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東京電機大学博士（工学）2022doctoral thesi

鈴木, 志歩

東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 181 号 氏 名 鈴木 志歩 
論文題目 動脈硬化症の早期診断のための網膜動脈内プラーク蓄積の数値シミュ
レーション 
  
本論文では網膜動脈に生じる動脈硬化のシミュレーションモデルを開発し，従来研究で
示されている心血管での動脈硬化シミュレーションと併用することで、心血管疾患を超早
期に診断可能とする技術の確立を目指す．本論文は全部で 6章からなっている． 
第 1 章は背景を述べた．血管疾患は大動脈瘤，大動脈解離など血管内でおこる疾患の総
称である．これらの疾患は重篤な結果を引き起こし，例えば脳血管で閉塞が発生すると脳
梗塞やくも膜下出血，心疾患での閉塞では急性心不全，心筋梗塞などを発症することにな
る．WHOの報告では世界で毎年 1790万人が心血管疾患で亡くなり，これは世界の全死亡者
の 32％を占めているといわれている．日本での死亡者数も，心疾患は第 2位，脳血管疾患
は第 4 位となっており，それぞれの死亡総数の 15.2％，8.2％を占めている．これらによ
る経済損失は甚大なものとなっており，脳血管疾患だけでも 6.6 兆円の経済負荷と試算さ
れている．動脈硬化症は重篤な心・脳血管疾患の前駆症状でもあり，その原因ともなって
いるため，早期に治療介入できれば，多くの層にアプローチすることができる．動脈硬化
症の最も頻度の高い形態はアテローム性動脈硬化症であり，主に大きな動脈にできる．ア
テローム性動脈硬化症の形成過程は炎症反応と内皮の損傷によるものだと考えられており，
これを模擬したシミュレーションモデルが研究されている． 
網膜動脈は非観血的に観察可能な動脈であり，心・脳血管疾患イベントとの関連が複数
の研究によって示唆されている．また眼科では高分解能な OCT をはじめ眼底カメラなどの
簡便な検査方法がある．これらのモダリティと未来の状態を予測できるシミュレーション
モデルを組み合わせて網膜動脈の状態から心血管疾患の発症時期の予測ができれば，超早
期に動脈硬化症への介入が可能となる． 
第２章では目的を述べた．超早期に動脈硬化症への治療介入を可能にする診断を画像診
断モダリティから得た情報で支援することを目指す．そのために画像診断モダリティから
取得した網膜動脈での動脈硬化がどのように進行するのか予測する手法を確立するのが本
研究の目的である．具体的には，先行研究を参考に，網膜動脈の動脈硬化シミュレーショ
ンを開発し，先行研究である冠状動脈等の心血管モデルとの比較を行い，モデル構築を行
うことである．また網膜動脈での動脈硬化の発生機序には不明な点が多いため，先行研究
の心血管モデルと比較し，動脈硬化の機序の違いを調べた．  
第３章では先行研究を参考に，網膜動脈における低密度リポ蛋白質（LDL）蓄積モデルを
開発し，冠動脈モデルとの比較を行った．実測された網膜動脈内血流速度と圧力をモデル
に設定したところ，本モデルで狭窄のない場所で壁せん断応力：6.4Pa，実測値 5.4±1.3Pa
と近い WSS が得られ，血流解析の妥当性が示された．また血液を非ニュートン流体として
扱うべきか検討したが今回のようなシンプルなモデルではほとんど影響がなかった．先行
研究の冠動脈モデルでは狭窄後に再循環帯が形成されたが，網膜動脈モデルでは形成され
なかった．これは前者のレイノルズ数が 76，後者が 0.0016 のため，本研究のモデルはス
トークス流になるためだと考えられる．速度分布の違いより WSS の分布も異なるため，内
皮の流入条件であるフラックスの計算に影響を及ぼした．その結果，網膜動脈モデルでは
LDL は内皮近くに広範囲に蓄積することが示された(上位 25％の濃度が狭窄前後，全体の
80％を占める)．このシミュレーション結果は，臨床で確認されている網膜動脈での銀線動
脈と呼ばれる広範囲に動脈硬化が広がる現象と整合する．今回得られた結果より，大動脈
のプラーク形成と網膜動脈のプラーク形成の違いが，血流動態の違いに基づくということ
が示された． 
第４章では前章でわかったことを踏まえ，先行研究を参考に，LDL，単球，酸化 LDL，サ
イトカイン，マクロファージ，泡沫細胞を連成して解析する網膜動脈モデルを開発した． 単
球は低 WSS の場所で高い濃度を示しこれは先行研究の invivo 実験での傾向(低 WSS の場所
で高い濃度)と整合した．動脈硬化疾患動物を用いた，網膜動脈での血管狭窄進行度と泡沫
細胞数の相関計測が実施できれば，その結果を本モデルに組み込むことで，プラーク蓄積
予測精度を向上させることができると考える． 
第５章では３章・４章の結果を踏まえてそれらの結果を合わせたうえで，考察を行った．
網膜モデルの方が画像診断モダリティの発達もあり，超早期に動脈硬化の兆候を把握する
ことが可能であることが示唆された．一方で内腔内の撮像はより高分解能の OCT が必要に
なる可能性が高いことが示唆された． 
第６章では結論を示す．網膜動脈での発症時期と心血管疾患イベントの発症時期を推定
する手法を確立するために，心血管モデルと網膜動脈モデルを同時に構築した．網膜動脈
に関する動脈硬化の程度と時間の関係を求めておき，眼底カメラ，OCT 等の検査結果と突
き合わせることで，網膜動脈での発症時期を推定することが可能となった．また網膜動脈
の動脈硬化が心血管などの大きな血管よりも早く徴候を捕捉することができるかどうか検
討し，網膜動脈の方が早期に兆候を捕捉できることが示唆された．シミュレーションモデ
ル構築により未来の病態は予測可能となったが，患者の行動変容につなげるためには，長
期間のシミュレーション検討が必要であると考えられる． 


Japanese

動脈硬化症の早期診断のための網膜動脈内プラーク蓄積の数値シミュレーション

石井, 聡

名嘉, 節

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21K-04 
課題名（和文） マイクロ波水熱成長させた酸化物薄膜の伝導キャリア制御 
課題名（英文） 
Control of conduction carriers in microwave-assisted hydrothermally grown oxide thin 
films 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部，理学系，准教授 
氏名 石井 聡 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
物質・材料研究機構，機能材料研究拠点，微粒子工学グループ，首席研究員 
氏名 名嘉 節 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
水熱合成した ZnGa2O4 のナノ粒子をバインダーに混合し，これを石英基板の表面にスピンコートし 500 ℃
～800 ℃で熱処理することで厚さ 5 µm の ZnGa2O4 薄膜を作製した．波長 254 nm の紫外線照射に対して発生
する光電流は，熱処理温度を高くすると増大した．原因として，熱処理温度が高くなるとエネルギーギャップ
が減少し伝導キャリア数が増加するとともに，結晶粒界における伝導キャリアの散乱が抑制された可能性が
考えられる．本成果から，光デバイス応用において熱処理温度を用いた伝導キャリア数の制御が期待できる． 
 
研究成果の概要（英文） 
The ZnGa2O4 thin-films with 5 µm thick were fabricated on quartz substrates by spin coating the mixture of 
hydrothermally synthesized ZnGa2O4 nanoparticles and binder and annealing those at 500-800 ℃. The photocurrent 
generated by UV irradiation at a wavelength of 254 nm increased with annealing temperature. This may be due to an 
increase in the number of conduction carriers by a decrease in the energy gap, as well as to suppression of the scattering 
of conduction carriers at grain boundaries, as the annealing temperature increases. From above, it is expected that the 
number of conduction carriers can be controlled by using the annealing temperature in future applications of ZnGa2O4 to 
optical devices. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
 
