果明らかになったのは、70年代から80年代前半にかけては安楽死や尊厳死など患者の権利問題をめぐる研究が中心であったが、5,6年ほど前から脳死や臓器移植に関する医学的・法学的な研究が徐々に提出されるようになったという事実である。末期癌の告知、尊厳死、脳死、臓器移植、人工授精、遺伝子組み換えなど、今日の「非自己決定性」状況において、医師、ドナ-、レシピエント、家族らの各立場を包括的に考慮した広義のバイオエシックス研究に関しては、啓蒙的なものを除くと、残念ながら今現在も数えるほどしかなく、この方面では諸外国と随分開きがあるようだ。国内外の関係文献の目録作成に当たって、まずこの点を確認した。次に当初の計画では、先端医療技術の進歩によって生み出される「非自己沢定性」の問題群を全般に亙って様々な角度から分析するつもりであったが、予定に反して今年度は脳死と臓器移植の問題しか扱えなかった。この問題分析を通じて明らかになったのは、移植医療における技術的並びに経済的な問題点であった。これについてはデ-タベ-スを作成した。さらに「非自己決定性」状況における責任現象の一端を明らかにするために、バイオエシックスの有力な道徳理論と目される功利主義的原理を取り上げ、これとバイオエシックスとの関係を検討した。医療現場では「功利性」の追求が倫理的公理となるが、その際重要なのは最大善をどの程度確実に生み出すかという問題であり、倫理的責任の問題はこれと不可分に結び付いていると考えられる。しかしこの視点からの発展的な研究は、バイオエシックスの道徳諸理論の研究と併せて今後の研究課題としたい。
顎骨骨膜細胞を用いた、効果的な抜歯窩治癒促進法の開発

本研究における目的は、BMP-2あるいはVEGFの遺伝子を顎骨より得たヒト骨膜細胞に遺伝子導入し、その骨芽細胞への分化を、細胞培養実験および免疫不全マウスへの細胞移植実験によって評価することである。実験群としては、BMP-2群、VEGF群、BMP-2+VEGF群、そして遺伝子導入を行わない対照群を用いた。培養骨膜細胞におけるヒト骨芽細胞のマーカー遺伝子(アルカリフォスファターゼ、1型コラーゲンおよびオステオカルシン)の発現をリアルタイムPCRを用いて観察したところ、実験期間である4週間にわたりBMP-2群およびBMP-2+VEGF群で有意な発現が観られ、さらにアルカリフォスファターゼのタンパク発現においても、培養細胞染色法や定量法によって同2群に有意な発現が確認された。一方、細胞移植実験において試料をパラフィン胞埋組織切片で観察すると、移植後4週間で全ての群に異所性の骨様組織形成が確認され、その大きさは8週間まで増え続けた。また、画像解析ソフトにより骨様組織の面積を計測したところ、BMP-2群およびBMP-2+VEGF群では、VEGF群および対照群に比較して有意に大きかった。しかしながら、BMP-2群とBMP-2+VEGF群、あるいはVEGF群と対照群のそれぞれには、有意な差は観られなかった。さらにVEGF群およびBMP-2+VEGF群においては血管新生が顕著であった。以上の結果から、BMP-2あるいはVEGFの遺伝子導入によってヒト骨膜細胞の骨芽細胞への分化が確認され、VEGFによる血管新生はBMP-2による異所性の骨形成を促進する可能性が示唆された。また、口腔内領域より容易に採取出来る骨膜細胞の、骨組織再生への応用が期待できる。本実験は、顎骨骨膜より得た細胞を用いて抜歯窩の治癒を効果的に促進させることを目的とする。そこで17年度では骨膜細胞の培養法および骨芽細胞への誘導を確立するため実験を行った。ウサギの下顎骨骨膜より採取した骨膜をコラゲナーゼ処理し、α-MEM(10%FBS)培地にて骨膜細胞を培養した。またその細胞の形質は、4代の継代培養において変化は観られなかった。さらに通法に従い,dexamethasone、β-glycerphosphate、ascorbic acidを培養液に加え、骨膜細胞の骨芽細胞への分化誘導を試みた。その結果、アルカリフォスファターゼ陽性の細胞の増殖および石灰化が観察された。