hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
肝癌における陽子線治療の最適照射法の確率及び適用選択に関する研究

我々は切除不能肝細胞癌(HCC)に対しより根治性をめざし,Bragg-peak特性により周辺の正常組織に障害を与えることなく癌病巣のみを集中的に狙い撃ちにすることが可能な陽子線照射の治療を開始した.その結果,良好な予備成績を得ることができた.そこで,肝細胞癌に対する陽子線治療の臨床的有用性,適応基準の確立を本研究の目的とした。対象34症例のうち26病変は,陽子線のみの単独療法(単独群)を行った。他の18病変はLipodol-肝動脈注入療法(l-TAI)を行ってもLip集積不十分であったため,陽子線照射を追加治療した群である(併用群)。腫瘍径の縮小率は,照射終了後3週後:単独群26/26(100%),併用群18/18(100%);1年後:単独群24/25(96%),併用群13/13(100%);2年後:単独群7/8(88%),併用群10/10(100%);3年後:併用群5/5(100%);4年後:併用群4/4(100%)であった。観察期間中の局所制御率は,1年目:38病変中37例97%,2年目:17/18(94%),3年目:5/5(100%),4年目:4/4(100%)という良好な成績を得ることができた。陽子線照射後の再発は,照射野外のものが有意に多かった。経過観察中に陽子線治療が加わった群の5年生存率は80%,l-TAI単独群は40%と陽子線治療が加わった群は,l-TAI単独治療群に比べ有意に良好な生存率が得られた。治療中のQOLは、陽子線治療群のほうが、l-TAI単独群に比べ良好であった。我々は病巣に選択的照射が可能であり、周辺の非腫瘍部への被爆を少なくすることが可能な陽子線治療をHCCに対し行った。良好な腫瘍縮小効果と局所制御を認め,HCC治療効果として有用な成績が得られた。また治療を中止するような,重篤な副作用の出現も認めなかった。今後切除不能肝癌に対し陽子線照射療法はQOLを損なわず、安全かつ有効な治療選択法、さらに集学的治療法の一環となると考えられた。肝癌に対する放射線治療の中で、最近注目されている陽子線は、体内で高線量或(ブラ-グピーク)を形成する性質有しているため、周辺肝組織にはあまり障害を与えることなく癌病巣のみを集中的に狙い撃ちすることが可能である。陽子線は病巣の選択的照射を可能にするので、とくに肝硬変合併肝細胞癌等には今後最適な治療法となりうる可能性がある。そこで本研究ではまず、肝癌に対する陽子線の臨床的検討を行うことにより、集学的治療が必要である肝癌の治療法の一つとしての本治療法の適応基準、理想的な照射法などを検討し、本法の臨床的有用性の確立を目的とした。

対象は1988年1月より1992年10月までに陽子線治療を施行した34例,44病変である。1回線量34Gyで6087Gy(平均74Gy)という従来の放射線療法に比べはるかに高線量の照射が可能であった。その結果,腫瘍径の縮小率は、1年後:陽子線単独群24/25(96%),l-TAI併用群13/13(100%);4年後:併用群4/4(100%)であった。観察期間中の局所制御率は,1年目:38病変中37例97%,4年目:4/4(100%)という良好な成績を得ることができた.また重篤な副作用の出現も認めなかった。L-TAI単独群に比し陽子線単独群,併用群ともに観察期間中有意に局所制御率は良好であった。また,経過観察中に陽子線治療が加わった群の5生率は,80%,l-TAI単独群は40%と陽子線治療が加わった群は,l-TAI単独治療群に比べ有意に良好な生存率が得られた。陽子線療法は,今後肝癌の安全かつ有効な新しい集学的治療選択法となりうると考えられた。我々は切除不能肝細胞癌(HCC)に対しより根治性をめざし,Bragg-peak特性により周辺の正常組織に障害を与えることなく癌病巣のみを集中的に狙い撃ちにすることが可能な陽子線照射の治験を開始した.その結果,良好な予備成績を得ることができた.そこで,肝細胞癌に対する陽子線治療の臨床的有用性,適応基準の確立を本研究の目的とした。対象34症例のうち26病変は,陽子線のみの単独療法(単独群)を行った。他の18病変はLipodol-肝動脈注入療法(1-TAI)を行ってもLip集積不十分であったため,陽子線照射を追加治療した群である(併用群)。腫瘍径の縮小率は,照射終了後3週後:単独群26/26(100%),併用群18/18(100%);1年後:単独群24/25(96%),併用群13/13(100%);2年後:単独群7/8(88%),併用群10/10(100%);3年後:併用群5/5(100%);4年後:併用群4/4(100%)であった。観察期間中の局所制御率は,1年目:38病変中37例97%,2年目:17/18(94%),3年目:5/5(100%),4年目4/4(100%)という良好な成績を得ることができた。陽子線照射後の再発は,照射野外のものが有意に多かった。経過観察中に陽子線治療が加わった群の5年生存率は80%,l-TAI単独群は40%と陽子線治療が加わった群は,l-TAI単独治療群に比べ有意に良好な生存率が得られた。治療中のQOLは、陽子線治療群のほうが、l-TAI単独群に比べ良好であった。我々は病巣に選択的照射が可能であり、周辺の非腫瘍部への被爆を少なくすることが可能な陽子線治療をHCCに対し行った。良好な腫瘍縮小効果と局所制御を認め,HCC治療効果として有用な成績が得られた。また治療を中止するような,重篤な副作用の出現も認めなかった。今後切除不能肝癌に対し陽子線照射療法はQOLを損なわず、安全かつ有効な治療選択法、さらに集学的治療法の一環となると考えられた。
コンパクト同軸型石炭地下ガス化（UCG)システムの開発

