Tokyo Denki University Repository (TDU) / 学術リポジトリ

椎葉, 究

田嶋, 奈々子

      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-01 
課題名（和文） VOC 汚染土壌の浄化用資材によるバイオレメディエーション 
課題名（英文） Bioremediation using bio-materials for remediation of VOC-contaminated soil 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部理工学科生命科学系 特定教授 
氏名 椎葉 究 
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） 
本文（９ポイント：明朝） 
 TCE（トリクロロエチレン）汚染土に減圧マイクロ波処理装置により生産した竹チップ（BP-2）を混合する
ことにより、TCE 汚染土中の分解菌を活性化させて TCE 汚染土における TCE とそれに続く DCE、VC への
分解も促進させ、VOC 汚染土の無害化を迅速に図ることができることを見出した。さらに、同チップから酵
素反応により竹から抽出した液体の竹抽出液（BX-3）を発明し、その資材を用いた VOC 分解トリータビリテ
ィーテストを行った結果、本発明品 BX-3 は、VOC 汚染土における VOC の分解を BP-2 より促進する材料で
ある結果が得られたので、本発明を特許化した。 
 
研究成果の概要（英文） 
Bamboo chips (BP-2) produced by vacuum microwave treatment were applied in the remediation of TCE 
(trichlorethylene) contaminated soil. It was found that the decomposition of TCE into DCE and VC in 
TCE-contaminated soil was also promoted. Furthermore, it was shown by a processing test that the liquid 
bamboo extract (BX-3) extracted from BP-2 by an enzymatic reaction accelerates the decomposition of TCE 
to VC more than BP-2. Therefore, we filed a patent application for the product of the present invention as 
a VOC decomposition accelerator for VOC-contaminated soil. 
      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 
VOC の中で最も汚染の被害が多い TCE（トリク
ロロエチレン）汚染土に竹チップを混合すること
により、TCE 汚染土中の分解菌を活性化させて
TCE 汚染土における TCE とそれに続く DCE、
VC への分解も促進させ、もって VOC 汚染土の無
害化を迅速に図ることができることを見出し、本
発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係
る分解促進材は、VOC 汚染土における VOC の分
解を促進する材料であって、竹チップを含有する
ことを特徴とする。また、本発明に係る VOC 汚
染土の浄化方法は、竹チップを含有する上記 VOC
分解促進材を用 いることを特徴とする。本発明
によれば、竹チップの新たな用途、より具体的に
は、VOC 汚染土における VOC 分の分 解を促進
させる VOC 分解促進材及びそれを用いた VOC
汚染土の浄化方法を提供することができる 。さ
らに、竹チップの代わりに、竹チップを減圧下で
マイクロ波を照射することにより、よりその浄化
効果を増強できる可能性を見出していた。 
 
2.研究の目的 
有機塩素化合物を含む汚染土壌のバイオレメデ
ィエーションによる浄化工事には、一般的には、
VOC バイオレメディエーション用資材として、ポ
リ乳酸やグルクロン酸など、化学合成品が用いら
れている。これらは VOC 分解活性を持つ微生物
の活性化（増殖促進効果）を引き起こす能力はあ
るが、易分解性であり、汚染土壌に投入した場合、
種々の微生物の活性化を引き起こし、異臭や地下
水汚染などの環境二次汚染を引き起こす可能性
がある。それに対して、竹から作られた浄化処理
剤は、天然の難分解性物質でありかつ選択的な脱
塩素反応酵素をもつ微生物のみを活性化する選
択性が強く、環境二次汚染を引き起こす可能性も
低く、経済性にすぐれるため、実用性は高いため、
その資材開発と効能試験と二次環境汚染のリス
クに対する安全性試験を行った。 
3.研究の方法 
１）製造条件の検討  
孟宗竹を減圧マイクロ波処理装置処理、植物細胞
崩壊酵素リアクターによる処理を行い、処理条件
の検討した。 
２）TCE 分解試験（トリータビリティーテスト） 
各種 TCA 汚染土に対して BP-2 および BX-3を重
量比 1%混合して、水分を 50％に調製。これを嫌
気状態にして醗酵（バイオレメディエーション処
理）させたときのトリクロロエチレン（ＴＣＥ）
濃度、ＴＣＥの分解物であるｃｉｓ－１，２－ジ
クロロエチレン（ＤＣＥ）濃度、さらにその分解
物である塩化ビニル（ＶＣ）の濃度のそれぞれを
ＧＣ－ＰＩＤ法により測定する。 
３）安全性試験（委託） 
・雌ラットを用いる急性経口毒性試験 
竹減圧マイクロ波処理繊維を検体として，雌ラッ
トを用いる急性経口毒性試験(限度試験)を行っ
た。2000 mg/kg の用量の検体を雌ラットに単回
経口投与し，14 日間観察を行った。 
・遺伝子突然変異誘発性試験 
竹食物繊維(BMF)のを調べる目的で，｢医薬品の
竹減圧マイクロ波処理繊維を検体として，，
Escherichiacoli WP2uvrA 及 び Salmonella 
typhimurium TA 系 4 菌株を用いてプレインキュ
ベーション法による復帰突然変異試験を実施し
た。検体について，313～5000 μg/プレートの用
量で試験を行った。 
 
4.研究成果 
１）製造条件の検討 
孟宗竹採取→稈部を選別→粉砕機による粉砕→
下記条件による減圧マイクロ波処理装置処理→
（BP-2 製造）→植物細胞崩壊酵素リアクターによ
る処理→（BX-3 製造）プロセスの製造条件を検討
し、最適条件を得た（ノウハウとして登録した）。 
２）トリータビリティーテスト 
TCE 汚染土 30g（TCE 濃度約 3ppm 含有する
土壌：以下汚染土とする）に竹エキス BX-3（1％
溶液）または減圧マイクロ波処理した竹チップ
      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                     
 
（BP-2 ）を以下の比率で混合し、水１００ｍｌ
入れて嫌気状態にして発酵（バイオレメディエー
ション処理）した時の、TCE 濃度、TCE の分解
生成物である cis1,2-DCE、またその分解生成物
ある VC、（TCE，cis1,2-DCE,VC はいずれも 
VOC の一種である）の濃度を GC-PID 法により
測定し、バイオレメディエーション中の濃度変化
を経時的に測定した結果を図 1 に示した。 
 実験区 
対象区 汚染土（VOC 濃度約 3ppm）のみ 
試験区 1 汚染土＋竹エキス 1％ 
比較区 1 汚染土＋竹チップマイクロ波処理 1％ 
 
 
 
 
対象区と比較して、試験区 1 は、TCE の分解と
それに続く DCE, VC への分解が促進されてい
る。一方、減圧マイクロ波処理した竹チップは対
照区と比較して分解が促進されているものの、試
験区ほど分解は進んでいない。よって、本発明品
が特に化学変換を促進していることがわかった。 
３）安全性試験（委託） 
・雌ラットを用いる急性経口毒性試験 
2000 mg/kg の用量の BP-2 を雌ラットに単回経
口投与し，14 日間観察を行った。その結果，観察
期間中に異常及び死亡例は認められなかった。以
上のことから，ラットを用いる単回経口投与にお
いて，検体の LD50 値は，雌では 2000 mg/kg を
超えるものと評価された 
・遺伝子突然変異誘発性試験 
BP-2 について，313～5000 μg/プレートの用量
で試験を行った。その結果，復帰変異コロニー数
の増加は認められなかった。以上のことから，検
体の遺伝子突然変異誘発性は，陰性と結論した。 
 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔特許作成〕（計１件） 
① 汚染土壌の浄化方法、並びにそれに用いる浄
化促進剤およびその製造方法  
特願 2023-045424 
本件に関する研究論文については、特許作成を優
先したため、未だ発表していません。 
 
 
対照区 
試験区 1 
比較区 1 


Japanese

VOC汚染土壌の浄化用資材によるバイオレメディエーション

西谷内, 博美

ニシヤウチ, ヒロミ

NISHIYAUCHI, Hiromi

Transition of the University Writing Education in Japan ―Product, Process, and de-Academia―

今野, 紀子

コンノ, ノリコ

KONNO, Noriko

 
特別支援教育における教育課程と生徒理解 
 
今 野 紀 子＊ 
 
 
Curriculum and Student Understanding in Special Needs Education  
 
KONNO Noriko＊ 
 
キーワード：特別支援教育，教育課程，生徒理解，障害者権利条約，インクルーシブ教育 
 
 
 
１．はじめに 
  
今年 8 月，国連障害者権利委員会による障害者権
利条約の対日審査が行われ，日本の特別支援教育に
対し，障害のある児童生徒が通常学級から隔離され
ている状態に懸念を示す勧告がなされた 1）。「障害
者の権利に関する条約（障害者権利条約）」2）は 2006
年に国連総会において採択され，我が国は 2007 に
同条約に署名，2014 年に批准した。同条約は，「全
ての障害者によるあらゆる人権及び基本的自由の
完全かつ平等な享有を促進し、保護し、及び確保す
ること並びに障害者の固有の尊厳の尊重を促進す
ることを目的」とし，いわゆる合理的配慮や，イン
クルーシブ教育システム等の理念を提唱する内容
となっている。 
国連障害者権利委員会からは，文部科学省が
2022 年 4 月に出した「特別支援学級及び通級によ
る指導の適切な運用について（通知）」3）の『特別
支援学級に在籍している児童生徒については，原則
として週の授業時数の半分以上を目安として特別
支援学級において児童生徒の一人一人の障害の状
態や特性及び心身の発達の段階等に応じた授業を
行うこと』の箇所が問題視され，撤回が求められた。
つまり特別支援学級の児童生徒は在学時間の半分
以上を通常学級で過ごさないようにするといった 
 
