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

石井, 聡

小西, 輝昭

楠田, 浩樹

      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 Q18K-02 
課題名（和文） マイクロ波水熱法を利用したスピネル型酸化物薄膜の低温合成とその電子状態 
課題名（英文） 
Low temperature growth of spinel-type oxide thin films by microwave assisted 
hydrothermal method: structural characteristics and electric states 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部・理学系・助教 A 
氏名 石井 聡 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
放射線医学総合研究所・放射線障害治療部・主任研究員 
氏名 小西 輝昭 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科・理学専攻・修士課程 
氏名 楠田 浩樹 
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） 
 水熱法にマイクロ波照射を組み合わせた合成法により，スピネル型酸化物 ZnGa2O4を合成した．その結果，
合成温度を 129 °C に低減し，合成時間は 90 s に短縮することができた．ZnGa2O4はワイドバンドギャップ
を有することから，本手法の薄膜成長技術への展開により新規の光・電子デバイスの開発が期待できる． 
 
 
 
 
研究成果の概要（英文） 
ZnGa2O4 spinel-type oxide was synthesized by a microwave assisted hydrothermal technique.  The 
synthesis temperature and time were reduced to 129 °C and 90 s, respectively.  Because of the wide 
bandgap of ZnGa2O4, the present synthesis technique can be applied for the growth technique of thin film, 
and is expected to develop new opto-electrical devices. 
 
      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 
ワイドバンドギャップ半導体は，青色発光ダイ
オードの GaN（エネルギーギャップ：3.4 eV）に
代表されるように，光・電子デバイスの実用化が
積極的に進められている．こうした半導体材料の
合成には，高価な製造装置を用いた複雑なプロセ
スが必要であり，製造コストの低減が解決すべき
課題のひとつとなっている． 
 一方，スピネル型酸化物の ZnGa2O4は，エネル
ギーギャップが GaN よりも大きな 4.4～5.0 eV
であることが知られている．さらに，他元素のド
ーピングや結晶構造による電子状態の制御が期
待できるため，次世代の光・電子材料として有望
視されている物質のひとつである．しかし，その
合成温度は，一般的な焼結法で 1000 °C 以上と高
温であることから，実用化に向けて成長温度の低
減が必要不可欠となっていた． 
2.研究の目的 
以上の背景を踏まえ，本研究では ZnGa2O4の実
用化を目指し，水熱法にマイクロ波を組み合わせ
ることで，合成に必要となる温度と時間を低減さ
せる合成方法の構築を目的とした． 
3.研究の方法 
ZnGa2O4は，圧力容器に入れた前駆体水溶液を
マイクロ波で加熱することで水熱合成した．前駆
体水溶液の作製では，まず始めに，Zn と Ga の原
料として，それぞれ Zn(SO4)･7H2O と Ga2(SO4)3･
nH2O を定比になるよう秤量した後，個別に水溶
液を作製して攪拌した．続いて，これら２つの水
溶液を混合した後，NaOH 水溶液で pH が 10 に
なるように調整し，これを前駆体水溶液とした．
 前駆体水溶液を入れたマイクロ波試料分解容
器を家庭用の電子レンジ内に設置し，500 W と
700W の出力でマイクロ波を照射し加熱した．照
射 1 回当たりの時間は，圧力上昇による爆発を避
けるため 30 s を限度とし，それ以上行う場合は，
一旦室温まで冷却してから再度，照射を行った．
照射終了後，容器から取り出した物質を遠心分離
機に 8700 rpm で 30 min かけ，沈殿物を乾燥さ
せることで試料を抽出した．また，容器内の温度
を照射終了直後に測定し，合成試料の結晶構造は
X 線回折測定（XRD）で評価した． 
4.研究成果 
図１に，作製した試料の XRD スペクトルを示
す．全ての試料でスピネル型構造の ZnGa2O4によ
るピークを確認できた．特に，マイクロ波出力が
500 W で 30 s の照射を 3 回繰り返した場合，不
純物のほとんどない試料を合成できた．照射直後
の容器内の温度は，最高で 129 °C であったこと
から，一般的な水熱法の 180 °C と比較して，大幅
に合成温度を低減することができた．また，合成
時間も 90 s となり，短縮化することが可能となっ
た．  
 しかし，他の試料では，ZnGa2O4 のピークとと
もに未反応の前駆体物質と思われる不純物のピ
ークが観測された．30  s 照射の場合，出力が 700 
W のときの容器内温度は 151 °C であり 500 W よ
り高かったものの，1 回の照射では不純物を抑制
することはできなかった．この原因として，反応
時間の不足が考えられるが，純度の高かった試料
（500 W, 30 s×3）のように，複数回に分けた照
射が有効であると考えられる． 
 以上の結果から，本研究では，マイクロ波水熱
法により，ZnGa2O4における合成温度と合成時間
を大幅に低減させることができた．今後，作製し
た試料の光・電気特性などの基礎物性を評価する
とともに，本手法を ZnGa2O4のデバイス化に必要
となる薄膜成長技術の構築へと展開する． 
図１ マイクロ波水熱法で合成した試料の
XRD スペクトル． 
In
te
ns
ity
 (a
. u
.)
500 W, 30 s
700 W, 30 s
500 W, 30 s×2
500 W, 30 s×3：ZnGa2O4