1.研究開始当初の背景 
PC やテレビ，スマートフォンといったあらゆる
電子機器の操作パネルでは，カラーディスプレイ
は欠かせない要素のひとつとなっている．これま
でに，高精細・省電力を目的としたディスプレイ
開発が進められ，一部は実用化されている．しか
し，現行のディスプレイで使用されている白色
LED の発光方式は，短波長 LED と蛍光体を組み
合わせたシングルチップ方式や，異なる色の LED
で構成するマルチチップ方式が主流である．こう
した従来の白色 LED では，蛍光体と LED にそれ
ぞれ別の母材量を用いているため，素子構造が複
雑化し，製造工程で排出される CO2による環境負
荷や高コスト化が問題となっている． 
 これに対して ZnGa2O4（以下，ZGO）は，ワイ
ドバンドギャップを有する半導体であり，紫外光
源への応用が可能である．さらに，最近になって
Ti をドープした ZGO で紫外励起による白色蛍光
が報告された（M. K. Lee et al., 2018）．したがって，
白色 LED の蛍光体と励起用 LED の両方で ZGO
は母材量として利用が期待できることから，ZGO
を用いた白色蛍光体の研究が積極的に進められ
ている． 
 しかしながら，一方で ZGO を用いた紫外 LED
の開発は進められていない．その理由として，既
に GaN を用いた LED が市場に普及していること
があげられる．しかし，上で述べたように LED を
単独の母材量で作製できるメリットを考慮すれ
ば，ZGO で白色蛍光体に加えて新たに紫外 LED
も開発する意義は大きい． 
 
2.研究の目的 
以上の背景を踏まえ本研究の目的は，ZGO を用
いた白色蛍光体励起用の紫外 LED の実現を目指
し，“マイクロ波水熱法を利用して ZGO 薄膜を作
製し，伝導キャリア数を制御すること“とした．
白色蛍光体だけでなく励起用の LED にも ZGO を
用いることで，構造を簡略化できるうえに鮮明で
高い発光効率を有する白色 LED が実現できる．将
来的には低コスト・低環境負荷での高精細・省電
力ディスプレイの生産へ展開する． 
 
3.研究の方法 
 はじめに，硫酸亜鉛水和物，硫酸ガリウム水和
物及び水酸化ナトリウムを混合した前駆体水溶
液を使用し，ZGO ナノ粒子を 200 ℃，10 時間，内
部圧力 1.2 MPa で水熱合成した．続いて，生成物
から抽出した粉末状の ZGO ナノ粒子をα－テル
ピネオーネとエチルセルロースを混合して作製
したバインダーに添加し，これをスピンコート
（5000 rpm, 30 s）で石英基板の表面に塗布した．
最後に電気炉を使用し大気中で基板を熱処理
（500～800 ℃）することで薄膜を形成した．ナノ
粒子の構造は透過型電子顕微鏡（TEM）で評価し，
薄膜の構造特性は走査型電子顕微鏡（SEM）及び
X 線回折（XRD）で評価した．光学特性は紫外可
視分光法（UV-Vis）で光学吸収端を評価した．ナ
ノ粒子の UV-Vis は，拡散反射スペクトルを測定
し，クベルカ-ミュンク変換して吸収係数を得た．
薄膜は透過率スペクトルを測定し，吸収係数に変
換した．また，電気特性は図 1 に構造を示すよう
に表面にくし型の Au 電極を作製し，UV 照射（254 
nm）に対する光電流と暗電流の電流-電圧特性（I-
V 特性）を測定することで，キャリア濃度の変化
を評価した． 
 
 
 
 
図 1 ZGO 薄膜の光電流測定とくし型電極． 
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東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
4.研究成果 
図 2 に水熱合成
後に抽出した生成
物の TEM 像を示
した．直径が約 10 
nm の微結晶状の
ナノ粒子が得れれ
た．また，石英基板
表面に作製した熱
処理後の薄膜の断面と表面の SEM 像をそれぞれ
図 3 に示した．薄膜の膜厚は約 5 µm あり，熱処
理温度が 500 ℃と 800 ℃の場合で表面構造に明確
な違いはなく，ともにナノ粒子は凝集しているこ
とが分かった． 
 ナノ粒子と熱処理後の薄膜の XRD スペクトル
を図 4 に示した．ナノ粒子と薄膜のスペクトルに
は ZGO のピークが観測されたことから，両方と
も ZGO であることを確認した．また，熱処理温
度を上昇させていくと，薄膜は 800 ℃まではナノ
粒子の構造を維持するが，900 ℃以上になると
ZnO が不純物相として析出した．そこで以下で
は，800 ℃以下で熱処理した単相の ZGO 薄膜につ
いて測定と解析を行った．XRD の(440)ピークか
ら，下のシェラーの式 
𝑡𝑡 =
0.9𝜆𝜆
𝐵𝐵 cos𝜃𝜃
(1) 
を用いて結晶子サイズを算出した．上式におい
て，t は結晶子サイズ，λは X の波長（1.5406 Å），
B は半値幅，θは回折角である．また，ブラッグの
式 
2𝑑𝑑 sin𝜃𝜃 = 𝑛𝑛𝜆𝜆 (2) 
を用いて n = 1 のときの格子面間隔 d を求めた．
その結果，図 5(a)に示すように結晶子サイズは熱
処理温度が 500 ℃から 800 ℃に高くなると約 90 
nm から約 170 nm に成長したのに対して，図 5（b）
に示したように面間隔はナノ粒子の状態から変
化しなかった．このことから，熱処理で ZGO 薄膜
のナノ粒子は粒成長するが，結晶構造は維持され
ることが分かった． 
 
図 2  ZGO ナノ粒子の
TEM 像． 
図 3 ZGO 薄膜の SEM 像．(a) 断面．
(b) 500 ℃の表面．(c) 800 ℃の表面． 
(b) 
(a) 
図 5 ZGO ナノ粒子と薄膜の(a) 結晶子サイズ， 
(b) (440)面の間隔． 
図 4 ZGO ナノ粒子と薄膜の XRD スペクトル． 
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総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
 図 6（a）に UV-Vis スペクトルから得た吸収係
数を使用して Tauc プロットをした．熱処理温度を
上げていくと吸収端がナノ粒子のときからシフ
トすることを確認した．挿入図に示すように，Tauc
プロットの吸収端付近における外挿線とエネル
ギー軸との交点からエネルギーギャップ（Eg）を
求め，図 6（b）に熱処理温度に対してプロットし
た．ナノ粒子と薄膜では吸収係数の算出方法が異
なるため一概には比較できないが，薄膜はおおよ
そナノ粒子の Egを維持していると考えられる．一
方，薄膜のみについて見れば，熱処理でEgは500 ℃
の 4.67 eV から 800 ℃では 4.55 eV へと減少する
ことが分かった． 
 ZGO 薄膜の光電流（IP）と暗電流（ID）の I－V
特性を図 7（a）に示した．254 nm の紫外線照射
に対して暗電流と比較して大きな光電流が発生
し，紫外線励起による伝導キャリアの生成を確認
した．図 7（a）に光電流の暗電流に対する比（IP/ID）
を示したように，熱処理温度とともに IP/IDが増加
した．この原因として，熱処理温度を上げると Eg
が減少するために［図 6（b）］，励起キャリアの数
が増加したことが考えられる．また，薄膜におい
て粒成長により結晶粒界が減少し，粒界でのキャ
リア捕獲や散乱が抑制されたことが考えられる． 
 以上より，本研究では水熱合成 ZGO ナノ粒子
特有の大きな Eg を維持した薄膜の作製を実証で
きた．また，薄膜化における熱処理温度により，
Eg の変化を介して伝導キャリア数を増加できる
ことが分かった．さらに，結晶粒のサイズを調整
することでも効果的に光電流の大きさが制御で
きる可能性を見出した．これらの成果は，今後，
高効率な LED 材料の開発だけでなく，波長が 250 
nm 以下の短波長紫外線であるソーラーブライン
ド光を対象とした光センサへも応用展開が期待
ができる． 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 ２件） 
① S. Ishii, S. Suzuki, C. Kang, M. Yoshida, T. 
Nakane, M. Nakayama, and T. Naka 
“Structural and optical properties of Zn-
deficient ZnGa2O4 nanoparticles 
hydrothermally synthesized at low 
temperature by rapid heating using 
microwaves” J. Mater. Sci.: Mater. Electron 
33 15254 (2022). 査読有 
(a) 
(b) 
図 6 ZGO ナノ粒子と薄膜の(a) Tauc プロット， 
(b) エネルギーギャップ． 
(a) 
(b) 
図 7 ZGO 薄膜の(a) 紫外線照射に対する I-V 
特性， (b) IP/IDと熱処理温度の関係． 
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東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
② T. Naka, T. Nakane, J. Valenta, H. Mamiya, 
S. Ishii, M. Nakayama, H. Abe, T. Togashi 
and T. Uchikoshi “Slow spin dynamics in a 
CoM2O4 A-site spinel (M=Al, Ga, and Rh)” 
J. Phys. Commun. 6 055001 (2022). 査読有 
 