隔離が懸念されたのである。その他，障害を持つ学
生に対する合理的配慮の提供が不十分であること，
通常学級の教員の特別支援教育のスキル不足とイ
ンクルーシブ教育に対する否定的な態度，高等教育
における障害のある学生の障壁に対処する国の包
括的な政策の欠如等も指摘された。これら国連障害
者権利委員会の勧告には拘束力はないが，締結国は
尊重することが求められている。 
本研究ノートでは，我が国の特別支援教育の教育
課程のあり方，教員養成段階の大学教職課程で文部
科学省が求める特別支援教育に係るカリキュラム，
教職課程履修学生の特別支援を要する生徒理解に
対する意識を交えながら，特別支援教育における教
育課程と生徒理解の現状と課題について検討する。 
 
２．特別支援教育の教育課程 
 
 2017 年に特別支援学校幼稚部教育要領，小学部・
中学部学習指導要領 4），2019 年に特別支援学校高
等部学習指導要領 5）の改訂が行われた。今回の改訂
の基本的考え方としては，初等中等教育全体の改
善・充実の方向性の重視，障害のある子供たちの学
びの場の柔軟な選択を踏まえて小・中・高等学校の
教育課程との連続性を重視，障害の重度・重複化・
多様化への対応と卒業後の自立と社会参加に向け
た充実が挙げられる。特別支援学校では，幼稚園，
＊システムデザイン工学部人間科学系列教授 Professor, Department of Humanities, Social and Health Sciences, School of System Design and Technology 
101東京電機大学総合文化研究　第20号　2022年
小学校，中学校，高等学校に準ずる教育を行うとと
もに，障害に基づく種々の困難を改善・克服するた
めに，「自立活動」という特別な指導領域が設けら
れている。また，子どもの障害の状態等に応じた弾
力的な教育課程が編成できるようになっている。特
別支援学級は，基本的には小学校・中学校の学習指
導要領に沿って教育が行われるが，子どもの実態に
応じて，特別支援学校の学習指導要領を参考として
特別の教育課程も編成できるようになっている。通
級による指導は，障害の状態に応じた特別の指導
（自立活動の指導等）を特別の指導の場（通級指導
教室）で行うことから，通常の学級の教育課程に加
え，又はその一部に替えた特別の教育課程を編成す
ることができるようになっている。通常の学級に在
籍する障害のある子どもについては，その実態に応
じ，指導内容や指導方法を工夫することとされてい
る。 
 
3．教職課程における特別支援教育 
 
中央教育審議会「これからの学校教育を担う教員
の資質能力の向上について～学び合い，高め合う教
員養成コミュニティの構築に向けて（答申）」6）に
おいて，教員養成に関する改革の具体的な方向性の
提言がなされ，2019 年から新教職課程が開始され
た。その際に，教育の基礎的理解に関する科目群に
「特別の支援を必要とする幼児，児童及び生徒に対
する理解」が新設された。本学では，科目名「特別
支援教育」として設置した。教職課程を編成するに
あたり，文部科学省が求める指針である教職課程コ
アカリキュラム（コアカリ）7）では，「特別支援教
育」で学生が修得すべき資質能力について，『通常
の学級にも在籍している発達障害や軽度知的障害
をはじめとする様々な障害等により特別の支援を
必要とする幼児，児童及び生徒が授業において学習
活動に参加している実感・達成感をもちながら学び，
生きる力を身に付けていくことができるよう，幼児，
児童及び生徒の学習上又は生活上の困難を理解し，
個別の教育的ニーズに対して，他の教員や関係機関
と連携しながら組織的に対応していくために必要
な知識や支援方法を理解する』と示され，全体目標
に明記している。コアカリでは，この全体目標を達
成するための 3 つの項目が設定されている。（1）特
別の支援を必要とする幼児，児童及び生徒の理解，
（2）特別の支援を必要とする幼児，児童及び生徒
の教育課程及び支援の方法，（3）障害はないが特別
の教育的ニーズのある幼児，児童及び生徒の把握や
支援である。 
（1）特別の支援を必要とする幼児，児童及び生
徒の理解の一般目標は，『特別の支援を必要とする
幼児，児童及び生徒の障害の特性及び心身の発達を
理解する』であり，学生の到達目標は，①インクル
ーシブ教育システムを含めた特別支援教育に関す
る制度の理念や仕組みを理解している，②発達障害
や軽度知的障害をはじめとする特別の支援を必要
とする幼児，児童及び生徒の心身の発達，心理的特
性及び学習の過程を理解している，③視覚障害・聴
覚障害・知的障害・肢体不自由・病弱等を含む様々
な障害のある幼児，児童及び生徒の学習上又は生活
上の困難について基礎的な知識を身に付けている，
の 3 点となっている。 
（2）特別の支援を必要とする幼児，児童及び生
徒の教育課程及び支援の方法では，一般目標は『特
別の支援を必要とする幼児，児童及び生徒に対する
教育過程や支援の方法を理解する』であり，学生の
到達目標は，①発達障害や軽度知的障害をはじめと
する特別の支援を必要とする幼児，児童及び生徒に
対する支援の方法について例示することができる，
②「通級による指導」及び「自立活動」の教育課程
上の位置付けと内容を理解している，③特別支援教
育に関する教育課程の枠組みを踏まえ，個別の指導
計画及び個別の教育支援計画を作成する意義と方
法を理解している，④特別支援教育コーディネータ
ー，関係機関・家庭と連携しながら支援体制を構築
することの必要性を理解している，の 4 点となって
いる。 
（3）障害はないが特別の教育的ニーズのある幼
児，児童及び生徒の把握や支援では，一般目標は『障
害はないが特別の教育的ニーズのある幼児，児童及
び生徒の学習上又は生活上の困難とその対応を理
解する』であり，学生の到達目標は，①母国語や貧
困の問題等により特別の教育的ニーズのある幼児，
児童及び生徒の学習上又は生活上の困難や組織的
な対応の必要性を理解している，となっている。 
Bulletin of Tokyo Denki University. Arts and Sciences No.20 2022102
本学教職課程においてもコアカリに準拠した編
成を行っている。 
 
4．特別支援を要する生徒に対する理解 
 
本学では，「特別支援教育」の配当学年は 2 年生，
配当期は前期（1 単位）であり，集中講義を行って
いる。本年度，「特別支援教育」を履修している学
生（57 名）を対象に，特別支援を要する生徒に対
する理解についての調査を行った。その内容は，「全
ての学びの場において，障害のある生徒と障害のな
い生徒が共に学ぶ取組みのために，相互の理解は欠
かせない。障害のある生徒に対する理解に必要な具
体的方法についての考えを述べよ。」である。なお，
回答は自由記述形式のため，複数回答も含まれる。
（ ）は，回答者数の％を示す。 
 
1.知識として障害について学ぶ（59.6％）。 
講演・研修を受ける，障害者による体験談や視聴
覚教材で学ぶ，道徳等の授業で扱う。 
2.特別の支援を要する生徒等と実際に接し，コミュ
ニケーションをとる（42.1％）。 
 交流体験・共同学習，日常的に同じクラスで学ぶ，
オープンな学習環境をつくる，障害者施設訪問する。 
3.相手の身になり考え行動する機会を設ける
（29.8％）。 
 障害の疑似体験，相手にペースを合わせる，相手
に寄り添ったサポートを考え行う。 
4.どのような合理的配慮があるのか学習する
（21.1％）。 
5.日常のバリアフリー設備を充実させる（17.5％）。 
 誰でも利用できる施設を充実させることでとも
に暮らしやすい状態をつくる，バリアフリーやユニ
バーサルデザインについて考えさせる。 
6.多様性を理解し，受容していく（15.8％）。 
 障害を一括りにしない，授業の中で多様性を学ば
せる，多様な学びの場について理解させる。 
7.お互いを尊重する姿勢を持つ（15.8％）。 
 お互いを身近な存在として感じさせる工夫，社会
的にも障害者雇用を促進させることによって共に
働く仲間としてお互いを尊重する機会を増やす。 
その他の意見として，ボランティア活動（8.8％），
お互いのコミュニケーション方法を学ぶ（3.5％），
保護者や地域と連携し様々な場面で特別支援教育
を考える（1.8％）があった。 
 
小・中学校や特別支援学校等の学習指導要領等で
も交流及び共同学習を積極的に推進することの必
要性が記載されているが，障害のある生徒を考慮す
るあまり，障害のない生徒への対応がおろそかにさ
れた実体験や，共同学習の際にはあらかじめお互い
の接し方を事前に学習させることが大切である，と
いった意見もあった。 
 
