University of Yamanashi Academic Repository

University of Yamanashi (山梨大学)博士(医学)医工博4甲第260

篠原, 諭史

学 位 論 文 内 容 の 要 約 
 
 
氏名 
 
 
篠原 諭史  
 
                
論文題目 
Effect of infertility treatment on intrauterine growth: multilevel analysis 
（マルチレベル解析を用いた不妊治療が胎児発育に与える影響の検討） 
学位論文内容の要約 
 
【研究目的】 
不妊症とは、生殖年齢の男女が妊娠を希望し、本邦においては一般的に１年間避妊すること無く性交
渉をおこなっているにもかかわらず、妊娠の成立をみない場合を指す。不妊治療の方法には、タイミン
グ療法・人工授精・体外受精（凍結融解胚移植・新鮮胚移植）など様々なものがある。近年不妊治療の
方法の違いと出生体重との関係性についての報告が散見され、自然妊娠と比較し、凍結融解胚移植は出
生体重が増加するのに対し、その他の不妊治療は出生体重が減少するとされている。将来の健康や特定
の病気へのかかりやすさは、胎児期や出生後早期の環境の影響を強く受けるというDevelopmental 
Origins of Health and Disease（DOHaD）説とも関連して、様々な不妊治療の方法と胎児発育との関係
性を詳細に検討することは重要である。しかし、その胎児発育の軌跡に不妊治療の方法の違いがどのよ
う反映されるか明らかにした研究はない。本研究の目的は、繰り返しデータの解析に適したマルチレベ
ルモデルを用いて胎児発育を軌跡として描き、不妊治療が胎児発育に与える影響の検討を行うことであ
る。 
 
【方法】 
2012年7月から2017年9月までの間に当院で妊婦健診を受け分娩に至った、染色体異常を除く単胎妊
婦2377人の、合計37239回（1人平均15.6回）の妊婦健診データを用いた。妊娠方法によって、自然妊
娠群、体外受精以外の不妊治療群、新鮮胚移植群、凍結融解胚移植群に分類した。男女別に、従属変数
を胎児推定体重、主たる独立変数を妊娠方法とし、その他の胎児発育に影響する因子（母体年齢・非妊
時BMI・分娩回数・喫煙・妊娠高血圧症候群・前置胎盤・甲状腺疾患・妊娠糖尿病）を共変量として投
入したマルチレベルモデルを構築した。その結果をもとに、胎児の発育を軌跡として描き、不妊治療が
胎児発育に与える影響を縦断的に検討した。 
 
【結果】 
対象妊婦の平均年齢は32.5±5.1歳、初産婦は1250人（52.6%）、男児の出生は1196人（50.3%）であ
った。自然妊娠群、体外受精以外の不妊治療群、新鮮胚移植群、凍結融解胚移植群はそれぞれ、1764
人、171人、112人、330人であった。自然妊娠と比べ男児では凍結融解胚移植と妊娠期間の交互作用項
（p=0.02）のみに推定胎児体重と有意な関連を認めた。女児では凍結融解胚移植（p=0.001）、凍結融
解胚移植と妊娠期間の交互作用項（p=0.001）のみに推定胎児体重と有意な関連を認めた。また、マル
チレベルモデルをもとに作成した胎児発育の軌跡を検討したところ、妊娠中期からFET群のみが自然妊
娠群より推定胎児体重が大きくなる傾向を認め、特に女児で顕著であった。 
学位論文内容の要約（続紙） 
        
氏名   篠原 諭史 
           
 
【考察】 
凍結融解胚移植群において、自然妊娠群に比べ出生体重が大きくなるメカニズムには、概ね以下の3
つが報告されており、胎児発育が妊娠中期から自然妊娠と比較して促進されるメカニズムにも当てはま
ると考えられる。 
① 凍結融解胚移植の過程に起因する外的ストレスによるpositive selection 
② 凍結胚の自然周期法による移植が可能 
③ 凍結融解胚移植という技術が受精卵に与えるエピジェネティックな変化 
また本研究から、胎児発育に対する凍結融解胚移植の影響には性差がある可能性が示唆された。その
詳細なメカニズムは未だ不明だが、喘息、妊娠高血圧症候群、妊娠糖尿病などの合併症が胎児発育に与
える影響も同様に性差があることが指摘されている。つまり、外的ストレスに対する胎内での男児と女
児への影響には違いがあると考えられる。凍結融解胚移植による妊娠は、受精卵の凍結や融解してから
の移植という行為自体が、受精卵に対して明らかな外的ストレスとなりそれが本研究結果に反映されて
いる可能性がある。しかし、凍結融解胚移植が胎児発育に与える影響は未解明な点が多く今後さらなる
検討が必要である。 
本研究には、①単一施設の後方視的検討である②胎児発育に影響を与えるとされている因子（妊娠中
の体重増加・アルコールやカフェインの摂取・社会経済地位など）がモデルに組み込まれていない③マ
ルチレベル分析によって、欠損データ（予定日前に出生した症例）を補完した解析が研究結果に影響を
与えている可能性があるなどのLimitationがある。しかし、比較的数の多い母集団を用いてマルチレベ
ル解析を用いた不妊治療と胎児発育の関係性についての検討を世界で初めて行うことが出来た。 
【結論】 
凍結融解胚移植妊娠における胎児発育は、妊娠中期から自然妊娠と比較し促進される可能性が示され
た。本研究結果が、DOHaD説と関連し、不妊治療が胎児発育に与える影響を検討する、さらなる基礎
または臨床研究の土台となることが望まれる。 
 
 


English

Effect of infertility treatment on intrauterine growth: multilevel analysis

University of Yamanashi (山梨大学)博士(医学)医工農博乙第6号、Anesthesia & Analgesia 121・525-31・2015に掲載、DOI: 10.1213/ANE.000000000000084

猪野, 博史

氏        名    猪野 博史 
博士の専攻分野の名称    博 士 ( 医 学 ) 
学 位 記  番  号    医工農博乙 第 6 号 
学 位 授 与 年 月 日    平成 31 年 3 月 20 日 
学 位 授 与 の 要 件    学位規則第４条第２項該当 
専    攻    名    博士課程医学専攻 
学  位  論 文  題 名    The Effects of Blood Glucose Concentration on the Shivering 
Threshold in Rabbits 
（ウサギのシバリング閾値温度に対する血糖値の影響） 
 
論  文  審 査  委 員     委員長  教 授  松田 兼一 
委 員  准教授  北間 敏弘 
              委 員  講 師  三枝 岳志 
 
