hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ニューロ応用による知的貨幣識別手法の研究とその実装に関する研究

本研究では、パターンマッチングのテンプレートをニューラルネットワークで構成し、識別数の制約の回避と識別パターンの追加の容易性を実現することを目的とします。さらに、提案手法を紙幣識別機などのリアルタイム性が必要な実験機に移植し、その性能における有効性と産業機器への展開の妥当性を検討します。第一ステップでは,シミュレーションによる手法の検討とこれをリアルタイムで動作させるためのハードウェアの研究を実施します。第二ステップでは,リアルタイム性を考慮したニューロ識別システムの開発を実施し、実際の多国籍紙幣を用いた実証実験を実施します。本研究成果により,従来、紙幣入金機,および,紙幣整理機などの単体機としての位置づけであった識別機を高機能金融情報端末機とすることができ、インーターネット等を利用した次世代金融情報産業へ展開させることが期待できます12年度(初年度)はアルゴリズム開発およびDSPユニットの製作を実施しました。13年度からは、本格的な実時間処理での提案手法の性能面での検証実験を実施しました。さらに、提案手法を今後インターネットビジネスで必要となる個人認証技術およびマンマシンインターフェース技術に展開し、筆圧による個人認証と筋活動電位による手首挙動認識などに応用し、筆圧個人認証では企業との共同研究開発にて製品を展示会に出展(東京:ビッグサイト)するなどの成果を得ました。また、本アルゴリズムを用いた流下状態にある米の良否監査を実施するシステムへの応用も試み、その基本性能による実験により論文掲載に至っています。これも上述と同様に企業との共同研究として実用システムの研究開発として展開中です。平成12年度平成14年度研究成果:一般講演論文16件、国際会議論文7件論文4件本研究では、パターンマッチングのテンプレートをニューラルネットワークで構成し、識別数の制約の回避と識別パターンの追加の容易性を実現することを目的とします。平成12年度平成14年度研究成果:一般講演論文16件、国際会議論文7件論文4件平成12年度では、これまでに当研究者が開発したニューロ紙幣識別ボードを利用して各種紙幣データを採取し、実験用データベースを作成しました。このデータベースを用いて、ニューロテンプレートによるパターンマッチング識別手法の研究を行い、識別数の増加に容易に対応できることと新規識別パターンの登録時間短縮をシミュレーションにて示しました。この提案手法の有効性を基に、提案手法を2002年に発券予定のユーロ紙幣のダミーに適用し、実利的な識別システムとしての有効性も併せて示しました。さらに、提案手法を産業機器で動作させるための研究として当研究者は、DSP(Digital Signal Processor)による高速ボードの基本設計も合わせて行い、3セットのDSPユニット(DSPボードに電源および入出力ポートなどの周辺装置を付加したもの)を製作しました。このDSPユニットはDSPのプログラムをPCなどで外部から容易に変更可能であり、提案手法の実時間処理の有効性の検証に使用する予定であります。12年度末の時点で、テストプログラムによるDSPユニットのプログラム変更の確認、データ通信の確認、および、入出力ポートの動作確認などを実施済みであります。13年度からは、本格的な実時間処理での提案手法の性能面での検証実験を予定しています。また、提案手法を今後インターネットビジネスで必要となる個人認証技術に展開し、筆圧あるいは掌紋による個人認証に応用していきます。第一ステップでは,シミュレーションによる手法の検討とこれをリアルタイムで動作させるためのハードウエアの研究を実施します。本研究成果により,従来、紙幣入金機,および,紙幣整理機などの単体機としての位置づけであった識別機を高機能金融情報端末機とすることができ、インーターネット等を利用した次世代金融情報産業へ展開させることが期待できます。12年度(初年度)はアルゴリズム開発およびDSPユニットの製作を実施しました。

さらに、提案手法を今後インターネットビジネスで必要となる個人認証技術およびマンマシンインターフェース技術に展開し、筆圧による個人認証と筋活動電位による手首挙動認識などに応用し、筆圧個人認証では企業との共同研究開発にて製品を展示会に出展(東京:ビッグサイト)するなどの成果を得ました。また、本アルゴリズムを用いた流下状態にある米の良否監査を実施するシステムへの応用も試み、その基本性能による実験により論文掲載に至っています。これも上述と同様に企業との共同研究として実用システムの研究開発として展開中です。平成13年度研究成果:一般講演論文13件、国際会議論文5件論文1件
衛星搭載用宇宙塵検出器の開発

本研究は宇宙科学研究所が1998年7月に打上げる予定の、我国初の惑星探査衛星PLANET-Bに搭載される宇宙塵検出器、MDC-PB (Mars Dust Counter on PLANET-B)を製作することを目的としている。このMDC-PBのモデルは1990年に打上げられた宇宙科学研究所の工学試験衛星「ひてん」に搭載されたMDC (Munich Dust Counter)である。このMDC-HITENの欠点は角度分解能が145度と非常に悪いことであった。本申請ではMDC-PBの角度分解能の向上を目指すことを目的として申請を行ったが、衛星側の事情により検出器の重量が500gと制限され、角度分解能向上のための改良を施すことが不可能となった。しかしその後の交渉により最終的には730gが認められ、MDC-HITENの電子・イオン両チャネンルに加え、中性チャンネルの追加を行い、角度分解能の向上と共にS/Nの向上がなされ、より信頼性が増した。MDC-PB自体の製作はドイツ側が行ったが、計画の初期段階から日本側も積極的に議論に加わり、ハイデルベルグのマックスプランク核物理学研究所でのダスト加速器を用いた較正実験にも殆どすべての期間にわかって参加し、経験を積み重ねてきた。本研究期間中は我国に比べて10年以上先を行っているドイツに就いて「武者修行」を行う期間であったため、殆ど成果らしい成果を挙げることは出来なかった。しかし平成7年度より準備研究が開始された月探査周回衛星(SELENE)計画では、これらの成果を基に創造的なアイディアに基づいたイオンミラー型TOFダスト質量分析器の提案を行った。しかし、基礎実験や実際の機器を作るという経験に不足していたため残念ながら採用には至らなかったが、現在は宇宙科学研究所の補助金の交付を受けて実験室モデルの製作を行っている。更に昨年度より東海林の東大原子力研究総合センター重照射管理部門に設置されているバンデグラフ静電気加速器のイオン源を改造したダスト加速器の製作も行い、前回のマシンタイムで初のダスト加速に成功した。しかしこの加速器は汎用のものであるためマシンタイムは半年に2週間というペースであり、より小型でフレキシブルなダスト加速器の製作にも取掛かっている。宇宙塵の直接測定に向けた環境が着々と整いつつある。本研究は1998年(当初は1996年の予定であったが、ロケットの開発の遅れのため、2年延期された)打ち上げ予定の、我が国初の惑星探査衛星PLANET-Bに搭載される事が正式に決定した、宇宙塵検出器MDC(Mars Dust Counter)を製作する事を目的としている。この検出器のベースとなるものは1990年に打ち上げられた工学実験衛星「ひてん」に搭載されたMDC(Munich Dust Counter)である。この検出器の原理はイオン・チェンバーである。信号の立ち上がり時間、ピークの高さと衝突粒子の質量・速度とに関しては室内実験により、電子・イオンそれぞれについて関係式が求められており、それぞれのチャンネルから衝突粒子の質量・速度に関するデータが得られるため信頼度が高くなる。このような簡単な原理に基づいた検出器であるにもかかわらず、質の高いデータを得国際的に高い評価を得た。