5．インクルーシブ教育推進のために 
 
文部科学省が，「特別支援学級及び通級による指
導の適切な運用について（通知）」で，『原則として
週の授業時数の半分以上を目安として特別支援学
級において児童生徒の一人一人の障害の状態や特
性及び心身の発達の段階等に応じた授業を行うこ
と』と通知した背景には，特別支援学級在籍児童生
徒数の割合が高い 10 の 都道府県及び政令指定都
市を対象にした調査結果で，特別支援学級に在籍す
る児童生徒が大半の時間を交流及び共同学習とし
て通常の学級で学んでおり，特別支援学級において
障害の状態や特性及び心身の発達の段階等に応じ
た指導を十分に受けていないケースの存在が挙げ
られる。文部科学省としては，『一人一人の教育的
ニーズに最も的確に応える指導を提供できるよう，
多様で柔軟な仕組みを整備することが重要』との見
地から，この対応は，隔離ではなくインクルーシブ
教育を推進するための方策であるとの認識を示し
ている。 
ここで問題になるのが国連障害者権利委員会と
の認識の齟齬である。国連障害者権利委員会側は，
通常学級においても，障害のある児童生徒を含め一
人一人の教育的ニーズに的確に応える指導を提供
できるように，質の高いインクルーシブ教育を整備
すべきであるとしている。そのために，インクルー
シブ教育について，通常学級の教員および教育関係
者に対して研修を確実に行い，障害者の人権モデル
についての認識を高めることを日本の教育に要請
している。 
103東京電機大学総合文化研究　第20号　2022年
一方，我が国の「令和の日本型学校教育」の考え
方 8）は，通常の学級，通級による指導，特別支援学
級，特別支援学校といった，連続性のある多様な学
びの場の一層の充実・整備を着実に進めていく方向
である。実は，ここでも問題がある。令和 2 年度時
点，特別支援学校の教員の特別支援学校教諭免許状
保有率は 84.9％になっている 9）。本来ならば特別
支援学校の教員は，幼稚園，小学校，中学校又は高
等学校の教諭免許状に加え、特別支援学校教諭免許
状を有していなければならないが，教育職員免許法
附則第 15 項の規定 10）により，当分の間，特別支援
学校教諭の免許状を有していなくても特別支援学
校の教員になれることとされているからである。特
別支援学級担任や通級による指導を担当する教員
については、特別支援学校教諭免許状を有すること
等の法令上の規定はなく，同調査では，特別支援学
級（小・中学校）担当教員で小・中学校教諭免許状
に加え特別支援学校教諭免許状を保有している割
合は 31.2％であった。そこで，文部科学省は，特別
支援教育を担う教師の専門性の向上を図ることを
急務とし，①全ての教師に求められる特別支援教育
に関する専門性，②特別支援学級、通級による指導
を担当する教師に求められる特別支援教育に関す
る専門性，③特別支援学校の教師に求められる専門
性に分け，教員の資質能力を向上させる取組みの検
討を進めている。 
 
6．今後の課題 
 
インクルーシブ教育システムの理念を構築し，特
別支援教育を進展させていくために，教員の資質能
力や専門性の向上は欠かせない。通常学級の教員も
特別支援教育の重要性は認識しているが，実際のと
ころ，これ以上の負担は耐えられないと感じている
教員は少なくないのではないだろうか。多忙極まる
学校現場において，特別支援教育に関する専門性の
担保に要する具体的かつ実践的研修や対応にかか
る時間をどのように確保していくのかの検討もあ
わせて行われるすべきである。教育実習を体験した
学生の中には，予想以上の教員の仕事の多さ，多忙
さに驚き，教員になりたくないと感じた学生もいた。
授業，部活動の指導に加え，新型コロナウイルス感
染症対策のための指導や対応，生徒の心のケアや保
護者対応等で教員の多忙化に更に拍車がかかって
いる現実を目の当たりにし，教職を断念する学生も
少なくないと思われる。多様化に対応する教育によ
り，教員に求められるものが増えていくばかりの状
況で，教員の長時間勤務による疲弊をどのように改
善していくのかが，現実的には喫緊の課題であろう。
すべての教員が腰を据えて一人一人の教育的ニー
ズに的確に応える指導を提供できるよう，まずは学
校における働き方改革の推進，環境整備が求められ
る。 
 
参考文献 等 
 
1）「特別支援教育『中止は考えていない』永岡文科省，国連勧告
で表明」，教育新聞，2022 年 9 月 13 日 
2）外務省（2014）障害者の権利に関する条約・和文 
3）文部科学省（2022）「特別支援学級及び通級による指導の適
切な運用について（通知）」 
4）文部科学省（2017）特別支援学校幼稚部教育要領，小学部・
中学部学習指導要領 
5）文部科学省（2019）特別支援学校高等部学習指導要領 
6）中央教育審議会（2015）「これからの学校教育を担う教員の
資質能力の向上について～学び合い，高め合う教員養成コミュ
ニティの構築に向けて（答申）」 
7）文部科学省 教職課程コアカリキュラムの在り方に関する検
討会（2017）「教職課程コアカリキュラム」 
8）中央教育審議会（2021）「『令和の日本型学校教育』の構築を
目指して～全ての子供たちの可能性を引き出す，個別最適な学
びと，協働的な学びの実現～（答申）」 
9）文部科学省 特別支援教育を担う教師の養成の在り方等に関
する検討会議（2022）「特別支援教育を担う教師の養成の在り方
等に関する検討状況について」（第 6 回）配布資料 
10）教育職員免許法（昭和 24 年法律第 147 号）附則第 15 項 
 
 
 
Bulletin of Tokyo Denki University. Arts and Sciences No.20 2022104


Curriculum and Student Understanding in Special Needs Education

釜道, 紀浩

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20T-01 
課題名（和文） 摩擦特性を考慮した蠕動運動型ロボットの運動制御 
課題名（英文） Motion control of peristaltic mobile robot with considering friction property 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部 ロボット・メカトロニクス学科 教授 
氏名 釜道 紀浩 
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） 
ミミズの動作を規範にした蠕動運動型ロボットは、連なった体節ユニットの伸張・収縮動作を後方へ伝播さ
せることで、路面との間に摩擦力を発生し、その摩擦力の合力を推進力として移動を実現している。蠕動運動
は摩擦力を利用した移動様式であることから、路面との間に生じる摩擦力の変化によって運動特性が変動する。
本研究では、路面環境の摩擦特性や負荷が変化する状況においても効率的に移動を実現するための方法を検証
した。ロボットの運動状態を検出して、運動パターンを切り替えることで、滑りを抑制した適応的動作が実現
可能であることを確認した。 
 
研究成果の概要（英文） 
A peristaltic mobile robot inspired from the motion of the earthworm can locomote by traveling 
expanding motions of segmented body units. The driving force of the peristaltic motion is generated by 
frictional forces acting between the ground and contact body segments. Therefore, the motion is affected by 
the friction characteristics and motion pattern of each segment. In this research, we aim to realize 
adaptive motion in response to changes of friction characteristics or external load. The adaptive motion 
with reducing the slippage was realized by detecting the robot’s motion and switching the motion patterns. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
蠕動運動はミミズの移動や人間の消化管の動きに
見られる運動である。筋肉の伸張・収縮動作を後方
へ伝播させることで進行波を生成し，自身を移動さ
せたり、物体を移動させたりすることができる。体
の断面が入る隙間があれば動作できるため、とくに
細い空間での移動に適している。ロボット開発にお
いて、生物の形態や機能を工学的に観察し、設計に
取り入れるバイオロボティクスが注目されている
が、ミミズの運動様式である蠕動運動を利用した移
動ロボットも、配管内や狭い空間内の点検、探索な
どへの適用を目指して研究・開発が行われている。 
蠕動運動は環境との間に発生する摩擦力を利用し
た移動様式である。環境との間に生じる摩擦力は、
摩擦係数の変化などの路面状況や、ロボットの質量
分布、運動パターンによっても変化する。そのため、
それら要因によってロボットの移動量や移動効率が
大きく変化する。これまでに行ってきた数値解析や
実験により、摩擦が減少する状況や、物体を押した
り牽引したりするなどの外力が加わる状況では、動
作パターンしだいで路面との間に滑りが発生し、移
動量や移動効率の低下を招くことが明らかになって
いる。 
先行研究で実現されている蠕動運動ロボットの実
機システムは、多くの場合一定の動きを繰り返すの
みであり、不整地や細い配管内を運動する際に、理
論通りの移動を実現できていない。とくに探索や検
査のための自律ロボットとして利用するためには、
限られたエネルギー源で長時間稼動できることが望
ましく、滑ることなく滑らかに推進することが求め
られる。エネルギー効率に優れた移動を実現するた
めには、路面環境の変化や外部からの負荷の有無に
応じて、運動パターンを切り替え、速度低下するこ
となく前進するように制御することが重要である。 
 
2.研究の目的 
本研究では、上記背景のもと、路面環境の摩擦特
性や負荷が変化する状況において、蠕動運動ロボッ
トを効率的に移動させる運動制御の実現を目的とす
る。これまでの研究において構築してきたモデリン
グ方法と運動パターン生成法、およびセンサ情報に
基づく制御法を組み合わせて、運動制御法を構築し、
実験により有用性を検証する。 
 