〔学会発表〕（計 ５件） 
① 深作 和寿，相場 康平，大越 康晴，吉田 道
之，中根 茂行，名嘉 節，石井 聡“水熱合成
ZnGa2O4 ナノ粒子を用いた薄膜の作製と評
価”，第 70 回応用物理学会春季学術講演会，
2022 年，3 月，上智大学． 
② 相場 康平，深作 和寿，大越 康晴，中根 茂
行，名嘉  節，石井  聡“ゾル－ゲル合成
ZnGa2O4膜の発光特性に前駆体の pHが及ぼ
す影響”，第 70 回応用物理学会春季学術講演
会，2022 年，3 月，上智大学． 
③ Satoshi Ishii ”Effects on oxygen vacancies 
on physical properties in Zn-Ga spinel-type 
oxides”, The 2nd SLRI-TDU Symposium, 
November, 2022, Remote. 
④ S. Ishii, K. Aiba, K. Fukasaku, Y. Ohgoe, T. 
Nakane, T. Naka “Synthesis and 
characteristics of ZnGa2O4 polycrystallline 
films by sol-gel method using rapid 
heating”, Future Materials 2022, October, 
2022, Remote. 
⑤ 相場 康平，深作 和寿，中根 茂行，名嘉 節，
石井 聡“多結晶 ZnGa2O4膜のゾル－ゲル法
による作製と評価”，第 83 回応用物理学会秋
季学術講演会，2022 年，9 月，東北大学． 
 


マイクロ波水熱成長させた酸化物薄膜の伝導キャリア制御

鈴木, 隆之

北野, かれん

伊藤, 千尋

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22P-02 
課題名（和文） 高分子色素による pH モニタリング測定機器の試作 
課題名（英文） Preparation of prototypes to monitor pH with polymer dyes 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 応用化学科 教授 
氏名 鈴木隆之 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
大学院 工学研究科 物質工学専攻 修士課程 2 年 
氏名 北野 かれん 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
大学院 工学研究科 物質工学専攻 修士課程１年 
氏名 伊藤 千尋 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
大学院 工学研究科 物質工学専攻 修士課程１年 
氏名 國嶋 駿 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
我々は、pH変化に伴って可逆的に色変化する色素部位を高分子鎖に付与した高分子色素フィルムを開発した。
測定液を汚染しないという特徴を活かすため、医療関係や食料品関係の企業に試用してもらうことを目指して
いる。本研究期間で試作機 3 台を製作し、展示会およびいくつかの企業から使用を通じてフィードバックを実
施した。一方、測定器の防水処理について解決策を見いだすことにも成功した。 
 
研究成果の概要（英文） 
We have developed polymer-dye films with a dye moiety on the polymer chain that reversibly changes color 
as the pH changes. We aim to have companies in the medical and food industries through use of the film in 
order to take advantage of its feature of not contaminating the measuring solution. During this research 
period, three prototypes were prepared, and feedback was obtained from exhibitions and several companies 
through their use. On the other hand, we have prevented leaks to the measuring instruments. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
pH変化に伴って可逆的に色変化する色素は市販で
低分子の物質しかないため、測定水に浸漬したまま
の状態で連続的に色測定することはできない。電気
化学的手法ならば、間断ないモニタリングが可能で
あるが、校正の必要や KCl 溶出の測定液汚染など、
食品や医薬品などの分野での使用をためらわせてい
る。比色分析によるモニタリングが切望されている
所以である。 
 我々は、高分子色素(図１)を作製してこれらの課題
を克服している。また、色素を高分子化することで
低分子色素にはない特徴も見いだしている。既に基
礎レベルの知見は得られているため、実用面での課
題に取り組む段階にある。 
 
図 1 異なる pH で可逆的に色変化する高分子色素フィルム 
 
2.研究の目的 
本研究では、色変化を測定できる測定器に高分子
色素を実装させた試作機を作製して、連続的な pH
測定を必要とする企業に供給・利用してもらい、課
題抽出することを目的とした。当然のことながら、
企業によって測定したい pH域が異なる。この要望に
対して、我々は高分子色素フィルムの種類を酸性側
から塩基性側まで幅広く合成できるようになってい
る。しかしながら、要望を聞いてから合成するので
は時間がかかってしまうため、試作機だけでなく高
分子色素フィルムもある程度、事前に量産しておく
必要がある。大学研究室の小スケールな器具で合成
するのには時間がかかりすぎるため、この作業を有
機合成会社に委託合成してもらいフィルム作成に要
する時間を大幅に縮小することとした。さらに、作
成された高分子色素フィルムを短時間で性能チェッ
クし個体差が生じないようにするために、小型の測
色器を用いて簡易的に短時間で品質チェックを行う
ことにした。 
 
3.研究の方法 
 測定液の pH をセンシングする高分子色素フィル
ムの色素部分を 10 グラム委託合成した。色素は、中
性域をカバーするフタレイン系の分子で、これまで
の知見からワンステップでの合成に成功している。
この合成スキームで有機合成会社に合成委託しても
らった。ワンステップとはいえ、精製プロセスがあ
るため現行でも 1 グラムを得るのに 2 週間かかって
いる。小規模スケールで繰り返し合成しなくてはな
らない大学研究室でのプロセスを大幅に短縮化でき
た。高分子フィルムを装填した測色器を試作機(図
2)として３台製作した。精密機器の製作には大倉電
気株式会社の協力をいただいた。試作機で測定され
る色情報は CIE 色座標の色度点としてのみ得られる
ため、同時にスペクトル情報からのより精密な定量
情報を本研究で購入したポータブル分光光度計でも
測 定 し た 。 試 作 機 は INTERMEASURE 
(2022.9.15-16)、国際ナノテクノロジー総合展･技術
会議(nano tech 2023.2.1-2)などの展示会で披露し、
また順次、興味をもってくれた企業に試用してもら
った。 
 
図 2 高分子色素フィルムを実装した測色器 (試作機) 
 
4.研究成果 
 試作機の企業への供与によりフィードバックされ
た。例えば、広い pH 域の中で特に中性域の需要が
あり、食品及び医療系では顕著であった。我々が既
に合成できている当該高分子色素フィルムでは、中
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東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
性域からアルカリ性側、中性域から酸性側にわたる
ものから、中性域をはさんでアルカリ性と酸性域の
両側を測定できるものまである。これらのタイプで
ひととおりの需要に対して満足できることが明らか
になった。しかしながら、興味深いこととして、pH
測定自体とはかけ離れて、色調の好みが業界にはあ
り、同じ測定域でも異なる色調の高分子色素フィル
ムを用意する必要があることが認識できた。これは
ヒトの感覚的な問題に起因する。 
その他、特許出願に至るまでの以下の成果が得ら
れた。以下の出願内容①は本学の単独出願である。具
体的には、測定する場所や環境などに応じてその都
度、仕様を変えた機器を用意することはハードルが
高い。一般的な測定機器がどのような状況にも対応
できるような環境作りが切望されている。既報では、
pHを測定するために材料は測定水中に置き、その色
調変化を測定する測定機器も材料と一体となって測
定水に浸ける必要があった。よって、必然的に装置
には電気回路が水に接触しないような防水処置をし
ておくことが要求される。本発明では、pH変化を色
変化で示す色素を透明な基板の片面だけに固定さ
せ、反対面には様々な測定機器の測定部を直接設置
できるような pH測定キットを考案した。これより、
測定対象試料が水の場合、測定部に測定水を導く必
要がなくなり測定装置が測定水に触れることもなく
なる。防水処置を施さずに済むため、既存の色測定
装置がそのまま利用できるようになる。すなわち、
本発明は、測定対象と接触して色変更する呈色部と、
色測定装置で色計測する測定部と、をガラス板の異
なる側にそれぞれ配置することで、測定装置が測定
対象試料に触れることがなく、測定することができ
る、pH 測定キット、それを用いる pH 測定方法、及
び測定装置を提供することになる。さらに、呈色部
が、カラス基板の凹凸形状を有する側に配置するこ
とで、高感度の測定ができる pH測定キットにもなり
得る。出願内容としては、それを用いる pH測定方法、
及び測定装置を提供している。 
 