このMDCの唯一の弱点は角度分解能であり、この点を改良するために今回の申請を行なった。具体的には底面を抵抗性電極を蒸着したピエゾフィルムをはり、入口部のグリッドワイヤーとのコインシデンスを取る事により角度分解能を5倍程度向上させると言うものであった。この申請と並行して東京大学に申請していた学術研究奨励資金によりMDCを開発したドイツへの派遣が認められ、8月21日より10月19日までの2ケ月間、主としてミュンヘン工科大学(TUM)で仕事を行なった。TUMでは「ひてん」に搭載されたMDCのデータ中に地上での実験では得られたことのない信号の原因を突き止めるべく、MDCのフライトスペアを用いてハイデルベルグにあるマックス・プランク研究所の静電型ダスト加速器を用いた実験を計画していた。この準備過程においてパーソナルコンピュータを用いた回路・プリント基板設計、プリント基板・回路製作まで体験しドイツ人の持つ合理性を実体験し我々グループの後進性を痛感した。帰国後は可能な限りコンピュータ化を行なうための準備を進めて来ている。MDCの改良に関してはピエゾフィルムに炭素を蒸着し、抵抗性を持たせる事から始めた。炭素蒸着を行なった面の両端に電極を取り付けて信号を取り出す。この信号をデジタル・オシロスコープに入力し、両端の信号と粒子の衝突位置との間に相関があるかの確認を行なう。現在までのところ蒸着膜の厚さの最適値を求めるまでにいたらず、また電極の取付方法についても最善の方法が見つかっておらず、まだ研究の途上にある。本研究は1998年打ち上げ予定の、我が国初の惑星探査衛星PLANET-Bに搭載される宇宙塵検出器MDC(Mars Dust Counter)を製作する事を目的としている。昨年度の実績報告書なども指摘したようにMDC-PBのモデルとなった1990年に打ち上げられた工学実験衛星「ひてん」に搭載されたMDC(Munich Dust Counter)[MDC-ひてん]の欠点は角度分解能が145度と非常に悪いことであった。本研究ではMDC-PBの角度分解能の向上を目指すことを目的として申請を行ったが、衛星側の事情により検出器の重量が500gと制限され(後ほど交渉により600gまで獲得した)たため、角度分解能向上のための改良を施すことが不可能となってしまった。しかしMDC-PBのプロトタイプモデルの作成はドイツ側研究者を中心として、本年度末に宇宙科学研究所で行われるテスト実験を目標に製作が進んでいる。本研究の主要目標であったMDC-PBの角度分解能向上のための具体的な仕事は進められなかったが、ダスト検出器一般に関する基礎研究は、ピエゾフィルムやピエゾ素子を用いた位置有感型衝突センサーに関しての基礎データを取る実験を行った。グリットワイヤーメッシュを用いた入射粒子の電荷検出に関する実験は実行できなかった。来年度以降の研究計画は、本年2月20日より研究分担者の宇宙科学研究所藤原顕教授のもとへ、ブレーメン大学のHeinrich Iglseder博士が外国人研究員として一年間の予定で来日した。かれは「MDC-ひてん」の実質的な責任者として、装置の開発・データ解析を担当してきた。彼と共に新しいアイデアに基づいた宇宙塵検出器の開発研究を進めていく予定である。
モンゴル系諸言語における同系語量の比較研究

1.モンゴル系諸言語のうち,ダグル語とバオアン語に含まれているモンゴル系の語蛋を抽出し,索引化する作業を進めた。具体的には,内蒙古大学古語文研究所編による『達斡爾語詞集』(1984)と『保有語詞集』(1986)の中から,同系語蛋を抽出し,単語カ-ド化する作業を完了した。抽出したダグル語中のモンゴル系同系語蛋は,異なり語数で約3,200語,バオアン語中のそれは,約1,500語であった。さらに,ダグル語については,設備品で導入したパソコンとソフトを利用して,ダグル語の音声形(国際音声字母表記),意味形(中国語簡体)字表記,日本語漢字かな表記),蒙古文古形(ロ-マ字転写表記)を,それぞれの表記形のままで検索し,表示できるシステム入力を行った。2.ダグル語において抽出したモンゴル系の同系語罸に認められる音声変化のうち,語の第一音節において円唇母音が非円唇化する変化について調査を行い,次のような結論を得た。(1)第1音節の円唇母音の非円唇化はu,o,u,oの4つの母音のすべてについて認められる(u→a,o→a,u→e,o→e)が,この音変化が生じた音声的な環境は,それぞれの母音ごとに異なる。(2)第1音節の円唇母音の非円唇化現象は,ダグル語に特有の「円唇化子音」の発生と密接な関係がある。第1音節の円唇母音が非円唇化した場合,それに先行する語頭の子音は円唇化子音としてあらわる。その際,円唇化子音は,第一音狭の円唇母音が非円唇化する代償として生じたと考えられる。(3)絶対語頭の円唇母音が非円唇化した場合には,語頭に子音wが生じている。また,語頭の子音がbとmの場合,母音の非円唇化に際してこれらの子音に変化は認められないが,これらはすでに円唇的特微を有しているので,円唇的特徴はそれらに吸収されたと考えられる。要するに,円唇母音の非円唇化の変化の本質は,円唇的特微が先行する子音に移行したものである。
植物生殖における雌雄自他認識機構の分子メカニズム解明