 
学位論文内容の要旨 
（研究の目的）体温調節機構が破綻しやすい重篤な患者や術中術後の患者には、しばしば高血糖が認
められる。しかし、高血糖が体温調節機構に与える影響については解明されていない。そこで我々は血糖
値がふるえ閾値温度に与える影響についてウサギを用いて調査した。 
 
（方法）イソフルランで軽く鎮静したウサギ27匹を無作為に3群に分け以下の薬剤を投与した。1）生理食
塩水、2）インスリン（血糖値60～100ｍｇ/ｄLに調節）、3）50％デキストロース（血糖値200～300ｍｇ/ｄLに
調節）。その後、直腸に留置したプラスチックチューブに10度の水を還流させ、深部体温を1時間に－2～－
3度のペースで低下させた。立毛を伴うリズミカルな筋収縮をふるえと定義し、最初にふるえが認められた時
の食道温をふるえ閾値温度とした。また食道温が34度まで低下しても、ふるえが認められない場合はそこ
で終了とした。 
 
（結果）ふるえ閾値温度は生理食塩水投与群：37.2 ± 0.5°C (平均 ± 標準偏差)、インスリン投与群：
36.3 ± 1.1°C、デキストロース投与群：38.0 ± 0.6°Cであった。血糖値が高いほど、ふるえ閾値温度は上昇
する傾向にあり、その関係は直線的で血糖値が100ｍｇ/ｄL上がるごとに、ふるえ閾値温度が約1℃上昇す
る関係であった。 
 
（考察）体温中枢は体表と深部組織からの温度情報を集約し、それらを解析し、体温調節反応の指令を
下す働きがある。暑さに対する体温調節反応（暑熱反応）には、息切れ、毛細血管拡張、発汗があり、寒さ
に対する体温調節反応（寒冷反応）には動静脈シャントの収縮、非ふるえ熱産生、ふるえがある。これらの
体温調節反応にはそれぞれ閾値温度が設定されており、深部体温が閾値温度を超えると体温調節反応が
引き起こされ、一定の体温（セットポイント）を保つ仕組みになっている。人間において、ふるえ閾値温度は
血管収縮閾値温度より約 1℃低く、一般的にふるえ閾値温度と血管収縮閾値温度は同時に変化する。我々
の研究では、ふるえ閾値温度が血糖値の変化によっても調節されるのではないかということが示唆された
が、もしそうならば血糖の変化により血管収縮閾値温度も同様に変化している可能性がある。血管収縮は
主に指先・足先の動静脈シャントに限局される反応であるが、全身麻酔下においては、体温低下防止にと
ても有効な体温調節機構である。もし血糖の低下により血管収縮閾値温度が低下するのであれば、全身麻
酔下での体温低下はさらに深刻化する恐れがある。低血糖に関してはいくつかの報告がある。ラットでは低
血糖により温ニューロンの活動（熱放散）が亢進し、冷ニューロンの活動（熱産生）は抑制される。39 ヒトにお
いても低血糖は体温のセットポイントを低下させる可能性を指摘されている。40-43 低血糖時に体温を低下さ
せ、デキストロース需要を減少させるというのは生理学的に合理的な反応と言えよう。一方、術直後には麻
酔による体温調節障害が消退する際によくふるえが見られる。我々の研究結果に基づいて考えると、高血
糖が術後のふるえを悪化させる可能性がある。糖負荷による一時的な高血糖は IL-6、TNF-αなどのサイト
カイン生成を促進する 34ことが確認されているが、サイトカインはプロスタグランジンE2の生成を促進し、プ
ロスタグランジン E2 は脳血液関門を通過し体温調節機構のセットポイントを上昇させる。35-38このような機
序で高血糖によるふるえ閾値温度は上昇したのではないかと考える。 我々のウサギモデルは十分に確立
されており、これまでに数々の実験が行われてきた。しかしいくつかのリミテーションが挙げられる。一つは、
ヒトではなくウサギを用いている点である。血糖がヒトの体温調節機構に対して実際にどのような影響をお
よぼすかは興味深いところである。もう一つは、ふるえの発生は客観的に評価されておらず、観察者の判断
にゆだねられている点である。かつて客観性を求め、筋電図を用いた評価法を試みたことがあったが、ふる
えを判別することは困難であった。また、血糖の調節は急性のものである。長期間つづいた高血糖が同様
にふるえ閾値温度を上昇させるかどうかは不明である。また血糖値の調節が行われる機序の違いも挙げら
れる。例えば外因性のデキストロース負荷による高血糖と違い、糖尿病による高血糖は体温調節機構に異
なる影響をもたらすかもしれない。 
（結論）ウサギにおいて、血糖値が生理学的範囲内の場合、および３００mg/dl を超えるような高血糖状
態において、ふるえ閾値温度は血糖値の線形関数であり、血糖値が１００mg/dl上がるごとにふるえ閾値温
度はおよそ１℃上昇することが確認された。ヒトの周術期において低血糖は術中低体温を助長し、高血糖
は術後のふるえを助長する可能性がある。 
 
論文審査結果の要旨 
1. 学位論文研究テーマの学術的意義 
 体温調節機構が破綻しやすい重篤な患者や術中術後の患者に、しばしば高血糖が認められる。一方、
高血糖の症例において術中術後に shivering が発生することが多く、高血糖が shivering 閾値温度を
上昇させている可能性が示唆される。しかし、高血糖が体温調節機構に与える影響については解明さ
れていない。そこで本研究は血糖値が shivering 閾値温度に与える影響についてウサギを用いて検討
した。その結果、血糖値が高いほど、shivering 閾値温度は上昇する傾向にあり、その関係は直線的
で血糖値が 100mg/dL 上がるごとに、shivering 閾値温度が約 1℃上昇する関係が存在することを世界
で初めて見出した。つまり、ヒトの周術期において高血糖は術後のふるえを助長する可能性があり、
血糖値を 300mg/dL 以下に抑えることで、shivering 閾値温度の上昇を抑え、術中術後の shivering
を回避できると考えられる。手術後のおける shivering は出来る限り回避すべき生体反応なので、術
後の shivering を回避する新たな手段を見出した点からも本研究は意義があると考えられた。 
 
2. 学位論文及び研究の争点、問題点、疑問点、新しい視点等 
 血糖値が shivering 閾値温度に影響を与えるとの仮説を立て、それを証明した事は評価に値する。
しかし、shivering 以外の体温調節反応、たとえば、皮膚の血管収縮、非ふるえ熱産生、などの閾値
温度にも血糖値による変化が生じていることが予想される。そのため血糖値が他の体温調節反応の変
化に及ぼす影響について今後検討されるべきと考えられた。 
 