English

Low temperature growth of spinel-type oxide thin films by microwave assisted hydrothermal method: structural characteristics and electric states

名雪, 順一

ナユキ, ジュンイチ

NAYUKI, Junichi

思考と発見のある授業（３）  
名 雪 順 一* 
Class with thinking and finding（３） 
NAYUKI  Junichi* 
 
キーワード：アクティブ・ラーニング、2次方程式、解の公式、図形、面積図 
                                           
                        
１．はじめに 
 
 2017年度、2018年度、東京電機大学総合文化
研究の研究ノート投稿に引き続き、「思考と発見の
ある授業（３）」として「主体的・対話的で深い学
び」の授業実践をレポートします。 
2017年度は、「文字式」、2018年度は、「式の展
開、因数分解」を取り上げました。 
今回は、中学校数学の最終目標である「2 次方
程式」を取り上げます。 
「2次方程式」の数式を図形（面積図）に表し、
視覚化します。式の構造を目に見える形にすると、
考えるヒントになり、想像する、推理することが
出来るようになります。そのことによって、生徒
たちが自ら考え、自ら学ぶことが出来、考える力
が育っていきます。それが、文科省の教育目標で
ある「主体的・対話的で深い学び」となり、生徒
たちは、創造力、思考力などの能力を育てていく
ことになります。 
 
２．数式を図形に表す（１） 
 
2 次方程式 「𝑥𝑥2 －７ ＝ ０」 の数式を図形
に表して解いてみましょう 
方程式を解くと、x ＝ 数値 になります。 
したがって、x を含む項の数式は、左辺に、定数
項（数値）は、右辺に集めます。 
  そのために、次の計算をします。 
 
 
 
𝑥𝑥2 －７ ＝ ０ 
     ＋）  ＋７  ＋７   
 𝑥𝑥2   ＝ ＋７ 
 
 𝑥𝑥2 ＝ x × x と表せます。 
これは、「面積 ＝ たて × よこ」のことです。 
面積 ＝ 𝑥𝑥2 、たて ＝ x 、よこ ＝ x  
よって、方程式 「𝑥𝑥2 ＝ ７」を面積図で 
表すと、下図になります。 
 
     x 
 
 
  x   𝑥𝑥2    ＝    ７ 
 
 
ここで、右辺の正方形の一辺の長さを求めます。 
一辺の長さ２の場合、面積は４です。 
一辺の長さ３の場合、面積は９です。 
 
     ２         ３ 
 
 
  ２  ４      ３   ９ 
 
 
 
                                                                                            
*理工学部共通教育群非常勤講師 Part-time Lecturer, Division of Liberal Arts, Naturel, Social and Health Sciences, School of Science and 
 Engineering 
東京電機大学総合文化研究　第17号　2019年 123
  
したがって、面積が７の場合の一辺の長さは、 
整数２と３の間にあり、２. ……となり、整数に
なりません。この場合、数学では、一辺の長さを
面積の７を用いて、√7（ルート７）と表します。 
√7 × √7＝７となります。 
また、(−√7) × (ー√7)＝７ですから、 
面積７の場合の一辺の長さは、±√7です。 
 
     ｘ         ±√7 
 
 
  x   𝑥𝑥2    ＝    ７ 
 
 
 よって、左辺の正方形の一辺の長さｘと 
右辺の正方形の一辺の長さ ±√7 は、等しくな
ります。 ｘ ＝ ±√7 です。 
2次方程式 「𝑥𝑥2 －７ ＝ ０」に戻り、 
これを解くと、ｘ ＝ ±√7 となります。 
 