本研究では、コンパクトで安全、ガス化効率の高い同軸型UCGシステムを構築するために、人工炭層模型実験と、地下の未利用炭層を対象にした小規模現場実験を実施した。その結果、実用可能な熱量のガスを安定して生産できる後退式水平同軸方式を見出した。また、レーザによる炭層への着火方式、AE計測による燃焼・ガス化領域の可視化手法も確立した。生産ガスの無害化・分解処理では、放電プラズマによるオンライン処理の有効性を確認した。現場実験では、大気、地表、地下を対象にした環境監視システムを構築し、UCG実験が周辺環境へ影響を及ぼしていないことを確認した。以上により、実用可能なUCGシステムを開発することができた。本年度の研究計画通り,北海道三笠市幾春別(室蘭工業大学三笠未利用石炭エネルギー研究施設)において屋外UCG(石炭地下ガス化)模型実験を実施した。屋外UCG模型実験では,計画通りに人工炭層を作製し,2種類の同軸型UCG実験と,3つのボーリング孔を連結させたリンキング方式の実験を実施した。2種類の同軸型UCG実験の違いは孔底の形状で,一方の表面積が広い。いずれの実験でも,石炭への着火にはブタンガスを用いた。一連の実験から,次の事が明らかになった。同軸型では孔底の表面積が石炭のガス化効率に影響を及ぼす。すなわち,表面積が大きいほど,ガス化燃焼領域が拡大することが,温度分布の変化やAE(破壊音)計測から明らかになった。リンキング方式においてガス化効率が高いのも,同じ効果による。従って,ガス化効率を高めるための燃焼領域撹拌・粉砕装置の開発は重要と考えられる。また,注入ガスの流量や酸素濃度はガス化効率に影響し,注入ガスによるガス化制御が可能であることがわかった。これらの関係を用いて,UCGシミュレータの開発に着手した。更に,石炭のガス化反応に化学量論を適用することで,地下の燃焼ガスの流量やガス化石炭量を推定できることがわかった。UCGの模擬生産ガスを用いて,プラズマ放電による生産ガスの無害化実験を実施した。特に,硫化水素の脱硫特性およびメタン,炭化水素からの水素生成特性を把握した。その結果,平均脱硫率は70%を超え,UCGガス中の水素生成量が30 %増加することがわかった。UCGによる環境負荷を監視するために,既存の無線計測システムを拡張した,環境計測システムを設計,構築し,動作を確認した。このシステムでは,UCG現場の大気,地表,地下および地下水の常時監視が可能で,それらの経時変化をインターネット経由で閲覧できる。本研究では,コンパクトで安全かつよりガス化効率の高い同軸型UCGシステムを提案し,その有効性を検証するのが目的である。このシステムの要は,1)同軸型UCGのガス化効率の向上,2)放電プラズマによる生産ガスの連続分離,無害化,3)周辺環境の監視・評価手法の確立,である。初年度である本年度には,ほぼ当初の計画通り実験を実施し,種々の成果を得ることができた。1)に関しては,同軸孔底の表面積ならびに炭層の成層面方向がガス化効率に影響を与えることを確認し,予定通りの成果が得られた。また,石炭内の熱分布計測やAE(破壊音)計測により,燃焼ガス化領域の推定,可視化ができる見通しを得た。しかし,注入ガスの混合割合や流量を変えることでガス化効率を制御できることは確認したが,それらの定量的な関係が未だ明らかになっていない。更に,注入ガスに加えて,炭層内部の温度変化とAEの関係についても定量的な評価ができていない。これらの点は,当初の想定からは,やや遅れており,今後のデータの蓄積と分析が必要と考えられる。2)に関しては,UCGの模擬生産ガスを用いて,プラズマ放電によりガスの無害化や分離を連続的に行えることを確認した。しかも,省電力で実現できることがわかった。しかし現状では,実際のUCG生産ガスによる脱硫性能,ガスの分離性能を確認できていない。この点は,次年度に持ち越す結果になった。3)に関しては,既存の無線計測システムを拡張した,環境監視・計測システムを設計,構築,動作確認を行うことができた。予定通りの成果が得られたと考える。更に,炭層破壊のメカニズムを取り入れた3次元UCGシミュレータを開発では,石炭の熱化学反応と化学量論に基づく生産ガスのシミュレーションが可能になり,ほぼ予定通りに開発が進んでいる。以上を総合すると,概ね順調に研究が進んでいると判断される。本年度は昨年度同様, UCG模型実験を実施した。鋼製タンクとそれを耐熱煉瓦等で囲った実験炉内に,露天炭鉱で採取した約0.5×0.5×2.5mの石炭ブロックを挿入し,空隙を耐熱セメントで充填した。この人工炭層に,水平同軸孔を設け,孔底から着火し,順次着火個所を手前に移動させる実験を行った。着火には,ダイレクト・レーザと孔内カメラおよび送風管から成る着火装置を用いた。これにより,数秒で石炭への着火が可能になった。当初は同軸方式のガス化効率を上げるために炉内撹拌等の手法を試す予定であったが,水平同軸孔の場合には着火点を移動させるだけでガス化領域の制御が可能で,これまでにないガス化効率(24MJ/kg)を達成することができた。

また,AE(破壊音)震源の7080%がガス化領域内に標定されたことから,ガス化領域の推定,可視化にAE計測が有効であることを再確認した。この人工炭層を用いた消火実験も実施した。消火剤として,炭酸ガスと窒素ガスを用いた結果,炭酸ガスの方が温度低下速度が高かった。この結果は,加熱石炭を用いた室内実験および数値シミュレーションでも確認した。生産ガスの無害化に関しては,二酸化チタンまたは活性アルミナを充填したパックトベッド放電実験を行った。その結果,生産ガス中のベンゼンと硫化水素の除去率は,それぞれ99%および80%程度になった。これにより,生産ガスの連続無害化処理の見通しが立った。次年度予定していた小規模現場UCG実験に関しては,年度中に鉱業権を取得することができたため,露頭炭層を対象に前倒しで実験を実施した。これに伴い,環境監視システムを構築し動作を確認した。また,現場周辺の植生調査(59科114種の植物を確認)も実施した。ただし,小規模現場実験では,地表下約10mの炭層の含水率が高く,ガス化実験は次年度改めて実施することにした。本研究では,コンパクトで安全かつよりガス化効率の高い同軸型UCGシステムを提案し,その有効性を検証するのが目的である。このシステムの要は,1)同軸型UCGのガス化効率の向上,2)放電プラズマによる生産ガスの連続分離,無害化,3)周辺環境の監視・評価手法の確立,である。本年度は,当初の計画通りの実験を実施し,一部小規模現場UCG実験に関しては前倒しで実施することができた。1)に関しては,人工炭層を用いた屋外UCG模型実験を実施した。水平同軸孔を用いて,孔底から順次着火位置を移動させることで,ガス化領域を制御でき,高いガス化効率を確認した。この着火位置を移動させる手法として,ダイレクト・レーザを用いた着火装置が有効である。また,ガス化領域の推定と可視化には,AE(破壊音)計測が有効であることも再確認した。加えて,AEの発生と炭層の温度変化の関係についても,一定の関係があることを確認した。この事は,AE計測による炭層内温度の推定の可能性を示唆している。以上より,1)の目的の大部分を達成できたと考える。今後は,同様な実験を試み再現性について検討する。2)に関しては,二酸化チタンあるいは活性アルミナを充填したパックトベッド放電によるガスの無害化や分離実験を行った。その結果,生産ガス中のベンゼンと硫化水素の除去率が向上した。ただし,硫化水素分解率はメタン濃度の増加とともに低下するため,更なる検討を進める予定である。3)に関しては,今年度中に鉱業権を取得したため,前倒しで小規模現場UCG実験を実施し,環境監視システムの動作および現場の植生分布調査を実施した。しかしながら,炭層内の含水率が高く,ガス化実験はできなかったため,UCGの環境への影響評価は予定通りに次年度行うことになった。以上を総合すると,概ね順調に研究が進んでいると判断される。最終年度は当初の予定通り、北海道三笠市幾春別の室蘭工業大学三笠地下ガス化炭鉱にて、小規模UCG現場実験を実施した。また、人工炭層を用いた後退式水平同軸UCG実験も実施した。UCG現場実験では、約20mの同軸孔と、その周辺にガス化領域の温度変化や破壊音観測を行うため6本の観測孔を設けている。また、地下水観測のために2本のボーリング孔が配備されている。
fMRIニューロフィードバックを用いた吃音の発話流暢性改善手法の開発