3. 実験及びデータの信頼性 
 本研究は所属講座で永年培われて来た研究手法に対して改良を加えた研究で、研究は適正に施行さ
れており、研究及びデータの信頼性は高いと判断する。 
 
4. 学位論文の改善点等 
 本論文自体は完成度の高い学位論文であり、改善すべき点については特に認められなかった。 
 
 
5. 総括 
 猪野博史氏はウサギを用いて血糖値と体温調節機能に関する研究を精力的に行って来た。今回、血
糖値と shivering 閾値温度との関係を世界で初めて見出し、取りまとめた結果が、麻酔科領域におけ
る国際的一流雑誌 Anesthesia & Analgesia (IF:4.014(2016))に掲載されている事からも、審査委員
全員一致して医学博士の学位論文にふさわしい内容であると認めた。 
 


The Effects of Blood Glucose Concentration on the Shivering Threshold in Rabbits

University of Yamanashi (山梨大学)博士(医学)医工博4甲第278

三井, 一葉

氏        名    三井 一葉 
博士の専攻分野の名称    博 士 ( 医 学 ) 
学 位 記  番  号    医工博４甲 第 278 号 
学 位 授 与 年 月 日    令和元年 9 月 26 日 
学 位 授 与 の 要 件    学位規則第４条第１項該当 
専    攻    名    先進医療科学専攻 
学  位  論 文  題 名    Toll-like receptor 4 mediates the development of intracranial 
aneurysm rupture. 
(Toll-like receptor 4 は脳動脈瘤の形成を仲介する) 
 
論  文  審 査  委 員     委員長  教 授  木内 博之 
委 員  教 授  大塚 稔久 
              委 員  講 師  金丸 和也 
 
 
学位論文内容の要旨 
(研究の目的) 
Toll-like receptor 4 (TLR4) have crucial roles in activating the innate immune system  
and express in human intracranial aneurysms. Moreover, Myeloid differentiation primary  
response protein 88 (MyD88) is the key mediator of TLR4. However, the causal link between
 TLR4 pathway and intracranial aneurysmal rupture has still not been studied. Therefore,
we examined the potential roles of TLR4 and MyD88 in the development of aneurysmal  
rupture using a mouse model of intracranial aneurysm. 
(方法) 
Animals 
Male C56BL/6 mice, TLR4 knockout mice, MyD88 knockout mice, TLR4 flox/flox mice, and mice 
expressing Cre recombinase under the control of the myeloid-specific lysosome M (LysM) 
promoter were used. 
Induction of aneurysmal rupture model in mice 
To induce intracranial aneurysms in mice, we combined systemic hypertension 
(deoxycorticosterone acetate-salt hypertension) and a single injection of elastase into the 
cerebrospinal fluid at the right basal cistern. To detect aneurysmal rupture, two blinded 
observers performed neurological examination daily. 
TLR4 inhibitor treatment 
As a TLR4 inhibitor, lipopolysaccharide from the photosynthetic bacterium Rhodobacter 
Sphaeroides (LPS-RS) was used.  
Expression levels of inflammatory molecules 
We collected cerebral arteries with or without aneurysm induction and measured gene 
expression of inflammatory molecules. 
(結果) 
TRL4 inhibition significantly reduced the development of aneurysmal rupture. In addition, 
TLR4 knockout mice had a reduced rupture rate and lower levels of inflammatory molecules than 
the control littermates. Mice lacking macrophage/monocyte TLR4 showed the lower rupture rate 
than the control littermate mice. Moreover, the deficiency of myeloid differentiation 
primary-response protein 88 (MyD88) reduced the rupture rate. 
(考察) 
TLR4 was originally recognized as a critical receptor for innate immunity activated by  
exogenous ligands, such as lipopolysaccharide1, or viral envelope glycoproteins. However,
it has been shown that TLR4 can be activated by endogenous molecules, including products
 of the degeneration of extracellular matrix, heat shock proteins (HSPs), and lipids, and  
contribute to the pathophysiology of vascular diseases by modulating vascular  
inflammation. For example, in a mouse model of myocardial ischemia-reperfusion injury,  
the mice pretreated with TLR4 antagonist had significantly reduced myocardial infarction  
with the reduction of inflammatory molecules. In another study, TLR4 deficiency decreased
macrophage infiltration and the extent of aortic atherosclerosis in apolipoprotein  
E-deficient mice. In the present study, we measured expression levels of pro-inflammatory
cytokines to examine the involvement of TLR4 in the inflammatory processes associated with
aneurysmal rupture. The reduction of rupture rate in TLR4 knockout mice was associated  
with the decreased expression of TNFα, IL-1, and IL-6, cytokines that were previously  
implicated in the aneurysmal rupture. Furthermore, specific knockout of TLR4 in macrophage 
/granulocyte reduced the rupture rate. Taken together, these results suggest that TLR4  
contributes to the development of aneurysmal rupture through the modulation of  
inflammatory cytokine production perhaps from macrophages and monocytes. 
 Activated TLR4 binds to MyD88, forming the complex with IL-1R-associated kinases (IRAKs). 
This complex involving TLR4 and MyD88 plays a critical role in the vascular inflammation and 
remodeling in the animal model of atherosclerosis and myocardial ischemia. The formation of 
the TLR4-MyD88 complex enhances the production of inflammatory cytokines including IL-1, IL-6, 
MCP-1, and C-X-C motif ligand (CXCL) These inflammatory cytokines and chemokines are 
associated with the development of aneurysmal rupture in the previous studies. In the present 
study, TLR4 and MyD88 deficiency reduced the intracranial aneurysmal rupture rate and the 
expression levels of these inflammatory molecules, indicating that activation of TLR4 may 
lead to the development of aneurysmal rupture through the activation of MyD88 and subsequent 
production of proinflammatory cytokines.  
There are several limitations in this study. First, the animal model may not completely 
replicate biological events that lead to aneurysm formation and growth, as aneurysms were 
induced, but not spontaneously formed. However, the phenotypes of intracranial aneurysms in 
the model closely mimic that of intracranial aneurysms in human. More importantly, human 
intracranial aneurysms and aneurysms in this model share the end phenotypes, aneurysmal 
rupture and associated neurological symptoms, indicating the common biological processes 
between human intracranial aneurysms and this mouse model of intracranial aneurysm. Second, 
it may be possible that the activation of TLR4 leads to the production of inflammatory 
cytokines without involving MyD88. TLR4 can interact with TIR domain-containing adaptor 
protein–inducing interferon-β (TRIF) and promote expressions of interferon (IFN) -β and 
IFN-inducible products. This pathway may contribute to TLR4’s promotion of aneurysmal rupture. 
Finally, we used only male mice in this study. Our previous studies showed that the protective 
effects of estrogen against the formation and rupture of intracranial aneurysms using male, 
non-ovariectomized female, and ovariectomized female mice. Effects of sex differences and 
sex steroids on the roles of TLR4 in the development of aneurysmal rupture should be carefully 
examined in future studies. 
(結論) 
We demonstrated that TLR4 pathway plays a pivotal role in pathophysiology of intracranial 
aneurysmal rupture by modulating inflammation in mice. Inhibition of TLR4 pathway in 
inflammatory cells may be a promising direction for the prevention of aneurysmal rupture and 
subsequent subarachnoid hemorrhage.       
 