３．数式を図形に表す（２） 
 
 「 𝑥𝑥2 −４ｘ−７ =０ 」の数式を図形に表し
てみましょう。 
x を含む項の数式は、左辺に、定数項（数値）
は、右辺に集めます。 
𝑥𝑥2 −４ｘ−７ =０ 
   ＋）     ＋７ ＋７   
     𝑥𝑥2 −４ｘ   =＋７ 
 
上記の項を下図のようにします。 
（−４ｘは、−２ｘと−２ｘに２等分する） 
 
   
   𝑥𝑥2   －２ｘ 
          ＝   ＋７ 
    －２ｘ 
 
 
ここで、辺の長さを決めると、下図になります。 
 
 
   ｘ  －２ 
   
ｘ  𝑥𝑥2   －２ｘ 
          ＝   ＋７ 
 -2 －２ｘ 
 
 
正方形にするため、右下を埋めます。 
 
   ｘ  －２ 
   
ｘ  𝑥𝑥2   －２ｘ 
          ＝   ＋７ 
 -2 －２ｘ ＋４        ＋４ 
 
 
右の正方形の面積は、１１となります。 
 
   ｘ  －２ 
   
ｘ  𝑥𝑥2   －２ｘ 
          ＝    ＋１１ 
 -2 －２ｘ ＋４         
 
 
 よって、右の正方形の一辺の長さは、±√11 
 
   ｘ  －２           ±√11 
   
ｘ  𝑥𝑥2   －２ｘ 
          ＝    ＋１１ 
 -2 －２ｘ ＋４         
 
 
左と右の正方形の辺の長さが等しいことより、 
   ｘ －２ ＝  ±√11 
 
これから ｘ を求めると、 
ｘ  ＝  ２ ±√11 
これが、𝑥𝑥2 −４ｘ−７ =０の解です。 
Bulletin of Tokyo Denki University, Arts and Sciences No.17 2019124
４．「a𝒙𝒙𝟐𝟐＋𝐛𝐛ｘ＋𝐜𝐜 =０」を図形に表す 
 
２次方程式の一般式「 a𝑥𝑥2＋bｘ＋c =０ 」を
図形に表してみましょう 
x を含む項の数式は、左辺に、定数項（数値）
は、右辺に集めます。 
 a𝑥𝑥2＋bｘ＋c =０ 
   ＋）      －c  －ｃ   
      a𝑥𝑥2＋bｘ  ＝ －ｃ   
 
両辺に４aを掛ける。 
（４a を掛ける理由は、式変形の途中の計算にお
いて、分数が現れないようにする工夫です） 
 
     ４𝑎𝑎2𝑥𝑥2＋４abｘ ＝ －４aｃ 
 
上記の項を下図のようにします。 
（４abｘは、２abｘと２abｘに２等分する） 
 
   
  ４𝑎𝑎2𝑥𝑥2 ２abｘ         －４aｃ 
          ＝    
    ２abｘ 
 
 
ここで、辺の長さを求めると、下図になります。 
 
     ２ax    b 
   
2ax ４𝑎𝑎2𝑥𝑥2 ２abｘ         －４aｃ 
          ＝    
 b  ２abｘ 
 
 
正方形にするため、右下を埋めます。 
 
   ２ax    b 
   
2ax ４𝑎𝑎2𝑥𝑥2 ２abｘ         －４aｃ 
          ＝    
b  ２abｘ  𝑏𝑏2                   𝑏𝑏2 
 
