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

東京電機大学博士（工学）2025doctoral thesi

佐々木, 元気

Japanese

ヒト同士の物理的協調作業における協調技能の定量評価とパフォーマンス解析

遠藤, 一

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 198号 氏 名 遠藤 一 
論文題目 
蝶のリード・ラグ運動による旋回メカニズムの数理モデル化 
およびMAVへの応用 
  
 生物のはばたき運動は、急旋回やホバリング、滑空を併用した省エネルギ飛翔といっ
た多様な飛行が可能である。しかし、空中での姿勢制御などその飛翔メカニズムには未解
明な部分が多く、これを明らかにすることが Micro Aerial Vehicle（MAV）の研究分野にお
いて重要である。ここで、蝶のはばたきに着目すると、翅の運動に必要な自由度が少なく、
はばたき周波数が低いといった特徴がある。これは、機構の単純化や省自由度での設計が
可能であるといった点から、MAV 開発のモデルとする上でメリットが大きい。現在開発さ
れている蝶型はばたきロボットは、質量 2g 程度の機体で直線飛行のみを実現しており、左
右への旋回制御が課題となっている。ここで、蝶は、旋回時に前翅を前後に回転させるリ
ード・ラグ運動を行っていることがわかっている。よって、このリード・ラグ運動による
旋回メカニズムを解明することで、蝶型はばたきロボットのみならず、ペイロードの問題
から複数のアクチュエータやセンサ等を搭載することが困難である MAV の旋回手法に応
用できるものと考えられる。このリード・ラグ運動による旋回動作は、方向舵等の機構の
追加や、左右非対称なフラッピング運動といった周波数や振幅の独立した制御を必要とせ
ず、翅の微小な回転運動のみで実現できる新たな方向制御手法となり得る。本論文は、全
7 章の構成であり、まず、蝶のリード・ラグ運動の動力学特性を明らかにする。次に、これ
に基づく旋回手法の MAV への応用として、蝶型はばたきロボットにリード・ラグ機構を
実装して運動解析を行い、その有効性を検証する。 
1 章では、本研究の背景と目的を述べる。はじめに、一般的なロボットの移動方式を分類
し、現在の飛行ロボット分野における研究状況についてまとめている。次に、これまでに
開発された蝶型はばたきロボットの特徴について説明し、姿勢制御に必要な機能として左
右非対称なリード・ラグ運動に着目した理由が述べられている。 
2 章では、蝶が行っているリード・ラグ運動による旋回メカニズムを明らかにするため、
数理モデルを構築することを目的としている。ここでは、モデルの簡単化のために蝶が滑
空しながら旋回動作していることに着目し、翅を広げて滑空している状態を数式化する。
左右のリード・ラグ角が同じモデルと非対称なモデルそれぞれについて、準定常空気力学
による数理モデルを構築して滑空動作をシミュレーションし、左右のリード・ラグ角が異
なることで旋回できることを示す。その結果、左右のリード・ラグ角の差による翅面積の
差により、右翅をリードさせた場合は左旋回を行い、左翅をリードさせた場合は右旋回で
きることを確認した。また、その旋回半径の大きさは左右のリード・ラグ角の変化量に依
存することも明らかにしている。 
3 章では、2 章の数理モデルの信頼性を示すため、数値流体力学（CFD）解析を行う。こ
こでは、オープンソースの CFD 計算ライブラリである OpenFOAM（v2112）を使用する。
機体は 6 自由度のダイナミクスモデルとして扱い、重合格子ソルバを用いて計算する。対
象モデルは 2 章と同様に翅を広げた状態の滑空モデルとし、自由落下させた状態での運動
の様子をシミュレーションする。そして、2 章で導出した数理モデルと比較する。解析の結
果、右翅をリードさせた場合は左旋回を行い、左翅をリードさせた場合は右旋回している
ことを確認した。また、この旋回動作は、周期的なロール回転運動を伴いながらヨー回転
することで生じていることも明らかにした。これにより、提案した数理モデルの有効性を
示している。 
4 章では、蝶型はばたきロボットで左右非対称なリード・ラグ運動を実現するため、その
駆動機構に必要なトルク計測を行う。蝶型はばたきロボットは、はばたき機構に弾性体リ
ンクを採用しており、リード・ラグ運動はこのリンクを捻ることで実現できる。よって、
その捻り動作に必要なトルクを計測する。先行研究より、リード・ラグ角が 10deg あれば
左右への旋回動作が可能であることが明らかになっており、この動きを実現するための必
要トルクは、最大 0.05mN･m であることを求めた。 
5 章では、4 章の結果をもとにリード・ラグ機構を開発する。軽量かつシンプルな小型ア
クチュエータとして、コイル状の形状記憶合金アクチュエータを用いる。この伸縮運動に
よって弾性体リンクのねじり動作を行い、リード・ラグ運動を実現する。提案機構による
動作を検証するため、複数台の高速度カメラを用いて 3 次元運動解析を行った。その結果、
左右への旋回に十分である約 12deg のリード・ラグ角の動作を実現したことを確認した。 
6 章では、5 章で開発したリード・ラグ機構を実装した蝶型はばたきロボットを滑空させ
て、左右への旋回動作を実現する。また、2 章で開発した数理モデルと 3 章での CFD 解析
結果が実機と同様であるか検証を行う。開発した機体は、翼幅 220mm、翼弦長 99mm、質
量約 1.4g である。滑空中、外部信号による左右いずれかのリード・ラグ運動により旋回す
る様子を高速度カメラで撮影し、運動解析を行った。その結果、機体はリード・ラグ運動
開始直後に旋回を始めていることを確認した。また、その動作は、数理モデルと CFD によ
る解析結果のいずれとも同じであることも検証している。よって、提案する数理モデルは、
実機のリード・ラグ運動による旋回動作を再現し、MAV へ応用可能であることを示した。 
7 章では、本研究の成果として、2 章から 6 章までの各章の総括を行い、残された課題を
述べながら、リード・ラグ運動による旋回メカニズムの解明および MAV 開発への貢献に
ついてまとめた。 


蝶のリード・ラグ運動による旋回メカニズムの数理モデル化およびMAVへの応用

渡部, 草太

東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術乙第 82号 氏 名 渡部 草太 
論文題目 深層学習によるアクネ菌可視化とストレス評価に関する研究 
  