発話の流暢性が損なわれる発話障害である吃音のある成人に対して,fMRIニューロフィードバックを用いた流暢性改善手法を検討する前に,発話の流暢性に関する神経基盤を調べるために,発話時および発話のイメージ時の脳活動と生体信号を同時に計測した.また,吃音のある成人と無い成人の脳形態の比較および,心理的特性や吃症状との関係を調べた.その結果、吃音のある成人は無い成人に比べ,左の楔部および,紡錘状回の体積が有意に小さいことが示された.また,楔部に関しては心理的特性と負の相関があることも示された.これらの結果は,心理的特性が脳形態に影響する可能性を示唆する.心理状態の脳への影響を調べるために、脳の形態のMRI撮像および心理状態を調べるアンケート調査を実施した。アンケートには、LSAS-J(社交不安障害の程度の自己評価尺度)、S-24(コミュニケーションに対する感情・態度面の自己評価尺度)、PHQ-9(うつ病の自己評価尺度)の三種類の自己評価尺度を用いた。これらの尺度は、値が大きいほど程度が重いことを意味する。被験者は、吃音のある成人(PWS)14名、吃音のない成人(PNS)14名とした。脳の形態のMRI画像とアンケート調査結果に基づき、Voxel-based morphometry(VBM)による解析を行い、PWSとPNSそれぞれに対して、各アンケート結果の値と容積が相関する脳の領域を調べた。その結果、PWSの場合、LSAS-Jの結果と負の相関がある領域として左被殻が、S-24の結果と正の相関がある領域として右上前頭回、右中前頭回、右中後頭回、右側頭極、右紡錘状回、右被殻が示唆された。一方、PNSの場合、相関のある領域はみられなかった。これらの結果から、PWSの場合、心理状態が脳に大きく影響する可能性が考えられ、発話イメージを評価する際は、心理状態も考慮する必要があると考えられる。また、発話をイメージした際の精度を客観的に評価する基準を作成するための予備実験を行った。予備実験では、文章を複数の文節に分けて提示し、その提示に対してMRI装置内で、黙読、音読、音声のイメージ、発話運動のイメージを被験者が行い、その際の脳活動および生体信号・生体反応を計測した。生体信号・生体反応には、発話に関連して変化する可能性のある呼吸信号、脈波信号、瞳孔径の大きさを用いた。吃音のある成人は、社交不安障害を合併する割合が高いという報告[Blumgart et al., 2010]があり、社交不安障害の程度を含めた心理状態が脳の形態や活動に影響する可能性があるため、心理状態に関するアンケート調査を実施し、脳への影響を調べた。これらは、今年度の計画には含まれていなかったが、今年度実施する予定だった作業に優先して行ったため、計画に遅れが生じた。1.吃音の有無による脳形態の差異への心理的特性の影響を調べるため、吃音のある成人(PWS群)および吃音のない成人(PNS群)に対して、脳形態の解析結果と心理的特性(社交不安障害などの心の状態)に関するアンケート調査結果の相関解析を行った。その結果、PNS群と比較してPWS群が有意(p<0.001, uncorrected)に減少していた左の楔部の体積と、心理的特性に関するアンケートの得点(値が大きいほど重度・否定的)の間に負の相関がみられた。これらの結果から、吃音の有無による脳形態の差異には、心理的特性の影響が含まれている可能性が示唆された。吃音の有無による脳形態の差異に関する研究はこれまで行われている(例えば[Kell et al. 2009])が、心理的特性が差異に影響しているという報告は無く、今回の成果は、吃音に関する神経基盤や病態生理の解明に寄与すると考えられる。2.発話イメージの評価方法を検討するための予備実験として、実際に発話した場合および発話をイメージした場合の生体信号(口輪筋およびオトガイ舌骨筋/顎舌骨筋の表面筋電図、呼吸、脈波)を計測した。計測した各生体信号に関して、安静時と発話時の定性的比較を行った結果、表面筋電図に関して、発話時に各筋の筋電位が観測された。呼吸に関しては、発話時に呼気時間が伸びる傾向が示された。脈波に関しては、発話時に1周期内の最小値が減少する傾向が示された。一方、安静時と発話イメージ時を比較した場合、表面筋電図の一部の試行において、発話イメージ時に微小の筋電位が確認できた。これまで、発話時の脈波の変化に関する報告や、発話イメージ時の筋電位の観測に関する報告は無いことから、さらなる検討を行うことにより、音声に関連する分野において新たな知見が得られる可能性がある。吃音の有無による脳形態の差異と心理的特性の関連性の検討に時間を要したため。また、十分なS/N比を持つ生体信号を計測するためのシステムの構築および、発話をイメージした際の生体信号の変化を確認するための実験課題等の検討に、時間を要したため。1.吃音の有無による脳形態の差異への心理的特性の影響を調べる過程において、吃音のある成人22名(男性16名、女性6名)の吃音の症状と脳形態との関連性を調べた。