右の正方形の面積は、𝑏𝑏2－４acとなります。 
 
   ２ax    b 
   
2ax ４𝑎𝑎2𝑥𝑥2 ２abｘ 
          ＝   𝑏𝑏2－４ac  
b  ２abｘ  𝑏𝑏2         
 
 
 よって、右の正方形の一辺の長さは、±√𝑏𝑏2－４ac 
 
   ２ax    b           ±√𝑏𝑏2－４ac 
   
2ax ４𝑎𝑎2𝑥𝑥2 ２abｘ 
          ＝   𝑏𝑏2－４ac  
b  ２abｘ  𝑏𝑏2         
 
 
左と右の正方形の辺の長さが等しいことより、 
  ２ax ＋  b   ＝  ±√𝑏𝑏2－４ac 
 
これから ｘ を求めると、 
 
     ２ax ＋ b   ＝  ±√𝑏𝑏2－４ac 
  ＋）    － b       － b       
２aｘ    ＝ －ｂ±√𝑏𝑏2－４ac 
よって、 
 
    x ＝ 
－ｂ±√𝑏𝑏2－４ac
2𝑎𝑎
 
 
 これが、２次方程式「 a𝑥𝑥2＋bｘ＋c =０ 」
の「解の公式」です。 
 
 
東京電機大学総合文化研究　第17号　2019年 125
４．数式を図形に表す（３） 
 
 「２𝑥𝑥2＋１ｘ−２ =０ 」の数式を図形に表
してみましょう。 
２𝑥𝑥2＋１ｘ−２ =０ 
   ＋）      ＋２ ＋２   
     ２𝑥𝑥2＋１ｘ  =＋２ 
 
両辺に４×２、即ち８を掛ける。 
 
     １６𝑥𝑥2＋８ｘ ＝ １６ 
 
上記の項を下図のようにします。 
 
   
  １６𝑥𝑥2   ４ｘ          
          ＝   １６ 
    ４ｘ 
 
 
ここで、辺の長さを決めると、下図になります。 
 
     ４x   １    
   
４x １６𝑥𝑥2   ４ｘ        
          ＝   １６ 
 １ ４ｘ 
 
 
正方形にするため、右下を埋め、右辺の辺の長
さを求める。 
    ４x  １      ±√17 
   
４x １６𝑥𝑥2   ４ｘ 
          ＝   １６ 
１ ４ｘ  １         １ 
                   
 
よって、 ４x ＋ １ ＝ ±√17 
 
     ｘ ＝  
－１±√１７
４
 
５．まとめ 
 
２次方程式の式を図形に表すことによって、 
２次方程式の「解の公式」を知らなくても解くこ
とが出来ます。式を図形にどの様に表すかを思考
しながら進めていくと、式が図形的に視覚化され、
分かりやすく発見的に解を求めることが出来ます。 
また、「解の公式」の成り立ちも理解出来ます。 
 
６．学生の感想 
 
2016年度～2018年度東京電機大学理工学部、 
数学科教育法の授業を受講した学生の感想を紹
介します。 
・図を用いながら 2次方程式を考えることで、公
式を使って解くよりも、何をやっているのかイ
メージをつかみやすくなることが発見できた。 
・２次方程式の素晴らしい解き方.まさか、解の公
式が図で表せるなんて。不思議ですね。 
・２次方程式を図を用いて考えた。解の公式を簡
単に求められたときは、興奮を覚えた。図の威
力がすさまじかった。楽しかった。 
・公式に頼らなくても、図を用いることで２次方
程式を解くことが出来る。中学生に教える時に、
２次方程式は大変だと思っていたのですが、図
だとパズルみたいで楽しいので、これを使って
教えてみたいと思いました。 
・図を使って、公式だけに頼らない解き方を体験
できた。とても分かりやすかった。計算方法に
これが「絶対」というものは無いと理解した。
この方法は、今まで見たことが無かったが、と
ても素晴らしいものだと思う。 
・数学は暗記する“作業”のようなイメージが強
いので、図を用いると、生徒も楽しく覚えられ
ると感じた。暗記が苦手な生徒も興味を示して
くれそうだと思う。 
・解の公式が、どうしてあの形なのか理由が分か
ったので、訳も分からずに覚えさせられるより
よほど覚えやすいだろうと思いました。 
・中々公式が覚えられない生徒、忘れちゃう生徒
がいたとき、今回学んだことを教えてあげよう
と思います。とてもためになりました。 
Bulletin of Tokyo Denki University, Arts and Sciences No.17 2019126


Class with thinking and finding (3)

東京電機大学博士（工学）2018thesi

小野寺, 慧知

オノデラ, ケイチ

ONODERA, Keichi

Modeling and Simulation Method for Fractional Calculus System

小畑, 嘉丈

オバタ, ヨシタケ

OBATA, Yoshitake

Japanese

On Shirayanagi Shuko’s“the story of the eve of Meiji Revolution”（2）- Was Meiji Restoration Meiji Revolution?A controversy over Meiji Restoretion in 1930s -