3.研究の方法 
(1) 実機開発 
路面状況に応じて動作パターンを変化させること
を想定し、各体節ユニットを個別に制御できる実機
システムを設計・製作する。RC サーボモータを搭載
したユニットが、ラック＆ピニオン機構でフレキラ
ック上を移動する構造を採用する。 
(2) 計測系構築 
ロボットに搭載したセンサにより、ロボットの推
進状態、とくに滑りの有無を検出する。具体的には、
ロボットの先頭ユニットに設置した加速度センサ
（KXSD9-2050）を用いる。フィルタリングした加
速度信号を数値積分して移動量を算出し、動作制御
に用いる。 
(3) 運動制御 
後方の体節に生じる摩擦力に比べて、前方の体節
に生じる摩擦力が小さい場合、すなわち、滑りやす
い環境に進入した場合は、滑りが大きくなり移動量
の低下が顕著になる。本研究では、理想的な一定の
摩擦環境と滑りが生じやすい不均一な摩擦環境それ
ぞれに対して適した入力パターンをあらかじめ設定
し、計測系により検出した移動量から滑りの有無を
検出し、動作パターンを切り替える。 
まず、あらかじめ同定した摩擦モデルを用いて、
それぞれの条件下で動作パターンを生成する。動作
パターン生成には、各体節の伸長速度を入力とする
動力学モデルと、メタヒューリスティック最適化方
法の一つである Particle Swarm Optimization
（PSO）アルゴリズムを用いる。具体的には、まず
入力パターンをベジェ曲線で定義し、最適化のため
の評価関数を 1 周期あたりの移動量とする。そして，
各体節の伸長量の上限を設定し，評価関数を最大化
する曲線のパラメータを探索することで、入力パタ
ーンを生成する。 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
動作切り替えには、算出した入力周期ごとの移動
距離を用いる。滑りが発生しないときの平均移動距
離の半分を閾値に設定し、閾値以下になったときに
低摩擦条件で導出した滑りを抑制する入力パターン
に切り替える。また、滑りが回避されたときには、
高摩擦条件で導出した通常の動作パターンに切り替
える。 
 
4.研究成果 
本研究で設計・製作した蠕動運動ロボットを図 1
に示す。先頭ユニットに搭載した加速度センサを用
いて、動作状態を観測し、運動パターンの切替制御
を行う。 
動力学モデルと数値最適化法によって導出した動
作パターンを図 2、3 に示す。理想条件である均一な
摩擦環境と、滑りやすい条件である前方が低摩擦の
環境でそれぞれ入力パターンを生成した。 
実機検証では初期位置を高摩擦領域（マット）と
し、50 mm 先の地点で低摩擦領域（紙）に切り替わ
り、再度 300 mm 先の地点で高摩擦領域（マット）
に切り替わる環境を設定した。 
図 4 に実験結果を示す。図 4(a)が周期的入力パタ
ーンを与え場合の結果であり、図 4(b)が提案方法で
生成した入力パターンをセンサ情報に基づいて切り
替えた結果である。周期的入力パターンの場合は、
高摩擦と低摩擦の両領域にまたがっているときに、
滑りが生じて大幅に時間が経過していることがわか
る。一方、センサ情報に基づき入力パターンを切り
替えた図 4(b)の場合は。一時的に移動速度が低下す
るものの、滑りを回避していることがわかる。  
これらの結果から、摩擦環境に応じて入力パター
ンを切り替えることで、蠕動運動型ロボットの移動
距離向上が実現できることが確認できた。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 杉山翼, 釜道紀浩, 「路面環境に適応した蠕動運
動型ロボットの運動制御」, 日本機械学会ロボ
ット・メカトロニクス講演会 , 2P1-E08, 
2021.6.8 
② 秋葉智貴, 釜道紀浩, 「数値最適化による蠕動運
動型ロボットの方向転換動作生成」, 日本機械
学会ロボット・メカトロニクス講演会, 2A1-I17, 
2021.6.8 
図 1 蠕動運動ロボット 
 
(a) 入力パターン   (b) 移動軌跡 
図 2 入力パターンの生成結果（均一な摩擦環境）  
 
(a) 入力パターン   (b) 移動軌跡 
図 3 入力パターンの生成結果（前方低摩擦）  
 
(a) 入力パターン一定の場合 
 
(b) 動作パターン切替制御適用の場合 
図 4 蠕動運動ロボットの実験結果 


摩擦特性を考慮した蠕動運動型ロボットの運動制御

足立, 直也

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21P-01 
課題名（和文） 非自己組織化π-共役オリゴマーの合成と発光色制御 
課題名（英文） 
Controlled of Emission Colors and Synthesis of non Self-organized π-Conjugated 
Oligomers 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部、理工学科・理学系、准教授 
氏名 足立直也 
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） 
今回、新たに酸・塩基性ガスの両方を検出可能な液体性の共役系化合物を創出することができた。次に、酸・
塩基性ガス認識について調査を行ったところ、薄膜状態において緑色蛍光であったが、酸性ガス中に曝すと黄
色蛍光に、塩基性ガス中に曝すと青色蛍光へと変化した。さらに、目視下においても酸性ガス中では濃い黄色
薄膜に、塩基性ガス中では透明な薄膜へと変化することが分かった。また、しばらく静置するともとの薄膜色
にもどったため、繰り返し特性を有していることが分かった。そのため、合成した共役系化合物が目視下、紫
外線照射下のどちらでも酸性ガス・塩基性ガスを検出できることが明らかとなった。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we developed chemical sensors for acid and base gasses based on conjugated oligomers with 
tris pentafluorophenyl borane(PFPh). We synthesized new conjugated oligomer (OPV-PFPh) with PFPh 
and investigated by fluorescence measurement for acid/base gasses chemical sensors. The fluorescence 
spectrum of OPV-PFPh was changed from 505 nm to 510 or 490 nm by addition of acid/base gasses. This 
change is due to the PFPh moiety of OPV-PFPh captured of H+ treatment of acid gas or released of PFPh 
moiety treatment of base gas. These results suggested that the synthesized OPV-PFPh is turn-on type 
fluorescence chemical sensors for acid/base gasses. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
既存のガスセンサーは、そのほとんどが半導体型の
センサーであるため、対象となるガスを重量もしく
は抵抗値の変化で検出することができ、警告音で有
害ガスの存在を知らせてくれる。既存のガスセンサ
ーは高感度ではあるが、耳の不自由な方は十分な恩
恵を得ることができない。有害ガスの存在を視覚で
確認することができれば、既存のガスセンサーでは
補えない耳の不自由な方や電源のない屋外への設置
など様々な場面に適用できるため、競合することな
く新規なガスセンサーとして活用できると考えた。 
2.研究の目的 
しかしながら、本技術のガス分子認識能を持つ共
役系有機化合物は、ガス濃度の検出限界や定量化に
課題を残している。また、多段階の合成反応を必要
とし、収率の低いカップリング反応を経て合成でき
る。そのため、現状では一度に数百 mgしか合成でき
ない。そこで、ガス濃度の定量化および共役系有機
化合物の低コスト化および収率の向上を目的として
研究を行った。実用化を念頭に置いた時、ガス濃度
の定量化、合成時間・収率の向上・合成経路の最適
化などは、必要不可欠であると考える。これらのこ
とから本研究では、液体性の共役系有機化合物をガ
スセンサーとして実用化するために、ガス濃度の定
量化、および低コスト化を目指して研究を行う。 
3.研究の方法 
 
Scheme 1. Synthesis of OPV-TFPh 
3,4-dihydoroxybenzaldehyde を出発原料に用い
て、長鎖アルキル基を Williamson 反応により導入
した 2 を合成した。次に、2,6-dimethylpyridine の
メチル基を臭素化後、トリフェニルホスフィンを反
応させてリンイリド 1 を合成した。合成した 1 と 2
から Wittig 反応を行い OPV を合成した。さらに、
OPV のピリジン環にトリスペンタフルオロフェニ
ルボランを配位させて OPV-TFPh を合成した。 
 合成した OPV-TFPh をガラスまたはセルロース
基板上に塗布し、酸性・塩基性ガス認識能について
蛍光スペクトル測定と目視観察により検討した。 
4.研究成果 
合成した OPV-TFPh は、一回あたり 250 mg と前
回の結果（150 mg）から向上できた。これは、複雑
なカップリング反応や官能基の保護・脱保護を行わ
ず合成でき、最後に導入する TFPh がほぼ 100%の
収率で導入できたことも大きな要因である。 
 次に OPV-TFPh の酸性・塩基性ガス認識能につい
て検討を行った。スピンコート法により作成した薄
膜の蛍光スペクトルを測定したところ、505 nm に
蛍光ピークが見られ緑色の蛍光色を示した。塩酸ガ
ス中に曝したところ、510 nm に蛍光ピークがシフ
トし黄色の蛍光色へと変化した。次にアンモニアガ
ス中に曝した結果、490 nm に蛍光ピークがシフト
し青色の蛍光色へと変化した。さらに、セルロース
上に作成した薄膜については、目視下で酸性ガスに
曝すと薄膜が濃い黄色に、塩基性ガスに曝すと薄膜
が透明に変化し、この変化は繰り返し確認できた。
ガス濃度の定量化について検討したところ、アンモ
ニアガス・塩酸ガスのどちらに対しても約 10 ppm
で薄膜の色が変化することが確認できた。 
これらの結果から、OPV-TFPh が酸・塩酸ガスを
目視下でも繰り返し検出可能なガス認識材料である
ことが明らかになった。また、合成の最適化から収
率の向上、ガスの定量化も一定の成果が得られた。 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
足立直也 「目視型匂いセンサを可能とする有機蛍
光体」クリーンテクノロジー2022 年 4 月号 
査読無 
〔特許出願〕（計 1 件） 
足立直也「化合物、並びにそれを用いた酸及び塩基
感応型のガスセンサ材料、発光材料及び酸塩基指示
薬」特願 2022-012473 