吃音の症状は、文章の音読および自由会話中に現れた吃音の中核症状(連発、伸発、難発)の割合を文節単位で求めた吃頻度を三名の言語聴覚士の合意により評価した吃頻度[%]を用いた。VBM解析の結果、音読の吃頻度と有意(p<0.001, cluster size corrected)に負の相関がある脳部位として、右小脳が示された。一方、自由会話の吃頻度と有意(p<0.001, cluster size corrected)に正の相関がある脳部位として、右補足運動野と右側頭極近傍が示された。右補足運動野に関しては、peakレベルでも有意(p<0.05, corrected)となった。吃症状が生じた際に、右大脳半球が過活動する結果が報告されており、過活動により該当部位の体積が増加したと考えると、今回の自由会話での吃頻度の解析結果と一致する。また、音読での吃症状と自由会話での吃症状とでは、脳形態への影響が異なる可能性が示唆される。2.脳活動と発話運動に関連する筋肉の表面筋電図を同時に計測するシステムの構築し、実際にfMRI実験において発話時と発話イメージ時の脳活動および表面筋電図の同時計測を行った。また、fMRI実験の際に利用した施設の設備を使用し、呼吸と脈波も同時に計測した。被験者は、吃音のある成人(PWS)8名(男性5名、女性3名)とし、比較のため同条件の吃音のない成人1名に対しても計測を行った。これまで、発話時や発話をイメージした際の脳活動と発話に関する筋肉の表面筋電図を同時に計測した報告はほとんどないため、今回の成果は、吃音に関する神経基盤や病態生理の解明だけでなく、人間が話す際の神経機構の解明にも寄与すると考えられる。発話の流暢性が損なわれる発話障害である吃音のある成人に対して,fMRIニューロフィードバックを用いた流暢性改善手法を検討する前に,発話の流暢性に関する神経基盤を調べるために,発話時および発話のイメージ時の脳活動と生体信号を同時に計測した.また,吃音のある成人と無い成人の脳形態の比較および,心理的特性や吃症状との関係を調べた.その結果、吃音のある成人は無い成人に比べ,左の楔部および,紡錘状回の体積が有意に小さいことが示された.また,楔部に関しては心理的特性と負の相関があることも示された.これらの結果は,心理的特性が脳形態に影響する可能性を示唆する.昨年度に行った、発話をイメージした際の精度の評価基準作成のための予備実験に関して、今年度は、その結果解析をすすめ、評価基準を作成するための実験課題や、計測する生体信号等の検討を行う。検討結果に基づき、実験タスクや計測する生体信号を修正した本実験を、吃音のない人を被験者として行い、発話イメージの評価基準を作成する。さらに、吃音のある人に対しても同様の実験を実施し、評価基準を検討する。また、昨年度行った、脳の形態と心理状態のアンケート結果とのVBMによる相関解析の結果をまとめ、学会発表および学術雑誌への論文投稿を行う。発話イメージ時において、生体信号が変化する可能性が示されたため、被験者の人数を増やし定量的な比較を行い、発話イメージ時の生体信号の変化について検討する。その後、発話時および発話イメージ時の脳活動と生体信号(表面筋電図、呼吸、脈波)の同時計測および発話イメージの主観評価を行う。この結果に基づき、発話イメージ時の神経機構および、発話イメージの定量的評価方法について検討する。最終的に、吃音のある成人を被験者として同様の同時計測を行い、健常者との比較検討を行う。得られた結果に基づき、吃音のある成人に対して発話イメージの定量的評価方法を検証する。さらに、スポーツ科学やリハビリテーション等に用いられている運動をイメージする訓練方法であるメンタルプラクティスを吃音の発話訓練に用いる可能性について検討する。
ビ-ムフォイル分光法による1電子系の励起コヒ-レンスの研究

400kVイオンビ-ム発生装置からのプロトンビ-ムをエネルギ-分析を行ったのち炭素フォイルに照射し透過後の励起水素原子の発光の偏光分光観測を行い,コヒ-レンスを含めた励起密度行列を測定した.1.水素原子ライマンアルファ線の量子ビ-ト測定.弗化マグネシウムをコ-トしたトロイダル鏡のブリュウスタ-角反射直線偏光器採用により従来行っていた球凹面鏡に較べ大幅に分解能が改善され,ラムシフトによるビ-トの他に微細構造によるビ-トをも測定することができるようになった.位相測定精度が向上した.フォイル励起直後静電場を印加しシュタルク電子ビ-ト観測から,水素原子のn=2励起状態の奇コヒ-レンスを含めた全励起密度行列の完全決定を行った.これは本研究が初めてである.奇コヒ-レンス項に虚数成分があることがわかった.2.同じくフォイル励起水素原子のバルマ-アルファ線のゼロ・フィ-ルド量子ビ-ト測定を行った.可視域なので1.の場合より偏光測定は容易であるが,要素数が多いので密度行列の各個別の完全決定は不可能であった.明確に決定できる偶コヒ-レンスにおいてやはり虚数成分があることがわっかた.しかも測定できる範囲において,電流密度依存性,入射ビ-ムエネルギ依存性は殆どないこともわかった.3.前記は量子ビ-トを直接観測するものであるが,これと相補的なものとして新たに電場微分性の量子ビ-ト測定法を考案した.これは磁場印加でのハンレ効果に対応するものである.低電流密度従って低光量での測定が可能となった.この方法の測定によっても,やはりコヒ-レンス項には虚数成分があることが確認された.虚数成分の存在は従来提案されたいかなる励起モデルでも説明がつかない.本課題での実験的研究で明かになったので,今後の理論的研究の課題としたい.400kVイオンビ-ム発生装置からのプロトンビ-ムをエネルギ-分析を行ったのち炭素フォイルに照射し透過後の励起水素原子の発光の偏光分光観測を行い,コヒ-レンスを含めた励起密度行列を測定した.1.水素原子ライマンアルファ線の量子ビ-ト測定.弗化マグネシウムをコ-トしたトロイダル鏡のブリュウスタ-角反射直線偏光器採用により従来行っていた球凹面鏡に較べ大幅に分解能が改善され,ラムシフトによるビ-トの他に微細構造によるビ-トをも測定することができるようになった.位相測定精度が向上した.フォイル励起直後静電場を印加しシュタルク電子ビ-ト観測から,水素原子のn=2励起状態の奇コヒ-レンスを含めた全励起密度行列の完全決定を行った.これは本研究が初めてである.奇コヒ-レンス項に虚数成分があることがわかった.2.同じくフォイル励起水素原子のバルマ-アルファ線のゼロ・フィ-ルド量子ビ-ト測定を行った.可視域なので1.の場合より偏光測定は容易であるが,要素数が多いので密度行列の各個別の完全決定は不可能であった.明確に決定できる偶コヒ-レンスにおいてやはり虚数成分があることがわっかた.しかも測定できる範囲において,電流密度依存性,入射ビ-ムエネルギ依存性は殆どないこともわかった.3.前記は量子ビ-トを直接観測するものであるが,これと相補的なものとして新たに電場微分性の量子ビ-ト測定法を考案した.これは磁場印加でのハンレ効果に対応するものである.低電流密度従って低光量での測定が可能となった.この方法の測定によっても,やはりコヒ-レンス項には虚数成分があることが確認された.虚数成分の存在は従来提案されたいかなる励起モデルでも説明がつかない.本課題での実験的研究で明かになったので,今後の理論的研究の課題としたい.400kvイオンビ-ム発生装置からのプロトンビ-ムをエネルギ-分析を行ったのち炭素フォイルに照射し透過後の励起水素原子の発光の偏光分光測定を行った。1.水素原子ライマンアルファ線の量子ビ-ト測定・弗化マグネシウムをコ-トした凹面鏡トロイダル鏡のブリュウスタ-角反射直線偏光器採用により従来行っていた球凹面鏡に較べ大幅に分解能が改善され、ラムシフトによるビ-トの他に微細構造によるビ-トをも測定することができた。ビ-トの位相測定精度が向上した。フォイル励起水素原子のn=2状態の奇コヒ-レンスを含めた励起密度行列の完全決定を単独の実験で行ったのは本研究が初めてである。一応測定および解析方法が確立したので現在入射エネルギ-依存性、電流密度依存性について系統的測定を続行中である。2.同じく水素原子発光のバルマ-系列の測定も平行して進めた。まずバルマ-アルファ線をとりあげ偏光の量子ビ-ト測定を行った。可視域なので1.の場合より扱いは容易であるが、ビ-ム周波数種類が多いので充分な精度を得るため長時間測定を要した。また解析も困難であった。垂直フォイル励起で決定可能な密度行列要素はすべて求めることができた。残りの要素を決定するため現在傾斜フォイル励起の測定にとりかかった。