論文審査結果の要旨 
学位論文研究の学術的意義 
近年、脳動脈瘤破裂における炎症の関与が報告されているが、その本体は明らかとなっていな
い。本研究は、炎症の過程の主体をなす Toll-like receptor 4 (TLR4)経路の脳動脈瘤破裂への
影響を検討し、拮抗薬によるTLR4抑制およびTLR4遺伝子欠損において動脈瘤の破裂率が低下し、
さらに、後者においては、炎症性サイトカインの産生も減少していることを明らかにした。また、
マクロファージ / モノサイト上の TLR4 欠損あるいは TLR4 の重要なメディエーターである
myeloid differentiation primary-response protein 88 （MyD88）の遺伝子欠損も同様に破裂
率を低下させた。これらの結果は、脳動脈瘤破裂における TLR4 経路の果たす役割の重要性を示
唆しており、くも膜下出血の新たな予防法の確立の可能性につながるものと考えられる。 
 
学位論文及び研究の争点，問題点，疑問点，新しい視点等 
 
１．本研究では、炎症に注目して脳動脈瘤破裂の機序について検討しているが、臨床においては、
高血圧、飲酒、喫煙が破裂の危険因子としてエビデンスを有している。この事実に対する本研究
結果の意義についてどう考えるか？ 
 飲酒や喫煙は炎症を惹起する大きな要因と考えているが、それに加えて高血圧も血管壁に炎症
を起こすことは明らかになっている。血圧の上昇は血流のずり応力を介して血管壁に炎症を生じ
ていることとは明らかであり、その部分に TLR4 と MyD88 を介する経路が重要な意味を有してい
ることを示していると考える。 
 
２．ノックアウトの実験では、ファミリーが多い分子の場合、compensation を考慮する必要が
あるかと思いますが、その点についてはどうか？ 
確かに、ノックアウトについては、今回は TLR4 しか見ていないが、TLR も多くのファミリー
メンバーが存在するため、compensation の影響が出ている可能性も大いに考えられる。複数の
TLR ファミリー（TLR3.5,7.9）をノックアウトしたモデルマウスを用いて検討すると、今回とは
異なった表現型が見出される可能性もあるかと思う。将来的には検討したいと考えている。 
 
３．本研究結果においては、いずれの群においても血圧上昇に関しては有意差が無かったようで
あるが、もし、これが変動すると動脈瘤の破裂に影響があるのか？処理を行っている途中で、血
圧を下げるようなステップを加えて、rapture の頻度を検討したことはないか？臨床的には血圧
を下げるという介入があると考えられるがどう考えるか？ 
重要な点と考える。ご指摘のような実験は行っていない。テクニカルに難しいことが理由であ
る。今回は、TLR4 に着目しており血圧を一定に維持して動脈瘤の破裂を誘導している。興味深
いポイントであり、今後検討してみたい。 
 
４．動脈瘤の作成のためエラスターゼを右脳底槽へ定位的に注入しているが、確実に注入された
か確認しているか？また、注入針で脳動脈を穿刺し、動脈瘤が形成されることは無いか？ 
一例ごとに調べてはいないが、あらかじめ墨汁を用いた予備実験を行い、正確に注入されてい
ることを確認している。動脈穿刺する可能性はほとんどないと考えているが、もし、穿刺した場
合には症状から除外できると考えている。 
 
５．IL-6 などの炎症マーカーの測定についてであるが、動脈壁をサンプルにしている。動脈瘤
の破裂への関与を検討するのだから、動脈瘤自体を用いて測定すべきと思われるがどうか？  
ご指摘の通りと考える。しかし、マウスの動脈瘤は小さいので、動脈瘤だけでは十分な献体量
が得られない。 
 
本研究は、新規性が高く、今後の医学の発展に大きく寄与するものと考える。また、本研究者は
指摘された点全てについて適切な回答、考察を行い、今後の研究の展望も含め、本研究が博士論
文の資格を十分に有するものであると全員が一致して判定した。 
 


Toll-like receptor 4 mediates the development of intracranial aneurysm rupture

University of Yamanashi (山梨大学)博士(工学)医工農博甲第23

VU, DUC  TUNG

 
 
 
氏 名  VU DUC TUNG 
博士の専攻分野の名称  博士（工学） 
学 位 記 番 号  医工農博甲第２３号 
学 位 授 与 年 月 日  令和元年９月２６日 
学 位 授 与 の 要 件  学位規則第４条第１項該当 
専 攻 名  環境社会創生工学専攻 
学 位 論 文 題 目  Integrated modeling of stream flow in complex river system 
            using remotely sensed data 
(リモートセンシングデータを用いた複雑な水系の河川流に 
関する統合的なモデリング)  
 
論 文 審 査 委 員  主査  教 授  石 平   博 
教 授  舛 谷 敬 一 
教 授  末 次 忠 司 
教 授  西 田   継 
准教授  相 馬 一 義 
助 教  馬 籠   純 
 
学位論文内容の要旨 
河川流量は、水質や水生生物の生息環境のみならず、人間の生活にも様々な影響を及ぼ
す。また、その量は雨季に増加、乾季に減少するなど気象条件の影響を強く受けるととも
に、大きな季節・年々変動を伴う。したがって、流量の把握は、総合流域管理の実現にお
ける重要な要素の一つといえる。流量の把握には幾つかの方法があり、具体的には現地観
測や、経験的・物理的数値モデルによる推定などが挙げられる。しかしながら、現場観測
は、は膨大な経費・時間を必要とするだけでなく、様々な観測機器を必要とする。一方、
数値モデルだけでは、必ずしも十分なデータが得られておらず、複雑な地形・流路網を有
する大流域においては、適切な流量推定は困難である。幸いなことに、全球規模で利用可
能であり広域・定期的かつ経済的に情報を収集できるリモートセンシング技術やそれによ
り作成されている各種プロダクトは、地上観測不足の問題を解決するための代替的な情報
源として利用されつつある。しかし、複雑な水系を含む大河川流域の流量推定において、
どのように先端的な衛星観測情報を利用するのかについては、課題も多く残されている。
 