5.主な発表論文等 
〔特許出願〕（計 １件） 
① 鈴木隆之、國嶋駿、｢pH 測定キット、それを用
いる pH 測定方法、及び測定装置｣、特願
2023-036674、2023 年 3 月 9 日 
 
 
 
 


高分子色素によるpHモニタリング測定機器の試作

YOUNG, JULIO, CHRISTIAN

宍戸, 真

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22D-01 
課題名（和文） 人工知能を利用した日本人 ESL 学生向け語学学習アプリケーションの開発 
課題名（英文） 
Development of Artificial Intelligence-Based Language Learning Application for ESL 
Students in Japan 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科、情報通信メディア工学専攻 博士課程（後期） 
氏名 ヤング ジュリオ クリスティアン 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科、情報通信メディア工学専攻 教授 
氏名 宍戸 真 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
この研究で達成された貢献は2つある。どちらも、学生の英語学習支援におけるVOICE-ENABLED CHATBOT
の導入の成功に影響を与える技術に関連するものである。1 つ目の貢献は、TEXT-TO-SPEECH モデルである
Google WaveNet が短い会話で生成する音声の品質を評価することに関連している。評価プロセスは、WaveNet
モデルによって生成された音声を、ネイティブスピーカーによって生成された音声と質的にも量的にも比較す
ることによって行われた。定性的な測定は、生成された音声に基づくユーザーの知覚を測定することで行われ
た。また、定量的な測定は、それぞれの音声を使用した際の誤差の値を比較することで行った。 
第二の貢献は、学習者の発話を検出するための既存の SPEECH RECOGNITION モデルの一つである Vosk の
実現可能性評価に関するものである。この評価は、音読活動を通じてスピーキングスキルを練習するために、
学生から音声入力を受けることができる CHATBOT を開発することで行われた。音声認識モジュールの精度
は、参照テキストと学習者の書き取り結果を比較することで測定した。 
 
 
 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
研究成果の概要（英文） 
There are two contributions achieved in this research. Both contributions are related to technologies that 
affect the successful adoption of voice-enabled chatbots in helping students learn English. The first 
contribution is related to evaluating the quality of audio generated by the text-to-speech model, Google 
WaveNet, in short conversations. The evaluation process is conducted by comparing the audio produced by 
the WaveNet model with audio produced by native speakers both qualitatively and quantitatively. 
Qualitative measurement is conducted by measuring user perception based on the generated audio. Then, 
quantitative measurement is done by comparing the error values resulting from using each audio. 
On the other hand, our second contribution relates to the feasibility evaluation of Vosk as one of the 
existing speech recognition models for detecting international students' speech. The evaluation is done by 
developing a chatbot that can receive speech input from students to practice their speaking skills through 
read-a-loud activities. The speech recognition module's accuracy is measured by comparing reference texts 
and students' transcription results. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
In the last decade, the development of artificial 
intelligence technology has led researchers in the 
field of language education to adopt chatbot 
systems to assist language learning processes. By 
integrating speech recognition technology into 
chatbots (voice-enabled chatbots), researchers 
showed they could be utilized to help students 
practice their speaking skills. For language 
learning applications, the successful adoption of 
voice-enabled chatbots is undoubtedly influenced 
by how well the speech recognition (SR) module 
can recognize its users' speech input. Chatbots 
that cannot understand user voice input can 
decrease students' confidence, thus demotivating 
them in their second language learning journey. 
Although there is much research on adopting 
voice-enabled chatbots in language learning, 
research that focuses on measuring the 
appropriateness of existing speech recognition 
models still needs to be explored. Therefore, in 
this research, we measure Vosk as one of the 
existing speech recognition models to determine 
its appropriateness for language learning. 
Although there are other existing models, Vosk is 
chosen as it involves significantly low 
computational resources compared to other 
models with relatively similar performance. 
Unlike other computationally expensive models 
that often require an internet connection in the 
user's speech recognition process, such 
characteristics allow the Vosk model to realize an 
internet-free voice-enabled chatbot that can be 
accessed anytime and anywhere. 
In addition to the performance of the speech 
recognition module within it, the quality of the 
audio materials used in the chatbot also affects 
users' learning experiences. Ideally, a native 
speaker would be involved in creating audio 
materials to ensure their quality. However, this 
process would take a lot of time and resources. 
With the recent advancement of text-to-speech 
(TTS) technology that sounds increasingly 
natural, researchers are trying to use this 
technology to replace the involvement of native 
speakers. Although previous studies have shown 
that TTS technology can replace native speakers, 
research that compares the quality of the audio 
produced by it with that of a native speaker is still 
limited. Therefore, in this study, we aim to 
compare the audio quality produced by TTS and a 
native speaker. The TTS model chosen for the 
study is Google WaveNet TTS, which sounds more 
natural than other existing models. 
 
2.研究の目的 
First, we measure the appropriateness of Vosk 
as one of the existing speech recognition models 
for voice-enabled chatbot applications that help 
students practice their speaking skills. Secondly, 
we compare several qualities of TTS and native 
speakers' audio materials to ensure the suitability 
of replacing native speakers with TTS technology. 
 
3.研究の方法 
To measure the appropriateness of Vosk as one 
of the existing speech recognition models for 
voice-enabled chatbot applications, 
A) Build a chatbot to support students 
read-a-loud speaking practice with speech 
recognition functionality. 
B) Asked a group of students to use the 
application for a week and collect their 
resulting transcription while using the app. 
C) Measure the performance of speech 
recognition by calculating word error rate 
(WER) using collected transcriptions. 
D) Asked participants to fill-in a post-activity 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
questionnaire to collect their perspective 
towards the use of voice-enabled chatbot. 
E) Interpreting the result based on speech 
recognition’s resulting performance and 
collected data from the questionnaire. 
To measure the suitability of producing audio 
materials in an English learning chatbot with 
TTS technology, 
A) Sample a few lines of dialogue produced by 
native speakers in their textual and audio 
formats, then generate TTS audio based on 
each text. 
B) Ask the participants to hear the audio in 
random order, judge their qualities, and 
write a transcription based on each audio. 
C) Calculate the final average for each criterion 
per audio group, then calculate Word Error 
Rate based on the transcription results. 
D) Interpret the result to determine the 
appropriateness of TTS technology in 
voice-enabled chatbots for English learning. 
 