3.前記1.の研究と関連して、電流密度依存性を追求する際低電流密度では必然的に光量が減少し測定が困難になった。そこで時間微分性に代えて電場微分性の測定方法を考案し試みたところ有効であることが判明した。次年度にはエネルギ-、電流密度依存性測定のダイナミックレンジを拡大し、できるだけ高い主量子数状態までの励起断面積と励起コヒ-レンスを測定し、イオンビ-ム・フォイル相互作用の解明に着手する。400kVイオンビ-ム発生装置からのプロトンビ-ムをエネルギ-分析を行ったのち炭素フォイルに照射し透過後の励起水素原子の発光の偏光分光観測を行い,コヒ-レンスを含めた励起密度行列を測定した.初年度は,トロイダル鏡のブリュウスタ-角反射直線偏光器を試作し,水素原子ライマンアルファ線の偏光分光測定による量子ビ-ト観測と解析を開始した.本年度は偏光測定法を活用し,かつフォイル励起直後静電場を印加しシュタルク量子ビ-ト観測から,水素原子のn=2励起状態の奇コヒ-レンスを含めた全励起密度行列の完全決定を行った.これは本研究が初めてである.奇コヒ-レンス項に虚数成分があることがわかった.続いて,同じくフォイル励起水素原子のバルマ-アルファ線のゼロ・フィ-ルド量子ビ-ト測定を行った.可視域なのでライマンアルファ線の場合より偏光測定は容易であるが,要素数が多いので密度行列の各個別の完全決定は不可能であった.しかし独立に決定できる偶コヒ-レンスにおいてやはり虚数成分があることがわかった.しかも測定できる範囲において,電流密度依存性,入射ビ-ムエネルギ-依存性は殆どないこともわかった.さらに,前記は量子ビ-トを直接観測するものであるが,これと相補的なものとして新たに電場微分性の量子ビ-ト測定法を考案した.これは磁場印加でのハンレ効果に対応するものである.低電流密度従って低光量での測定が可能となった.この方法の測定によっても,やはりコヒ-レンス項には虚数成分があることが確認された.虚数成分の存在は従来提案されたいかなる励起モデルでも説明がつかないものである.
家族性大腸腺腫症の遺伝学的解析

1)家族性大腸ポリポージス(以下, FPCと略す)患者およびその家系構成員について,連鎖分析に必要な試料を中心として採取し,班員に配布するとともに凍結保存した.またポリープやその他の形質について本症の遺伝的異質性を検討した. (岩間,池内,外村)2)患者に発生した大腸癌をヌードマウスに移植し,その移植片を培養して染色体分析を行なった.分析可能であった4例中3例に,染色体の数的および構造的異常が観察されたが, 3例に共通する特異的異常は認められなかった.一方,多型性DNAマーカーを用いて遺伝子のヘテロ接合型の消失について検索した結果,大腸癌14例中の5例(36%)に22番染色体上の対立遺伝子の消失が認められた.そのほか, 5, 6, 15および12p染色体上の遺伝子のヘテロ接合型の消失が観察された. FPC患者の大腸癌発現には5q染色体上のFPC遺伝子の消失だけでなく,さらに多くの遺伝子や染色体変化が関与していることが示唆された.1例ではあるが, 22番染色体の消失は染色体分析によっても確認された. (外村,池内,宮木)3)Bodmerら(1987)によってFPC遺伝子が5番染色体の長腕に存在することが報告されたので,同じC11p11プローブを用いて16家系について連鎖分析を行なった.しかし, TaqIで多型性を示す2つのDNA断片の頻度は0.92:0.08と極端に片寄っているために1家系のみがinformativeであった. (宮木,笹月,森,湯浅,松本)4)正常大腸粘膜および患者のポリープよりcDNAライブラリーを作製し,両者からのプローブを用い,分別的ハイブリダイゼーション法により,発現の高いcDNAクローンを検索し,ポリープ発生に関連したcDNAクローンを2株単離した.一方,正常粘膜ではより発現の高いクローンは得られていない. (湯浅)1)家族性大腸ポリポージス(以下, FPCと略す)患者およびその家系構成員について,連鎖分析に必要な試料を中心として採取し,班員に配布するとともに凍結保存した.またポリープやその他の形質について本症の遺伝的異質性を検討した. (岩間,池内,外村)2)患者に発生した大腸癌をヌードマウスに移植し,その移植片を培養して染色体分析を行なった.分析可能であった4例中3例に,染色体の数的および構造的異常が観察されたが, 3例に共通する特異的異常は認められなかった.一方,多型性DNAマーカーを用いて遺伝子のヘテロ接合型の消失について検索した結果,大腸癌14例中の5例(36%)に22番染色体上の対立遺伝子の消失が認められた.そのほか, 5, 6, 15および12p染色体上の遺伝子のヘテロ接合型の消失が観察された. FPC患者の大腸癌発現には5q染色体上のFPC遺伝子の消失だけでなく,さらに多くの遺伝子や染色体変化が関与していることが示唆された.1例ではあるが, 22番染色体の消失は染色体分析によっても確認された. (外村,池内,宮木)3)Bodmerら(1987)によってFPC遺伝子が5番染色体の長腕に存在することが報告されたので,同じC11p11プローブを用いて16家系について連鎖分析を行なった.しかし, TaqIで多型性を示す2つのDNA断片の頻度は0.92:0.08と極端に片寄っているために1家系のみがinformativeであった. (宮木,笹月,森,湯浅,松本)4)正常大腸粘膜および患者のポリープよりcDNAライブラリーを作製し,両者からのプローブを用い,分別的ハイブリダイゼーション法により,発現の高いcDNAクローンを検索し,ポリープ発生に関連したcDNAクローンを2株単離した.一方,正常粘膜ではより発現の高いクローンは得られていない. (湯浅)
左右脚立ち直り反応を指標とした前庭障害症例の体平衡に対する視覚外乱の影響