植物生殖における細胞間相互作用分子メカニズムを解明するために、アブラナ科植物の花粉・雌しべ間の自他認識機構「自家不和合性」に焦点を絞り、人工逆進化型自家不和合性シロイヌナズナや各種変異体を基盤とする正・逆遺伝解析によって、雌雄自他認識以降のシステムに関わる因子(遺伝子)を見つけ出す。それら因子の機能と役割を種々の解析により明らかにすることで、「自他認識以降のシグナル伝達システムはどのようなものか?」、「花粉拒絶するための機構はどのような分子メカニズムか?」を解明することを目的としている。今年度は、昨年度見出した受粉に影響を及ぼす4種の候補遺伝子について、ゲノム編集によるノックアウト変異体をそれぞれ複数個体作成し、受粉時の自己花粉の受け入れや受粉反応の阻害・遅延が当該遺伝子の変異による結果であることのさらなる確証データを得た。また、これら候補遺伝子のうち、細胞間情報認識の直接因子であると予想されるものについて、その受容体因子のY2Hスクリーニングを行い、受容体因子候補リストを作成するとともに、それら2因子間の相互作用を直接的に検証するための生化学実験系を確立した。自家不和合性シロイヌナズナと在来エコタイプ間の正遺伝解析については、F2集団における遺伝解析をさらに進め、自殖化の原因となる候補遺伝子の存在する染色体領域とその領域に座乗する遺伝子を特定した。その遺伝子群のうち、候補となる変異を有する遺伝子群を選抜リスト化した。また、進化と自家不和合性の関連性について明らかにするために、アブラナ科複二倍体種における自家不和合性崩壊に関するゲノム解析を行い、二倍体親種間の自然交雑後に生じた雄性自家不和合性因子の変異がその原因であることを明らかにした。それぞれ植物サンプルが異なるものの、正・逆遺伝学両アプローチともに計画に沿った研究を進めることができている。また、当初計画にはなかった進化的な側面からの研究アプローチへも発展展開することができ、研究全体としては順調に進展している。本研究課題の最終年度に向けて、それぞれのテーマを完結させるとともに、論文発表や学会発表として成果をまとめることを目指す。植物生殖における細胞間相互作用機構の1つである花粉と雌しべ間の自他認識機構「自家不和合性」について、申請者独自の自家不和合性シロイヌナズナを材料基盤とした正遺伝学と逆遺伝学の2種の遺伝学研究により、雌雄自他認識以降のシステムに関わる因子(遺伝子)を見つけ出し、それら因子の機能と役割を種々の解析により明らかにすることで「自他認識以降のシグナル伝達システムはどのようなものか?」、「花粉拒絶するための機構はどのような分子メカニズムか?」を解明するすことを目的としている。今年度は、正遺伝学については、自家不和合性シロイヌナズナとドイツ系エコタイプの交配F2集団を栽培し、正常型SCRを受け継いでいるF2個体のみを選抜した。逆遺伝学については、自家不和合性シロイヌナズナの自殖種子約60,000粒をエチルメタンスルホン酸(EMS)処理し、育成栽培して世代を進めた。正・逆遺伝学を効率化するための研究として、乳頭細胞トランスクリプトームのオミックス解析を行い、受粉前・受粉後・和合受粉後・不和合受粉後の経時的な遺伝子発現情報を詳細に調査した。その結果を基に受粉関連遺伝子候補を選抜し解析した結果、1.乳頭細胞は、変動する環境変化に影響を受けない受粉の場を確立するために、アブシジン酸(ABA)を介した反応システムによってごく短時間の間に細胞伸長を正負に制御していること、2.受粉後の花粉発芽は、雌しべからの情報を介さずに花粉自身がもつ因子とメカニズムによって制御されていること、の2点を明らかにした。当初計画していた正・逆遺伝学については、今年度は後代集団の大規模栽培が主であったが、これらは概ね順調に進んでいる。また、これら遺伝学解析をより効率的に行うために、新たに乳頭細胞トランスクリプトームのオミックス解析を立ち上げた。植物生殖における細胞間相互作用機構の分子メカニズムを解明するために、アブラナ科植物の花粉・雌しべ間の自他認識機構「自家不和合性」にフォーカスし、自家不和合性に人工逆進化させた申請者独自の自家不和合性シロイヌナズナを材料にした正・逆遺伝解析を基盤に、雌雄自他認識以降のシステムに関わる因子(遺伝子)を見つけ出す。今年度は、昨年度開始した正・逆遺伝学解析と乳頭細胞トランスクリプトームのオミックス解析による候補遺伝子のスクリーニングをさらに進め、その中から自家不和合性あるいは受粉に影響が生じている候補遺伝子を4種見出した。これらそれぞれの変異体を入手あるいは作成し、当該遺伝子がノックアウトされていることを発現解析で確認した後、受粉における表現型を調査した。その結果、これら4種の変異体はそれぞれ「自家受粉時に自己花粉を拒絶できずに完全に受け入れてしまう」あるいは「花粉受け入れ時に受粉反応の阻害・遅延を引き起こす」という表現型を示すことを野生型との比較形態観察およびタイムラプス観察により明らかにした。また、ゲノム重複により生じたアブラナ科自家不和合性雌雄自他認識因子のコピー遺伝子セットが花粉拒絶における新たな細胞間相互作用機構を引き起こすことを明らかにした。昨年度までの正・逆遺伝学解析により、植物生殖における雌雄自他認識機構および受粉に関与する候補遺伝子を数種類選抜することができた。

また、それら各変異体において生殖に影響が生ずることも確認しており、概ね順調に研究が進んでいる。植物生殖における細胞間相互作用分子メカニズムを解明するために、アブラナ科植物の花粉・雌しべ間の自他認識機構「自家不和合性」に焦点を絞り、人工逆進化型自家不和合性シロイヌナズナや各種変異体を基盤とする正・逆遺伝解析によって、雌雄自他認識以降のシステムに関わる因子(遺伝子)を見つけ出す。それら因子の機能と役割を種々の解析により明らかにすることで、「自他認識以降のシグナル伝達システムはどのようなものか?」、「花粉拒絶するための機構はどのような分子メカニズムか?」を解明することを目的としている。今年度は、昨年度見出した受粉に影響を及ぼす4種の候補遺伝子について、ゲノム編集によるノックアウト変異体をそれぞれ複数個体作成し、受粉時の自己花粉の受け入れや受粉反応の阻害・遅延が当該遺伝子の変異による結果であることのさらなる確証データを得た。また、これら候補遺伝子のうち、細胞間情報認識の直接因子であると予想されるものについて、その受容体因子のY2Hスクリーニングを行い、受容体因子候補リストを作成するとともに、それら2因子間の相互作用を直接的に検証するための生化学実験系を確立した。自家不和合性シロイヌナズナと在来エコタイプ間の正遺伝解析については、F2集団における遺伝解析をさらに進め、自殖化の原因となる候補遺伝子の存在する染色体領域とその領域に座乗する遺伝子を特定した。その遺伝子群のうち、候補となる変異を有する遺伝子群を選抜リスト化した。また、進化と自家不和合性の関連性について明らかにするために、アブラナ科複二倍体種における自家不和合性崩壊に関するゲノム解析を行い、二倍体親種間の自然交雑後に生じた雄性自家不和合性因子の変異がその原因であることを明らかにした。それぞれ植物サンプルが異なるものの、正・逆遺伝学両アプローチともに計画に沿った研究を進めることができている。また、当初計画にはなかった進化的な側面からの研究アプローチへも発展展開することができ、研究全体としては順調に進展している。今年度育成した後代集団を継続して育成・栽培し、正・逆遺伝学ともに研究材料を開発する。開発が完了した後、それぞれ個別の解析を行い標的遺伝子の同定を試みる。オミックス解析については、各種機能解析を進め、受粉に関与する因子の同定をより効率化させる。選抜した候補遺伝子について、変異体を用いた詳細な形態観察および各種機能解析を行い、それぞれの候補因子の植物生殖における機能を解明する。また、正・逆遺伝学によるスクリーニングとオミックス解析も継続し、更なる候補遺伝子の選抜を試みる。本研究課題の最終年度に向けて、それぞれのテーマを完結させるとともに、論文発表や学会発表として成果をまとめることを目指す。
高精度地震応答シミュレーションによる日本式、米国式ラーメン構造の耐震信頼性評価