本論文では、生活者が日常的に自身の肌状態および心理的ストレス状態を把握できる技
術を構築することで、生活習慣の改善やスキンケア行動を促し、ニキビの予防および QOL
の向上に貢献することを目指した。そのために、深層学習を活用し、(1)アクネ菌の可視化
技術、(2)外部光源の反射除去技術、(3)表情遷移画像によるストレス評価技術の三つの要
素技術を検討した。 
本論文は、全 6章から構成されている。 
序章では、ニキビが単なる身体的な問題にとどまらず心理的・社会的な影響を伴う疾患で
あり、その症状が現れる前から予防に取り組むことが極めて重要であることを示した。ニ
キビ発症のメカニズムとして挙げられるアクネ菌の増殖とそれに伴う炎症が日常の生活習
慣やストレスの影響を受けることを整理した。さらに、疫学的研究に基づき、特定の生活
習慣とニキビ悪化との因果関係には個人差が大きく、生活者自身が肌状態と生活習慣を継
続的に観察し、適切なケアを自ら選択する必要性を述べた。また、ストレスがニキビ悪化
の一因となると同時に他の生活習慣にも悪影響を及ぼすため、その適切な管理の重要性を
明確にした。加えて、皮膚科などで使用されている紫外光を用いたアクネ菌可視化技術の
現状と課題を整理した。こうした背景から、生活者が日常的に肌状態とストレス状態を把
握できる技術の必要性を示し、前述の要素技術を検討する目的を設定した。 
第 2 章では、序章で示した課題を踏まえ、肌状態およびストレス状態の把握に関連する
先行研究を、生活者向け技術としての応用可能性の観点から整理した。まず、アクネ菌可
視化に関しては、紫外光によるポルフィリン蛍光検出が医療現場で広く活用されている一
方で、専用機器の必要性や生活者への心理的負担など日常利用上の課題を明確にした。次
に、肌画像における色調やテクスチャの乱れを軽減する前処理として反射除去技術が必要
であることを示し、その基礎検討として眼鏡を対象にした研究の技術的意義を示した。さ
らに、ストレス評価については、主観的評価、カウンセリング、生理学的測定など、従来
法の課題を整理した。加えて、近年注目される表情認知に基づくストレス評価法を概説し、
定性評価に留まって微細なストレス変化を捉えられないという課題があることを指摘した。 
第 3 章では、紫外光を使用せずにアクネ菌を可視化する技術の検討に取り組んだ。アク
ネ菌が産生するポルフィリンは紫外光で赤色蛍光を発する性質を持つ。そこで、可視光と
紫外光を照射して撮影した顔画像のペアを学習用データとし、局所的な特徴を保持しなが
ら出力画像を生成できる深層学習モデル（U-Net）に学習させた。この時、紫外光画像のポ
ルフィリン発光領域を強調させ学習効率を向上させた。さらに、可視光画像と紫外光画像
の位置ずれによる影響を低減するため、切り出しサイズやリサイズ方法を検討して最適化
した。学習および検証の結果、生成画像と紫外光画像のポルフィリン推定値との間で高い
相関係数が得られ、紫外光を用いずにアクネ菌を推定する技術を構築した。 
第 4 章では、アクネ菌可視化に必要な肌画像の色調再現性を高める前処理技術として、
まず眼鏡レンズ上の反射除去を対象に深層学習モデルを検討した。RGB の各カラーチャネ
ルを独立に処理するネットワーク構成を採用し、従来法に比べて高い反射除去性能を達成
した。学習に用いたものとは異なる眼鏡や装用者に対しても高い PSNR（Peak Signal-to-
Noise Ratio）を示し、画像品質が向上した。さらに、色差指標で評価した肌画像の色調再
現性においても良好な結果が得られ、肌画像への応用に向けた有効性を定量的に確認した。 
第 5 章では、表情遷移画像を活用し、心理的ストレス状態を定量的に評価する技術を検
討した。画像生成モデル（StyleGAN）を用いて、笑顔への変化を段階的に表現した複数の
表情画像を作成した。その画像群を評価者に提示し、「どの画像から笑っているように見え
るか」を判断させることで表情認知スコアを算出した。さらに、心理的ストレス状態の指
標である STAI（State-Trait Anxiety Inventory）スコアとの関係を分析した結果、心理的
ストレスが高いと表情認知の感度が低下することを明らかにした。このことから、本方法
が定量的ストレス評価指標として有効であることを確認した。 
第 6 章では、検討した三つの要素技術を総括し、肌状態と心理的ストレス状態を日常的
にモニタリングする技術としての実用性を論じた。アクネ菌の可視化については、深層学
習により可視光画像からポルフィリンの発光領域を推定する技術を構築し、紫外光を用い
ない簡便な推定方法としての実用性を示した。また、別途検討した反射除去処理により外
部光源の影響を抑制し、肌画像の色調再現性を高める前処理技術としての有用性も確認し
た。さらに、表情認知スコアと STAIスコアとの間に有意な相関を確認し、心理的ストレス
状態を簡便に把握できる新たなモニタリング指標としての可能性を示した。さらに、デー
タセットの拡充、モデルの一般化性能の向上、実生活環境下での検証など、今後の発展課
題にも言及した。 
以上より、深層学習技術を応用し、生活者が日常生活で負担なく肌と心の状態を把握で
きる新たなモニタリング技術の基盤を構築した。これにより、生活習慣改善やスキンケア
行動への主体的な動機付けが可能となり、ひいてはニキビ予防を通じた心身の健康維持、
さらには各生活者によるセルフメディケーションの促進に貢献するものと期待される。 


深層学習によるアクネ菌可視化とストレス評価に関する研究

東京電機大学博士（工学）2024doctoral thesi

ポワトリモル, バスチャン

学位論文審査の結果の要旨    
報告番号 先端科学技術甲第 194号   氏 名 ポワトリモル バスチャン 
論文題目 Improvement of Rendering Capabilities of Hybrid Cable-Driven Parallel Robot Haptic Interfaces 
論文審査委員会 
委員（主査）五十嵐 洋 教授 （電気電子システム工学専攻）   
委員（副査）茂木 克雄 教授 （電気電子システム工学専攻）   
委員（副査）石川   潤 教授 （先端技術創成専攻）  
委員（副査）残間 忠直 教授 （先端技術創成専攻）  
 
 研究の背景 
人間の多様な触覚感覚（Haptics）は，対象物の表面性状，形状，温度等に関する豊富な情報
を提供することが知られている。人間は人工的なインタフェースを介した物体との相互作用におい
ても，牽引や押圧などの触覚的手がかりを検知・解釈する能力を有している。 
触覚インタフェースの中でも，ケーブル駆動型パラレルロボット（Cable-Driven Parallel Robot: 
CDPR）は，仮想環境との没入型相互作用を実現する手段として期待されており，代表的な事例と
して SPIDAR や IPAnema3 Mini があげられる。しかし，これらは，他の触覚インタフェースと比較し
て広範な可変作業空間と低慣性という利点を有するにもかかわらず，ケーブル本数や可動域に
関する最適化が十分になされていなかった。 
さらに，マルチモーダル触覚（Multi Modal Haptic: MMH）インタフェースとして知られる，複数
の触覚的手がかりを同時提示可能な CDPR は世界的にほとんど例がなく，非ケーブルベースのイ
ンタフェースにおける進展と比較して，課題が残されている。 
 