次に、「同様にコラゲナーゼ処理しα-MEM(10%FBS)培地にて4代に亘る継代培養をした骨膜細胞に、BMP-2、VEGF、およびBMP-2/VEGF(1:1)の遺伝子をコードするプラスミドベクターをlipofection法を用いて導入した。その結果、全ての実験群においてアルカリフォスファターゼ陽性細胞の増殖が認められ、特にBMP-2/VEGFの群に関してのみ石灰化が観察された。対象群においてはアルカリフォスファターゼ陽性細胞の増殖および石灰化は観察されなかった。さらにこれらの細胞からRNAを抽出し、遺伝子発現をreal-time PCRにて比較すると、BMP-2、VEGF、TGF-β、osteopontin osteocalcin、collagen I、osteonectin、ALP、RUNX2の遺伝子発現の増加が実験群において観察された。以上の結果から、培養骨膜細胞はBMP-2およびVEGFの遺伝子導入によって骨芽細胞様細胞へと分化誘導されることが観察された。18年度は、これらの遺伝子導入した骨膜細胞をヌードマウスへ移植することによって、移植部位における骨組織の形成、促進および増大を組織学的・分子生物学的に評価していく。歯牙欠損および歯周病によって減少した骨量を回復することは、歯科治療の目的の1つである。本研究では、比較的採取が容易な顎骨骨膜より骨膜細胞を分離・培養し、BMP-2等の遺伝子の導入によって骨芽細胞へ分化誘導することを目的とする。また、最終的には移植骨膜細胞による抜歯窩の効果的な治癒促進を目指す。本年度までの結果は以下のとおりである。1.ウサギの顎骨骨膜より骨膜細胞を分離・培養する方法を確立した。2.骨膜細胞にBMP-2等の遺伝子を導入すると、遺伝子発現、アルカリフォスファターゼ活性および石灰化結節形成の結果から、骨芽細胞への分化・誘導が確認された。3.遺伝子導入した骨膜細胞と共存培養したコラーゲンスポンジをヌードマウスの皮下に移植したところ、骨組織形成に特異的な遺伝子発現および免疫染色による血管新生の増大が確認されたものの、異所性の骨組織形成には至らなかった。4.また、ヒトの顎骨骨膜より骨膜細胞を分離・培養にも成功し、現在同様の実験を行っている。<考察および対策>1.コラーゲンスポンジとの共存培養の際、細胞がスポンジ内に均一に浸潤していなかったため、現在は陰圧下にて共存培養することに切り替えている。2.皮下では細胞および血管供給が少ないため、筋肉内に移植することを計画している。3.安定した足場を確保するとともに骨組織への親和性を向上させるため、コラーゲンスポンジをリン酸カルシウムスポンジにする。

培養骨膜細胞におけるヒト骨芽細胞のマーカー遺伝子(アルカリフォスファターゼ、1型コラーゲンおよびオステオカルシン)の発現をリアルタイムPCRを用いて観察したところ、実験期間である4週間にわたりBMP-2群およびBMP-2+VEGF群で有意な発現が観られ、さらにアルカリフォスファターゼのタンパク発現においても、培養細胞染色法や定量法によって同2群に有意な発現が確認された。一方、細胞移植実験において試料をパラフィン胞埋組織切片で観察すると、移植後4週間で全ての群に異所性の骨様組織形成が確認され、その大きさは8週間まで増え続けた。また、画像解析ソフトにより骨様組織の面積を計測したところ、BMP-2群およびBMP-2+VEGF群では、VEGF群および対照群に比較して有意に大きかった。しかしながら、BMP-2群とBMP-2+VEGF群、あるいはVEGF群と対照群のそれぞれには、有意な差は観られなかった。さらにVEGF群およびBMP-2+VEGF群においては血管新生が顕著であった。以上の結果から、BMP-2あるいはVEGFの遺伝子導入によってヒト骨膜細胞の骨芽細胞への分化が確認され、VEGFによる血管新生はBMP-2による異所性の骨形成を促進する可能性が示唆された。また、口腔内領域より容易に採取出来る骨膜細胞の、骨組織再生への応用が期待できる。
中心静脈カテーテル関連感染予防のための安全な無菌操作行為に関する研究