 
 
本研究では、各種数値モデルとリモートセンシングデータを組み合わせることで、複雑な
水系を対象とした上流から下流まで一貫した流量推定技術の開発に取り組む。本検討の対
象流域は、中国・ベトナムを流れ、下流域に広大なデルタ域を有する Red river 全流域
(169,000km2)である。なお、この対象流域は Son Tay 水文観測所の上流域(basin 1)と Son Tay
から沿岸域までの低平地(basin 2)に分割される。具体的な検討項目等については以下の通り
である。 
1) 上流域の流況把握を目的とした分布型水文モデル SWAT による河川流量の推定 
Red river 上流域(basin 1)に水文モデル SWAT を適用することで、当該流域の河川流況の把
握と長期的な流量変動の評価を行った。本検討では、まず Son Tay 水文観測所(ST)を下流端
として 2003～2009 年を対象とした日単位の流出計算により、モデルパラメータのキャリブ
レーションを行った。次に、2010～2013 年を対象として、複数のサブ流域における計算流
量と実測流量の比較を行いモデルの妥当性を検証した。その結果、モデル計算値は高水時
に過大評価となる傾向が見られたが、全般的には流量の季節・年々変動をよく再現できる
ことが確認された。また、Son Tay 上流の支川に位置する Lai Chau 観測所 (LC), Hoa Binh 観
測所 (HB)ならびに Ghenh Ga station (GG)においては、モデルによる流量の再現性が十分に
高いことが確認された一方で、Son Tay 地点においては計算流量が実測と比較して過大とな
る傾向が明らかとなった。その原因を探るために、下流域の雨量計データのみを用いたケ
ースについても検討を行った結果、下流域のみの雨量計データを用いた場合には、上流域
(LC など)においてモデルによる流量の再現性が著しく低下する一方、下流端(ST)における
結果だけを見ると、下流域のみの雨量計データを用いたケースの方が妥当な推定結果とな
ることが示された。これより、下流端の流量推定結果のみでモデル及びそのパラメータ設
定の妥当性を判断することは適切でないことが明らかとなった。また、上流・下流域の雨
量計を用いたケースの結果との対比から、ST 地点上流域での人為的な取水の可能性などが
示唆された。 
2) 水面反射率と流量、浮遊土砂濃度及び土砂フラックスの関連性に基づく分流河川の 
流量推定に関する新手法の提案 
水文水資源分野におけるリモートセンシングデータの利用についてはこれまでにも多く
の検討例が報告されているが、それらの多くは、特定の河道区間・地点を対象とした目的
変数 Q(流量)と衛星観測情報 R(水面反射率)の単純な回帰分析に基づくものであった。しか
し、複雑な水系の水文解析、特にデルタ地帯の分流解析を対象とした衛星画像の利用事例
については検討されていない。そこで、本検討では、分流河川の流量推定に対してリモー
トセンシングデータの利用を試みた。ここでは、水文観測地点における MODIS Band1 (波長
 
 
 
帯 620-670 nm, 空間解像度 250 m)データを用いて、浮遊土砂濃度(SSC)と水面反射率(R)の関
連性について検討を行い、両者の間に正の相関関係を見出した。さらに、SSC と R の回帰
係数である β と流量・土砂収支式を組み合わせることで、分流河川における流量推定を行
った。検討の結果、月平均の SSC と R の間には高い相関性が確認された。また、本研究で
提案した手法により、やや過大評価の傾向が見られるものの、分流後の流量を概ね妥当に
推定できることが確認された。本手法による流量推定の誤差要因として考えられるものと
して、雲に起因する反射率観測値の誤差、分流河川における水・土砂収支の誤差、水面反
射率と反射率の変換に起因する誤差などが考えられる。しかしながら、本検討の結果から、
分流前の河川流量と衛星観測により得られる水面反射率から分流河川の流量配分を推定で
きることを示すことができた。この方法は、地上観測が乏しい地域における流量情報の取
得を可能にするものと言える。 
3) 河川水理モデルとモデルキャリブレーションのためのリモートセンシングデータの利用
による複雑水系の流量推定 
先の検討において、分流河川の流量推定に対するリモートセンシングデータ(水面反射率
データ)の有用性が確認されたが、本検討では下流域(basin 2)での水理モデルによる流量推定
のためのキャリブレーション過程へのリモートセンシングデータの適用可能性について検
討を行った。DHI 社 MIKE HD module により、低平地における河川流量推定のための水理
モデルの構築を行い、2010 年 1 月 1 日～31 日を対象として現地観測水位等を用いながらキ
ャリブレーションを行うとともに、2008 年 1 月 1 日～31 日を対象としてモデル検証を行っ
た。なお、分流河川の流量比(分流前の主河道流量 Q0 と分流後 TC 地点の流量 Q1 の比)もモ
デルキャリブレーションを行う際の参照値として利用した。検討の結果、2010 年 1 月下旬
における水位ピークがやや過小評価となったものの、河川水位のモデル推定値と実測値は
良く適合しており、モデルは妥当な推定値を与えることが確認された。 
上記の検討結果より、水文モデル、水理モデル及びリモートセンシングデータの統合利
用により、Red River 流域全体の水管理に資する情報を提供する河川流量シミュレーション
が可能となった。また、これにより、気候変動等にともなう降水・気温等の変化による流
量の変化を上流域から沿岸域まで一貫して理解することも可能である。 
 
論文審査結果の要旨 
論文公聴会は、審査委員のほか、約 30 名の研究者、学生が出席して行われた。40 分のプ
レゼンテーションでは、研究内容を良く整理し、本研究で開発した手法とその適用結果を
 
 
 