                研究の目的 
本研究では，触覚フィードバック機能を有するCDPR の設計および多様なフィードバック方式の
改善を目的とした。本論文は，CDPR ベースの触覚インタフェースにおける触覚レンダリング性能
の向上に焦点を当て，以下の 2 点を主目的として研究を進めた。 
第一の目的は，ケーブル配置の最適化である。具体的には，インタフェースの触覚透過性を維
持しつつ，ケーブル本数を最小化しながら，設置空間に対する有効作業空間の比率を最大化し
た。この最適化により，ユーザとケーブルの接触を回避し，装置の力覚フィードバック範囲を拡大
することが可能となる。また，ケーブル本数の削減により，マルチモーダル触覚（MMH）デバイスを
統合するためのスペースを創出した。 
本論文における第二の目的は，CDPR のエンドエフェクタ（またはハンドル部）にデバイスを統
合し，MMH インタラクションを実現することである。さらに，没入感のある現実的な触覚的手がかり
を提供するための新しい制御手法を提案する。これにより，より自然で直感的な触覚フィードバッ
クの実現を目指した。 
研究の内容 
本研究では，独自に設計した 2台のケーブルロボットを開発した。これに加えて，摩擦測定装置
の開発を行うとともに，テクスチャ提示用触覚デバイスの開発を行った。 
博士課程初年度においては，6 本のケーブルを採用した再構成可能な触覚ケーブルロボットを
構築し，主観評価実験および装置性能評価を実施した。その成果を CableCon2023 および World 
Haptics Conference にて発表し，提案システムの性能指標における優位性を実証するとともに，ユ
ーザ実験においても操作性に関する問題が生じないことを確認した[1,2]。 
[1] B. Poitrimol and H. Igarashi: "A User Study of a Cable Haptic Interface with a Reconfigurable Structure," 
2023 IEEE World Haptics Conference (WHC), Delft, Netherlands, 2023, pp. 460-466. 
[2] B. Poitrimol and H. Igarashi: "A Cable-Based Haptic Interface with a Reconfigurable Structure," Cable-Driven 
Parallel Robots, 2023, Volume 132, ISBN : 978-3-031-32321-8 
CableCon2023 における複数の研究者との議論を踏まえ， 3 次元インターフェースの改善に取
り組んだ。特に，新しい運動学モデルを採用した改良型ロボット，触覚に関連する指標を用いた作
業空間の研究，および制御アルゴリズムのリアルタイム性能の検証を行った[3]。 
[3] B. Poitrimol and H. Igarashi: "A Cable-Based Haptic Interface With a Reconfigurable Structure," ASME. J. 
Mechanisms Robotics, Jan. 2025; 17(1): 010901. 
2023 年前期には，マルチモーダル触覚に関する新たな研究テーマへと展開した。このプロジェ
クトでは，研究室で開発されたテクスチャ提示技術を実装可能な平面ケーブルロボットの開発を目
指した。当初は3次元インターフェースの改良に並行して進める副次的なプロジェクトであったが，
これが本論文の第二の目的であるマルチモーダル触覚の統合に関する重要な貢献となった。 
第二のインターフェースは，CDPR のマルチモーダル触覚統合における課題の解決を目指すも
のである。エンドエフェクタに組み込まれたフィードバックを実現し，全ての触覚的手がかりを同一
位置に配置することに成功した数少ないインターフェースの一つであり，ケーブルロボットとしては
唯一の実装例となった。そして，制御プログラムの改良と摩擦・振動フィードバックの統合を行い，
Robomech 2024 にてテクスチャ認識の結果を発表した[4]。 
[4] B. Poitrimol and H. Igarashi: "A novel approach to multimodal haptic feedback integration using a planar 
cable-driven parallel robot," 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 '24, 2P2-P08, 2024. 
2024 年前期は，摩擦測定の研究を行うとともに，摩擦測定装置のテストを目的とした GUI を含
む複数のプログラムを開発した。このインターフェースはテクスチャフィードバックの混合にも転用
され，将来的には摩擦および力覚フィードバックの調整にも活用できる。 
以上，本論文において著者が検討して得た結論に記された事柄は，新規性および応用可能性
において極めて有用であると判断できることから，本論文の価値は工学的，工業的な観点からも
十分に評価できる。よって，本論文は博士（工学）の学位論文として十分な価値を有するものと認
められる。 


English

Improvement of  Rendering Capabilities of Hybrid Cable-Driven Parallel Robot Haptic Interfaces

Bastien, Poitrimol

五十嵐, 洋

      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 Q24D-04 
課題名（和文） SPIDAR 型ハイブリッドインタフェースにおける触覚呈示能力の向上 
課題名（英文） Improvement of haptic rendering capabilities of SPIDAR-like hybrid interface 
研究代表者 
所属: 総合研究所 
 
氏名: Poitrimol Bastien 
共同研究者 
所属: 工学部 電子システム工学科 
 
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） 
本研究課題は，マルチモーダルなフィードバックが可能な可変構成型ケーブル駆動触覚インタフェースの
開発を目指した。3D プロトタイプを設計し、高い透明性と力覚提示性能を確認、学術論文として発表した。
続いて、振動や温度提示を統合するための 2D プロトタイプを開発し、初期成果を国内学会で発表した。 
摩擦モデルの改良や学位論文執筆の必要があり、全体の統合には至らなかった。しかしながら、本研究は簡素
かつ高機能な触覚提示デバイスの実現可能性を示した。 
 
研究成果の概要（英文） 
This research aims to develop a reconfigurable cable-driven haptic interface capable of delivering 
multimodal feedback. A 3D prototype was designed and validated, demonstrating effective force feedback 
and user-perceived transparency. The results were published in a peer-reviewed journal. Following this, a 
2D prototype was developed to explore the integration of vibration and temperature feedback. Preliminary 
results were presented at a domestic conference. Further progress on multimodal integration was limited 
due to the need for model and hardware refinement. Overall, the research confirmed the feasibility and 
potential of simplified, reconfigurable multimodal haptic systems. 
      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 
    This research explores the design and 
development of a novel reconfigurable cable-
based haptic interface capable of delivering 
multimodal feedback to enhance user 
interaction with virtual environments. 
Traditional cable haptic devices, while effective, 
often suffer from limited flexibility due to a high 
number of cables and limited feedback 
modalities. To address these issues, this project 
first focused on a 3D reconfigurable cable 
interface with improved transparency and 
reduced mechanical complexity. Following this, 
a 2D prototype was developed to test the 
integration of additional haptic modalities such 
as vibration. The research aims to assess both 
the feasibility and user perception of such 
reconfigurable, multimodal systems through 
iterative prototyping and experimentation. 
2.研究の目的 
    The purpose of this research project is to 
develop and evaluate a reconfigurable cable-
based haptic interface capable of delivering 
multimodal feedback with high transparency 
and reduced mechanical complexity. 
3.研究の方法 
    The research is structured in four main 
phases. First, a 3D reconfigurable cable 
interface should be designed and validated 
through simulations and experiments, focusing 
on its force feedback capabilities, workspace 
characteristics, and subjective impact on user 
perception.  
    Once validated, the next step involves 
developing a simplified 2D cable robot platform 
for the integration and testing of multimodal 
feedback (force feedback, vibration for texture 
simulation, friction, and temperature stimuli). 
This device serves as a testbed for studying the 
interaction and perceptual effects of different 
feedback types.  
    In parallel, efforts will be required to 
improve hardware implementation and refine 
physical models (e.g., friction modeling, VR 
integration) to enhance the quality and realism 
of haptic feedback.  
   The final phase of the project will involve 
merging the reconfigurable structure with 
multimodal capabilities into a unified system, 
with performance evaluated through user 
studies. 
4.研究成果 
    During this year, I successfully published 
the results of the 3D reconfigurable cable haptic 
interface in a peer-reviewed journal, confirming 
its feasibility and performance advantages. 
Following this, I began work on a 2D prototype 
aimed at integrating multimodal feedback, such 
as vibration. Preliminary results from this work 
were presented at a domestic conference. 
However, due to the need to improve friction 
modeling in the system, some planned 
developments, particularly further integration 
and testing of multimodal elements, were 
delayed. 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計  1 件） 
① Bastien Poitrimol：” A novel approach to 
multimodal haptic feedback integration 
using a planar cable-driven parallel robot”，
ROBOMECH2024’2024，宇都宮【査読なし】 
〔論文誌出版〕（計  1 件） 
② Bastien Poitrimol: “A Cable-Based Haptic 
Interface with a Reconfigurable Structure”, 
ASME. J. Mechanisms Robotics, January 
2025; 17(1): 010901. 【査読あり】. 