研究初年度は、中心静脈カテーテル(以下CVCと略す)関連感染のリスクの高いICUにおいて、無菌操作行為に必須な手指衛生の観察調査を看護師に行った。その結果、ICU看護師に必要な手指衛生は26回/時であった。また携帯型手指消毒薬を導入すると、手指衛生の遵守率は向上(25.1%増)した。CVC管理に最も携わる看護師に、携帯型手指消毒薬を導入すれば手指衛生の遵守率が向上し、安全な無菌操作が実施出来ると考えられた。(平成16年日本集中治療医学会学術集会、平成17年日本看護科学学会学術集会に演題発表。今年度中に論文投稿予定)。研究2年目は、ICUにおいてCVC挿入時のバリアプリコーションズの実態とバリアプリコーションズ別の感染率を調査した。結果として、無菌操作行為が破綻している例(28.8%)、小さなドレープを適用した例(17.0%)で細菌検出を認めたが、大きなドレープを適用するマキシマルバリアプリコーション(以下MBPと略す)の例では細菌の検出を認めなかった。CVC挿入時にNBPを適用すれば、安全な無菌操作行為が遵守されCVC関連感染の防止に有用であると考えられた。(平成18年感染防止研究会で演題発表。同研究会誌に原著論文として掲載。)研究最終年はCVC挿入時にMBPを導入することを目的に、一特定機能病院の血流感染の実態を調査した。しかし感染率が低く(年間4件未満)、これ以上の対象数も望めないのでNBPの効果が証明出来ないと判断し調査施設を変更とした。現在、一へきち中核総合病院で調査中である。感染率調査や無菌操作を電子カルテ上に表記する場合、標準化された看護実践用語が必要であると考えた。水流聡子先生の看護マスターを適用して、高度専門看護実践の感染防止の部分を作成した。今後、無菌操作に焦点をあてた内容も作成する予定である。(平成18年国際看護情報学会で演題発表。)中心静脈カテーテル(central venous catheter:以下CVCと略す)関連感染のリスクの高いICU(集中治療室)1施設において、感染予防に必須な手指衛生行動の観察調査を、看護師13名を対象に平成16年7月8月に行った。その結果、ICU看護師に必要な手指衛生回数は2526回/時間であることが判明した。また携帯型手指消毒薬を導入すると、ICU看護師の手指衛生コンプライアンスは25.4%から50.5%に上昇したことが判明した。ICU看護師の手指衛生のコンプライアンス向上には、携帯型手指消毒薬の導入が効果的であること明らかになった。携帯型手指消毒薬を導入したことでCVCに関連した無菌操作の認識がどのように変化したのかを、ICU看護師に対して面接調査を行う予定である。文献検索により米国、日本において「マキシマルバリアプリコーションズ(maximal barrier pre-cautions:以下MBPと略す)という防護策をCVC挿入時に適用すると感染率を低下させる」と提言していたことが解った。平成16年8月に、UCLA medical centerとUCLA Santa Monica hospitalにおけるMBPの実態のヒアリング調査を行った。その結果、CVC挿入時にMBPを導入することが勧告され、サーベイランス(感染率調査)にて感染率の動向を明らかにしていた。しかし、各unitではCVC挿入時にMBPは徹底されていない実態があった。本研究では、CVC挿入時にMBPを導入すれば、看護師・医師の無菌操作行為が安全に行え、CVC関連の感染率が低下することを明らかにすることである。現在、MBPに必要とされる防護用品を臨床の看護師を交えて検討しており、次年度よりMBPの感染予防効果を、サーベイランスを用いて明らかにし、看護師・医師の無菌操作行為の変化を観察調査していく計画である。中心静脈カテーテル(以下CVCと略す)関連感染は、CVC挿入時のバリアプリコーションズにより大きく影響を与えることが過去の研究で明らかになった。そこで、CVC関連感染が医療施設内で最も認めている集中治療室(以下ICUと略す)を対象に、CVC挿入時のバリアプリコーションズの実態とそのバリアプリコーションズ別による感染の実態を調査した。バリアプリコーションズ別は以下の3通りで区分した。