非自己組織化π-共役オリゴマーの合成と発光色制御

ルスリ, アンドレ

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           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21D-01 
課題名（和文） 半教師ありデータ拡張を用いたオープンソース英日ニューラル機械翻訳モデルの開発 
課題名（英文） 
Development of an Open-Source Japanese-English Neural Machine Translation 
Model with Semi-Supervised Learning 
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 ルスリ アンドレ 
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） 
本研究では、主に 2 つの研究成果を提案している。一つ目は、半教師の環境でバックトランスレーションと
Transformers モデルに基づく multi-head attention モデルを用いて学習した複数の日英ニューラル翻訳モデ
ル（NMT）の翻訳性能に関する実験報告である。まず、一般に公開されている 2 つの日英並列コーパス（JESC
と JParaCrawl）を用いてモデルを学習し、それに加え、Business Scene Dialogue（BSD）コーパスから会
話文を含む並列データセットを用いて fine-tuning を行った。BSD コーパスを用いた学習では、オリジナル
のデータに加え、その逆翻訳データも使用した。二つ目は、日本語の翻訳において特に困難とされる anaphoric 
zero-pronoun を含む翻訳性能を評価するための specialized dataset の構築を支援するツールを開発した。そ
の結果、いくつかのモデルは BLEU スコアで良好な結果を示したものの、anaphoric zero-pronoun を解決す
ることは依然として困難なタスクであることが証明された。特に日本語の文章を翻訳する際に、NMT モデル
の性能を評価する際に、specialized dataset の重要性を示唆している。さらに、アノテーションされた zero-
pronoun データセットを用い、XLM-R という事前学習した多言語モデルを fine-tuning し、parallel dataset
に anaphoric zero-pronoun 現象が含まれているかどうかを認識する分類モデルを学習した。このモデルは、
本研究で開発した支援ツールを用いてアノテーションを行う際に、人間のアノテーターを支援するのに有用
であると考えられる。 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
研究成果の概要（英文） 
In this research, we provide two main contributions. The first contribution is an experimental report of 
the translation performance of several Japanese-English neural translation models (NMT) trained in a 
semi-supervised setting using back-translation and a multi-head attention model based on the 
Transformers model. The model is initially trained using two publicly available Japanese-English parallel 
corpora (JESC and JParaCrawl), then fine-tuned using a parallel dataset containing conversational 
sentences from the Business Scene Dialogue (BSD) corpus. When training using the BSD corpus, we used 
the original dataset, plus its back-translated version. Our second contribution is that we developed a 
support tool for building a specialized set to evaluate translation performance containing anaphoric-zero 
pronoun which is especially challenging in translating sentences written in Japanese. The results show 
that even though some models seem to perform well in BLEU score on a parallel dataset, resolving 
anaphoric zero-pronoun is still a difficult task. This implies the importance to have a specialized set when 
evaluating the performance of NMT models, especially in translating Japanese sentences. Additionally, 
using the annotated zero-pronoun dataset and fine-tuning the XLM-R pre-trained multilingual model, we 
trained a classification model to recognize whether a parallel sentence contains the anaphoric zero-
pronoun phenomenon or not. This model can be helpful to assist human annotators when annotating using 
the support tool developed in our research. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
深層機械学習分野の進歩のおかげで、 自然言
語を処理するコンピュー ターの能力は、 近年大
幅に向上している。その中でも急速に成長してい
る分野の 1 つは、 ニューラル機械翻訳(NMT)で
ある。しかし、 深層機械学習を活用して NMT モ
デルを開発するには、多くのラベル付きデータが
必要だ。手動でラベル付けされた多くのデータを
収集する労力を最小限 に抑えるために、半教師
ありデータ拡張を活用することが考えられる。デ
ータ拡張方法の 1 つは、逆翻訳という手法である。
基本的には、 ターゲット言語のコーパスを別の
言語に翻訳してから、それをまた元の言語に翻訳
して、意味は似ているが内容が少し異なるコーパ
スを取得することで機能できる。ただし、これを
使うことによって日英の NMT モデルはどれだけ
の精度で会話を通訳ことができるかを明確する
には実験が必要である。なぜなら、日本語では特
殊な言語現象が様々でそのうちの一つは
anaphoric zero-pronoun という現象である。最後
に、モデルやツールに開発することによって日英
の L2 言語学習を支援するための翻訳モデルの有
用性の見通しが得られると考慮される。 
 
2.研究の目的 
まず、日本語を処理するための NLP ツールを
研究する。さらに、最適の日英 NMT モデルを学
習するための方法を調べ、精度を評価し比較す
る。オープンアクセスの parallel dataset や
Transformers の結構や SentencePiece やバック
トランスレーションなどという日英 NMT モデル
を学習するための手法やリソースを考慮し、モデ
ルの生成と実験を行う。それらに加え、日英モデ
ルを構築するために、日本語特殊の現象を研究
し、解決方法を探す。 
 
3.研究の方法 
(1)日本語を処理するための解析ツールやトーク
ナイザーを研究 
(2)半教師データ拡張手法を考慮し、実装 
(3)日英 NMT モデルを学習し、精度の評価と比較 
(4)Anaphoric zero-pronoun の評価データセット
を構築するための支援ツールを開発し、データ
アノテーションを行う 
(5)構築した Zero-pronoun データセットを使って
NMTの評価に zero-pronoun現象の重要性を考
慮 
 
4.研究成果 
大きく分けて、本研究の成果は２つある。一つ
目は、半教師の環境でバックトランスレーション
と Transformers モデルに基づく multi-head 
attention モデルを用いて学習した複数の日英ニ
ューラル翻訳モデル（NMT）の翻訳性能に関する
実験報告である。まず、一般に公開されている 2
つの日英並列コーパス（JESC と JParaCrawl）
を用いてモデルを学習し、それに加え、Business 
Scene Dialogue（BSD）コーパスから会話文を含
む並列データセットを用いて fine-tuning を行っ
た。BSD コーパスを用いた学習では、オリジナル
のデータに加え、その逆翻訳データも使用した。
二つ目は、日本語の翻訳において特に困難とされ
る anaphoric zero-pronoun を含む翻訳性能を評
価するための specialized datasetの構築を支援す
るツールを開発した。その結果、いくつかのモデ
ルは BLEU スコアで良好な結果を示したものの、
anaphoric zero-pronoun を解決することは依然
として困難なタスクであることが証明された。特
に日本語の文章を翻訳する際に、NMT モデルの
性能を評価する際に、specialized dataset の重要
性を示唆している。さらに、アノテーションされ
た zero-pronoun データセットを用い、XLM-R と
いう事前学習した多言語モデルを fine-tuningし、
parallel dataset に anaphoric zero-pronoun 現象
が含まれているかどうかを認識する分類モデル
を学習した。このモデルは、本研究で開発した支
援ツールを用いてアノテーションを行う際に、人
間のアノテーターを支援するのに有用であると
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
考えられる。 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 2 件） 
① Rusli, A. & Shishido, M. “Zero-Pronoun 
Annotation Support Tool for the Evaluation 
of Machine Translation on Conversational 
Texts”, 会誌「自然言語処理」Vol. 29 no. 2 
(June 2022) オンライン 
– accepted, to be published 
② Rusli, A. & Shishido, M. “Utilizing Natural 
Language Processing to Develop an 
Interactive Web Platform for Practicing 
Text-based Conversational English as a 
Foreign Language”, The 10th European 
Conference on Language Learning 
(ECLL2022), September 2022. オンライン 
– accepted, to be published 
 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① Rusli, A. & Shishido, M. “On the 
Applicability of Zero-Shot Cross-Lingual 
Transfer Learning for Sentiment 
Classification in Distant Language Pairs”, 
言語処理学会第 28 回年次大会 (NLP2022), 
March 2022,オンライン 
 
② Rusli, A. & Shishido, M. “Utilizing Natural 
Language Processing to Develop an 
Interactive Web Platform for Practicing 
Text-based Conversational English as a 
Foreign Language”, The 10th European 
Conference on Language Learning 
(ECLL2022), July 2022,オンライン  
– accepted, to be presented 
 
                                                      
 
 