日本と米国等の諸外国では、一般に異なる架構形式で建物が設計される。日本では均一型、米国では分離型ラーメン構造であり、それらが地震動を受けた時の応答ならびに崩壊メカニズムは異なることが想定される。本研究では、これら異なる架構形式に対象に、汎用非線形有限要素解析プログラムを用いて、梁要素とシェル要素による実用的な異種混合型の有限要素モデルによる高精度な地震応答シミュレーションを実施し、倒壊に至るまでの挙動を再現した。特に、米国式の鉄骨ラーメン構造では、鉛直荷重支持骨組の脆弱なところを起点にして、建物全体が倒壊していく現象が観察された。日本と米国等の諸外国では一般に異なる架構形式で建物が設計される。日本では均一型ラーメン構造、米国では分離型ラーメン構造であり、それらの崩壊形式は必然的に異なることが想定される。本研究では、日本型、米国型のラーメン構造を対象に、(1)倒壊に至るまでの挙動を再現し、(2)要求変形量と保有変形量の統計的データに基づき、それらの耐震信頼性を定量的に評価する。初年度である平成26年度には、シェル要素とビーム要素を組み合わせたハイブリッド(異種混合)形式の解析モデルを作成した。作成したモデルは、日本型、米国型の3層の鉄骨ラーメン構造、米国型の9層、20層の鉄骨ラーメン構造である。コンクリート・スラブの存在による合成梁効果を簡便に考慮できるように、梁部材をモデル化するビーム要素を床スラブのシェル要素から、スラブ厚の半分の距離だけ離して設置し、平面保持の仮定を用いて、それらの節点間を多点拘束条件式(MPC)で結合している。柱部材、梁部材のビーム要素は、材端部の塑性化を考慮できるように、ファーバーモデルを使用した。一部マクロ機能を用いて入力モデル作成の効率化を図っている。これらの解析モデルに対して固有値解析を行い、固有周期、固有モードが妥当であることを確認している。日本型、米国型の3層の鉄骨ラーメン構造の解析モデルを同一の仮想震動台上に並べて、同一の地震加速度を与えて、非線形動的時刻歴応答解析を実施した。JMA神戸波の2倍の振幅をもつ地震動を入力すると、日本型の鉄骨ラーメン構造の解析モデルは崩壊しないが、米国型の解析モデルは一部倒壊する結果が得られている。平成27年度では、梁要素とシェル要素を併用したハイブリッドモデルの妥当性を検討した。日本型、米国型ラーメン構造の完全崩壊シミュレーションと耐震信頼性評価を行った。(1)片持ち柱での検討:梁要素の材長方向と断面内の分割数を固有値解析により検討した。梁要素によるモデルと柱端部にシェル要素を配置したモデルの初期剛性や降伏耐力は殆ど一致するが、シェル要素を併用したモデルは局部座屈により著しい耐力劣化を示した。(2)梁-柱-床スラブ部分骨組での検討:梁-柱部分骨組の初期剛性、降伏耐力が理論値と殆ど一致することを確認した。合成梁効果を考慮できるように、梁部材の梁要素を床スラブのシェル要素から下に離して配置しそれらの節点どうしを2点間の距離が不変となる多点拘束条件式で結合した。床スラブの存在により、梁-柱-床スラブ部分骨組のモデルはより大きな初期剛性、最大耐力を示した。(3)実大4層鉄骨ラーメン構造での検討:実大4層鉄骨ラーメン構造に対して、柱、梁部材を梁要素で、床スラブをシェル要素でモデル化したモデルA、最下層部の柱部材の上下端に局部座屈を再現できるようにシェル要素を配置したモデルBを作成した。1995年兵庫県南部地震のJR鷹取波を入力したところ、モデルBは、最下層のすべての柱部材の上下端で局部座屈を起こし、早期に層崩壊した。(4)日本型、米国型ラーメン構造の完全崩壊再現:日本型、米国型のモデルを同一の仮想震動台上に並べて配置した。米国型モデルは、より小さな入力地震動の強さで完全崩壊した。米国型ラーメン構造では剛強な数少ない耐震骨組により地震水平力に抵抗するため冗長性が欠如しがちであることが原因と考えられる。(5)日本型、米国型ラーメン構造の耐震信頼性評価:日本型、米国型のモデルに対して動的増分解析(入力地震動の強さを漸増し、応答の最大値を算出する)を実施した。初年度である平成26年度では、解析環境を整えるために時間と手間がかかり、研究進捗がやや遅れた。2年目の平成27年度には、解析環境が整い、解析作業がはかどったため、研究計画時に想定していた進捗状況に戻った。日本では均一型ラーメン構造、米国では分離型ラーメン構造であり、それらの崩壊メカニズムは必然的に異なることが想定される。本研究では、日本式、米国式の鉄骨ラーメン構造を対象に、汎用非線形有限要素解析プログラムを用いて、梁要素とシェル要素による実用的な異種混合型の有限要素解析モデルによる高精度な地震応答シミュレーションを実施し、倒壊に至るまでの挙動を再現した。まず、梁要素、シェル要素による有限要素解析モデルの妥当性について検討した。具体的には、(1)片持柱、(2)柱-梁部分架構、(3)柱-梁-床スラブ部分架構、(4)実大4層鉄骨ラーメン構造について、柱、梁端部における局部座屈、床スラブの存在による合成梁の剛性、強度の増大を考慮できるようにシェル要素を配置した有限要素解析モデルを作成し、静的漸増解析、動的時刻歴応答解析を実施し、梁要素のみでモデル化した場合と比較した。