Improvement of haptic rendering capabilities of SPIDAR-like hybrid interface

高橋, 俊介

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22L-03 
課題名（和文） 1 本鎖 DNA 結合タンパク質を用いた 1本鎖 DNA 蛍光標識技術の開発 
課題名（英文） 
Single-molecule imaging of single-stranded DNA using single-stranded DNA binding 
protein 
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、准教授 
氏名 高橋俊介 
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、１本鎖 DNA 蛍光標識タンパク質を開発し、その DNA 結合親和性を確認した。複数の１本鎖
DNA 結合タンパク質の遺伝子を大腸菌で発現し、IMAC 法により精製した。開発した顕微鏡システムを用いて
バクテリオファージラムダ DNA の直接観察に成功し、１分子の１本鎖 DNA の動的挙動を観察できる状態を整
えた。これにより、１本鎖 DNA の物理的形態制御と可視化技術の開発が進展した。今後は、これらの成果を
活用してさらなる詳細な解析を進める予定である。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we developed single-stranded DNA (ssDNA) fluorescent labeling proteins and evaluated 
their DNA binding affinity. Their ssDNA binding proteins were expressed in Escherichia coli and purified 
using immobilized metal affinity chromatography (IMAC). Utilizing the custom-developed microscopy 
system, direct observation of bacteriophage lambda DNA was successfully achieved, preparing us to 
monitor the dynamic behavior of ssDNA at the single-molecule level. This advancement has promoted the 
development of the physical manipulation and visualization of ssDNA. Future efforts will focus on the 
effect of these results for more detailed analyses. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
DNA 分子はそれ自体で蛍光特性を持たない。この
ため、蛍光顕微鏡視野内で DNA 分子を視覚化する
には、何らかの方法で染色する必要がある。インタ
ーカレーター型蛍光色素は DNA の２本鎖領域を染
色することが可能であるが、１本鎖領域を染色する
ことはできない。DNA の１本鎖領域は、DNA ヘリ
カーゼによって２本鎖から１本鎖へと巻き戻された
り、DNA エキソヌクレアーゼによって DNA の切断
末端から削り込まれたりすることで、DNA 複製・修
復・相同の進行過程で絶えず生成されている。した
がって、これらの詳細な素過程を解析するためには、
DNA の１本鎖領域を視覚化することが必要である。
これまでの研究により、１本鎖 DNA 結合能を有す
る１本鎖 DNA 結合タンパク質は動植物および微生
物の全てで発見されている。しかし、１分子レベル
で DNA の１本鎖領域を可視化するための有用な解
析系や１本鎖 DNA 蛍光標識タンパク質の開発は確
立されておらず、その課題を解き明かす新しい技術
が求められている。 
2.研究の目的 
本研究課題では、１本鎖 DNA 蛍光標識タンパク
質の開発を行い、１分子の１本鎖 DNA の物理的形
態制御およびその可視化技術を開発することを目的
とする。これにより、１本鎖 DNA をベースとした
DNA 複製などのプロセスの解析が可能となること
が期待される。 
3.研究の方法 
大腸菌（EcSSB）、枯草菌（BsSSB-A、BsSSB-B）、
T4 ファージ（T4SSB）、T7 ファージ（T7SSB）、耐
熱性細菌（SsoSSB）の一本鎖 DNA 結合タンパク質
の遺伝子配列を大腸菌 B株のコドンに最適化し、人
工遺伝子合成を行った。蛍光タンパク質 mClover3
は HindIII と XhoI で切断した pET22b に Gibson 
Assembly 法によって挿入し、pET22b-FP を構築し
た。その後、各種の人工遺伝子断片を pET22b-FP
に 挿 入 し 、 pET22b-FP-EcSSB 、
pET22b-FP-BsSSB-A 、 pET22b-FP-BsSSB-B 、
pET22b-FP-T4SSB 、 pET22b-FP-T7SSB 、
pET22b-FP-SsoSSB を構築した。構築したベクター
を大腸菌 C41（DE3）に形質転換し、タンパク質を
発現させた後、固定化金属アフィニティクロマトグ
ラフィー（IMAC）によりタンパク質を精製した。
精製したタンパク質は FP-EcSSB、FP-BsSSB-A、
FP-BsSSB-B、FP-T4SSB、FP-T7SSB、FP-SsoSSB
と命名された。 
 
4.研究成果 
塩基配列決定法により構築されたベクターの配列
を解析した結果、デザインされた配列と同じ正しい
配列の遺伝子が構築されたことが確認された。これ
らのタンパク質は IMAC 法により精製され、
M13mp18 プラスミドを用いたゲルシフトアッセイ
によって 6種類の 1 本鎖 DNA 蛍光標識タンパク質
の DNA 結合親和性が評価された。その結果、全て
のタンパク質で DNA 結合性が確認された。さらに、
1 分子の 1 本鎖 DNA を捉えるためには、１分子イ
メージングに適した独自の顕微鏡システムが開発さ
れた。この顕微鏡装置は標的対象物に適合した検出
システムへと改良され、１分子イメージングにおい
て最適であると評価される。開発した顕微鏡システ
ムの性能を評価するために、マイクロ流体デバイス
内でバクテリオファージラムダ DNA（45 kb）の直
接観察が行われ、DNA１分子が安定的に観察され
た。これにより、１分子の１本鎖 DNA の動的挙動
をイメージングする準備が整った。今後の展開とし
ては、開発された顕微鏡システムを用いて、１本鎖
DNA の物理的形態制御を行いながら可視化を進め
ていく予定である。 
5.主な発表論文等 
（2）学会発表 
Y Semba, A Yoneoka, K Komukai, T Murata, I 
Shiina,T Shinomiya, S Takahashi, Y Nagahara、
Tamoxifen derivatives, ridaifens, induce potent 
cell death accompanied by lysosome 
accumulation、The 30th FAOBMB & 8th BMB 
Conference、2023/11/22、バンコク（タイ） 
 