藤田, 康元

フジタ, ヤスモト

FUJITA, Yasumoto

Technological Determinism and Engineering Ethics - Political Imagination and Engineer’s Responsibility in Technological Choice -

佐藤, 信

サトウ, マコト

SATO, Makoto

Study on Infection Route Detection Method against Targeted Attack

川﨑, 公一

カワサキ, コウイチ

KAWASAKI, Koichi

A Study on Structure and Noise Emission of Underexpanded Radial Jet

藤川, 太郎

釜道, 紀浩

      Annual Report 
Ømńà¡           The Research Institute for Science and Technology 
ċùā¿´           Tokyo Denki University                     
 
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 Q18P-02 
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Development of Small Flapping Robot Based on the Attitude Control Mechanism of a 
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      Annual Report 
Ømńà¡           The Research Institute for Science and Technology 
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      Annual Report 
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Development of Small Flapping Robot Based on the Attitude Control Mechanism of a Butterfly

住倉, 博仁

山田, 拓実

藤井, 豊

本間, 章彦

      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 Q18L-03 
課題名（和文） 小動物用外部灌流型人工肺の研究開発 
課題名（英文） 
Development of an extracapillary blood flow type oxygenator for a small animal 
extracorporeal circulation model 
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、助教 
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・機械工学専攻、大学院生 
氏名 山田拓実 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
新潟医療福祉大学、医療技術学部、臨床技術学科、助教 
氏名 藤井豊 
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、小動物体外循環モデルに適用可能な外部灌流型人工肺の研究開発を目的とした。ラット用外部
灌流型人工肺として、内部灌流型人工肺と同等の血液充填量を実現する外部灌流型人工肺を試作した。 試作
した人工肺について、牛血液を用いた in vitro実験によるガス交換能と圧力損失の評価を行った。その結果、
試作した外部灌流型人工肺の血液充填量は既存の内部灌流型人工肺と同等の 3 mL を実現し、ガス交換能は
V/Q比 10の際に AAMI基準値を上回った。また、圧力損失は内部灌流型人工肺に比べ低値を示した。本研究
にて開発した外部灌流型人工肺は、ラット体外循環モデルに適用可能であることが示唆された。 
 
研究成果の概要（英文） 
The aim of this study is to develop the extracapillary blood flow type oxygenator applicable to the small 
animal extracorporeal circulation model. The extracapillary blood flow type oxygenator for a rat with 
priming volume of 3 ml was prototyped. The gas exchange performance and pressure drop were evaluated 
in in vitro experiments. As the results, O2 and CO2 gas transfer rate of the extracapillary blood flow type 
oxygenator were higher than the reference value of AAMI at V/Q ratio of 10. Pressure loss of oxygenator 
was lower than the conventional intracapillary blood flow type oxygenator. It was considered that the 
developed extracapillary blood flow type oxygenator has the performance that can be used for the 
extracorporeal circulation model for a rat. 
 
 
      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 
膜型人工肺を用いた体外循環は、心臓手術に不
可欠である。体外循環では、血液が膜型人工肺や
体外循環回路等の異物と接触することで全身性
炎症反応が惹起されることが知られている。この
炎症反応を抑制するために、臨床で行われている
体外循環を模擬した小動物体外循環モデルを用
いて、体外循環時の炎症反応等を評価する研究が
行われている。この小動物体外循環モデルでは、
血液充填量の少ない内部灌流型人工肺が使用さ
れている。しかし、ヒトに使用される膜型人工肺
は、現在では外部灌流型人工肺が主流である。そ
のため、小動物体外循環モデルに外部灌流型人工
肺が使用できれば、より臨床に近い体外循環を模
擬可能となる。 
 
2.研究の目的 
本研究では、小動物体外循環モデルに適用可能
な外部灌流型人工肺の研究開発を目的とした。本
研究では、以下に示す項目を実施した。 
(1) ラット用外部灌流型人工肺について、従来の
内部灌流型人工肺と同等の血液充填量を実現す
る外部灌流型人工肺を試作した。  
(2) 試作したラット用外部灌流型人工肺を用い
て、牛血液を用いた in vitro実験によるガス交換
能と圧力損失の評価を行った。酸素ガス流量 Vと
血液流量 Qの比(V/Q比)を変化させ、異なる V/Q
比による検討を行った。 
 