実大4層鉄骨ラーメン構造では、最下層柱の上、下端部にシェル要素を配置した解析モデルでは、実大震動破壊実験で観察された、最下層柱の局部座屈により層崩壊メカニズムが形成され、完全崩壊が引き起こされる現象が再現できた。次に、日本式と米国式の3階建て鉄骨ラーメン構造を仮想震動台上に並べて設置し、同じ強さレベルの地震動加速度を入力した。入力レベルを増加していくと、最終的に、米国式ラーメン構造では、鉛直荷重支持骨組の脆弱なところを起点にして崩壊していく現象が観察された。したがって、本研究により、米国型の分離型ラーメン構造では、耐震骨組のみならず、鉛直荷重支持骨組をも含めた構造物全体に対して、耐震性能を評価する必要性を提示できた。最後に、要求変形量と保有変形量の統計的データに基づき、確率論的アプローチを用いて、日本式、米国式の鉄骨造建物の耐震信頼性を定量的に評価した。日本と米国等の諸外国では、一般に異なる架構形式で建物が設計される。日本では均一型、米国では分離型ラーメン構造であり、それらが地震動を受けた時の応答ならびに崩壊メカニズムは異なることが想定される。本研究では、これら異なる架構形式に対象に、汎用非線形有限要素解析プログラムを用いて、梁要素とシェル要素による実用的な異種混合型の有限要素モデルによる高精度な地震応答シミュレーションを実施し、倒壊に至るまでの挙動を再現した。特に、米国式の鉄骨ラーメン構造では、鉛直荷重支持骨組の脆弱なところを起点にして、建物全体が倒壊していく現象が観察された。研究代表者の研究所属機関の所属がかわり、研究環境とくに解析シミュレーション環境を整えるために、予定していたよりも時間と労力を要した。ただし、本研究で対象とするラーメン構造に加えて、大学の授業・演習関連で、トラス構造、吊り構造、シザーズ展開構造などの構造解析を実施しており、大学内で構造解析を行うための基盤づくりは順調に進んでいる。最終年度である平成28年度には、地震時応答シミュレーションを進めてデータを蓄積し、日本型、米国型の鉄骨造、鉄筋コンクリート構造の耐震信頼性評価を実施する。陰解法に基づく本解析でのシェル要素に適用できるようなコンクリート材料構成則モデルについて引き続き検討する。建築構造解析シミュレーション環境は整ってきているので、平成27年度に鉄骨造ならびに鉄筋コンクリート造の構造モデルに対して構造解析を実施し、倒壊までの挙動を再現する。確率論的アプローチにより耐震信頼性を評価するために多数の解析を行う必要が出てくることが想定されるが、マクロを組むなどして効率化を図る。1年目に買取購入を計画していた解析プログラムが、大学等の研究・教育で使用するアカデミックライセンスでは年間レンタルの形式であったため、差額が生じている。汎用有限要素解析プログラムLS-DYNAを一括購入する予定であったが、アカデミック版は一括購入はなく、1年貸出のみであることが判明し、一括購入から1年貸出に変更したため、次年度使用額が生じることになった。コンクリート構成則のモデルとして適切なものが見つかっていないため、コンクリート損傷を考慮する解析シミュレーションでは、別の解析プログラムの購入もしくは年間レンタルを計画している。解析シミュレーションに必要な解析プログラムを購入する予定である。
ES細胞、組織幹細胞の増殖・分化機構の解明とその臨床応用に関する研究

われわれの臓器には、自己複製能と分化能を持った組織固有な幹細胞(組織幹細胞)が存在する。近年、種々の組織幹細胞をex vivoで増幅しそれを用いた新しい医療、所謂再生医療を目指した研究が盛んに行われているが、組織幹細胞の分離法、自己複製や増殖分化に関与する分子が同定されていないこともあってほとんど成功していない。最近樹立されたヒトES細胞は社会的、倫理的な問題を抱えているが、一方、この細胞を利用して慢性的に不足している移植用の細胞や臓器を産生できるのではないかという期待も膨らんできている。ES細胞は培養条件下で全能性、多分化能を保持しながら自己複製することから、ES細胞から特定の組織幹細胞を分化させる培養系を確立することができれば、目的とする細胞や臓器を無限に作り出すことが可能になると考えられる。しかし、現在、マウスの系においてもES細胞から特定の組織幹細胞を誘導する方法は確立していない。本研究ではマウス及びヒトの組織幹細胞の種類とその細胞生物学性状を明らかにし、それぞれの組織幹細胞の自己複製、増殖、分化、形質転換に関与する分子を同定し、造血幹細胞、肝幹細胞等の組織幹細胞を増幅するための基盤技術を開発した。また、マウスES細胞から神経幹細胞等の組織幹細胞への分化誘導に特異的に作用する分子を明らかにし、サルES細胞を使った造血発生のin vitro構築を試み、将来のヒトES細胞を用いた研究に備えた。さらに、ヒト骨髄や臍帯血中に存在する組織幹細胞のex vivo増幅法を確立することにより、増幅組織幹細胞を用いた造血幹細胞移植、肝細胞移植、心筋細胞移植、神経細胞移植などの新しい再生医療の開発や、ES細胞から特異的に産生した組織幹細胞を用いた再生医学、再生医療の基盤技術開発を行った。組織幹細胞の自己複製、増殖、分化、形質転換機構の解明及びそれに関与する分子の同定、ES細胞から組織幹細胞への分化誘導に作用する分子の遺伝子クローニングなどを目的としして研究を行い、今年度以下のような成果が得られた。(1).NOD/SCID/γ_c^<-/->マウスを開発し、ヒト造血幹細胞の定量的測定系を確立した。従来不可能であったTリンパ球を含むすべてのヒト型血球を造血幹細胞からin vivoで誘導することが可能となった。他のヒト組織幹細胞の評価系にもなり得るか検討中である。(2).マウスAGM領域から造血幹細胞増殖支持能を持つストローマ細胞株A9と支持能のないA7を樹立した。A9、A7よりcDNAライブフリーを作成し、gene discovery arrayなどを用いて、A9に発現している遺伝子のクローニングを行った。既知の遺伝子については種々の方法を用いて活性を評価するとともに、未知の遺伝子については全長クローニングし、全塩基配列を決定中である。(3).造血幹細胞が発生する以前の胎生8日の胚体、卵黄嚢細胞をA9と共培養後移植すると長期骨髄再構築が得られた。他のストローマ細胞では同様の現象は観察できなかった。造血幹細胞になりうる細胞は胎生8日の胚体、卵黄嚢どちらにも存在し、A9上に発現している分子と接触することにより造血幹細胞としての機能を獲得すると考えられた。現在この分子の遺伝子クローニングが進行中である。(4).GFPトランスジェニックマウス骨髄よりFACSを用いて各種細胞分画を分取後、正常マウスに移植しGFP+細胞の分布を検討した。従来造血幹細胞とされていた分画から骨格筋細胞、心筋細胞、肝細胞、網膜細胞などが分化できることが示された。(5).マウスES細胞から神経幹細胞を特異的に誘導する系を確率しつつある。また、サルES細胞から各種血液細胞血管内皮細胞を誘導することが可能となった。体性幹細胞の種類とその細胞生物学性状、自己複製、増殖、分化、形質転換に関与する分子を明らかにすること、また、マウス、サルES細胞から体性幹細胞への分化誘導に特異的に作用する分子を明らかにし、その遺伝子をクローニングすることを目的として実験を行い以下の成果が得られた。(1).GFPTgマウス各臓器からFACSを用いて分取した種々の細胞を正常マウスに移植後、GFP陽性細胞を検索することにより体性幹細胞の可塑性を検討した。造血幹細胞が血液ばかりでなく骨格筋、肝臓、網膜などに転換できることが明らかとなった。(2)NOD/SCID/γ_c^<-/->(NOG)マウスを開発した。このマウスを用いることによりすべてのヒト型血球を造血幹細胞からin vivoで誘導することが可能となった。またレトロウイルスベクターでGFP遺伝子を導入したヒトCD34+細胞を移植したNOGマウスでは末梢血中にGFP+ヒト血球が検出され、現在ヒト造血幹細胞の可塑性を検討中である。(3).造血幹細胞の発生する胎生10.5日のAGM領域から造血幹細胞自己複製支持能を持つストローマ細胞株を樹立した。現在までにこのストローマ細胞株から20を超える新規遺伝子が同定され機能解析が進行中である。現在その内の1つのリコンビナント蛋白に対する抗体が作成され、造血幹細胞のある分画を認識している可能性を示すデータが得られつつある。(4).マウスES細胞から神経幹細胞を特異的に誘導する系を確立した。