1本鎖DNA結合タンパク質を用いた1本鎖DNA蛍光標識技術の開発

東京電機大学博士（工学）2023doctoral thesi

武井, 裕輔

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     第 189号 氏 名 武井 裕輔 
論文題目 
EHD ポンプの高流量化に基づく新たな流体駆動源の開発とそのロボッ
ト駆動機構への応用に関する研究 
 ソフトロボティクスへの注目度の高まりから、「柔らかいロボット」の研究開発が活発に
行われている。こうした柔らかいロボットは一般的に電動アクチュエータや空気圧アクチ
ュエータが使用されており、例えばモータなどによって直接関節を動作させ、制御によっ
てコンプライアンス性を保つ場合もあれば、空気圧人工筋などアクチュエータ自身が構造
的な柔軟性を有することで柔らかさを持たせる場合もある。しかし、モータ駆動に関して
は電気エネルギによって機械的な駆動部を動作させ、動力を得る構造をしていることから、
複数のセンサによって常に機構の状態を把握し続け、複雑な制御を行う必要がある。また、
空気圧・水圧アクチュエータにおいては、アクチュエータ単体では動作ができず、ポンプ
やコンプレッサなど別の駆動源によって流体を圧送してその圧力を利用して駆動しており、
これらの駆動源はモータ駆動と同様に機械的駆動部を電気で動作させ圧力を得ていること
から、構造的な複雑さと制御的な複雑さの両方の問題を抱えている。これらの問題に対し
て、本研究では機能性流体アクチュエータに注目し、機械的駆動部を有さない、EHD 現象
を応用した EHD ポンプのロボット駆動への応用を提案することとした。 
第 1 章では、従来のアクチュエータ及びその問題点ついて言及し、それらの空気圧に代
わる駆動方法として、EHD 現象について説明している。 
EHD 現象とは、電気的絶縁特性を有する液体内の電極に直流高電圧を印加すると液体に
流動が生じる現象であり、1950 年代に数元により報告され、数元効果とも呼ばれている。
この EHD 現象の応用として他の研究機関においてマイクロポンプ（ECF マイクロポンプ）
や小型な EHD アクチュエータの開発が行われている。しかし、吐出流量の少なさから大
型のマシンへの応用は行われておらず、著者らの研究グループで考案した独自の電極構造
（+電極と傾斜させた GND 電極の間に一方向の流れが発生）を用いた比較的大型の EHD
ポンプやアクチュエータの開発が行われたが、やはり流量不足による動作速度の遅さから
応用は進んでいるとは言えない。そこで、本論文では EHD 現象を高流量化することによ
る高流量が吐出可能な新たな流体駆動源の開発とその駆動源に適した液圧アクチュエータ
の開発及びロボット駆動機構への応用が目的である。 
第 2 章では目的に関して開発手順をステップごとに説明している。 
 第 3 章では、EHD ポンプの高流量化手法に関して論じている。EHD 現象により発生し
た流動を流体の運動として捉え、流体力学に基づいて高流量化の手法を検討し、EHD ポン
プの流路断面積を増加させる２つの手法としてEHDポンプの拡幅化と並列化を考案した。
そして、これまで検討されていない配線による電界分布への影響と電極幅との関係を電界
解析によって検証し、高流量化を行う際に配線部の影響の少ない設計条件を明らかにした。 
第 4 章では、第 3 章での考案した手法と解析結果に基づく高流量型 EHD ポンプの開発
について論じる。前章で明らかにした設計条件に基づいて基準となる EHD ポンプを製作
し、基準 EHD ポンプに基に拡幅型 EHD ポンプと並列型 EHD ポンプを製作した。これら
の EHD ポンプの吐出流量、吐出圧力の評価を行った結果、吐出流量については、電極幅 2
倍のEHDポンプ 1.8倍、電極幅 4倍のEHDポンプで 3.5倍の流量の吐出が可能であった。
また、圧力に関しては並列数にかかわらず同様の吐出傾向を示した。よって、開発した高
流量型EHDポンプは電極幅と印加電圧に応じて吐出流量を増加させることが可能であり、
吐出圧力は電極の直列段数と印加電圧が支配的であることが分かり、これにより高流量の
吐出が必要な機器への応用が可能になっただけでなく、高流量かつ低圧力を求められる機
器への応用も可能であるため、要求される性能に対して自由に並列数、直列数を調整する
ことによる応用範囲の大幅な拡大に成功したことを示した。 
第 5 章では、高流量 EHD ポンプを駆動源とする液圧アクチュエータの開発及びそのロ
ボット駆動機構への応用に関して論じている。これまで、EHD 現象は優れた静穏性や柔軟
性、制御性を有しているにもかかわらず、その吐出流量の低さからマイクロマシンが主な
応用先になっており、中・大型マシンへの応用ができなかった。しかし、前章で開発した
高流量 EHD ポンプを駆動源とすることでより大きな機器へと応用が可能となった。そこ
で、EHD ポンプはその特徴から人の周りで動作するロボットに適していると考え、生体の
筋肉を模倣した人工筋に着目した。そして、従来の人工筋が抱える構造上の問題である駆
動圧力の高さと、発揮する収縮力の算出の難しさに関して解決可能な EHD 人工筋の開発
を行った。この EHD 人工筋は収縮力発揮する部分が常に直角になる構造であり、人工筋
がどんな収縮率であっても、印加圧力に比例した収縮力を発揮することが可能である。こ
れにより、問題であった収縮力の予想し難さは改善された。そして、この EHD 人工筋を
駆動源としたロボット駆動機構を構築し、動作させることによってこれまでに困難であっ
た中・大型マシンへの応用の可能性を示した。 
 第 6 章では、本論文の結論を論じている。本論文では、結論として、EHD 現象を応用し
た高流量 EHD ポンプを開発することで、これまで困難であった高流量機器への応用が可
能となり、実際にこれを組み込んだアクチュエータの製作およびロボット駆動機構の動作
を実現しさらなる応用の可能性を示したことを述べている。 