3.研究の方法 
(1) ラット用外部灌流型人工肺の概要 
本研究にて提案するラット用外部灌流型人工
肺の要求仕様を以下に示した。 
① 血液充填量：7 mL以下 
② ガ ス 交 換 能 ： Association for the 
Advancement of Medical Instrumentation 
(AAMI)基準値以上 
③ 圧力損失：現在用いられているラット用内部
灌流型人工肺の測定値以下 
先行研究において、ラット用人工肺として、ボ
ックス形人工肺、横流入形人工肺、円筒形人工肺
の三種類の人工肺形状について検討を行った。円
筒形人工肺では、ハウジングに既製品のアクリル
パイプを使用するため作製が容易であり、また作
製した際の再現性も高く、作製誤差を低く抑える
ことが可能と考え、本研究では円筒形人工肺につ
いて研究を進めた。 
設計した人工肺の外観図と断面図を Fig. 1に示
した。本人工肺は、ハウジング内に挿入した中空
糸束の両端にガスキャップを付けた構造である。
人 工 肺 に 使 用 し た 中 空 糸 は 多 孔 質 膜 の
polypropylene とした。中空糸束の両端は
polyurethaneで接着後、端面を切断し、各中空糸
のガス流出口である開口を確保した。ガスキャッ
プは、3Dプリンタ(AGILISTA-3000, KEYENCE)
で製作した。血液の流入流出口ポートは、三方活
栓のコネクタを使用した。本人工肺は、流入側ガ
スキャップから酸素ガスが流入し、中空糸内部を
通り、流出側ガスキャップより流出する。血液は、
血液流入口から流入し、中空糸束を介してガス交
換した後、血液流出口より流出する機構である。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) External view 
 
(b) Sectional view 
Fig. 1 The external view and structure of the 
extracapillary blood flow type oxygenator 
Blood outlet Oxygen gas inlet
Gas outlet
Blood inlet
Hollow fiber bundle
Gas cap
(Inlet side)
Gas cap
(Outlet side)
O2 gas
Sealed part with polyurethane
Blood
Hollow fiber bundle
Gas cap
(Inlet side)
Gas cap
(Outlet side)
      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) ラット用外部灌流型人工肺の試作 
先行研究にて、中空糸束の直径と全長のパラメ
ータを変えることで、中空糸有効膜面積と血液充
填量の異なる人工肺を試作し検討を行った。この
検討結果を踏まえ、内部灌流型人工肺と同等の血
液充填量である 3 mL を実現する外部灌流型人工
肺を試作した。試作した人工肺の仕様を Table 1
に、外観を Fig. 2にそれぞれ示した。 
 
Table 1 Specification of extracapillary blood 
flow type oxygenator 
Outer diameter of a fiber [µm] 200 
Diameter of hollow fiber bundle 
[mm] 
10 
Length of hollow fiber bundle 
[mm] 
50 
Volume density [%] 30 
Effective membrane area [m2] 0.0236 
Priming volume [mL] 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
(3) in vitro評価実験 
試作した外部灌流型人工肺 (n=3)とラット用内
部灌流型人工肺(n=1)について、牛血液を用いた in 
vitro 実験によるガス交換能と圧力損失の評価を
行った。実験回路は静脈血液リザーバ、ローラー
ポンプ、ラット用人工肺、マルチフローメータ、
廃液リザーバ、そしてそれらを繋ぐチューブより
構成した(Fig.3)。 
実験は牛血液を標準静脈血液に調節し、ローラ
ーポンプで血液流量 30, 50, 70 mL/minとして、
ラット用人工肺に送血、ガス交換して流出した血
液を廃液とする一回通過法で実験を行った。ガス
交換能については、各血液流量において、血液を
人工肺流入側および流出側よりサンプリングし、
血液ガス分析装置を用いて測定を行い、酸素移動
量と二酸化炭素移動量を算出した。圧力損失につ
いては、ガス交換能の測定と同様に人工肺の流入
側および流出側で圧力を測定し、その差を圧力損
失として算出した。また、V/Q 比が二酸化炭素移
動量に影響を与えると考え、異なる値(0.5, 1, 10)
で実験を行った。このとき、血液流量に対してガ
ス流量を調節し、V/Q 比を変動させた。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.研究成果 
試作した外部灌流型人工肺の V/Q比 0.5，1，10
における酸素移動量、二酸化炭素移動量、圧力損
失特性を Fig. 4に示した(平均値±標準偏差)。図中
の破線は参考値として人工肺性能評価に必要な
AAMIの基準値を示した。また、内部灌流型人工
肺の特性も併せて示した。 
Fig. 4より、外部灌流型人工肺の酸素移動量に
ついては、V/Q 比 0.5 の血液流量 30 mL/min を
除いたすべての測定点において AAMI 基準値お
よび内部灌流型人工肺の測定値よりも高値を示
した。また、V/Q比における、大きな差は確認さ
れなかった。 
二酸化炭素移動量については、V/Q比の増加に
伴い、移動量も増加傾向を示した。また、V/Q比
1の測定結果は AAMI基準値と同等の値を示し、
V/Q 比 10 の測定結果は AAMI 基準値よりも高値
を示した。 
Fig. 2 The external view of extracapillary 
blood flow type oxygenator 
Blood inlet port Blood outlet port
 