ES細胞から特異的に誘導した神経幹細胞は自己複製能と神経細胞、ダリア細胞への分化能を保持していた。(5).マウスES細胞から中胚葉細胞に分化させた後、FLK1+細胞を純化し培養すると血液、血管内皮、心筋が出現することから3者に共通の母細胞の存在が示唆された。(6)サルES細胞から胎児型の血液細胞と成体型の血液細胞の両者および血管内皮細胞を誘導することが可能となった。体性幹細胞の種類とその細胞生物学性状、自己複製、増殖、分化、形質転換に関与する分子を明らかにすること、また、マウス、サルES細胞から体性幹細胞への分化誘導に特異的に作用する分子を明らかにし、その遺伝子をクローニングすることを目的として実験を行い以下の成果が得られた。(1).NOD/SCID/γ_c^<-/->(NOG)マウスを開発した。このマウスを用いることによりT細胞を含むすべてのヒト型血球を造血幹細胞からin vivoで誘導することが可能となった。ヒト造血幹細胞からのT細胞分化はほとんどがマウス胸腺内で起こり、一部胸腺外分化することが明らかとなった。また、生成されるT, B倍亡は機能を有しており、マウス血清中にヒト型IgG,IgM,IgAが検出された。(2).NOGマウスを用いてヒト造血幹細胞の可塑性を検討した。臍帯血CD34+細胞はマウス中で肝細胞に分化できることが示された。現在ヒト造血幹細胞の可塑性を検討中である。(3).GFP-Tgマウス造血幹細胞が血液ばかりでなく骨格筋、肝臓、網膜などに転換できることが明らかとなった。(4)神経幹細胞に特異的に発現し、分化とともに減弱していく新たな遺伝子を5個クローニングした。現在、その機能解析を進めるとともにノックアウトマウスを作成中である。(5).マウスES細胞から神経幹細胞を特異的に誘導する系を確立した。ES細胞から特異的に誘導した神経幹細胞は自己複製能と神経細胞、グリア細胞への分化能を保持していた。(6).マウスES細胞から分化させた、FLK1+細胞は血液、血管内皮、心筋に分化できる.ことから3者に共通の母細胞の存在が示唆された。(7)サルES細胞から胎児型の血液細胞と成体型の血液細胞の両者および血管内皮細胞を誘導することが可能となった。サルでも血液と血管内皮の共通の母細胞であるhemangioblastの存在が明らかとなった。(1)ヒト造血幹細胞や各種体性幹細胞をin vivoで測定可能なNOD/SCID/γ_c^<-/->(NOG)マウスを開発した。このマウスの中でヒト造血幹細胞は全ての成熟血球に分化できることが明らかとなった。(2)NOGマウスを用いてヒト造血幹細胞の可塑性を検討した。臍帯血CD34+細胞はマウス中で肝細胞に分化できることが示されたが、その多くは細胞融合によりもたらされることが示された。(3)神経幹細胞に特異的に発現し、分化とともに減弱していく新たな遺伝子を5個クローニングした。現在、その機能解析を進めている。2つの遺伝子は神経幹細胞の増殖に関与していることが明らかとなった。
相変態を利用した光記録合金に関する結晶学的研究

1.光記録機能発現の結晶学的要件の検討合金が本機能を示す結晶学的条件について基本的に幾つかに分類される事を考えた。(1)高温相と低温相を有しかつ非平衡相が存在する事。この場合さらに、一次と二次の変態を利用する場合に別けられる。(2)熱処理(焼鈍、焼入れ、焼なまし)を利用し合金の格子欠陥の状態を変化させて光反射特性を得る方法が提案される。(3)塑性加工と熱処理状態を組み合わせて同様に点欠陥や格子欠陥を制御させて光特性に反映させる方法が考えられる。2.光記録特性を有する合金の作製プロセスと光特性の測定ZnーAg光記録合金を蒸着法により蒸着の諸条件を変数として作製した。これらについて、蒸着したままのものと熱処理を施したものについて、主としてX線回折により相の同定を行った。続いて、これらの試料の光反射特性を広い波長範囲において測定した。その結果、光反射特性は組成、熱処理その後の冷却速度により著しく異なる事が明らかにされた。3.特異な光機能を有する合金の光反射特性B2型NiAl金属間化合物の光反射特性を成分と熱処理(温度と冷却速度)を変数として測定した。光反射特性は成分のみならず熱処理にも依存する事を見い出した。この結果は、光反射特性は成分原子、構造的点欠陥のみならず熱的点欠陥にも依存する事を示唆する。また、同じくB2型金属間化合物CoAlも組成により著しく光反射特性が異なる事を新たに見い出した。これら2つの化合物の結果にもとづいて、光反射特性と構造との関連性について検討した。1.光記録機能発現の結晶学的要件の検討合金が本機能を示す結晶学的条件について基本的に幾つかに分類される事を考えた.まず第1に,高温相と低温相を示しかつ非平衡相が存在する事.この場合更に,一次の変態を利用する場合と二次の変態を利用する場合に分けられる.後者の例として規則不規則変態が考えられる.すなわち,完全規則状態と完全不規則状態と部分規則状態を利用する方法である.次に,熱処理(焼〓,焼入れ,焼なまし)を利用し合金の格子欠陥の状態を変化させて光反射特性を得る方法が提案される.第3に,塑性加工と熱処理状態を組み合わせて同様に点欠陥格子欠陥を制御させて光特性に反映させる方法も考えられる.2.光記録特性を有する合金の作製と光特性の測定Ag-Zn合金とCu-Al-Ni合金を溶解整形した後,熱処理により低温平衡相と非平衡相状態にある試料を準備した.まず,表面処理の差異による光特性の変化を把握し,表面性状のわずかな違いは本測定の定量的理解を著しく妨げない事が分かった.3.特異な光機能を有する合金の試料準備組成のわずかな変化により光反射特性が著しく変化するB2型NiAl合金について,熱処理の差異により光反射特性が如何に変化するかを見るため,この合金系のいくつかの組成を選び試料を用意した.次年度の測定を予定している.1.光記録特性を有する合金の作製プロセスと光特性の測定薄膜状の光記録合金Zn-Agを蒸着法により準備した。この時、蒸着の諸条件(2源蒸着か単源蒸着、加熱パワー、蒸着・基板間距離、真空度、蒸着時間(膜厚))を変数とした。上記について蒸着したままのものと各温度で各時間熱処理を施したものについて、主としてX線回折により相の同定を行った。続いて、これらの試料の光反射特性を300nmから800nmの波長領域に渡り測定した。2.特異な光機能を有する合金の光反射特性