EHD ポンプの高流量化に基づく新たな流体駆動源の開発とそのロボッ ト駆動機構への応用に関する研究

井上, 淳

千代丸, 正志

大川, 孝浩

濱田, 優生

課題番号 Q23Y-01 
課題名（和文） 移動と立体姿勢制御に関するバイオメカニクス的研究
課題名（英文） 
A Study on Guidance of Walking in a Straight-Line Using Motion Illusion by Vibration 
Stimulation for Reducing Contact during Rehabilitation 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
工学部 機械工学科 教授
氏名 井上 淳
共同研究者
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
文京学院大学 保健医療技術学部 准教授
氏名 千代丸 正志
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
文京学院大学 保健医療技術学部 助教
氏名 大川 孝浩
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
工学研究科 機械工学専攻
氏名 濱田 優生
所属（学部、学科・学系・系列、職位）
氏名
研究成果の概要（和文） 
本研究は、移動と立位姿勢制御に対して、足底部回転を制御するインソールの開発、同期制御可能な傾斜板の
開発、筋活動シミュレーションを用いた歩行中の下肢筋活動の特性分析の３つのアプローチから研究を進め
た。その結果、O 脚や X 脚の患者に対して、足部を回旋させることで正常な歩行を行わせるインソール型回
転装置の開発が完了し、患者の足部評価を行うための傾斜版の開発が完了した。さらに、筋活動シミュレーシ
ョンを行うための基礎モデルの開発を行うことができた。
研究成果の概要（英文） 
This research focuses on three aspects of locomotion and standing posture control: development of an 
insole that controls rotation of the sole of the foot, development of an inclined plate that can be 
synchronously controlled, and characteristic analysis of lower limb muscle activity during walking using 
muscle activity simulation. The research proceeded from two approaches. As a result, we have completed 
the development of an insole-type rotation device that allows patients with bow legs and X legs to walk 
normally by rotating their feet, and we have developed an inclined version for evaluating patients' feet. 
has been completed. Furthermore, we were able to develop a basic model for muscle activity simulation. 
東京電機大学
総合研究所年報 2023 
  Annual Report 
  The Research Institute for Science and Technology 
  No.43 Tokyo Denki University    
      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 
 下肢に障害のある患者に対する原因の解析、新
たなリハビリ評価手法や補助用具の開発、下肢障
害そのものの予防といった研究は、医学側・工学
側で様々になされてきた。下肢障害に対する歩行
解析は一般的に、モーションキャプチャ、床反力
計、加速度計、筋電位計等を用いて行われる。し
かし、患者の障害の状態や身長体重等を一定の範
囲に絞って比較をすることは難しく、多くの被験
者で比較条件以外の条件を統制してその状態を
計測することは極めて困難である。その上、患者
に対し何度も条件を変えて動作計測を行うこと
も、負荷が大きいことから倫理的にも困難な部分
があった。 
2.研究の目的 
上記の問題に対し、本研究では、文京学院大学 
保健医療技術学部と共同で、下肢に障害のある患
者に対する原因の解析、新たなリハビリ評価手法
や補助用具の開発、下肢障害そのものの予防を総
合的に行うことを目指している。具体的には、シ
ミュレーションを使った動作時の筋活動量の推
定、患者が上に乗ったまま足の動的な機能を評価
可能な傾斜台と足指の背屈を妨げない下肢装具
の開発、足の内外旋を調整できるインソールの開
発の 4 要素からなる研究である。このうち本年度
はシミュレーションを使った動作時の筋活動量
の推定、患者が上に乗ったまま足の動的な機能を
評価可能な傾斜台の開発、足の内外旋を調整でき
るインソールの開発を行うことを目的とした。 
3.研究の方法 
筋活動シミュレーションを用いた歩行中の下
肢筋活動の特性分析については、歩行中の支持側
立脚後期の運動が対側立脚初期へ影響を及ぼす
ことは運動の観察などによって知られている。し
かしながら、その際の支持側の筋活動特性が対側
の立脚期の筋活動や動作にどのような影響を与
えているかを定量的に示した研究はない。 
そこで、本課題はこれを定量化するとともに、
筋活動シミュレーションソフトを用いることで、
条件に変動があった際の筋活動特性がどのよう
に変化しているかを明らかにするため、共同研究
初年度は基礎モデルの構築を目指した。 
また、足の動的な機能を評価可能な傾斜台の開
発に関しては、下肢麻痺や O 脚、X 脚等の異常を
抱えた脚部に対し、異なる足関節肢位における静
止立位バランス制御ストラテジーの違いを解析
するため、左右個別の足底面の角度を変えること
ができ、患者が傾斜台から降りずに、角度を動的
に変更することができる傾斜台の製作を行った。 
足底部回転を制御するインソールの開発では、歩
行時の回旋ストレス制御能を有したインソール
の作成を目的とし、材料の選定と回旋部位、回旋
制御量のモデリングを行う。 
4.研究成果 
筋活動シミュレーションを用いた歩行中の下
肢筋活動の特性分析に関して、本年度はこのシミ
ュレーションの基礎モデルの構築を行っており、
令和 6 年度は実際の歩行条件を導入したモデルの
構築を進める。 
同期制御可能な傾斜板に関しては、理学療法士
から要件の聞き取りを行い、70kg の患者が乗った
上で、矢状面および前額面でそれぞれ+15°から
－15°の傾斜角度範囲を保証する動的制御可能
な傾斜板を開発した。令和 6 年度はそれを用いて
患者の能力の動的評価を行う手法を開発する。 
また、足の内外旋を調整できるインソールに関
しては、回旋を生み出す機構部分の角度やサイ
ズ、パターンと、回旋制御量の関係性を明らかに
し、その計算式を求めた。このインソール技術の
コア部分となる回転部の形状設計・性能の検討を
行い。2024 年 5 月中の申請を目指し、現在特許出
願作業中である。 
 
5.主な発表論文等 
 足底部回転を制御するインソールに関する特
許の申請準備中であり、その関係上、発表論文等
は無し。 


移動と立体姿勢制御に関するバイオメカニクス的研究

米ケ田, 里奈

山田, あすか

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q23DS-05 
課題名（和文） 場所を介した生活史からみた，地域づくりの拠点ネットワークの研究 
課題名（英文） 
Research on the networks of bases for the development of the community through 
place-based life histories 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学，先端科学技術研究科，建築・建設環境工学専攻，特任助手（当時） 
氏名 米ケ田 里奈 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学，未来科学部，建築学科，教授 
氏名 山田 あすか 
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） 
本研究は，ライフヒストリー研究と場所研究を援用した「場所を介した生活史」の記述をもとに，「私の／私
たちの場所」によって特徴付けられるまちのあり方を「セルフプレイスネットワーク（Self-Place identified 
Network; SPiN）」として捉え，「まちの中の場所」の意味の記述を，場の運営者に対して試行した。運営者が
持つ課題意識を核とした開設拠点でのコミュニティ醸成が，地縁の再形成の役割を担い，運営者自身の生活を
支えていると考えられる。また，子育て支援の場が，他の支援団体及び拠点との繋がりを持ちながら，地域活
動の活性化に寄与している実態が把握できた。 
 