(1)マキシマルバリアプリコーションズ(以下MBPと略す):CVC挿入時に施術者がマスク・グローブ・ガウン・キャップを着用し、ドレープでカテーテル挿入部以外の患者の全身を覆う方法。(2)スタンダードバリアプリコーションズ(以下SBPと略す):CVC挿入時に施術者がマスク・グローブ・ガウン・キャップを着用し、ドレープでカテーテル挿入部位周辺を覆う方法。(3)ノンバリアプリコーションズ(以下NBPと略す)。CVC挿入時に施術者がマスク・グローブ・ガウン・キャップのいずれかを着用していない、またはドレープを使用していない方法。施術者が手指衛生を行わない場合も、NBPとした。結果・考察として、CVC挿入中・抜去時の血液・カテーテル培養検査から、無菌操作行為が破綻しているNBP例では28.8%、最も多く適用されているSBP例では17.0%の細菌検出を認めたが、MBP例では全く細菌の検出を認めなかった。対象数に大きな差を認めるが、ICUにおいてCVC挿入時にMBPを適用すれば、CVC関連感染の防止に有用であると考えられた。

今後、CVC挿入時にMBPを適用していくには、サーベイランスシステムを確立しMBPの感染防止効果を明らかにすること、施術者の医師だけでなく介助者の看護師が協力して無菌操作行為を遵守することが重要であると考えられた。次年度にサーベイランスシステムのある施設に於いて、MBPの有用性を検討する予定である。研究初年度は、中心静脈カテーテル(以下CVCと略す)関連感染のリスクの高いICUにおいて、無菌操作行為に必須な手指衛生の観察調査を看護師に行った。その結果、ICU看護師に必要な手指衛生は26回/時であった。また携帯型手指消毒薬を導入すると、手指衛生の遵守率は向上(25.1%増)した。CVC管理に最も携わる看護師に、携帯型手指消毒薬を導入すれば手指衛生の遵守率が向上し、安全な無菌操作が実施出来ると考えられた。(平成16年日本集中治療医学会学術集会、平成17年日本看護科学学会学術集会に演題発表。今年度中に論文投稿予定)。研究2年目は、ICUにおいてCVC挿入時のバリアプリコーションズの実態とバリアプリコーションズ別の感染率を調査した。結果として、無菌操作行為が破綻している例(28.8%)、小さなドレープを適用した例(17.0%)で細菌検出を認めたが、大きなドレープを適用するマキシマルバリアプリコーション(以下MBPと略す)の例では細菌の検出を認めなかった。CVC挿入時にNBPを適用すれば、安全な無菌操作行為が遵守されCVC関連感染の防止に有用であると考えられた。(平成18年感染防止研究会で演題発表。同研究会誌に原著論文として掲載。)研究最終年はCVC挿入時にMBPを導入することを目的に、一特定機能病院の血流感染の実態を調査した。しかし感染率が低く(年間4件未満)、これ以上の対象数も望めないのでNBPの効果が証明出来ないと判断し調査施設を変更とした。現在、一へきち中核総合病院で調査中である。感染率調査や無菌操作を電子カルテ上に表記する場合、標準化された看護実践用語が必要であると考えた。水流聡子先生の看護マスターを適用して、高度専門看護実践の感染防止の部分を作成した。今後、無菌操作に焦点をあてた内容も作成する予定である。(平成18年国際看護情報学会で演題発表。)
トポロジー最適化と深層学習の共進化による回転機の高速最適設計の実現

電気自動車の駆動モータを始めとする回転機の設計では,複雑な相関を持つ多数の特性量に関する仕様を満足しつつ,限られた時間内で性能を最大化しなければならない.トポロジー最適化は寸法等を変数とする従来法とは異なり,穴の生成消滅を含めて機器形状を自由に変形し,目的の仕様を満たす機器構造を探索する.トポロジー最適化により,性能要求を満たす新しい回転機構造を発見できるため,研究者のみならず産業界から注目が集まっている.しかし電気機器のトポロジー最適化には膨大な回数の電磁界有限要素解析を伴うため,実行に数日数週間を必要としており,これが実利用の大きな障害となっている.本研究はトポロジー最適化の計算時間を大幅に短縮し,それにより新規回転機構造の発見を可能とすることを目的とする.