4.研究成果 
The appropriateness of the existing speech 
recognition models for voice-enabled chatbot 
applications - Most participants preferred to 
practice with the voice-enabled chatbot as they 
felt less restricted when practicing with the 
application and could learn at their own learning 
pace using the application. Moreover, the 
implementation of Vosk, as our speech recognition 
module of choice could achieve a reasonable 
recognition accuracy without the necessity of a 
data package and additional server as we use 
Cloud ASR. On average, Vosk could detect nine 
out of ten words pronounced by participants. 
The suitability of producing audio materials for 
English learning chatbot - According to the 
results, the samples created by the TTS system 
were rated significantly lower than the samples 
created by humans in each of the four speech 
quality categories. The results are similar to the 
findings in [2], where synthetic speech showed a 
lower favorable rating than human speech. 
However, when the natural aspect of listening is 
excluded, three of the four criteria for the TTS 
material get a near-perfect average rating (5.56 to 
5.65 out of 6.00). Additionally, the 
experimentation result on types of error and their 
occurrences in synthesized speech and 
human-produced audios indicate that WaveNet 
produced materials were easier to understand by 
participants. Through our experimentation, in a 
less-than-ideal situation where native speakers 
are difficult to find, we believe that WaveNet can 
be used to enrich the audio input of students. 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 2 件） 
① Young, J. C. & Shishido, M. "Evaluating 
WaveNet Synthetic Speech for English as 
Second Language Listening Activities," 2022 
Joint 12th International Conference on Soft 
Computing and Intelligent Systems and 23rd 
International Symposium on Advanced 
Intelligent Systems (SCIS&ISIS), Ise, Japan, 
2022, pp. 1-4. 
② Young, J.C. & Shishido, M. Evaluation of 
Offline Automated Speech Recognition for 
English as Second Language Learning 
Application. In Proceedings of EdMedia + 
Innovate Learning Online 2022 (pp. 19-25). 
 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① Young, J. C. & Shishido, M. "Evaluating 
WaveNet Synthetic Speech for English as 
Second Language Listening Activities," 2022 
Joint 12th International Conference on Soft 
Computing and Intelligent Systems and 23rd 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
International Symposium on Advanced 
Intelligent Systems (SCIS&ISIS), November, 
29th – December, 2nd 2022, Ise, Japan. 
② Young, J. C. & Shishido, M. Evaluation of 
Offline Automated Speech Recognition for 
English as Second Language Learning 
Application, “EdMedia + Innovate Learning 
Online”, November 1st – 3rd, 2022. 
 
 


English

Development of Artificial Intelligence-Based Language Learning Application for ESL Students in Japan

河原, 大

岩本, 大樹

⽩井, 智⼠

海瀬, 啓

中久喜, 丈一

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22E-03 
課題名（和文） 意匠性と低難易度製作を考慮した木造あらわし高性能耐力壁の開発 
課題名（英文） 
Development of High-Performance Wooden Load-Bearing Wall Considering Design 
and Low-Complexity Fabrication 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部建築学科 助教 
氏名 河原大 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学研究科建築学専攻（2022 年度） 修士課程 
氏名 岩本大樹 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学研究科建築学専攻（2022 年度） 修士課程 
氏名 ⽩井智⼠ 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学研究科建築学専攻 修士課程 
氏名 海瀬啓 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学研究科建築学専攻 修士課程 
氏名 中久喜丈一 
 
研究成果の概要（和文） 
一般的に木造の耐震壁は無開口で、空間を遮る存在である。建物の耐震性能を高めるために、壁の量を増や
すと、建築プランの自由度が低くなる。本研究では、デザイン性に考慮した、高度な加工技術や施工方法を必
要としない耐力壁の開発を行った。提案した木ブロックをフルスレッドビスで柱に留め付ける構成の耐力壁は、
1/10rad の変形角を超えても倒壊せず、非常に高い靱性能を示した。また、木ブロックの樹種や配置を変化さ
せる、意匠的な可能性を示した。 
 
研究成果の概要（英文） 
Generally, seismic walls in wooden structures separate spaces. If the quantity of walls is increased to 
improve the seismic performance of a structure, the degree of freedom in architectural planning is reduced. 
In this study, we developed a design-conscious bearing wall that does not require advanced fabrication 
techniques and construction methods. We proposed a wall composed of wooden blocks fastened to columns 
with full-threaded screws. The wall showed high toughness and did not collapse even when the 
deformation angle exceeded 1/10 rad. We also demonstrated the design possibilities of changing the species 
and arrangement of the blocks. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
 国内で古くから現存している社寺仏閣や民家など
は多くが木造建築である。当時は現代のような科学
技術が発展していなかったことから、製造や組み立
てに機械を用いず、人の手と大工道具のみで建てら
れてきた。長い歴史の中で構造的なクライテリアの
変遷や材料基準の制定、機械加工の技術向上など
様々な社会的背景の変化が見受けられるが、木造建
築に求められる本質的な構造特性は大きく変化して
いない。よってプレカット機械による建築部材の製
作自動化や、金物工法が主流となっている現代にお
いても、人の手による木造建築を維持していくこと
は可能であると考えられる。 
 一方、2010 年に「公共建築物等における木材の利
用の促進に関する法律」が定められ、中大規模木造
の促進という背景からも、近年の木造建築には従来
より高性能な耐力壁が求められている。一般的に、
高耐力な壁を計画する場合、相応の強度やサイズの
木質材料を用い、壁構面を固めた上、RC 基礎に金
物で緊結することで全体構造を成立させる。高性能
の解釈は、本質的には高剛性型のみでなく、高靱性
型ということも含まれており、図 1 のように構面の
性能を適度にコントロールすることで、特殊な柱脚
金物に頼ることなく、要求性能を満足できる可能性
もある。 
 
図 1 構面の剛性による変形概念 
 また、一般的に木造建築物における耐力壁は全面
が壁面となっており、空間や視線を遮る存在である。
建物全体の耐震性能を高めるために、視線を遮るよ
うな耐力壁を増やす構造計画は、建築プランの自由
度を下げることに直結する。一つの解決方法として、
耐力壁ではありながら、意匠性に優れた視線を通す
ような仕様の壁を内部空間に配置することが挙げら
れ、近年ではいくつか同様の実例報告 1)などもある。 
1) 篠宮雄大, 稲山正弘ほか：古民家における耐震改修に関する提案～高知県
宿毛市林邸改修計画を事例として, 日本建築学会大建築デザイン発表梗概集
（東北）, 2018.9. 
 
2.研究の目的 
先記した背景から本研究では、高度な加工技術や
施工方法を必要としない、意匠性に優れた、高性能
木造耐力壁の開発を目的とした。提案したデザイン
の耐力壁に対して、構造解析や構造実験を行う過程
で、実大実験によらない定量的な評価手法を検討す
ることで、同様な別パターンの耐力壁に対しても性
能予測が可能な方法を探った。高度な加工技術や施
工方法を必要としないことに対しての評価として、
学生の手で実際の施工を行い、最終的な精度を検討
した。 
 
3.研究の方法 
いくつかの研究目的が最適なバランスで達成され
ることを目指し、試行と検討を行った。構造解析に
よる簡易的構造性能予測を含め、いくつかのデザイ
ンを提案し、加工・施工方法を並行して検討した。
最も優れている案に対して、予備実験を行うことで
施工方針を固め、更なる構造解析の結果から実大試
験体仕様を決定し、実大実験の結果と構成の微調整
を繰り返し、最終的な成果を得た。 
具体的な手順は以下の通りである。 
①図 2 のように、主な軸組柱の間にいくつか間柱を
設け、その間をフルスレッドビスによって留め付
けた木質ブロックの配置によって、意匠に可変性
を持たせるコンセプトを提案した。 
②図 3 のような予備試験体を作成し、フルスレッド
ビスの打ち方をパラメータとし、構造性能と施工
難易度を検討した。 
③図 4,5 のような各部のバネを検討した構面構造解
析モデルにより、図 6 のような配置案に対して実
大試験体仕様を決定した。 
④図 7 のように実現した実大試験の結果から、細部
の微調整を行い、最終的な実大検証試験を行い、
構造性能を得た。 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
 
図 2 コンセプト概念図 
 
 
図 3 予備試験体概要（パラメータ：ビスの打ち方） 
 
 
図 4 材同士の接合部のモデル化 
 
 
図 5 木質ブロック接合部のモデル化 
 
 
図 6 ブロック配置案の検討 
 
図 7 検討実大実験 
4.研究成果 
実大検証実験の結果から得られた構造性能は、一
般的なクライテリアとしての木造建築物の限界変形
角を大きく超えても破壊しない、非常に高い靱性能
を発揮した（図 8,9）。また、図 10 のように意匠的
なシミュレーションを行い、提案した構造形式が有
する可変性を示した。達成した構造性能と意匠的な
可能性は、木質ブロックをビスで留め付ける程度の
施工難易度によって担保されている。 
 
図 8 検証実験における最終変形状態 
 
図 9 検証実験から得られた荷重-変形角関係 
 
図 10 ブロックの配置や樹種（色味）の検討 
 
 
 
木質ブロックを用いた意匠性および構造性能
に可変性を持たせた耐力壁の開発
木ブロックを任意の
位置に固定
フルスレッドビス
による固定
開口を用いた
抜けのある耐力壁
③通し貫接合部の回転剛性
②長ほぞ込み栓仕口の回転剛性
貫
①長ほぞ込み栓仕口の引抜剛性
＋ビスの引抜剛性
柱頭・柱脚
⑤　木のめり込み剛性
⑥　フルスレッドビスの
　　　　　　　引張剛性
⑦　フルスレッドビスの
　　　　　　せん断剛性
④　2Dエレメントによる
　　　　　　異方性材料
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
5.主な発表論文等 
海瀬啓、岩本大樹、白井智士、河原大：木質ブロッ
クによって意匠性および構造性能に可変性を持たせ
た耐力壁の開発, 木質構造研究会技術発表会 技術
報告集 Vol.26 pp.29-32, 2022.12. 
 