半教師ありデータ拡張を用いたオープンソース英日ニューラル機械翻訳モデルの開発

佐々木, 元気

五十嵐, 洋

イガラシ, ヒロシ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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課題番号 Q21D-03 
課題名（和文） 複数の評価関数をもつ人間インタラクションモデルの生成 
課題名（英文） Generate the Human Interaction Model including Multiple Evaluation Function 
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電気電子システム工学専攻 
氏名 佐々木元気 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部電子システム工学科 教授 
氏名 五十嵐洋 
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，人間インタラクションの理解及び人間－ロボット間の協調作業支援を行うため，物理的な人間ど
うしのインタラクションを人間の操作情報から数値的に解明・モデル化し，個人差を考慮した人間インタラク
ションの物理的な力覚アシスト手法を確立することを目的とした．本研究ではまず，力のインタラクションを
伴う協調作業の構築を行うため，加速度制御系によるマルチラテラル制御インタフェースと制御設計を行っ
た．また，協調作業を作業者へ提示するために，頭・手・指のトラッキングが可能な仮想環境の構築を行った．
また，機械学習環境を構築し，作業者の操作をモデル化した． 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, the physical Human-Human Interaction is numerical analyzed and modeled by operation 
data of humans to assist to Human-Robot cooperation and comprehend a human interaction. This study 
proposes the method of physical force assisting using machine learning to human interaction considering 
personal. In this study, we first designed a multilateral control interface and control method to construct 
a cooperative task with force interaction. In addition, to present the cooperative task to the operator, we 
constructed a virtual environment that enables tracking of the head, hands, and fingers. A machine 
learning environment was also constructed to model the operator's operations. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
 人間は運搬作業やスポーツなど人間どうしの
インタラクション（Human-Human Interaction: 
HHI）が作用する際に，無意識的に他者と協調す
る．特に物理的な人間どうしのインタラクション
（Physical HHI: pHHI）領域において発揮される
協調特性の解明は，インタラクションの理解にお
ける学際的「問い」について貢献可能である．こ
れまでの pHHIを解明する研究における協調作業
は，作業者間をバネやダンパによるダイナミクス
によって仮想的に接続し，一つの目標に向かって
協調して操作対象を近づけるタスクであった． 
2.研究の目的 
これまでの研究で得られた成果は，操作対象を
目標へ近づけるタスクのみ有効であり限定的な
インタラクションといえ，また，個人差も考慮さ
れていない．これより，以下の点を解決する必要
があった． 
① タスク依存性をもった特定の協調作業にお
ける pHHIの解析及びモデルの作成が限定的
インタラクションとなっている点． 
② 作業者すべての作業結果を平均した解析を
解析及びモデル作成に用いており，個人差の
考慮が十分ではなかった点． 
そこで，本研究では目標に操作対象を近づける
協調作業以外にも適用可能な汎用性のあるアシ
スト手法の確立を目的として，操作意図を考慮し
た協調技能のモデル生成を行う． 
3.研究の方法 
協調技能のモデル生成には非線形で複雑な人
間の変化をモデル化する必要がある．これまでの
研究の中で NNによる人間の操作特性をリアルタ
イムに予測するモデルの生成に成功している．こ
こで，人間の操作は大脳皮質で生成される意図に
よって決定されるが，タスクの実行，相手の入力
の予測，相手への認知など，操作意図は複数の評
価関数によって生み出される． 
本研究では，人間が操作を行うための根源的な
操作意図に着目し，評価関数を複数持つ NN
（Multiple Evaluation Function-NN: MEF-NN）
による協調技能の予測モデルの生成を試みる．本
研究では，従来の操作対象を目標へ近づけるタス
クに加え，作業相手を優先したタスク，作業相手
の変化によるタスクを行い，力入力から NN によ
ってモデル化する．そして，各モデルを統合する
ため，MEF-NN によって操作意図を考慮した協調
技能モデルを生成する．本モデルは人間関係や役
割などがあるインタラクションにおいても適用
でき，さまざまな協調作業時の操作予測やアシス
トに応用可能である． 
4.研究成果 
 本研究ではまず，力のインタラクションを伴う
協調作業の構築を行うため，加速度制御系による
マルチラテラル制御インタフェースと制御設計
を行った．マルチラテラル制御はインタフェース
間の力のインタラクションを正確に伝達するこ
とが可能である．このような正確なインタラクシ
ョンをもつ作業環境で pHHIの研究をした例は確
認されていない．また，協調作業を作業者へ提示
するために，仮想環境の構築を行った．仮想環境
では作業者の行動を 3D アバタへ反映させるため
に，ヘッドマウントディスプレイによる頭・手・
指のトラッキングが可能なシステムを構築した．
また，リアルタイムで予測可能な機械学習環境を
構築するために C++で全結合ニューラルネット
ワークを作成した．そして，作業者の操作をモデ
ル化するために，ハイパーパラメータを最適化す
ることが可能な Optuna を用いて学習を行った．
その結果，作業者の操作をモデル化することに成
功し，操作を予測することが可能となった．これ
らの成果は，今後の pHHI の実験を実施する・ア
シストシステムを構築するための礎として有用
である． 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① G. Sasaki and H. Igarashi: “Assist 
System Considering Cooperative 
Skills Improves Performance in 
Dyadic Interaction,” 2021 IEEE 30th 
International Symposium on 
Industrial Electronics (ISIE), pp. 1-6, 
2021/6/21.オンライン  
② 佐々木元気，渡辺亮，五十嵐洋： ”チー
ムワーク評価における協調作業解析手
法 ”，日本機械学会ロボティクス・メカ
トロニクス講演会 ’22，1A1-N07，
2022/6/2,札幌  
 


複数の評価関数をもつ人間インタラクションモデルの生成

鈴木, 志歩

鷲尾, 利克

ワシオ, トシカツ

荒船, 龍彦

アラフネ, タツヒコ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21DS-02 
課題名（和文） 
眼底用光干渉断層法による計測データを組み込んだ網膜動脈のプラーク蓄積の数理モデ
ル 
課題名（英文） 
Mathematical model of plaque accumulation in retinal arterioles incorporating 
measured data by optical coherence tomography 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
総合研究所 特任助手 
氏名 鈴木 志歩 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
産業技術総合研究所健康医工学研究部門 主任研究員 
氏名 鷲尾 利克 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部電子工学系 教授 
氏名 荒船 龍彦 
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） 
動脈硬化は，脳梗塞や心筋梗塞の重篤な病気を引き起こす一方で，自覚症状がないため早期診断が難しく，
治療開始が遅れることが多い．現在行われている動脈硬化の病態を予測する研究では，冠状動脈等の大きな血
管を模倣したプラーク蓄積の数理モデルが提案されており，細血管にフォーカスした研究はない． そこで本研
究では網膜動脈を対象にした動脈硬化予測に資するプラーク蓄積の数理モデル構築を行った． 
 
研究成果の概要（英文） 
Arteriosclerosis causes severe diseases such as cerebral infarction and myocardial infarction. Still, early 
diagnosis is difficult because of no symptoms, and the start of treatment is often delayed. Current studies 
to predict the accumulation of arteriosclerosis have proposed mathematical models of plaque accumulation 
that mimic large vessels such as coronary arteries. Still, no studies have focused on small vessels. In this 
study, we developed a mathematical model of plaque accumulation in retinal arterioles that contributes to 
the prediction of atherosclerosis. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
動脈硬化は，全身のさまざまな動脈で徐々に進行
し，脳梗塞や心筋梗塞，失明などを引き起こす．つ
まり動脈硬化性疾患へと発展するのは，重要な臓器
につながる動脈において動脈硬化が進展したときで
ある．細動脈でおこる動脈硬化は，全身の動脈硬化
の状態を反映していると予想されている[1]が，細動
脈でのプラーク蓄積量から全身の動脈硬化の変遷を
予測する手段はない．プラークの蓄積を観察する手
段として冠動脈での OCT（Optical coherence 
tomography）による撮像などの画像診断手法がある
が，これらは現在の状況を詳細に知ることはできる
が，未来の状態を予測することは難しい．未来を予
測しうる技術としてシミュレーションの研究があ
り，先行研究として大動脈を対象として構築されて
いるプラーク蓄積の数理モデルがあるが，計測が難
しいパラメータも多く，このまま実際の臨床現場に
適用することは難しい．そこで臨床現場でも活用可
能な動脈硬化の早期診断に資する数値シミュレーシ
ョンが求められている． 
[1]: 中木敦子 , et al. 健康医学  16.3 (2001): 
231-234. 
 
2.研究の目的 
本研究では，唯一全身の動脈の中で無侵襲で観察
可能な網膜動脈を対象とし，プラーク蓄積の数値モ
デルを構築することを目的とする．またこのモデル
を用いて細動脈のプラーク蓄積量から全身の動脈硬
化の予測ができないか検討する． 
 
3.研究の方法 
プラーク蓄積の前段階として，血管内腔での流体解
析と LDL の輸送を先行研究[2][3]を参考に行った．血
管内腔での血液の流れは式(1),(2)の Navier-Stokes
方程式で定常計算を行った．LDL 輸送は式(3)の移流
拡散方程式で定常計算を行った． 
 
 
動脈壁上での WSS(wall shear stress)は内腔での血
液速度から算出した．網膜動脈の内径として 45μm，
動脈壁厚さを 17μm，モデル長を 1350μm とした．
動脈壁の狭窄は内腔面積を 55％狭窄する形状に設
定した．これらのシミュレーションは Matlab2021b
のFeatool Multiphysics (v1.15)にて有限要素法を用
いて実装した．メッシュサイズは 528929 とした． 
[2]:Cilla, M., et al. Journal of The Royal Society 
Interface, 11.90, 2014, 20130866. 
[3]:Olgac, Ufuk, Vartan Kurtcuoglu, and Dimos 
Poulikakos. American Journal of Physiology 
-Heart and Circulatory Physiology 294.2 (2008): 
H909-H919. 
 