前庭機能障害症例では視覚情報の完全に欠落する状態だけではなく、直近の側方を自動車が通過するなどの予期しない周辺視野に対する刺激でめまい感、身体動揺を訴えるケースが少なくない。このような視覚外乱が前庭機能障害症例の体平衡機能異常に及ぼす影響は十分には解明されていなかった。本研究は視覚外乱に対する静的、および動的体平衡機能の影響を研究したものである。今回の研究結果から次の諸点が明らかになった。1.視覚外乱が体平衡維持機能に与える影響は大きく、閉眼状態と同様の不安定さとなることが確認された。2.視覚外乱の体平衡機能に与える影響は視標形態に影響され、周辺視野刺激が強くなる刺激では外乱の影響が高度となることが確認された。3.一側前庭障害症例における視覚外乱の影響は症例により多様であるが、健常者に比較して体平衡への影響が非常に大きくなる症例があることが確認され、日常生活指導上留意すべき点と考えられた。4.視覚外乱による体平衡への影響を静的、動的状態で左右足別に検討した。左右足毎にstrengthに不均衡が生ずる点が確認され、この点に関しては健常被験者でも反応態度が多様であった。刺激方向に関連した特別の影響を検出することができなかった。これらの結果から、今後、とくに視覚外乱の影響が大きくなる群、とくに一側前庭機能障害例について外乱の大きさと平衡機能に及ぼす影響について詳細な検討が必要と考えられた。本研究は、視覚外乱による姿勢制御に関する研究であり、研究過程は視刺激による反応評価と姿勢制御への評価に2分される。本年の研究計画から、まず視覚外乱の至適刺激とその評価方法を確立した。視刺激は視運動刺激装置(半球型スクリーン)および大型TVスクリーンとし、何れもコンピュータ制御で刺激速度を設定する。また、TVスクリーンでは任意の刺激パターンを設定できる。眼運動は前置増幅器から直接コンピュータに取り込み、視刺激による発現する中心窩型および周辺視野型の発現状況を分析した。姿勢制御に影響を与えると考えられる、周辺視野型眼振が多数発現する刺激形態は半球型スクリーンでは小円球によるランダムドット、TVスクリーンでは境界明瞭な小矩形パターンであり、眼振緩除相と急速相の相関関係から周辺視野型眼振の発現量を定量化した。姿勢制御は、重心動揺計および動的体平衡検査装置で評価し動揺面積、動揺周波数分析、ベクトル分析、左右足圧移動速度(strength)により評価した。正常被験者による対象では、視覚外乱により前庭負荷刺激より軽度であるが、前庭刺激負荷に類似した姿勢調節の障害が観察された。また、一側前庭障害患者では視覚外乱によりstrength左右差がみられる症例があったが水平移動刺激に対して軽度であり、次年度研究で視刺激の形態および刺激量との関連を追求する。現時点で視覚外乱が前庭刺激と同様の姿勢調節機構への影響があり、さらに、左右足の反応差が確認された点は、視覚-前庭相互関与に関連して興味深い結果であった。

4.視覚外乱による体平衡への影響を静的、動的状態で左右足別に検討した。左右足毎にstrengthに不均衡が生ずる点が確認され、この点に関しては健常被験者でも反応態度が多様であった。刺激方向に関連した特別の影響を検出することができなかった。これらの結果から、今後、とくに視覚外乱の影響が大きくなる群、とくに一側前庭機能障害例について外乱の大きさと平衡機能に及ぼす影響についての詳細な検討が必要と考えられた。
当事者評価による文化財へのアクセシィビリティに関する研究

本研究は、文化財のバリアフリーが試行錯誤的に行われている京都市の寺社仏閣を対象として、建築士・寺社仏閣管理・運営者、障害を持つ方々の当事者参加・点検・評価をふまえて、障害を持った当事者による以上2点の調査をおこなった。(1)ケース・スタディーの対象となるバリアフリー化された寺社仏閣を選出し、現地でのバリアフリー整備された箇所・経緯について、当事者(車イス利用者)と同行し、ヒアリングなど訪問調査を行ない、具体的なバリアフリー整備の状況や当事者からみた整備の問題点を明らかにした。(1)事前および現地でのバリアフリー情報の獲得が依然として困難、(2)当事者は歴史的意味のある寺社仏閣の完璧なバリアフリーを望んでいない。歴史的景観や意味を尊重したバリアフリーの融合を希望している。(3)部分的なバリアフリーや実際には使えない施設(トイレなど)もいくつか指摘され、実際に点検をし、その結果を寺社仏閣にフィードバックする必要、(4)寺社仏閣側の教育の問題(受け付け対応)が不十分な所があり、実際の当事者の利用に十分に対応できていない。(5)寺社仏閣のバリアフリー化には、寺社仏閣のバリアフリー化のみならず、「車イス利用者用トイレの問題」、「車イス利用者が利用できる食事場所がない」、「車イス利用者が宿泊できる施設が(京都に)少ない」、「交通アクセス面の問題」が課題(2)寺社仏閣管理者バリアフリー整備アンケートの実施京都府内の観光寺社仏閣310箇所に対して、郵送アンケート調査を行い、121通のアンケートの回答を得た。アンケート調査の概要については、全寺社仏閣に結果を郵送にて報告した。
マウス精巣におけるＧＳＣ／ニッチ・システムの解明