研究成果の概要（英文） 
Based on the description of place-based life histories with the aid of life history research and place studies, 
this study considers the way a town is characterised by 'my/our place' as a self–place identified network 
(SPiN) and the description of the meaning of place was attempted for the place operators. It is thought 
that the fostering of a community at the place of establishment, with the awareness of issues held by the 
operator at its core, plays a role in the reshaping of local ties and supports the operator's own life. In 
addition, it was possible to grasp the actual situation in which childcare support places contribute to the 
revitalisation of local activities while maintaining links with other support groups and centres. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
近年注目される，孤独・孤立の害に苦しむ人々
を癒やす「社会的処方」1）や，適切な場所とそれ
らをつなぐ道があるからこそ人々が行き交いま
ちに活気を生む「ウォーカブル・シティ」２）の概
念に照らすと，実際の場所があること，それらの
場所と場所を利用する人々がつながることでま
ちのコミュニティが結ばれることに人々は気づ
きはじめている。Ray Oldenburgのサードプレイス
理論３）を援用すると，人それ自身もまた，場所と
の関係において自分自身を構築していくと説明
できる。 
 
2.研究の目的 
本研究課題では，「場所―人の関係でみる，ま
ちのネットワークの様相」を「問い」に設定する。
個人のQOLと，生活者の支援の基盤となるまちを
なすコミュニティ・ネットワークの構築の観点か
ら，コミュニティ・ハブであり，人をその人たら
しめる「まちの中の場所」の意味を記述しその実
践に資する知見とすることを目的とする。この研
究では，場所と共につくられてきたその人らしさ
の記述を，「場所を介した生活史」として記述す
る点と，これらの「私の／私たちの場所」によっ
て特徴付けられ，その利用者・運営者が織りなす
まちのあり方を「（私の／私たちの場所）を介し
たネットワーク セルフプレイスネットワーク
（Self-Place identified Network（SPiN））」と
して捉える点に，独自性と創造性を有する（図
１）。 
 
 
 
3.研究の方法 
場所を介して社会的な弱さを持つ人々を支援
する地域活動を行う拠点の運営者の「場所でみた
生活史」をインタビュー調査で把握し，「場所を介
した人への支援のネットワーク」の記述を行う。
インタビューでガイドラインとした質問項目を
表１に示す。 
住民の居場所づくりや空き家の利活用，コミュ
ニティ醸成を目的とした地域活動が盛んな A地区
（市区町村単位の行政区画）で子育て支援機能を
含む地域住民の居場所となる拠点６つの運営者
８名を対象とした（表２）。施設種別は，カフェ
（CDE），親子向けスペース（AF），コワーキング SP
と保育園の複合施設（B），である。 
 
 
 
 
 
4.研究成果 
4.1. 場所を介した生活史の記述 
 インタビューで得られたデータを，「場所を介
した生活史」として整理した（図２）。 
 ｂ氏は，過去に利用していたサードプレイスの
運営者から，ちょっとした挨拶や声掛けといった
図１ セルフプレイスネットワークの概念図 
表１ インタビューでガイドラインとした質問項目 
表２ 調査対象拠点の概要 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
自然なケアを受けた経験や，彼らとの繋がりによ
って，現拠点の具体的な活動のヒントを得ていた
ことがわかった。ある時点で，情報やケアを受け
取っていたｂ氏が，場所を立ち上げたことで情
報・ケアを提供する側へと役割が転換したと考え
られる。 
 
 
 
4.2. 場所づくりと生活史との関係 
運営者が経験した具体的な場所や物事が，運営
者の思想や理念，空間づくりに至る構造を整理し
た（図３）。 
【あ】：保育園や児童館等［こども施設］の利用を
通して，［育児と仕事の両立への苦労］，［利用のし
辛さ］，［産後・子育てへの公的支援の不足］，［子
育て＝母親という性別役割意識の根強さ］，等子
育てにまつわる社会課題意識を強め，その解決へ
のアプローチに繋がるものとして，拠点の理念が
設定されている。 
【い】：自身が経た家庭環境から得た気付きが，居
場所づくりや啓蒙活動という理念を掲げて，定期
的なセミナーやイベント開催に繋がっており，課
題意識を核にしたコミュニティが，開設拠点で形
成されていることが示唆される。 
【う】：排他的なコミュニティの閉塞感といった
地縁の課題が，「もっと寛容な，地域の本来あるべ
き姿をこの場所から発信したい」といった理念に
繋がっている。拠点利用によって生まれたコミュ
ニティが，より居心地の良い地縁への再形成の役
割を担い，運営者自身の生活もそれに支えている
と考えられる。 
 
4.3. セルフプレイスネットワークの様相 
 Ａ地区の子育て支援拠点は，各運営者の個人的
な経験から，独自にそれぞれの場所をつくられて
おり，自然発生的にできた各場所は，他の支援団
体や場所と関係を結び合っている（図４）。 
【え】：a 氏－団体 TB－NPO法人 AS－拠点 RJの運
営者は，過去に A地区内で大規模な母親向けのイ
ベントを定期開催していた。なお，この４名は，
公私ともに親しい間柄で，活動内容に影響を及ぼ
し合っている。中でも拠点 RJは，A地区南部の繁
華街での空き家再生による拠点形成事業の一貫
である。 
【お】：拠点Ｃの現オーナーが活動に関与してい
る拠点ＫＹは，拠点Ｄと架空の商店街形成をして
おり，理念に賛同する商店同士が繋がっている。
この点からも，地縁の利用縁による結び直しの動
きが確認できた。 
【か】：NPO 法人 TT は拠点を有さず，非常設型で
支援活動を行っている。e 氏は支援活動を行いた
いものの，拠点 E は営利事業のため，低価格や無
償でのサービス提供が難しいという葛藤を抱え
ており，TT に間貸しをすることで支援活動を行
っている。拠点を有することによる，活動内容の
拡がりが確認できる。 
図２ b 氏の場所を介した生活史の一部抜粋 
図３ 運営者の経験－思想－理念－場所づくりの構造 
  Annual Report 
東京電機大学        The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023        No.43 Tokyo Denki University     
4.4. 総括 
「場所を介した生活史」は，場所を通して変化
と再構築を繰り返す自己の様態を明らかにする。
運営者らの困難や葛藤の経験の違いは，視点や実
践内容の差異として表れ，場を形づくっている様
が可視化できた。セルフプレイスネットワークの
概念によって運営者が場所から得た思想と拠点
運営との関係性や，場所を介した人々の関係を把
握，場所群がつくる地域社会というもの，また人
と社会の関係を可視化し，記述する成果を得た。 
5.主な発表論文等
〔学会発表〕（計２件） 
① 米ケ田 里奈，山田 あすか，子育て支援を起
点とした地域づくりの拠点ネットワークの
研究 ─ A 地区におけるケーススタディ
─，こども環境学会 2023年大会（沖縄）
② 米ケ田 里奈，山田 あすか，居場所とその時
間的変遷の全体像「セルフプレイスネットワ
ーク」の概念構築 －A地区の子育て支援を起
点とした地域拠点の運営者を対象として，
2023年度 日本建築学会大会［近畿］
［参考文献］ 
１）GOV.UK：Guidance Social prescribing: 
applying All Our Health，GOV.UK web サ
イト，＜https://onl.sc/SLyCkJJ＞，
2023.03.30.参照 
２）国土交通省：居心地が良くあるきたくなる
まちへ，WALKABLE PORTAL，＜
https://onl.sc/2besM4h＞，2023.03.30.
参照 
３）Oldenburg, Ray：THE GREAT GOOD PLACE，
New York: Marlowe & Company，1991 
図４ A 地区の子育て支援拠点と拡がる 
セルフプレイスネットワークの様相