4.研究成果 
 WSS は狭窄部頂上で最大値 0.21Pa になり，狭窄の
立ち上がり部分(x=0.17ｍｍ)で最少となった．LDL
の濃度は WSS の高いところで低くなり，WSS の最
小値の位置で最大の値を取った．この結果は臨床の
計測結果と一致している[4]．今後は，LDL 輸送以外
にも単球や酸化 LDL などの輸送を組み込むことで，
より精緻な計算を行う． 
[4]:Meyer, G., et al. Circulation research, 79.3, 
1996, pp.532-540. 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 鈴木志歩・鷲尾利克・荒船龍彦，「数値シミュレ
ーションによる血管内プラーク蓄積の評価」，第
60 回日本生体医工学会大会，2021 年 6 月 
② Suzuki Shiho・Washio Toshikatsu・Arafune 
Tatsuhiko ，「 Simulation model of LDL 
transport in retinal arterioles」，EMBC2022，
2022 年 7 月（発表予定，採択済み） 
 
∇ ∙ 𝑢𝑢𝑙𝑙 = 0 (2) 
∇ ∙ �−𝐷𝐷𝐿𝐿𝐷𝐷𝐿𝐿,𝑙𝑙 ∇𝐶𝐶𝐿𝐿𝐷𝐷𝐿𝐿,𝑙𝑙 �+ 𝑢𝑢𝑙𝑙 ∙ ∇𝐶𝐶𝐿𝐿𝐷𝐷𝐿𝐿,𝑙𝑙 = 0 (5) (3) 


眼底用光干渉断層法による計測データを組み込んだ網膜動脈のプラーク蓄積の数理モデル

広石, 英記

ヒロイシ, ヒデキ

HIROISHI, Hideki

Consideration of PBL-based inquiry learning

住倉, 博仁

賀澤, 佳奈

カザワ, カナ

鈴木, 憲治

スズキ, ケンジ

本間, 章彦

ホンマ, アキヒコ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20L-02 
課題名（和文） 小児用 ePTFE製肺動脈弁付き人工血管の性能評価技術の開発に関する研究 
課題名（英文） 
Development of performance evaluation techniques for a pediatric ePTFE pulmonary 
valved conduit 
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、電子工学系、准教授 
氏名 住倉博仁 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学、大学院理工学研究科、電子工学専攻、大学院生 
氏名 賀澤 佳奈 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
日本医科大学、心臓血管外科、講師 
氏名 鈴木憲治 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学、理工学部、電子工学系、教授 
氏名 本間章彦 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では、小児用 ePTFE 製肺動脈弁付き人工血管の性能評価技術の開発を目的とした。小児用 ePTFE
製肺動脈弁付き人工血管の解析モデルを二種類（小孔なし、小孔ありモデル）作成し、流体構造連成解析（Fluid-
Structure Interaction, 以下、FSI）を用いた内部流動状態と弁葉の挙動について評価を行った。その結果、
圧力分布、速度分布、弁葉の変形から内部流動状態と弁葉の挙動を把握することが可能であった。また、小孔
により Bulging sinus内における流体の停滞を引き起こす可能性はあるものの、小孔は弁葉内における流体の
停滞を防ぐことが可能であると考えられた。このことから、本 ePTFE製肺動脈弁付き人工血管における FSI
の有用性が示唆された。 
 
研究成果の概要（英文） 
The purpose of this study is to develop performance evaluation techniques that can evaluate the 
hydrodynamic characteristics of the pediatric ePTFE pulmonary valved conduit. Two types of analysis 
models (Analysis models with and without pore) were created, and the flow condition and the behavior of 
the leaflets were evaluated using Fluid-Structure Interaction (FSI). As a result, it was possible to 
understand the flow condition and the behavior of the leaflets from the pressure distribution, velocity 
distribution and deformation of the leaflets. Although the pore may cause fluid stagnation in the Bulgging 
sinus, it was considered that the pore could prevent fluid stagnation in the leaflets. It was suggested that 
FSI is useful as performance evaluation techniques for pediatric ePTFE pulmonary valved conduit. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
右室流出路の狭窄・閉鎖を伴う先天性心疾患に
おいては、新生児期から乳児期に肺動脈弁を含む
右室流出路再建術が必要となることがある。我々
は、長期間に渡り弁機能を維持可能な小児用
ePTFE（expanded polytetrafluoroethylene）製肺
動脈弁付き人工血管の研究開発を進めてきた。
ePTFE は高い生体適合性を有しているが、
ePTFE 製人工弁の抗血栓性や長期耐用性に関し
ては流体力学的特性が関与していると報告され
ている。そのため、本 ePTFE 製肺動脈弁付き人
工血管の抗血栓性や長期耐用性に関与する流体
力学的特性を明らかにするための評価技術の開
発が課題である。 
 
2.研究の目的 
本研究では、先天性心疾患における右室流出路
再建術に適用するための小児用 ePTFE 製肺動脈
弁付き人工血管の性能評価技術の開発を目的と
した。本研究では、以下に示す項目を実施した。 
流 体 構 造 連 成 解 析 （ Fluid-Structure 
Interaction, 以下、FSI）を用いた本 ePTFE製肺
動脈弁付き人工血管の内部流動状態と弁葉の挙
動について評価を行った。FSI を適用するにあた
り、模擬循環回路を用いた本 ePTFE 製肺動脈弁
付き人工血管の実機における圧流量特性の計測
と弁葉挙動の観察を行った。また、本 ePTFE 製
肺動脈弁付き人工血管の解析モデルを作成し、模
擬循環回路の計測結果を基に、FSI による拡張期
の弁葉挙動解析を行った。 
 
3.研究の方法 
(1)小児用 ePTFE製肺動脈弁付き人工血管の概要 
本研究で対象とした小児用 ePTFE 製肺動脈弁
付き人工血管の写真を Fig. 1 に、その構造図を 
Fig. 2に示した。 
本 ePTFE 製肺動脈弁付き人工血管は、ePTFE 
製人工血管の内部に厚さ 0.1mm の ePTFE 製
心膜シートからなる弁葉を綴合せている。また、
サイズは、全長 58 mm、流路径 14 mmである。
本 ePTFE 製肺動脈弁付き人工血管は、収縮期に
は弁葉は重なり合うように閉じることで流路が
開口し(Fig. 2(a))、拡張期には弁葉の先端が人工血
管の壁面に沿って広がり人工血管内腔と密着し
流路が閉鎖することで(Fig. 2(b))、一方向に流体を
流す機構である。弁葉下流側には小孔を設けてお
り、意図的に少量の逆流を生じさせることで弁葉
内部に血栓が形成するのを予防する役割を持つ。
また、人工血管壁は 0.5 mm の ePTFE シートで
筒状に作製され、人工血管前壁部分には、Valsalva 
洞形状を模した Bulging sinus を形成しており、
拡張期血流を同部位に取り込むことで弁葉の十
分な閉鎖を促す意図がある。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1 Photograph of pediatric ePTFE 
pulmonary valved conduit 
 
 
(a) Systolic phase 
 
(b) Diastolic phase 
Fig. 2 Schematic drawing of pediatric ePTFE 
pulmonary valved conduit 
Flow
Leaflets
Bulging sinus Pore
Leaflets
Flow
Regurgitation 
flow
Bulging sinus Pore
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
(2)圧流量計測実験、および弁葉挙動の観察 
①実験方法 
実験に用いた小児右心系模擬循環回路の写真、
およびその模式図を Fig. 3 (a), (b)に示した。 
模擬循環回路は、ePTFE製肺動脈弁付き人工血
管、拍動ポンプ、チャンバ、リザーバ、流路抵抗
から構成した。ePTFE製肺動脈弁付き人工血管の
上流(Pin)、下流(Pout)、チャンバの下流(Pref)の圧
力は圧力計(PA500，COPALELECTRONICS)、拍
出流量は超音波流量計(T402，Transonic Systems 
Inc.)を用いて測定した。 
実験は、体重 5 kgの小児を想定し、拍動数 120 
bpm、収縮期比 35 %、肺動脈圧 20-7 mmHg、流
量 700 ml/min とした。尚、作動流体は水道水を
用いた。また、人工弁を布で覆い、光源を用いて、
ePTFE 製肺動脈弁付き人工血管の弁葉の挙動を
ビデオカメラにて下流側より撮影した。 
②圧流量計測、および弁葉観察結果 
測定した ePTFE 製肺動脈弁付き人工血管の上
流 (Pin)と下流 (Pout)、およびチャンバの下流
(Pref)の圧力と流量の時間推移波形を Fig. 4に示 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
した。また、撮影した動画より、拡張期および収
縮期における弁葉の静止画像を Fig. 5に示した。 
圧流量特性を計測した結果、拡張期における圧
較差の平均値は 7.76 mmHg であり、その際の流
量の平均値は-0.16 ml/minであった。この模擬循
環回路の計測結果を基に、シミュレーションの境
界条件を設定した。 
弁葉の挙動を観察したところ、収縮期には弁葉
が重なり合うように閉じることで、流路が開口す
ることが確認できた。また、拡張期には弁葉が開
き人工血管内腔と密着することで、弁葉が流路を
閉鎖していることが確認できた。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) Photograph of mock circulation circuit 
 
 
(b) Schematic drawing of mock circulation 
circuit 
Fig. 3 Mock circulation circuit 
Camera
Pulsatile pump
(Right ventricle)
Resistance
Pressure meter
(Pin)
Pressure meter
(Pref)
Pressure meter
(Pout)
Compliance
chamber
(Pulmonary artery)
ePTFE
pulmonary 
valved conduit
Reservoir
(Right atrium)
Flow meter
Light
Flow
Flow
Cloth
Valve
 