マウスのGSC(精子形成幹細胞)とそれを制御するニッチ細胞及びニッチの場の実体を解明することを目的とし、独自に開発したライブイメージングやパルス標識法を用いて、精巣組織内での生きた幹細胞のふるまいを解析した。(1)GSC集団の持つ階層性と可逆性の発見、(2)マウスGSCが頻繁に入れ替わることの発見、(3)マウスGSCダイナミクスの単一細胞レベルでの解明、という成果に基づき、「単独で存在するAs細胞こそが幹細胞である」とする1971年に提唱された定説(Asモデル)に再考を求める、新規の幹細胞動態モデルを提唱した。本研究は、マウスのGSC(配偶子幹細胞)である精子形成幹細胞と、それを制御するニッチ細胞、及びニッチの場の実体を解明することを目的として研究を行っている。独自に開発したライブイメージングやパルス標識法を駆使して、精巣内での生きた幹細胞のふるまいを解明し、ほ乳類精巣で精子形成が継続して進行することを保証するメカニズムに挑戦している。本研究では、モデル動物であるマウスを用いて、GSC(配偶子幹細胞)である精子形成幹細胞と、それを制御するニッチ細胞、及びニッ値の場の実体を解明すること、具体的には以下の目的を達成することをめざして行われている(平成20年11月発足)。1)マウスGSCの詳細を同定し、その性質を解明する。2)マウスGSCニッチの細胞としての実体を解明する。3)ニッチにおいて、GSCを制御する分子メカニズムを解明する。4)本領域の他の課題の成果との比較から、GSC/ニッチ・システムの共通原理とマウスの特殊性を解明する。研究初年度の本年度は、1)について、GSCにより限局して発現する遺伝子の候補を用いて、幹細胞システムの構成を解析した。その結果、GSCを形作る細胞が不均一な集団であり,それが機能的に階層をなしている様子が、遺伝子発現を指標とすることにより、鮮明に浮かび上がった。また、2)については、ニッチ領域に特異的に発現する遺伝子の検索を開始した。実験条件の最適化が極めて重要であるため、そこに多くの時間と労力を費やし、実験系をおおむね確立するに至っている。本研究は未だ緒に着いた所であるが、上記目的に向かって、着実に進展している。本研究の結果、生物学的に極めて重要な課題である、マウスGSC/ニッチ・システムが解明され、本領域の他の研究課題、すなわちin vitro系でのほ乳類GSCの解析系や、他種動物のGSC/ニッチ・システムとの比較がなされたならば、男性不妊に対する戦略や、畜産、水産学的応用への展開が期待される。本年度は、GSCを含む「未分化型精原細胞」のなかの亜集団の、精巣内での挙動と性質を、遺伝子発現と形態の詳細な検討、ライブイメージング法およびパルス標識法を用いて解析した結果、以下の知見を示唆する結果を得た。1.マウス未分化型精原細胞は、細胞の形態(何個の細胞が合胞体を作って連結しているか)と遺伝子発現(GFRalpha1およびNgn3の発現)による階層性を有している。2.連結していないAs細胞、かつGFRα1陽性細胞が、最も自己複製する確率が高い。3.しかし、少し分化した細胞(連結した細胞ないしNgn3陽性細胞)も自己複製能を保持しており、連結細胞の「断片化」や遺伝子発現の「逆もどり」により自己複製モードに戻ることが出来る。4.精子形成障害後においては、定常状態に比べて、分化に向かった細胞が幹細胞モードに戻る頻度が上昇し、速やかな再生を実現する。以上の結果は、1971年に提唱されて以来定説として信じられて来たモデル「Asモデル」に修正を加えるものであり、ほ乳類精子形成の幹細胞のあり方に一石を投じる。また、広く幹細胞研究一般に対しても、幹細胞とは何か?どのようにして組織恒常性が保たれるのか?といった根源的な問いに対して重要な示唆を与えるものである。22年度は以下の成果を得た。(1)マウスGSC集団の持つ階層性と可逆性の発見(Nakagawa et al., Science 2010):幹細胞は限定された少数の細胞ではなく、主に自己複製する細胞と分化に方向づけられているが自己複製能を維持している細胞が、お互いの状態を行き来することによって集団として自己複製と分化細胞の供給を行なっていることを見いだした。

1971年に提唱された定説を修正するものである。(2)マウスGSCが頻繁に入れ替わることの発見(Klein et al., Cell Stem Cell 2010):パルス標識されたGSCの長期間にわたる追跡の結果、「GSCは厳密な非対称分裂を繰り返して長く存続する」という、古典的な幹細胞モデルが否定された。マウス精巣でGSCは、次々と消え(幹細胞としての機能を失い)ては、周辺の幹細胞から生まれた新たな幹細胞によって置き換えられていた。さらに、この置き換えが確率論的(ストカスティック)に起こること、置き換えの頻度は1-2週間程度と予想外に早いことが数学的に示された。従来の考え方とは違う、GSCの柔軟な姿である。本研究は、マウスのGSC(配偶子幹細胞)である精子形成幹細胞と、それを制御するニッチ細胞、及びニッチの場の実体を解明することを目的として研究を行っている。23年度は以下の成果を得た。1マウス精巣において、幹細胞は8.6日ごとの周期を刻んで分化過程に入る。本年度は、この周期的な分化制御が精巣組織内のレチノイン酸レベルの周期的な変動によること、さらにそれをもたらすレチノイン酸の合成と分解が、生殖細胞とそれを支える体細胞であるセルトリ細胞の両者で発現する一連の酵素の協調による、ことを明らかにし報告した(Sugimoto et al., Mechanisms of Development 2012)。2平成22年度に明らかとした、GSCが精巣内で頻繁に入れ替わるという新規の現象(Klein et al., Cell Stem Cell 2010)をもたらすメカニズムを、ライブイメージング法、パルスラベル法を用いた単一細胞レベルでの解析により解析した。古典的な幹細胞モデルでは説明できない幹細胞の挙動を発見した(論文発表準備中)。3マウス精巣では、血管に近接する精細管領域がニッチ領域と考えられる(Yoshida Science 2007)が、ここに特異的に発現する遺伝子の探索により、ニッチ細胞の候補と考えられる新規細胞集団を発見した(論文発表準備中)。マウスGSC(配偶子幹細胞)である精子幹細胞の実体と挙動、それを制御するニッチの機能を、個体・組織内で解明することを目的として本研究を展開してきた。最終年度となる本年度の研究によって、GFRα1を発現する細胞全体が一つのプールとして真の幹細胞として機能することを明らかにした。この細胞集団には、形態的には単独で存在するAs細胞と複数の細胞が細胞間橋によって連結した合胞体が含まれる。現在定説となっている古典的なモデルでは前者のみが幹細胞そして機能でき、後者は幹細胞の機能を失っているとされてきたが、これを覆し、As細胞と合胞体は相互に転換する基本的に等価な状態であることを強く示唆する結果を得た。数理モデルによる検証によっても強く支持されるこの新しい考えは、40年以上の長きにわたって信じられてきた定説を書き換えることを提案するものである(Cell Stem Cell 2014)。先に述べた、本計画研究の大目標に対して、申請者が独自に開発した実験系を駆使することにより、当初計画のとおり研究は順調に遂行されている。それによって得られた結果、特に前項の2、3は、研究計画立案当初の予想を越えるもので、当初想定できなかった、全く新しいGSC/ニッチ・システムの姿が浮かび上がって来ている。これらの成果は未だ論文発表に至っていないため、上記の達成度評価とする。25年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は、本新学術領域研究の最終年度である。
フォトニック結晶の動的制御と新機能の創出