分かりやすく説明した。質疑（20 分）では、主にデルタ地帯の水理計算における衛星観測
情報の利用方法などに関する質問と回答がなされた。これに引き続く論文審査委員会にお
ける審査では、以下のような点が新たな研究成果であり、当該分野において学術的に高く
評価できる功績であると結論した。 
・分布型水文モデル SWAT を用いた Red River 上流域の降雨-流出解析を通じて、流況解析
への分布型水文モデル利用に関する幾つかの課題を示すことが出来た。具体的には、下
流端の流量推定結果のみでモデル及びそのパラメータ設定の妥当性を判断することは適
切でない場合があり、上流を含む複数地点においてモデル出力をチェックすることが推
奨される。また、このような多地点での検証によりモデルでは考慮されていない導水・
取水等の影響を評価できる可能性を示した。 
・リモートセンシングにより得られる水面反射率から分流河川流量を推定するための新た
な手法を開発した。本手法は、従来の衛星観測値と水文量の単純な回帰分析に基づくモ
デリングとは大きく異なり、分流河川における水・土砂収支式と水面反射率－土砂濃度
関係式を連立させることで分流河川の流量分配比率(分流比)を算出するものである。現在
利用可能な衛星搭載型センサーの解像度では、十分な水面幅を有する河道区間にのみ適
用できる方法ではあるが、将来的にセンサー解像度が改善された場合には、より細かな
河道網の分流解析への応用も可能となる。さらに、この手法は合流河川へも拡張可能な
ものであり、支川別の流量・土砂流出量推定などへの利用も期待される。 
・低平地であるデルタ地帯の河川水位・流量推定を目的とした水理モデルの適用において、
モデルキャリブレーションに上記の分流比推定手法を利用することを提案した。デルタ
地帯の水理計算を行うためには、複雑な河川網の情報に加え、多地点の流量情報が必要
となるが、一般にデルタ地帯における流量観測情報は非常に乏しく、モデルパラメータ
の同定に困難をきたす場合もある。リモートセンシングデータに基づく分流比推定手法
は、デルタ地帯の流量データ不足を補い、モデルパラメータ同定の精度向上に貢献する
技術として、他のデルタ地帯などでの利用も期待される。 
 以上に基づき、同審査委員は全員一致で、本論文が博士論文として十分な水準にあると
判断した。 
公聴会に引き続き、口頭による最終試験が行われ、水理解析モデルの妥当性検証の方法
や、衛星情報・モデルの統合利用の部分のオリジナリティなどについて質疑が行われた。
審査委員からの主な質問・コメント、および当該学生からの回答は以下の通りである。 
・分流流量の推定値が過大評価になる理由は？  
→ 衛星観測に起因する誤差(雲の影響)や、分流河川における水・土砂収支が完全には閉
 
 
 
じていないことなどによると考えている。 
・下流域のモデル計算では、どのような流量(高水／低水など)の再現を狙ったのか？ 
→ 検証ケースでは、乾季(低水期)のみを対象としていたが、これはその時期のデータし
か入手できなかったためであり、本来は雨季も含めた通年の流況変化の再現をターゲッ
トとしている。 
・数値モデルと衛星情報の組み合わせは、過去にも多くの検討事例があると推察されるが、
本研究の独自性、特に衛星情報の利用方法に関するオリジナリティは？  
→ 既往の研究の多くは、衛星観測値と水文量の単純な回帰分析に基づく方法を提案し
ているが、本研究では、分流河川における水・土砂収支式と水面反射率－土砂濃度関係
式を連立させることで分流河川の流量分配比率(分流比)を算出する点が最大の特徴であ
る。また、この分流比を水理モデルのキャリブレーションに応用している部分も今まで
にない新たな試みである。 
上記の質問、コメントに対する回答は的確なものであり、質疑を通じて、水文データ解
析や数値モデリングなど関連する研究領域について深い知識と技術を持っていることが確
認された。以上のことから、本審査委員会は当該学生が博士（工学）の学位に相応しい科
学的思考能力と技術的能力、理解力、コミュニケーション能力を備えていると判断した。 
 


Integrated modeling of stream flow in complex river system using remotely sensed data

University of Yamanashi (山梨大学)博士(工学)医工博甲第452

中家, 大希

Japanese

マイクロ波励起ラジカルによる選択加熱技術とデバイス作製

University of Yamanashi (山梨大学)博士(工学)医工農博甲第9

AHN, JINJU

 
 
 
氏 名  Ahn Jinju 
博士の専攻分野の名称  博士（工学） 
学 位 記 番 号  医工農博甲第９号 
学 位 授 与 年 月 日  平成３１年３月２０日 
学 位 授 与 の 要 件  学位規則第４条第１項該当 
専 攻 名  機能材料システム工学専攻 
学 位 論 文 題 目  Synthesis and Properties of Partially Fluorinated Aromatic 
Ionomers 
（部分フッ素化芳香族系高分子電解質の合成と物性） 
論 文 審 査 委 員  主査  教 授  宮 武 健 治 
教 授  内 田 誠 
教 授  犬 飼 潤 治 
教 授  Donald A. Tryk 
准教授  野 原 愼 士 
助 教  三 宅 純 平 
 
学位論文内容の要旨 
二次電池、燃料電池などのエネルギー変換デバイスは、持続社会の形成と発展を担って
いる。これらエネルギー変換デバイスの核となる材料の一つである電解質はイオンのみを
選択的に輸送する役割を担うが、高分子薄膜を用いることができれば軽量化、安全性、低
コスト化の観点から大変魅力的である。プロトン導電性高分子薄膜を用いた固体高分子形
燃料電池はすでに電気自動車や家庭用熱電併給システムとして実用化され、普及が進めら
れている。燃料電池用の高分子薄膜には、プロトン導電性のほかに気体不透過性、薄膜強
度、化学安定性、水透過性などの特性も求められる。しかもこれらの特性を、幅広い温度、
湿度範囲にわたって示すことが必要である。現在実用化されている固体高分子形燃料電池
は、すべてパーフルオロスルホン酸高分子からなるプロトン導電性薄膜（例えば、Du Pont
社の Nafion など）を用いている。しかし、気体の透過性が大きいこと、環境負荷が大きい
こと（廃棄の際に有害物質を発生する）、高価格であることが課題となっている。本学位論
文はこの課題を解決するための新しいプロトン導電性高分子薄膜に関する研究内容をまと
めたものである。具体的には、フッ素基を一部置換した芳香族系高分子電解質の分子構造
と各種物性に関する相関を明らかにし、新たな知見を得ている。 
 
 
 