Fig. 4 Pressure and flow rate wave forms 
 
 
(a) Systolic phase 
 
 
(b) Diastolic phase 
Fig. 5 Still images of leaflets 
-4
-2
0
2
4
-40
-20
0
20
40
0 0.25 0.5 0.75 1
F
lo
w
 r
a
te
[L
/m
in
]
P
re
ss
u
re
[m
m
H
g
]
Time[sec]
Pin Pout Pref Flow
Leaflets
Leaflets
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総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
(3) FSI を用いた弁葉の挙動解析 
①解析モデルの作成、およびメッシュ生成 
本 ePTFE 製肺動脈弁付き人工血管の実機を基
に解析モデルを作成した(Fig. 6)。 
弁葉の小孔の影響を評価するために、小孔のな
しとありの二種類の解析モデルを作成した。各解
析モデルは、流体領域と構造領域に分けて作成
し、流体領域は流入出口直径 14.0 mm、全長 44.0 
mm、構造領域である弁葉は、厚さ 0.1 mm とし
た。ただし、小孔ありの解析モデルには、弁葉に
高さ 2.0 mm、幅 0.2 mmの小孔を作成した。 
解析モデルを基に、流体領域と構造領域のメッ
シュを生成した。各解析モデルにおけるメッシュ
生成条件として、流体領域と構造領域における最
大メッシュサイズをそれぞれ、2.0 mm、 1.0 mm
とした。生成されたメッシュ数は、小孔なしのモ
デルにおいて、流体領域は 2,496,548、構造領域
は 495,904、小孔ありのモデルにおいて、流体領
域は 2,419,721、構造領域は 491,603 であった。
各解析モデルにてメッシュ生成条件を統一した
結果、小孔の有無により解析モデルの形状が異な
るが、生成されたメッシュ数に大きな差異は見ら
れなかった。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
②解析条件、および境界条件 
解析条件、および境界条件を Table 1に示した。
尚、二つの解析モデルにおいて同一条件とした。
境界条件は、模擬循環回路における測定結果(Fig. 
4)より、拡張期（図中破線部）における流入流出
口の圧力を基に、流入側圧力を 0 Pa (0.00 
mmHg)、流出側圧力を 1000 Pa (7.50 mmHg)の
圧較差 7.50 mmHgに設定した。 
流体領域、および構造領域である弁葉部の物性
値を Table 2, 3にそれぞれ示した。流体領域は、
模擬循環回路による実験と同様に水とし、構造領
域である弁葉は ePTFE として、参考文献 1 より
材料特性を引用し、等方性弾性体であるとした。 
③解析手法 
流体での解析結果と構造体での解析結果を共
有させ、連成解を求める双方向 FSI解析を行い、
カップリングを行った。 
解析は、圧力分布、速度分布、および弁葉の変
形量を算出することで、本 ePTFE 製肺動脈弁付
き人工血管の内部流動状態と弁葉の挙動につい
て評価を行った。更に、解析モデル間にて小孔の
有無による違いを比較した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (a) Analysis mode without pore 
 
 
(b) Analysis model with pore 
Fig. 6 Analysis models 
Inlet
Bulging sinus Outlet
Leaflets
Inlet
Bulging sinus Outlet
Leaflets
Pore
Table 1 Analysis and boundary conditions 
Analysis Steady state 
Turbulence model k-epsilon 
Inlet condition 0.00 mmHg 
Outlet condition 7.50 mmHg 
 
Table 2 Fluid properties 
Fluid H2O 
Density 998.2 kg / m3 
viscosity 1.003×10-3 kg/m・s 
 
Table 3 ePTFE properties1 
Density 2200 kg / m3 
Young’s modulus 500 MPa 
Poisson’s ratio 0.3 
 
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4.研究成果 
①圧力分布 
各解析モデルにおける流体領域の中心部にお
ける断面での圧力分布を Fig. 7 (a),(b)にそれぞれ
示した。 
Fig. 7 (a), (b)より、小孔の有無にかかわらず、
流入口から弁葉に向けて圧力が増加し、弁葉の内
部にて最も高い圧力を示した。また、弁葉の下流
側の圧力は弁葉内部に比べ低値を示した。Fig. 7 
(a)と(b)を比較すると、小孔ありのモデルには小孔
付近における顕著な圧力の低下が見られた。 
②速度分布 
各解析モデルにおける流体領域の中心部にお
ける断面での速度分布を Fig. 8 (a), (b)にそれぞれ
示した。 
Fig. 8 (a), (b)より、流入口から弁葉方向の流速
の低下が確認された。また、小孔の有無に関わら
ず、人工血管前壁部分に設けた Bulging sinusに
おいては、Bulging sinus の形状に沿って循環す
る流れが確認された。小孔の有無による違いを比
較すると、小孔なしのモデルにおける弁葉内部の
小孔付近における流速は 0.000 m/sを示した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
一方、同位置における小孔ありのモデルでは
0.914 m/s を示し、小孔を通過する流れを確認す
ることができた。このことから、小孔により弁葉
内部からの逆流が生じていることが分かった。ま
た、小孔なしの解析モデルと比較し、小孔ありの
解析モデルでは Bulging sinus下流部における流
速が高く、Bulging sinus における循環流の中心
付近の流体の停滞領域は大きくなっていること
がわかった。 
③弁葉の変形量 
各解析モデルにおける弁葉の最大変形量を Fig. 
9 (a), (b)にそれぞれ示した。 
Fig. 9 (a), (b)より、拡張期における圧力を負荷
したところ、小孔の有無に関わらず、流路を閉鎖
するように弁葉の先端部の変形が確認された。
Fig. 9 (a)より、小孔なしのモデルにおける弁葉先
端部の最大変形量は 3.07 mm であり、両弁葉を
併せて 7.32 mmと算出された。また、Fig. 9 (b)
より、小孔ありのモデルにおける弁葉先端部の最
大変形量は 3.06 mmであり、両弁葉を併せて 7.37 
mmと算出された。小孔の有無により、弁葉の変
形量に大きな差異は見られなかった。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (a) Analysis mode without pore 
 
 
(b) Analysis model with pore 
Fig. 7 Pressure distribution 
 
 (a) Analysis mode without pore 
 
 
(b) Analysis model with pore 
Fig. 8 Velocity distribution 
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弁葉の変形量に関して、右心系模擬循環回路を
用いて観察した拡張期における弁葉の静止画像 
(Fig. 5 (b))を確認すると、直径 14 mm の人工血
管内腔に沿って両弁葉が開き人工血管内腔に接
している。一方、本解析の結果では、小孔の有無
に関わらず弁葉の変形は低値であり、人工血管の
内腔に沿った弁葉の変形は確認されなかった。 
④内部流動状態と弁葉挙動、小孔の有無について 
本 ePTFE製肺動脈弁付き人工血管の FSI 解析
の結果、二つの解析モデルともに、弁葉内部の圧
力の増加と流速の低下、加えて、弁葉の変形が確
認された。このことから、流入口からの流れを弁
葉により妨げることで弁葉内部の圧力が上昇し、
その圧力により弁葉の変形が生じたと考えられ
た。弁葉の変形量に関し、本来であれば人工血管
内腔に沿って両弁葉が開き人工血管内腔に接す
るところ、実測と比較してその変形量は低値を示
し、弁葉が流れを妨げることができていないこと 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
がわかった。この弁葉の変形量が低値を示した主
たる原因として、解析モデルの形状と ePTFE の
材料特性が考えられた。 
小孔の有無で比較した際、速度分布の結果か
ら、Bulging sinus に生じている循環流中心に近
づくにつれて速度が減少し、両モデルにおいて流
体の停滞が確認されたが、小孔ありのモデルは、
流体の停滞領域が大きくなっていた。このことか
ら、小孔にて逆流が生じ、Bulging sinusにおける
流量が減少したと考えられた。このことから、小
孔により Bulging sinus内における流体の停滞を
引き起こす可能性が示唆された。また、小孔近傍
の弁葉内部の流れが増加していることから、弁葉
内部における流体の停滞を防ぐことができてい
ることが示唆された。 
以上の比較により、小孔を設けることにより
Bulging sinus 内における流体の停滞を引き起こ
す可能性があるものの、弁葉内における流体の停
滞を防ぐことが可能であると考えられ、小孔の有
用性が示唆された。 
本 ePTFE製肺動脈弁付き人工血管に FSI 解析
を適用することで、内部流動状態と弁葉の挙動に
ついて把握できた。このことから、本 ePTFE 製
肺動脈弁付き人工血管におけるFSIの有用性が示
唆された。 
 
参考文献 
1. Jaekwan Lim，Ph．D. Jong Yun Won，
M.D. Chi Bum Ahn, Ph.D., Jieon Kim, 
M.D., Hee Jung Kim, M.D., Ph.D.，Jae 
Seung Jung, M.D., Ph.D., “Comparison of 
Hemodynamic Energy between Expanded 
Polytetrafluoroethylene and Dacron 
Artificial Vessels”, Journal of Chest 
Surgery，2021;54(2): pp．81-87 
 
 (a) Analysis mode without pore 
 
 
(b) Analysis model with pore 
Fig. 9 Deformation of leaflets 


小児用ePTFE製肺動脈弁付き人工血管の性能評価技術の開発に関する研究

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