本研究では、フォトニック結晶の特性を時間領域で動的に制御することにより、新光機能を創出し、「フォトニック結晶ダイナミクス」とも呼ぶべき新しい学術分野構築のための基盤を築くことを目的として研究を行った。その結果、(1)光ナノ共振器のQ値の動的制御により、光パルスをナノ共振器へ捕獲、保持および放出すること、(2)フォトニック結晶光導波路の動的制御により、光パルスの波長を変化させるとともに、パルスを選択的に共振器に結合・放射させるなどの新たな機能を実証することに成功した。フォトニック結晶は、光の波長程度の周期的屈折率分布をもつ光ナノ構造体であり、様々な光制御が可能な材料として注目を集めている。研究代表者は、本研究開始前までに、フォトニック結晶工学の発展を目指し、高Q値光ナノ共振器の概念の提唱と実現など、様々な世界をリードする成果を挙げてきた。しかし、これらは、フォトニック結晶自身の性質が時間的に変化しない、静的なもののみを取り扱ってきた。そのため、一旦設計段階で特性を決めると、そのままその特性が決定してしまっていた。ここで、フォトニック結晶自身の性質を時間領域で動的に変化させることができると、光を一瞬の間止めておく、あるいは伝播する光パルスの波長を選択的に変化させるといった、様々なブレークスルーが生まれ、光科学分野のさらなる新しい展開が開けるものと期待される。本研究では、具体的な研究対象として、A.光ナノ共振器のQ値を時間領域で動的に制御することにより、共振器に光パルスを捕獲、保持、放出するなど、光の伝播を自在に制御すること、B.導波路モードを動的に制御することで、導波路を伝播する光パルスの波長(周波数)など、光パルスそのものの性質や振る舞いを動的に変化させること、の2点を設定し、フォトニック結晶の動的制御と新機能の創出、さらには新しい学問領域「フォトニック結晶ダイナミクス」の構築を目指す。本研究では、フォトニック結晶特性を動的制御に基づく新しい学術分野の基礎を築くことを目指している。具体的な研究対象は、(A)光ナノ共振器のQ値の動的制御による光パルスの捕獲、保持および放出、(B)導波路モードの動的制御による光パルス制御であり、本年度はこれらの基本動作の実証を目指して研究を行った。(A)Siスラブに形成した三角格子2次元フォトニック結晶をベースとし、高Q値ナノ共振器(Q値5万程度)とそれに平行する線欠陥導波路を形成し、さらに導波路の片端に反射鏡を導入した試料を用意した。ピコ秒パルスレーザ(波長1550nm)を導波路から共振器に導入しつつ、基本光から変換した波長775nmの制御光を照射することにより、共振器と反射鏡間の導波路にキャリアを生成して屈折率を変化させた。この実験により、導波路伝搬に伴う初期位相を適切に設定することで、制御光照射によるQ値の動的増加および減少の両方が可能であることを明らかにすることに成功した。(B)(A)と同様のSiスラブに形成した三角格子2次元フォトニック結晶をベースとした一列埋めの線欠陥導波路を試料として用意した。この導波路に波長1550nmの信号光パルスを伝搬させ、その最中に波長775nmの制御光パルスを照射して、導波路の屈折率を動的に低下させた。そして、導波路を伝搬し終わった信号光のスペクトルを測定した。この実験により、制御光パルスと信号光パルスが導波路中で時間・空間的に重なる場合に制御光の強度に比例して信号光パルスの波長が短波長化するという結果が得られた。これにより、動的屈折率変化に伴う波長変換現象が確かに生じることを実証した。本研究では、フォトニック結晶の特性を時間領域で動的制御することにより新しい学術分野の基礎を築くことを目指している。具体的な研究対象は、(A)光ナノ共振器のQ値の動的制御による光パルスの捕獲、保持および放出、(B)導波路モードの動的制御による光パルス制御である。昨年度実施したこれらの現象の基本動作の実証に引き続き、本年度は詳細な動作特性の理解を目指して研究を行った。(A)に関しては、ナノ共振器と、それに平行する一列埋めの線欠陥導波路、導波路の片端に反射鏡を導入した構造を利用し、共振器と反射鏡間の導波路にキャリアを生成して屈折率を変化させることで反射光の位相を制御することで、ナノ共振器と導波路の結合Q値を変化させるという方法を利用している。本年度は、まず反射光の位相を様々な値に設定したときの現象について検討し、共振器への捕獲・放出の効率が位相により異なることを明らかにした。また、屈折率変化のために利用するキャリアによる光吸収についても検討を行い、特に共振器部分における吸収の影響が大きく、共振器部分に自由キャリアが生成されないように照射範囲を制御する必要があることがあることが明らかにした。

(B)に関しては、昨年度、導波路を光パルスが伝搬している最中に外部から制御光を照射して導波路の屈折率を変化させることにより、波長変換現象が確かに生じることを実証した。本年度は、波長変換現象の体系的な理解を目指した検討を行い、屈折率変化量と波長変換量が比例すること、群速度と波長変換効率が反比例することなどを明らかにした。本研究では、フォトニック結晶の特性を時間領域で動的制御することにより新しい学術分野の基礎を築くことを目指し、具体的な研究対象として、(A)光ナノ共振器のQ値の動的制御による光パルスの捕獲、保持および放出、(B)導波路モードの動的制御による光パルス制御の2点を設定している。(A)に関しては、平成21年度までは、共振器に隣接する導波路を一本とした構造において、捕獲・放出現象に関する詳細な検討を行ってきたが、平成22年度は、捕獲と放出を別のポートとするため、共振器近傍に二本の導波路を導入した構造について検討を行った。この系において、共振器とそれぞれの導波路との結合の強さを独立に制御することで、4psのパルスを共振器に最大で320ps以上保持可能なこと、さらに、任意のタイミングで出力用導波路に放出可能なことを示唆する結果を得ることに成功した。将来的には、これをアレイ化して更なる多機能化をもたせることも可能となると期待できる。(B)に関しては、平成21年度までに、導波路を光パルスが伝搬している最中に外部から制御光を照射して導波路の屈折率を変化させることにより、波長変換現象が生じることを実証した。平成22年度には、導波路近傍に、ナノ共振器を配置した系を形成し、動的波長変換動作を行うことにより、信号光と制御光のタイミングが一致するパルスのみを選択的に共振器に結合・放射させることが可能なことを示すことに成功した。これとあわせて、フォトニック結晶導波路のもつ分散関係を利用し、さらに新しい機能を生み出すことをも試みた。導波路の一部の屈折率を動的に変化すると、その部分が導波帯から禁制帯に変化するため、導波路中に瞬時に反射鏡を生成することが可能になるものと期待される。本研究では、この現象を利用して、フォトニック結晶導波路中に光パルスをそのまま閉じ込めることが可能になることを理論予測するとともに、その基礎実証、すなわち、動的反射鏡形成の実験的実証にも成功した。本研究では、フォトニック結晶の特性を時間領域で動的制御することにより、新しい光機能を創出するとともに、「フォトニック結晶ダイナミクス」とも呼ぶべき新しい学術分野の基礎を築くことを目指している。具体的には、A.光ナノ共振器のQ値の動的制御による光パルスの捕獲、保持および放出、B.導波路モードの動的制御による光パルス制御の2点を設定し研究を進めている。A.に関しては、Siフォトニック結晶中に導入したナノ共振器とそれに隣接する一列埋めの線欠陥導波路、導波路の片端に反射鏡を導入した構造を利用し、共振器と反射鏡間の導波路にキャリアを生成して屈折率を変化させることで反射光の位相を制御することで、ナノ共振器と導波路の結合Q値を変化させるという方法を利用している。昨年度までに、4psのパルスを高効率で捕獲・保持し、さらに、任意のタイミングで出力用導波路に放出可能なことを示す結果を得ることに成功したが、同時に屈折率変化に用いているキャリアにより光吸収が生じるため、光の保持寿命が短くなることが明らかになった。そこで、本年度はキャリア寿命が10psと短いGaAs系材料を用い、(i)あらかじめQ値を高くしておき、(ii)光が共振器に結合する直前に、自由キャリアを利用してQ値を低下させる。