第１章では、固体高分子形燃料電池に用いられるプロトン導電性高分子薄膜に関するこ
れまでの研究内容と技術課題についてまとめ、本研究で明らかにすべき内容とアプローチ
方法について述べた。まずパーフルオロスルホン酸高分子の構造、物性と特徴を簡潔に述
べて、次世代高分子電解質薄膜に望まれる物性を明確にした。次に、古典的なエンプラ系
芳香族高分子にスルホン酸基を導入した系に関してプロトン導電率が低い理由とその解決
法、ヤング率が高いが伸びが小さいという機械的な特性、酸化安定性と活性な OH ラジカ
ルが攻撃した際の分解機構を関連研究論文を整理して系統的にまとめた。また、これらエ
ンプラ系高分子電解質の欠点を改善するために最近開発されたスルホン酸化ポリフェニレ
ン高分子電解質の設計指針と合成方法、各種物性についても記載している。特に、ヘテロ
結合が主鎖に含まれていないポリフェニレンを薄膜形成させるための分子構造概念と、化
学安定性に関する考察を行っている。また触媒層との界面接触改善のために設計された部
分フッ素化芳香族高分子電解質についての既報研究内容を纏め、利点と欠点を整理した。
これらを基に、スルホン酸化ポリフェニレン高分子電解質に部分フッ素化を導入する意図
は何か、主鎖および側鎖置換基としてそれぞれどのような手法で導入するのか、また、そ
の効果をどのように明らかにするのか、を明確に述べて研究目的としている。 
第２章は、主鎖型部分フッ素化スルホン酸化ポリフェニレン高分子電解質の性能向上に
対する検討内容を詳細に述べている。具体的には、まず合成方法についてスルホン酸化モ
ノマーを用いた場合と前駆体重合体のスルホン酸化を行う場合の２種類のアプローチの結
果を纏めている。主鎖の結合部位や共重合組成、反応物質の濃度、溶媒や温度などの条件
を整理したところ、いずれの方法を用いた場合においても重合体の分子量が十分に高くな
らず成膜性が得られないこと、スルホン酸基の導入密度（イオン交換容量：IEC）も高くな
らず 1.5meq/g 程度となってしまうこと、を明確にした。次に、重縮合反応活性が高い脂肪
族基を導入して三元共重合体としての重合反応の結果を纏めている。部分フッ素（パーフ
ルオロヘキシレン）基と脂肪族（ヘキシレン）基の炭素数を同じにすることにより、水素
基とフッ素基の効果の違いを正確に評価することが可能である。また、これら官能基を主
鎖中に導入し、その組成比を制御した高分子構造の設計を行った。申請者の設計に基づい
た構造の三元共重合体が得られたことを、核磁気共鳴スペクトルによって解析した。また、
高い分子量と高いスルホン酸基密度を共に達成することができ、これまでの二元共重合体
では得られなかった高 IEC を有する電解質薄膜の形成にも成功した。三元共重合体の高次
構造を電子顕微鏡によって観察したところ、親水部と疎水部がナノレベルで均一に相分離
したモルフォロジーを有することが認められた。また相分離構造は、IEC や脂肪族基の組
成によってほとんど変化しないことが明らかとなっている。小角 X 線散乱（SAXS）におい
 
 
 
て低 IEC の薄膜では 20nm 程度の周期構造を有するが、湿度の増加（すなわち含水率の増
加）にともなって周期性が失われることが示された。これら薄膜のプロトン導電率とその
湿度依存性を測定したところ、比較とする以前の低 IEC 体の薄膜よりも数倍以上高い導電
率を示すこと、パーフルオロヘキシレン基の組成が多いほうが若干ではあるが高い導電率
を示すことを見出した。機械強度は動的粘弾性特性および応力伸び特性いずれも優れた値
であったが、高 IEC 薄膜の場合に伸び率が低下することが分かった。三元共重合体薄膜を
膜電極接合体として燃料電池発電特性も測定している。プロトン導電率が高いことから低
湿度での発電においてもセル抵抗が低い値となること、部分フッ素基の効果により触媒層
との界面が良好で触媒の利用率が向上することとその学術的な理由を明確に説明している。
さらに、電解質膜の加速試験評価も行い、1000 時間の耐久性を実証した。 
第３章は、側鎖型部分フッ素化スルホン酸化ポリフェニレン高分子電解質の合成と物性
に関する検討内容を述べた。トリフルオロメチル基が置換したビスフェノール（ヘキサフ
ルオロビスフェノール）型の疎水性モノマーは汎用性が高いが、エーテル結合で連結する
のではなくウルマン反応で CC 結合を形成した重合体とした点が特徴である。主鎖型と同じ
くスルホン酸化フェニレンモノマーと Ni(0)が促進する重縮合反応を行い、組成および IEC
が異なる高分子量体の共重合体を得ることに成功している。また、主鎖型に比べて脂肪族
基を導入しなくても高 IEC 化が容易であることが示された。TEM 像および SAXS から主
鎖型と同様に非常に小さな親疎水相分離構造を形成すること、また湿度による周期構造の
変化が殆どないことが明確に述べられている。側鎖型部分フッ素化スルホン酸化ポリフェ
ニレン薄膜の含水率とプロトン導電率は主鎖型と同程度であり、フッ素の含有量や置換位
置によってほとんど影響されないことが明確に認められた。他方、スルホン酸基当たりの
含水率でプロトン導電率を整理してみると、側鎖型では効果的に水がプロトン伝導に寄与
していることが分かった。他方、側鎖型薄膜の機械強度は高くなく、特に、同程度の IEC
値を有するスルホン酸化ポリフェニレン薄膜に比べて引張測定による伸びが小さいことが
明らかとなった。分子量や分子量分布の効果も含まれていると考えられるが、高分子鎖の
絡まりあいが側鎖型では不十分である可能性が述べられている。薄膜の化学安定性は極め
て良好であり、フェントン溶液を用いた加速試験や開回路電圧保持試験いずれにおいても
主鎖型部分フッ素化膜に比べて高い耐久性を示した。この結果はこれまで sp3 炭素が酸化
安定性に欠けると考えられていたことを支持しない結果となっており、電解質膜の安定化
における新知見を与えている。燃料電池の発電試験では、高湿度および低湿度いずれにお
いても低いセル抵抗値と高い発電性能を確認できている。 
第４章では、側鎖型部分フッ素化ポリフェニレン高分子電解質におけるフェニレン環の
 
 
 