本年度は,永久磁石埋め込み型モーター(IPMモーター)に焦点を当て,深層学習を用いたトポロジー最適化の基礎検討を行った.まずIPMモータの断面画像より,平均トルク,トルクリップルの特性を出力する深層学習機を構成した.つぎに深層学習機を用いて,IPMモーターのトポロジー最適化を行った.この結果,有限要素法を用いてトルク性能を評価する従来のトポロジー最適化に比べ,10%の計算時間でほぼ同程度の最適化結果が得られることを確認した.また,本手法は多目的最適化の高速化にも有効であることを実証した.これらの研究成果を国際会議CEFC2018にて発表したところ,出席者から非常に高い注目を集めた.本年度は,まず計画通り深層学習機によるモーターのトルク性能の推定精度を評価した.この結果,深層学習機は期待通り高い精度を有することがわかった.このため,次年度以降に計画していた深層学習機を使ったトポロジー最適化の研究を前倒しして行った.この結果,深層学習の導入によりトポロジー最適化の計算量を1/10程度に短縮できる可能性があることがわかった.このことから,本研究は計画以上に進展していると評価した.前年度に構成した深層学習機は,モーターのトルク性能を10程度のクラスに分類するものであった.この場合,トポロジー最適化における進化計算の最終段階では,上位のクラスに個体集団が集まるため,個体の差別化をするのが難しかった.このため,次年度においてはモーターのトルク性能を実数値で評価する回帰計算を,深層学習機で実現する予定である.電気自動車の駆動モータを始めとする回転機の設計では,複雑な相関を持つ多数の特性量に関する仕様を満足しつつ,限られた時間内で性能を最大化しなければならない.トポロジー最適化は寸法等を変数とする従来法とは異なり,穴の生成消滅を含めて機器形状を自由に変形し,目的の仕様を満たす機器構造を探索する.トポロジー最適化により,性能要求を満たす新しい回転機構造を発見できるため,研究者のみならず産業界から注目が集まっている.しかし電気機器のトポロジー最適化には膨大な回数の電磁界有限要素解析を伴うため,実行に数日数週間を必要としており,これが実利用の大きな障害となっている.本研究はトポロジー最適化の計算時間を大幅に短縮し,それにより新規回転機構造の発見を可能とすることを目的とする.本年度は,永久磁石埋め込み型モーター(IPMモーター)に焦点を当て,深層学習を用いたトポロジー最適化の基礎検討を行った.まずIPMモータの断面画像より,平均トルク,トルクリップルの特性を出力する深層学習機を構成した.つぎに深層学習機を用いて,IPMモーターのトポロジー最適化を行った.この結果,有限要素法を用いてトルク性能を評価する従来のトポロジー最適化に比べ,10%の計算時間でほぼ同程度の最適化結果が得られることを確認した.また,本手法は多目的最適化の高速化にも有効であることを実証した.これらの研究成果を国際会議CEFC2018にて発表したところ,出席者から非常に高い注目を集めた.本年度は,まず計画通り深層学習機によるモーターのトルク性能の推定精度を評価した.この結果,深層学習機は期待通り高い精度を有することがわかった.このため,次年度以降に計画していた深層学習機を使ったトポロジー最適化の研究を前倒しして行った.この結果,深層学習の導入によりトポロジー最適化の計算量を1/10程度に短縮できる可能性があることがわかった.このことから,本研究は計画以上に進展していると評価した.前年度に構成した深層学習機は,モーターのトルク性能を10程度のクラスに分類するものであった.この場合,トポロジー最適化における進化計算の最終段階では,上位のクラスに個体集団が集まるため,個体の差別化をするのが難しかった.このため,次年度においてはモーターのトルク性能を実数値で評価する回帰計算を,深層学習機で実現する予定である.国際会議に参加する際,安価な旅券を手配し,経費の節約に努めた結果,未使用分が生じた.次年度以降に,学会での発表回数を予定より増やすことで,未使用分を有効に使用する計画である.