意匠性と低難易度製作を考慮した木造あらわし高性能耐力壁の開発

東京電機大学博士（工学）2023doctoral thesi

新井, 正樹

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 183 号 氏 名 新井 正樹 
論文題目 ベッド上の布電極による複数生体信号の非接触・同時計測と血圧関連
指標の連続推定 
  
近年，世界的に心不全患者数が増加しており，心不全パンデミックと呼ばれる状態に陥
っている。心不全は，悪化を繰り返し最終的に死に至る（5 年死亡率が約 50%）疾患であ
り，発症後の入院と死亡の回避が重要となる。悪化の兆候を早期に発見し，入院・死亡リ
スクを低減するには，患者の複数生体信号，特に心電図（ECG），平均血圧（MAP），体重，
呼吸（RESP）を日常的に計測することが有効であると考えられている。また，血圧関連指
標である心拍出力（CPO）と末梢血管抵抗（PVR）の日常計測も死亡リスクの低減に寄与
すると期待されている。しかしながら，一般的な ECG，MAP，RESP 計測では，センサと
皮膚の直接接触や拘束を伴う。また，CPO・PVR の計測では，患者への負担が大きく，専
用の装置・医師の技術が必要である。さらに，血圧サージの共振仮説では，様々な要因で
変動する血圧が共振することで生み出される大きな変動が心不全発症のトリガとなると考
えられている。この仮説の観点から，血圧を日常的に連続計測（理想は 1 拍ごと）するこ
とが望ましい。以上より，ECG，MAP，RESP を患者の日常生活を妨げない方法で，日常
的に連続計測することが望まれる。さらに，CPO と PVR も簡便な方法での計測が望ましい。
したがって，本論文では，ECG，MAP，RESP の非接触・無拘束・連続計測と簡便な方法
による CPO と PVR の連続推定を含む全 5 項目を満たすことが望ましいと考えた。しかし，
5 項目を満たす研究は行われていない。一方，ベッド上の布電極により容量性 ECG（cECG），
容量性心弾動図（cBCG），RESP を非接触・無拘束で連続計測できる手法が提案されている。
この手法を用いた踵システム（背部から cECG を，右踵部からの cBCG を同時計測）では，
血圧推定の可能性が報告された。しかし，RESP 計測や MAP，CPO，PVR の連続推定は行
われていない。また，同様の手法を背部に適用し，cECG，cBCG，RESP を非接触・無拘束・
連続計測できる一体型布電極システムが報告された。しかし，MAP，CPO，PVR の連続推
定は実施されていない。そこで，本論文では，ベッド上の布電極で計測された cECG と cBCG
を用いた相対 MAP の連続推定法を提案し，最終的に PVR と CPO の各相対値の連続推定の
可能性についても検討することで，全 5 項目を満たすことを目的とした。 
本論文は，全 5 章からなっている。 
 第 1 章では，本研究の背景と目的，本論文の構成について述べた。 
 第 2 章では，相対 MAP の推定式の導出と相対 MAP 推定法の概要について述べた。本研
 
究では，MAP の基本的な式（MAP は心拍出量と PVR の積で決定される）を基に，cECG
と cBCG から得られた 3 つの特徴量を用いて論理的に相対 MAP の推定式を導出した。3 つ
の特徴量として，cECG から心拍数を，cBCG から BCG 振幅を，cBCG と cECG から時間
差である脈動到達時間（PBAT）をそれぞれ算出した。本論文では，計測データ（1 名の 1
回の計測）内の 1 拍ごとの推定を目指すため，自由度に余裕を持たせながら 3 つの特徴量
と一回拍出量（一回拍出量と心拍数の積が心拍出量である）や PVR の関係を論理的に仮定
し，計測データごとの相対 MAP を 1 拍ごとに（連続）推定する方法を提案した。 
 第 3 章では，提案法の検証として，踵システムで計測された cECG と cBCG に提案法を
適用した。対象とした全 14 データ（7 名×2 回，80 秒間）は，PBAT が血圧との間で高い
相関（相関係数が 0.7 以上）を示すことが示唆されたが，一部のデータでは高い相関を示
さなかった。そこで，提案法の適用により全データで高い相関を示し，推定精度（相関係
数，RMSE: root mean square error，CI: 95%信頼区間）の向上を目的とした。そのため，PBAT
のみの推定（従来法）と提案法を推定精度の点で比較した。まず，学習区間の相関係数に
おいて，従来法は 14 データ中 10 データで高い相関を示した。一方で，提案法は全データ
で高い相関を示した。さらに，平均相関係数は従来法の 0.75±0.25 から提案法の 0.93±0.06
へ有意に向上した。また，平均 RMSE が 1.46±0.60 mmHg から 0.75±0.33 mmHg へ有意に
減少し，平均 CI が 5.73±2.32 mmHg から 2.96±1.29 mmHg へ有意に減少した。最後に，従
来法に比べて，提案法は，未学習区間の RMSE が 14 データ中 10 データで減少した。以上
より，提案法は，cECG を非接触・無拘束・連続計測できる踵システムに相対 MAP の連続
推定できる可能性を追加し，有用性を示した。しかし，5 項目を満たせていない。 
 第 4 章では，背部システム（先行研究を基に，一体型布電極システムを cBCG 計測向け
に改良）を構築し，cECG と cBCG，RESP の非接触・無拘束・連続計測を行った。さらに，
提案法の適用で相対 MAP の連続推定を目指した。背部システムでは，背部から RESP と
cBCG を同じ原理で計測しているため，cBCG 振幅の検出感度の低下が想定された。そこで，
提案法の BCG 振幅の項を一定と仮定し背部システムに適用した。さらに，相対 MAP の推
定式から 2 次的に PVR と CPO の各相対値の算出式を導出し，PVR と CPO の連続推定の可
能性についても検討した。構築した背部システムにより，cECG と cBCG，RESP を非接触・
無拘束・連続計測できることを確認した。さらに，相対 MAP の連続推定（120 秒間）では，
全被験者（7 名）が高い相関を示し，平均相関係数 0.84±0.09 を示した。さらに，平均 RMSE
が 1.58±0.15 mmHg であり，平均 CI が 6.05±0.54 mmHg を示した。また，PVR の相対値
と CPO の相対値のそれぞれが 7 名中 6 名で高い相関を示し，平均で 0.85±0.13と 0.84±0.13
と高い相関を示した。以上より，構築した背部システムと提案法により，cECG と RESP
の非接触・無拘束・連続計測が行え，血圧関連指標（MAP，PVR，CPO）を連続推定でき
る可能性を示唆した。以上，本論文は全 5 項目を満たす研究としての可能性を示唆した。 
 第 5 章では，本研究を総括するとともに今後の課題・展望について記述した。 