B2型NiAl金属化合物の光反射特性を成分と熱処理(温度と冷却速度)をパラメータとして測定した。その結果、光反射特性は成分に依存するのみならず熱処理の差異にも依存する事を見い出した。この事実は光反射特性が成分原子、構造的点欠陥のみならず熱的点欠陥量にも依存することを意味する。また、同じくB2型金属間化合物CoAlも組成により著しく光反射特性が異なる事を新たに見出した。これら2つの化合物種の結果に基づいて光反射特性と構造との関連性について検討した。
分裂病性思考障害と脳構造の総合的解析

前年度より引き続き,Thought Disorder Index(TDI)を用いて分裂病性思考障害について検討した.第93回日本精神神経学会総会(平成9年5月)において,前年度までの結果に加えて,TDIと包括的精神症状評価尺度であるBrief Psychiatric Rating Scale(BPRS)の関連について検討したところ,分裂病群においてはTDI総得点とBPRS総得点及びBPRSの思考障害クラスター得点,TDIの特異的言語表現カテゴリー得点とBPRS総得点及びBPRSの思考障害クラスター得点の間に有意な相関が認められたが,非分裂病群では有意な相関が認められなかったことを報告した.これらの結果より,特異的言語表現が分裂病性思考障害の特徴を反映するものであり,症状の安定した時期に存在することから分裂病の脆弱性と関連することなどを考察して,学術雑誌に投稿中である.また,主観的体験の側面から思考障害を捉えるため,当初はFrankfurter Beschwerde-Fragebogen(FBF)を用いることを考えていたが,より微細に自覚的体験を捉えることが可能であるBonn Scale for the Assessment of Basic Symptoms(BSABS)を用いることにした.本年度はBSABSの有用性を検討するために,分裂病群,躁うつ病群,神経症群,健常対照群を対象にBSABSを施行した結果,分裂病群は思考の認知障害,知覚の認知障害において他群と比較して有意に高値を示すことが認められ,BSABSを用いることによって分裂病性思考障害を自覚的体験の側面から評価することが可能であることがわかった.この結果については学術雑誌「精神医学」に掲載されることが決定し,現在印刷中である.MRI画像を用いた脳構造体積測定に関しては,分裂病群,健常対照群合わせて十数例行ったが,TDIにより評価された思考障害と脳構造体積の関連については,臨床変数との関係も含めて現在データ解析中である.今後も症例数を増やして検討を重ねていく予定である.精神分裂病の症状発展過程や「脆弱性」の病態を解明する上で重要である分裂病性思考障害と脳構造との関連を総合的に解析することが本研究の目的であり,分裂病性思考障害については,思考障害を量的ならびに質的に評価することが可能な客観的評価方法であるThought Disorder Index(以下TDIと略す)を用いた総合的な把握を試みている.分裂病性思考障害の特性を検討するため,ICD-10を診断基準として用いた精神分裂病者,感情障害者,神経症者,健常者を対象として現在まで30症例に対してTDIとBPRSを施行した.その結果,分裂病群でが非分裂病群と比較してTDI得点が高得点であること,寛解期の分裂病者においてもTDIのよって微細な思考障害が評価され得ること,分裂病群の思考障害の質的パターンが非分裂病群とは異なり,解体,特異的言語表現といった系列の思考障害が特異的であることがわかっている.現在行っているTDIとBPRSとの間の統計学的検討の結果を加えた上で,この結果について平成9年5月の日本精神神経学会総会において発表する.さらに,頭部MRI画像のデジタルデータをコンピュータ処理し,脳構造の体積を計測することも行っていく予定であるが,これまでに一卵性双生児の分裂病不一致例について,TDIを用いた思考障害の評価とともにMRIを用いて脳体積の比較を行っている.その結果,非発症例と比較して発症例では,TDI得点が高得点であり,左右前頭葉,右側頭葉の体積減少,左側頭葉体積の増大傾向が認められた.これより,分裂病の発病には前頭葉と側頭葉の複雑な構造変化が関与しており,分裂病性思考障害とこれらの脳構造との間に何らかの関係があることが示唆された.次年度は,分裂病群,健常対照群に対してTDIによる思考障害の評価とMRIによる脳構造の計測を行い,得られたデータの相互関係,臨床変数との関係を分析する予定である.前年度より引き続き,Thought Disorder Index(TDI)を用いて分裂病性思考障害について検討した.第93回日本精神神経学会総会(平成9年5月)において,前年度までの結果に加えて,TDIと包括的精神症状評価尺度であるBrief Psychiatric Rating Scale(BPRS)の関連について検討したところ,分裂病群においてはTDI総得点とBPRS総得点及びBPRSの思考障害クラスター得点,TDIの特異的言語表現カテゴリー得点とBPRS総得点及びBPRSの思考障害クラスター得点の間に有意な相関が認められたが,非分裂病群では有意な相関が認められなかったことを報告した.これらの結果より,特異的言語表現が分裂病性思考障害の特徴を反映するものであり,症状の安定した時期に存在することから分裂病の脆弱性と関連することなどを考察して,学術雑誌に投稿中である.また,主観的体験の側面から思考障害を捉えるため,当初はFrankfurter Beschwerde-Fragebogen(FBF)を用いることを考えていたが,より微細に自覚的体験を捉えることが可能であるBonn Scale for the Assessment of Basic Symptoms(BSABS)を用いることにした.本年度はBSABSの有用性を検討するために,分裂病群,躁うつ病群,神経症群,健常対照群を対象にBSABSを施行した結果,分裂病群は思考の認知障害,知覚の認知障害において他群と比較して有意に高値を示すことが認められ,BSABSを用いることによって分裂病性思考障害を自覚的体験の側面から評価することが可能であることがわかった.

この結果については学術雑誌「精神医学」に掲載されることが決定し,現在印刷中である.MRI画像を用いた脳構造体積測定に関しては,分裂病群,健常対照群合わせて十数例行ったが,TDIにより評価された思考障害と脳構造体積の関連については,臨床変数との関係も含めて現在データ解析中である.今後も症例数を増やして検討を重ねていく予定である.
超高速ハイブリッドカスケード光電荷変調による極限時間分解撮像デバイスと応用開拓