場所を介した生活史からみた、地域づくりの拠点ネットワークの研究

荒船, 龍彦

八尾, 武憲

小関, 義彦

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22L-01 
課題名（和文） 心嚢穿刺術中支援システムの開発 
課題名（英文） Development of support system during pericardiocentesis 
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 教授 
氏名 荒船龍彦 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
大阪経済大学 人間科学部 人間科学科 教授 
氏名 八尾武憲 
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 小関義彦 
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） 
心タンポナーデは、心臓からの出血が心嚢内にたまり心不全を引き起こす疾患で、数分で致命的となる．主な
原因は医療過誤や外傷、心膜炎など。治療は心嚢穿刺による排液だが、盲目的で迅速な手技が求められ、医師
の技量に依存する．本研究では、感圧センサや非接触検知、エコー画像処理を用いた、安全で確実な心嚢穿刺
を支援するシステムの開発を行った． 
 
研究成果の概要（英文） 
Cardiac tamponade is a condition where blood accumulates in the pericardium, leading to heart failure 
and potentially becoming fatal within minutes. The main causes are medical errors, trauma, and 
pericarditis. Treatment involves pericardiocentesis to remove the fluid, but the procedure is blind and 
requires rapid execution, relying on the physician's skill. This study developed a support system for safer 
and more accurate pericardiocentesis using pressure sensors, non-contact detection, and ultrasound image 
processing. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
本文（９ポイント：明朝） 
心タンポナーデは、心臓の損傷による血液や体液
が心嚢内に貯留し、心臓を圧迫して心機能を喪失
させる疾患で、数分で致命的となる．主な原因は
悪性腫瘍の転移、カテーテル治療中の心筋貫通、
交通外傷など．治療は心嚢穿刺術のみで、超音波
画像を参照しながらの盲目的な手技が多く、医師
の知識と経験に依存する．安全で確実な心嚢穿刺
を実現するためには、針先位置を的確に提示する
手法が求められる． 
2.研究の目的 
本文（９ポイント：明朝） 
以上の背景より，本研究は，従来針先と心膜の位
置関係を確認しながら穿刺することが困難だっ
た心嚢穿刺術に対し，力センサや光学センサによ
る定量的な計測値と，そして超音波画像診断装置
のリアルタイム画像処理を組み合わせ，心嚢穿刺
を行う執刀医に対し，穿刺針と心膜の位置，そし
て穿刺したタイミングを的確に提示するシステ
ム開発を目的とする． 
3.研究の方法 
本文（９ポイント：明朝） 
3.1 穿刺力計測から心膜穿刺タイミングを推定す
るアルゴリズム開発 
心嚢穿刺の際，体外に位置し続ける 18G 針とシリ
ンジの接続部位にロードセルを設置し，ロードセ
ルを迂回するように穿刺針とシリンジを輸液チ
ューブによってバイパスすることで，穿刺力の計
測と実際の心嚢貯留液の廃液を両立するシリン
ジを製作する 
3.2 シリンジへの逆血から心膜貫穿刺を検知する
システム構築 
心嚢穿刺時の逆血流入を自動かつ迅速に検知す
るシステムを開発する．18 ゲージの針とシリンジ
をチューブで接続し、LED とフォトダイオードで
信号を計測して逆血流入を検知する．酸素化、脱
酸素化した牛血と色インキ水を使い、最適な組み
合わせを導出する． 
3.3 エコープローブ画像から針先端と心膜との距
離を導出するソフトウエア開発 
心嚢穿刺を実施する際に用いる超音波画像診断
装置の計測画像から，特徴量抽出を行い，針先と
心膜との距離を画像処理にて導出する．  
4.研究成果 
本文（９ポイント：明朝） 
開発したロードセル付き穿刺針シリンジによ
って穿刺針先端が模擬皮膚を貫いたのち，模擬心
臓の心膜に触れるタイミングを検出した結果を
図に示す． 
 
 
穿刺針先端での力計測から心臓の拍動周期ノイ
ズを除去した穿刺力波形を図に示す．グラフに示
す B から C の帯域が穿刺針先端が模擬心嚢空間
を遷移している時間帯であり，模擬皮膚貫通後に
閾値を定めることで模擬心膜を貫通できる可能
性が示唆された． 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計０件） 
①  
 
〔学会発表〕（計１３件） 
① 高森康平, 鈴木志歩, 住倉博仁, 小関義彦, 
山内康司, 八尾武憲, 荒船龍彦, "逆血検知を
用いた心嚢穿刺術中支援システム", 第 31 回
日本コンピュータ外科学会大会 
② 鎌滝智哉, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における乳幼児骨髄路確保のため
の穿刺トレーニングシステム",日本生体医工
学会関東支部若手研究者発表会 2022 
③ 高森康平, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における乳児用人工呼吸トレーニ
ングシステム", 第 32 回ライフサポート学会
フロンティア講演会 
④ 鎌滝智哉, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における骨髄穿刺トレーニングシ
ステム",第 32 回ライフサポート学会フロン
ティア講演会 
⑤ 鎌滝智哉, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における骨髄路確保のための骨髄
穿刺トレーニングシステム", 第 62 回日本生
体医工学会大会 
⑥ 高森康平, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における人工呼吸トレーニングシ
ステム",第 62 回日本生体医工学会大会 
⑦ 鎌滝智哉, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
骨髄路確保のための小児救急用骨髄穿刺ト
レーニングシステム", 第 38 回ライフサポー
ト学会大会・LIFE2023 
⑧ 高森康平, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における小児用人工呼吸トレーニ
ングシステム",第 38 回ライフサポート学会
大会・LIFE2023 
⑨ 鎌滝智哉，染谷真紀，黒田知宏，荒船龍彦, "
小児救急における骨髄路確保用骨髄穿刺ト
レーニングシステム", 第 32 回日本コンピュ
ータ外科学会大会 
⑩ 鎌滝智哉，染谷真紀，黒田知宏，荒船龍彦, "
乳幼児骨髄路確保のための小児救急骨髄穿
刺トレーニングシステム",日本生体医工学会
関東支部若手研究者発表会 2023 
⑪ 高森康平，染谷真紀，黒田知宏，荒船龍彦, "
小児救急における用手換気手技トレーニン
グシステム", 日本生体医工学会関東支部若
手研究者発表会 2023 
⑫ 高森康平, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
小児救急における小児用バックバルブマス
ク換気手技トレーニングシステム",第 19 回
日本医学シミュレーション学会学術集会 
⑬ 鎌滝智哉, 染谷真紀, 黒田知宏, 荒船龍彦, "
乳幼児骨髄穿刺確保における小児救急骨髄
穿刺トレーニングシステム", 第 19 回日本医
学シミュレーション学会学術集会 
 
 


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