ベッド上の布電極による複数生体信号の非接触・同時計測と血圧関連指標の連続推定

チン, ヨウイ

走行環境に対する適応性に優れた変形車輪の設計開発

中島, 浩貴

小沼, 史彦

前田, 充洋

清水, 雅大

  Annual Report 
東京電機大学        The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022 No.42 Tokyo Denki University
課題番号 Q21K-03 
課題名（和文） 
技術の軍事化とコントロール――19 世紀末から 20 世紀初頭の技術の軍事的選
択規範の実証研究
課題名（英文） 
Technologization and Control of the Military: An Empirical Study of the Norms of 
Military Choice of Technology in the Late 19th and Early 20th Centuries 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
東京電機大学 理工学部 共通教育群 准教授
氏名 中島 浩貴
共同研究者
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
東京電機大学 理工学部 共通教育群 講師
氏名 小沼 史彦
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
大谷大学 文学部 講師
氏名 前田 充洋
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
帝京大学 経済学部 講師
氏名 清水 雅大
研究成果の概要（和文） 
本研究は、19 世紀末から 20 世紀初頭を中心とし、さまざまな技術が軍、軍人、企業によって取捨選択され
るなかで、軍事的用途に用いられるようになった状況を、軍事史、企業史、国際法を用いた学際的分析視覚か
ら研究した。どの軍事技術が実際に軍事目的に利用されるべきなのか、その取捨選択は技術自体にではなく、
選定者である軍人や軍組織、そして企業が行っていた。このヒューマンファクターによる技術の選択過程に着
目し、主に日本とドイツに注目することによって特定の技術が軍事目的で選別されていったのかを実証的に明
らかにした。
研究成果の概要（英文） 
This research focused on the period from the end of the 19th century to the beginning of the 20th century, 
and studied the situation in which various technologies came to be used for military purposes as they were 
discarded and selected by the military, military personnel, and corporations, from the perspective of 
interdisciplinary analysis using military history, corporate history, and international law. The selection of 
which military technologies should actually be used for military purposes was not made by the 
technologies themselves, but by the military personnel, military organizations, and companies that 
selected them. By focusing mainly on Japan and Germany, We were empirically clarify whether specific 
technologies were selected for military purposes.  
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022                No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
本研究は、19 世紀末から 20 世紀初頭を中心とし、さ
まざまな技術が軍、軍人、企業によって取捨選択される
なかで、軍事的用途に用いられるようになった状況を、
軍事史、企業史、国際法から明らかにすることを意図し
ていた。軍事技術が軍事目的に利用される取捨選択は
技術自体にではなく、選定者である軍人や軍組織、そし
て企業が行っている選択過程に着目し、主に日本とドイ
ツに注目した。 
2.研究の目的 
19 世紀中盤以降の戦争のなかで技術的進歩が戦争
の勝敗を左右する問題との認識は広く共有されていた。
政治家、軍人、企業家、文筆家のいずれも、新しい技術
を積極的に導入することの重要性を認識していた。本研
究の目的は、特定の技術が選択され、受容される背景、
もしくはその技術が拒絶される関連性を実証的に明らか
にすることである。まずは日本とドイツを中心として、
19 世紀以降の技術に関する認識がどのように移り
変わっていったのかに着目し、近代史、軍事史、技
術史、企業史、国際法の観点から、共同研究体制で
行った。 
3.研究の方法 
① 歴史学的観点から見た軍事技術の選択規範の提
示（研究代表者 中島浩貴） 
近年の科学技術社会論、ドイツの「新しい軍事史」の
方法論に着目することにより、個別実証的な事例研究に
よって技術の選択規範に関する新しい視点から戦争と
テクノロジーの問題を技術決定論に限定されない、社会
的に構築される過程を検討した。 
② 企業史的観点からの軍事技術の選択規範の提示 
（共同研究者 前田充洋） 
企業と軍の技術をめぐる相関関係を視野に入れるこ
とで、技術史に新しい視点を提示することができるという
観点に立ち、工学研究が軍事的な受容に応じて構築さ
れていった状況を検討した。 
③ 国際法的観点からの技術のコントロール規範の提
示（共同研究者 小沼史彦） 
国際法が軍事技術をさまざまな形でコントロールしよ
うとする過程に注目し、第一次世界大戦以前の軍事技
術に関する認識がどのように変化したのか、あるいはし
なかったのかを問うことで、この時代に限定されない軍
事技術の国際法的コントロールの可能性と限界、当時
の制約と現代との共通性を整理した。 
④ 日独間の軍事技術の輸入・移転に関する期待と
イメージ（共同研究者 清水雅大） 
技術先進国ドイツのイメージが日本側でどのようにし
て受け入れられ、論じられたのか、あるいはそのような状
況がおかれた背景にどのような社会的問題があったの
かについて分析した。テクノロジーへの期待が日独関係
においていかなる役割を果たしたのかを検討した。  
4.研究成果 
軍事的な技術選択、評価の過程において、他者と
の比較や技術への期待や願望といったヒューマンフ
ァクターが相当程度大きな役割を果たしていること
が個別研究のなかで実証できた。また、近代社会全
体を俯瞰するうえでも、本研究が広範な視座を提供
するものであり、今後は 19 世紀末から 20 世紀初頭
に限定されず、さらに時間軸を広げた研究の拡大を
予定している。 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① 中島浩貴「第一世界大戦前の航空機言説と軍事
的技術評価の形成」戦略研究, 戦略研究学会, 
2023/3/10, pp.3-19. 
〔学会発表〕（計 4 件） 
① 中島浩貴「第一次大戦前の軍事と技術」日本ク
ラウゼヴィッツ学会研究大会 , 2022/10/22, 
Zoom でのオンライン報告. 
② 前田充洋「オットー・ブッデと工学研究――
19-20 世紀転換期ドイツにおける技術職員とコ
マンド・テクノロジー」同上. 
③ 清水雅大「第二次世界大戦期の日本におけるド
イツ・イメージ：戦争と技術の観点から」同上. 
④ 小沼史彦・川西宗勝「兵器技術の進展と国際社
会の普遍化」国際法教育・普及研究会 , 
2023/3/19, Zoom でのオンライン報告. 
 