本研究課題における光電荷変調素子として実現すべき重要課題は、近赤外領域での高速な光電子輸送制御であったが、その点に関して大きな進展があった。ハイブリッドカスケード光電荷変調素子HyCAMの構造上の大きな特徴は、これまで基板部と同電位としていたホールピニング層を電極化して負バイアス印加し、光電子の加速電界を形成することであるが、4タップ型及び8タップ型の光電荷変調素子に、本構造を導入することで、870nm帯の近赤外パルス光に対するキャリア応答性が大きく改善することを実証した。また、HyCAMの主要部であるホールピニング層を多電極化したマルチタップダイオード光電荷変調素子(MTDM)についても試作に成功し、静的動作ながら、90%以上の復調コントラストが得られることが示された。4タップ型及び8タップ型のMTDMについては、80×180ピクセル及び60×270ピクセルからなる2次元アレイの試作を行い、時間分解性能を画像として評価するための準備が完了した。また、HyCAMの出力部の構造であるLEFM素子を用いた光飛行時間距離画像センサにおいて、距離分解能64um(時間分解能430fs)を達成し、直径20mmの球体をサブ100umの分解能で3次元画像計測できることを示した。超高速マルチタップ光電荷変調素子の医療応用に向けた成果も得られた。内視鏡手術により摘出したサンプルを波長375nm, 405nm, 445nmの半導体短パルスレーザーを励起光源として用いてライン状に照明し、試作素子によって得られた自家蛍光の寿命をフェーザ法により解析した。蛍光フィルタ450nm, 550nmについて、正常部と腫瘍部で蛍光寿命に差が見られる組み合わせを見出した。また、一部の励起波長と蛍光波長の組み合わせについて、マルチトーンを用いて、自家蛍光に混じった複数の寿命成分を分離することにも成功した。初年度は、ハイブリッドカスケード電荷変調素子HyCAMの基本構造として、ホールピニング電極の基板からの分離構造、及び多電極化した変調素子の基本試作と、高速応答のためのデバイス形成条件の確立が1つの重要な目標であったが、それらは、概ね達成された。特に、これまでの素子における課題であった近赤外領域での高速キャリア応答が、予測通り得られたことは、大きな進展であった。HyCAMの基本構造素子であるマルチタップダイオード光電荷変調素子(MTDM)について、少数画素による2次元アレイ毎に、特性上クリティカルな形状の寸法をパラメトリックに変化させたテストエレメント試作も予定通り完了した。また、光電荷変調素子の超高速応答及び高感度化の効果の証として目指している光飛行時間距離画像計測における極限的距離分解能(σ=10um)の達成については、現状において64umの分解能(時間分解能430fs)を達成し、半導体TOFイメージセンサとして世界最高を記録した。また、最終目標に対する課題抽出の成果も得られた。超高速マルチタップ光電荷変調素子の医学・医療への応用計測の成果として、蛍光寿命をフェーザ法によって高精度に計測する手法の確立を目標としていたのに対して、今年度、実際に内視鏡的手術により摘出したサンプルにフェーザ法を適用し、その有用性を確認する等、予定以上の進展が得られた。さらに、当初予定にはなかったマルチトーン法を適用し、蛍光フィルタ450nm, 550nmについて、正常部と腫瘍部で蛍光寿命に差が見られる組み合わせを見出すとともに、一部の励起波長と蛍光波長の組み合わせについて、複数の寿命成分を分離することに成功する等の進展がみられた。これまでに得られたHyCAMの基本構造素子試作の結果に基づき、2タップ以上のマルチタップ光電荷変調素子を有するピクセルの2次元アレイを試作し、特に近赤外領域における超高速変調特性を画像として獲得することを目指す。また極微弱光を対象とするバイオイメージングに向け、蓄積ダイオードと電荷転送ゲートを備えたノイズキャンセル機構を実現した光電荷変調素子を試作し、その低ノイズ性能と高速応答性を評価する。また、HyCAMの近赤外領域での超高速変調特性の応用計測における有用性の評価を目的とし、時間分解近赤外分光(TR-NIRS)のための時間分解ピクセル2次元アレイを試作し、従来素子の性能を越える自己応答時定数が得られることを実証する。また試作素子を用いた血液動態情報(散乱係数、吸収係数)の時間・空間分解計測アルゴリズムを構築する。巨大オフセット光成分を除去するための新たなデバイス・回路構成を有する誘導ラマン散乱ロックインピクセルによるラマン分光1次元アレイを試作し、その高速性及び分解能について評価を目指す。フェーザ法を用いた蛍光寿命計測については、光学系の効率を改善し、SNRの向上を図るとともに、蛍光寿命の2次元分布の取得を目指す。また、光電荷変調素子の自己応答時定数の向上及び、サンプリング時間間隔の短縮化を図り、より短い蛍光寿命成分における計測精度の向上を実現する。

また、HyCAMの主要部であるホールピニング層を多電極化したマルチタップダイオード光電荷変調素子(MTDM)についても試作に成功し、静的動作ながら、90%以上の復調コントラストが得られることが示された。4タップ型及び8タップ型のMTDMについては、80×180ピクセル及び60×270ピクセルからなる2次元アレイの試作を行い、時間分解性能を画像として評価するための準備が完了した。また、HyCAMの出力部の構造であるLEFM素子を用いた光飛行時間距離画像センサにおいて、距離分解能64um(時間分解能430fs)を達成し、直径20mmの球体をサブ100umの分解能で3次元画像計測できることを示した。超高速マルチタップ光電荷変調素子の医療応用に向けた成果も得られた。内視鏡手術により摘出したサンプルを波長375nm, 405nm, 445nmの半導体短パルスレーザーを励起光源として用いてライン状に照明し、試作素子によって得られた自家蛍光の寿命をフェーザ法により解析した。蛍光フィルタ450nm, 550nmについて、正常部と腫瘍部で蛍光寿命に差が見られる組み合わせを見出した。また、一部の励起波長と蛍光波長の組み合わせについて、マルチトーンを用いて、自家蛍光に混じった複数の寿命成分を分離することにも成功した。初年度は、ハイブリッドカスケード電荷変調素子HyCAMの基本構造として、ホールピニング電極の基板からの分離構造、及び多電極化した変調素子の基本試作と、高速応答のためのデバイス形成条件の確立が1つの重要な目標であったが、それらは、概ね達成された。特に、これまでの素子における課題であった近赤外領域での高速キャリア応答が、予測通り得られたことは、大きな進展であった。HyCAMの基本構造素子であるマルチタップダイオード光電荷変調素子(MTDM)について、少数画素による2次元アレイ毎に、特性上クリティカルな形状の寸法をパラメトリックに変化させたテストエレメント試作も予定通り完了した。また、光電荷変調素子の超高速応答及び高感度化の効果の証として目指している光飛行時間距離画像計測における極限的距離分解能(σ=10um)の達成については、現状において64umの分解能(時間分解能430fs)を達成し、半導体TOFイメージセンサとして世界最高を記録した。また、最終目標に対する課題抽出の成果も得られた。超高速マルチタップ光電荷変調素子の医学・医療への応用計測の成果として、蛍光寿命をフェーザ法によって高精度に計測する手法の確立を目標としていたのに対して、今年度、実際に内視鏡的手術により摘出したサンプルにフェーザ法を適用し、その有用性を確認する等、予定以上の進展が得られた。さらに、当初予定にはなかったマルチトーン法を適用し、蛍光フィルタ450nm, 550nmについて、正常部と腫瘍部で蛍光寿命に差が見られる組み合わせを見出すとともに、一部の励起波長と蛍光波長の組み合わせについて、複数の寿命成分を分離することに成功する等の進展がみられた。これまでに得られたHyCAMの基本構造素子試作の結果に基づき、2タップ以上のマルチタップ光電荷変調素子を有するピクセルの2次元アレイを試作し、特に近赤外領域における超高速変調特性を画像として獲得することを目指す。