Fig.3 Experimental circuit 
 
: Sampling ports
: Pressure measuring points
: Blood flow
: O2 flow
Roller pump
Reservoir for 
venous blood
Reservoir for 
arterial blood
      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                     
 
圧力損失については、内部灌流型人工肺に比べ
て、低値を示した。また、V/Q比による大きな差
は確認されなかった。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
試作した外部灌流型人工肺は、従来の内部灌流
型人工肺と同等の血液充填量である 3 mLを実現
し、ガス交換能である酸素移動量、二酸化炭素移
動量についても、V/Q比 10 の際に AAMI 基準値
を上回った。更に、圧力損失についても、内部灌
流型人工肺に比べて低値を示した。このことか
ら、本研究にて試作した外部灌流型人工肺は、ラ
ット体外循環モデルに適用可能であることが示
唆された。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3件） 
① 山田拓実, 住倉博仁, 藤井豊, 荒船龍彦, 大
越康晴, 矢口俊之, 本間章彦, ラット体外循
環モデルに適用可能な外部灌流型人工肺の
開発, 第 28 回ライフサポート学会フロンテ
ィア講演会, 埼玉, 2019. 3. 15-16 
② 山田拓実, 住倉博仁, 藤井豊, 荒船龍彦, 大
越康晴, 矢口俊之, 本間章彦, ラット体外循
環回路への適用を目指した外部灌流型人工
肺の開発, 日本人工臓器学会大会 (56）, 東
京都, 2018.11.1-3 
③ 山田拓実, 住倉博仁, 藤井豊, 荒船龍彦, 大
越康晴, 矢口俊之, 本間章彦, ラット体外循
環用外部灌流型人工肺の開発, LIFE2018, 東
京都, 2018.9.6-8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) O2 gas transfer rate 
 
(b) CO2 gas transfer rate 
 
(c) Pressure drop 
Fig. 4 in vitro experimental results 
0
1
2
3
4
5
6
20 30 40 50 60 70 80
O
2
g
a
s
 t
ra
n
sf
e
r 
r
a
te
 [
m
L
/m
in
]
Flow rate [mL/min]
10mm径50mm長人工肺 VQ＝0.5 （n=3）
10mm径50mm長人工肺 VQ＝1 （n=3）
10mm径50mm長人工肺 VQ＝10 （n=3）
内部灌流型人工肺 VQ=1 (n=1)
AAMI
Extracapillary blood flow type oxygenator V/Q=0.5 (n=3)
Extracapillary blood flow type oxygenator V/Q=1 (n=3)
Extracapillary blood flow type oxygenator V/Q=10 (n=3)
Intracapillary blood flow type oxygenator V/Q=1 (n=1)
0
1
2
3
4
5
6
20 30 40 50 60 70 80
C
O
2
g
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s
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sf
e
r 
r
a
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 [
m
L
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in
]
Flow rate [mL/min]
0
10
20
30
40
50
60
20 30 40 50 60 70 80
P
r
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ss
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m
m
H
g
]
Flow rate [mL/min]


Development of an extracapillary blood flow type oxygenator for a small animal extracorporeal circulation model

東京電機大学博士（工学）2019thesi

阿部, 博幸

アベ, ヒロユキ

ABE, Hiroyuki

Study on corrosion and reliability of silver materials inside in-vehicle electronic modules by S8 gas

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