技術の軍事化とコントロール――19世紀末から20世紀初頭の技術の軍事的選択規範の実証研究

東, 孝文

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22J-04 
課題名（和文） 芸術創作活動における自己効力感に影響を与える要因の定量的分析に関する研究 
課題名（英文） Quantitative Analysis of Factors Affecting Self-Efficacy in Artistic Creation 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
システムデザイン工学部 デザイン工学科 助教 
氏名 東 孝文 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，芸術創作活動の中から切り絵制作，イラストのトレースに着目した．制作対象の難易度に応じ
て，制作する初心者と熟練者とのデバイスへの筆圧，利き手やその逆の手の指の動き，視線の動きを比較した．
その結果，初見では難しすぎることでエラーの多発する制作難易度に対し，どの程度の難易度での練習の経験
を積み重ねることで，効率的に自己効力感を高めることで，初心者が自身の手指の動きなどを制御し，制作に
没頭できるかを調査した． 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, I have focused on paper-cutting and tracing illustrations in artistic creation activities. I have 
compared the pen pressure on the device, finger movements of the dominant and non-dominant hands, and 
eye movements of beginners and experts according to the difficulty of the production target. As a result, I 
have investigated how efficiently self-efficacy can be enhanced by accumulating practice experience at a 
level of difficulty that initially causes many errors due to being too complicated, and whether beginners can 
control their finger movements and flow state themselves in production. 
 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
芸術創作活動を取り組む初心者を対象とし，制作
対象の難易度に応じて変化する自己効力感について
調査する研究である．自己効力感とは，心理学分野
における，ある結果を達成するために必要な行動を
自分が上手くできるかを予期する直観能力のことで
ある．申請者は芸術創作活動を中心に初心者支援に
ついて情報科学の観点から研究をしており，創作行
為を評価するため，動きや力加減，視線などの動作
のデータや創作対象が持つ難易度について定量的に
評価している．従来のアンケートやインタビュー分
析とパフォーマンスの関係を組み合わせることで，
制作難易度が与える制作者の自己効力感への影響に
ついて定量情報をもとに分析する． 
2.研究の目的 
  本研究の目的は，芸術創作活動する初心者が自己
効力感を持って取り組むために，(1)芸術創作活動に
おける自己効力感への適用，(2)創作行為及び創作難
易度による自己効力感への影響の定量化について明
らかとすることである．運動活動よりも緻密な動き
の多い芸術創作活動での自己効力感の適応可能性を
明らかとするとともに，従来のアンケートやインタ
ビューによる定性的評価に加えて定量化した動作デ
ータとの関係を調査することで，自己効力感に影響
を与える要因について明らかとする． 
3.研究の方法 
(1)について，これまでの自己効力感に関する研究
では，未経験な初心者と日常的に取り組む熟練者へ
アンケート分析により，自己効力感の違いについて
分析がなされている．自己効力感についての評価に
ついて，「行動の積極性」「失敗に対する不安」など
について 16 問のアンケート形式からなる一般性セ
ルフ・エフィカシー尺度がある．運動行動では，身
体の動作について成功体験のイメージ化や行動によ
る結果の予測につながる情報を伝えることで自己効
力感の向上を確認している．本研究では，芸術創作
活動について，初心者と熟練者が様々な難易度で創
作したときの自己効力感をアンケートとインタビュ
ーにより評価することで，運動活動と同様に芸術創
作活動についても適用可能であることを検証する． 
(2)について，これまでの自己効力感はインタビュ
ーやアンケート分析による作業終了後に作業時の心
理状態を評価している．自己効力感の強め方につい
ても多くの研究がなされており，「自身での遂行行動
の達成による成功体験」「他者を観察することによっ
て学ぶ代理的能力」が重要であることが分かってい
る．本研究では，従来のインタビューやアンケート
による評価と制作行為時の手指動作や視線情報，創
作対象が持つ難易度との関係性を評価することで，
自己効力感へ与える影響について検証する． 
4.研究成果 
  (1)について，切り絵制作，イラストのトレースに
ついて初心者と熟練者へ，一般性セルフ・エフィカ
シー尺度を用いて調査した結果，従来研究と同様に
初心者と熟練者との間に自己効力感の差を確認し
た．また，(2)について，制作対象の難易度に応じて，
デバイスへの筆圧，利き手やその逆の手の指の動き，
視線の動きを比較することで，初心者が落ち着いた
心理状態で制作するために，様々な難易度での練習
を積み上げることで，アンケートから自己効力感を
向上することができるかを確認した． 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① Takafumi Higashi: Retouching System for 
Novices to Ease Difficulty of Craft Design for 
Paper-cutting, Proc. of 2022 International 
Conference on Human-Computer Interaction 
(HCII2022), pp.205-216, 2022年 6月 26日, オ
ンライン 
② Takafumi Higashi: Improve User Experience 
by Adjusting Draft Design through 
Retouching System for Paper-cutting 
Production, ACM Creativity and Cognition 
(ACM C&C '22), pp.536-540, 2022 年 7 月 20
日, イタリア 
 


芸術創作活動における自己効力感に影響を与える要因の定量的分析に関する研究

宮﨑, 淳

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21K-02 
課題名（和文） 
シクロペンタジエニル希土類錯体の低次元凝集体構造制御―マトリックス・
光構造変換 
課題名（英文） 
Structure control of low aggregated cyclopentadienyl lanthanide complexes using 
matrix and light 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 自然科学系列 准教授 
氏名 宮﨑 淳 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
 
シクロペンタジエニル希土類錯体の低凝集体の構造安定性や反応性，物質特異性を明らかにするため，トリ
ス（シクロペンタジエニル）希土類錯体を低温基板上に捕捉してその構造に関する知見を得た。また，配位子
の電子状態について検討するため，複素環化合物であるイソチアゾールの低温アルゴンマトリックス単離試料
やシクロペンタジエンの固体パラ水素中での光反応性についても検討を行った。 
 
 
研究成果の概要（英文） 
 
In order to clarify the structural stabilities, reactivities, and properties of low-aggregated 
cyclopentadienyl lanthanide complexes, we measured infrared spectra of tris(cyclopentadienyl)lanthanide 
co-condensed with argon, and the matrix-isolated isothiazole and cyclopentadiene. Comparing with the 
spectral patterns before and after UV radiation, we obtained the new reaction route of cyclic molecules. 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
多くのランタイノイド (Ln) 錯体が特異な光磁気
物性を示すことが知られていて，その応用研究も盛
んである。シクロペンタジエニル (Cp) 配位子は，
結合様式の違いにより f 電子に特異な電子雲拡大効
果を及ぼすものと考えられるにも関わらず，Ln-Cp 
錯体の研究はあまり進んでいない。その理由は，従
来，通常の液相からの結晶成長では単一分子 LnCp3 
や低次元 Ln-Cp 系が系統的に得られなかった為で
ある。この理由として，LnCp3 が気相中の O2 や水
と激しく反応し，Cp 基に水素原子が付加したシク
ロペンタジエン (C5H6) への分解反応進行が考えら
れる。この状況を打破するには，非極性・無酸素下
で不活性な媒質を実現する必要があり，我々はその
ための方法論として，低温マトリックス アイソレー
ションに着目した研究を進め，赤外分光法・密度汎
関数法を用いて，低温マトリックス中では単一分子 
LnCp3 が存在することを初めて明らかにした。  
2.研究の目的 
本研究は，低温基板上に保持したシクロペンタジ
エニル希土類錯体に対して，紫外光ランプやレーザ
ー光ならびに，基板温度の昇温（アニーリング）に
より，新しい結合性を示す単一分子オリゴマー，お
よび，低次元 Ln-Cp 系を系統的に探索し，低次元
凝集体が有する特異的物性を明らかにすることを目
的としている。 
3.研究の方法 
真空容器内のコールドヘッド先端に保持した基板
を閉サイクル型 GM 冷凍機を用いて 4~20 K に冷
却して試料生成面とした。低温基板の正面に設置し
たハンドメイド型加熱炉を用いてトリス（シクロペ
ンタジエニル）希土類 (Ⅲ) 錯体 (LnCp3) を真空中
で昇華させ，アルゴンガスと同時に低温基板上に吹
き付ける事で凝集体試料を作成した。生成した試料
に真空容器の外から紫外光を照射し，照射前後の構
造変化を赤外分光吸収スペクトルと密度汎関数 
(DFT) 法によるスペクトルパターンを比較する事
で検討した。また，配位子の電子状態を検討するた
め，ガスライン中でマトリックスガス (Ar やパラ水
素) と環状化合物 (イソチアゾール，シクロペンタ
ジエン (Cpd) ) を混合して低温基板上に共凝縮す
る事で，環状化合物の低温マトリックス単離試料も
作成し，反応性の違いについて検討した。 
4.研究成果 
LnCp3 の種類を変えて実験を行ったところ，中心
金属の種類によらず，単一分子構造は全て
Ln(η5-Cp)3 をとる事が明らかとなった。また，赤外
吸収スペクトルの C–H 面外変角振動の吸収位置が
中心元素の原子番号が増大するにつれて低波数側に
シフトすることが明らかとなった。この傾向は，
DFT 法による理論計算の結果とも良い一致を示し
た。 
Cp 基の特異性を明らかにするために，複素 5 員
環であるイソチアゾールの低温マトリックス単離試
料に紫外光照射を行ったところ，異性体であるチア
ゾールへの骨格構造変換反応が進行した。また，Cpd 
を固体パラ水素中に単離して紫外光照射を行った際
には，照射波長を変化させることで単環から二環へ
の構造変化を伴う新規反応機構を明らかにした。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① Jun Miyazaki, “Photochemistry of isothiazole 
isolated in solid argon matrices”  
Conference on Chemistry and physics at Low 
Temperatures (CPLT2022)  
4th July 2022@VISEGRÁD, HUNGARY 
② 宮﨑 淳，“低温マトリックス単離したイソチア
ゾールの光化学反応生成物” 
第１６回分子科学討論会 2022 横浜 2022 年 9
月 19 日@慶應義塾大学矢上キャンパス 
③ 宮﨑 淳，Shin Yi Toh， Pavle Djuricanin，
百瀬孝昌，“低温アルゴンマトリックスおよび固
体パラ水素マトリックス中に単離したシクロペ
ンタジエンの光化学反応” 
第 22 回分子分光研究会 2022 年 11 月 12 日@
東京理科大学神楽坂キャンパス・森戸記念館 
 


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