連結構造の効果を検討している。トリフルオロメチル基を置換したジクロロベンゼンある
いはジクロロビフェニルにおいて置換基やクロロ基の結合位置が異なる一連の異性体を合
成し、スルホン酸化ジクロロベンゼンとの共重合反応を実施した。二元共重合体および三
元共重合体においてフェニレン環の置換位置の効果を系統的に変化させたところ、分子量
が十分に成長せず、成膜性を有する重合体が得られなかった。この結果は比較的立体障害
大きなトリフルオロメチル基が重合部位に対してオルト位に存在すると、重合活性が低下
することを示唆している。ビフェニルモノマーを用いた系ではある程度分子量が向上し薄
膜を得ることに成功しているが、機械強度が著しく低いことが分かった。トリフルオロメ
チル基は電解質高分子の溶解性や化学安定性を向上する効果を持つが、重合反応性や機械
強度に対する影響を十分に考慮しなければならない。 
第５章では本研究で得られた部分フッ素化の効果を、合成、構造、物性の観点から明確
に纏めている。また、その効果を最大限に活用するための分子構造指針について、独自の
アイデアを定量的に述べている。 
 
論文審査結果の要旨 
本学位論文は、固体高分子形燃料電池用のプロトン導電性高分子の物性向上のための芳
香族系高分子電解質の分子構造と各種物性に関する相関を明らかにした。 
第１章においては、プロトン導電性高分子薄膜に関するこれまでの研究内容と技術課題
についてまとめ、本研究で明らかにすべき内容とアプローチ方法について述べている。先
行技術であるパーフルオロスルホン酸高分子の構造、物性と特徴を簡潔に述べて、その課
題を正確に挙げている。次に、古典的なエンプラ系芳香族高分子にスルホン酸基を導入し
た系に関してパーフルオロスルホン酸系との比較を行い、次世代高分子電解質薄膜に望ま
れる物性を定量的に纏めている。関連研究を整理して系統的にまとめた点は、序章として
優れた内容である。また、スルホン酸化ポリフェニレン高分子電解質の設計指針と合成方
法、各種物性についても記載している。これらの背景に基づき、部分フッ素化を導入する
意図、主鎖および側鎖置換基として導入するための合成化学的な手法、そして導入効果を
明らかにするための解析方法を明確に述べた研究目的は、博士研究として独創的である。 
第２章は、上記研究を達成するための最初の検討項目として主鎖型部分フッ素化スルホ
ン酸化ポリフェニレン高分子電解質に関する内容である。合成方法としてスルホン酸化モ
ノマーを用いた場合と前駆体重合体のスルホン酸化を行う場合の２種類のアプローチの結
果をまず纏めている。主鎖の結合部位や共重合組成、反応物質の濃度、溶媒や温度などの
 
 
 
条件を整理したところ、いずれの方法を用いた場合においても重合体の分子量が十分に高
くならず成膜性が得られないこと、スルホン酸基の導入密度（イオン交換容量：IEC）も高
くならず 1.5meq/g 程度となってしまうこと、を明らかにしており部分フッ素化の課題を示
している。これを解決するために申請者がとった手法は、重縮合反応活性が高い脂肪族基
を導入した三元共重合体であり、構造自由度を十分に活用する優れた内容である。これま
での二元共重合体では得られなかった高 IEC を有する電解質薄膜の形成にも成功した。得
られた三元共重合体薄膜は、比較とする低 IEC 体の二元共重合体薄膜よりも数倍以上高い
プロトン導電率を示し、パーフルオロヘキシレン基の組成が多いほうが高プロトン導電率
を示すことを見出した。機械強度は動的粘弾性特性および応力伸び特性いずれも優れた値
であったが、高 IEC 薄膜の場合に伸び率が低下した。燃料電池発電特性において低湿度条
件もセル抵抗が低い値となること、部分フッ素基の効果により触媒層との界面が良好で触
媒の利用率が向上することを見出している。さらに開回路電圧保持試験も行い、1000 時間
の耐久性を実証しており、学術的な知見のみでなく実学としての研究の完成度が高い。 
第３章は、２章の内容と対比しながら側鎖型部分フッ素化スルホン酸化ポリフェニレン
高分子電解質の合成と物性を述べている。トリフルオロメチル基が置換したビスフェノー
ル型の疎水性モノマーは汎用性が高いが、エーテル結合で連結するのではなく芳香環同士
を結合させた重合体構造は有機合成の技術が優れていることを示すものである。主鎖型と
同様に非常に小さな親疎水相分離構造を形成すること、湿度による周期構造変化が殆どな
いことが分かっており、モルフォロジー制御の新たな知見である。側鎖型部分フッ素化薄
膜の含水率とプロトン導電率は主鎖型と同程度であり、フッ素の含有量や置換位置によっ
てほとんど影響されないことが明確に認められている。側鎖型部分フッ素化スルホン酸化
ポリフェニレン薄膜の化学安定性は極めて良好であり、加速試験や開回路電圧保持試験い
ずれにおいても主鎖型部分フッ素化膜に比べて高い耐久性を示した。これまで sp3 炭素が
酸化安定性に欠けると考えられていた常識を覆す内容で、電解質膜の安定化の新指針を見
出した。 
第４章では、側鎖型部分フッ素化ポリフェニレン高分子電解質におけるフェニレン環の
連結構造の効果を検討している。比較的立体障害の大きなトリフルオロメチル基が重合部
位に対してオルト位に存在すると重合活性が低下して分子量が増大しないこと、ビフェニ
ルモノマーを用いた系ではある程度分子量が向上し薄膜が得られたが、機械強度が著しく
低いことが分かっており、今後の分子構造として目指すべき方向性を提案している。 
これらの結果は査読付き学術英語論文 2 報として発表しており、さらに 1 報を投稿準備
中である。英語による口頭発表能力、質疑応答能力も十分であった。以上のことから、本
 
 
 
論文は博士(工学)の学位論文として適格と認め、合格と判定した。 


Synthesis and Properties of Partially Fluorinated Aromatic Ionomers

University of Yamanashi (山梨大学)博士(工学)医工博甲第454

石黒, 修平

 
 
 
氏 名  石黒 修平  
博士の専攻分野の名称  博士（工学） 
学 位 記 番 号  医工博甲第４５４号 
学 位 授 与 年 月 日  平成３１年３月２０日 
学 位 授 与 の 要 件  学位規則第４条第1項該当 
専 攻 名  情報機能システム工学専攻 
学 位 論 文 題 目  直接膨張方式地中熱ヒーポンプに用いる地中熱交換器の開発研究 
 
論 文 審 査 委 員  主査 教 授   武田 哲明 
教 授  藤森 篤 
教 授  中山 栄浩 
准 教 授  角田 博之 
准 教 授  鳥山 孝司 
准 教 授  舩谷 俊平 
 
学位論文内容の要旨 
地盤の比較的浅層部分に存在する地中熱を利用することで優れた省エネルギー性能を発揮する地
中熱ヒートポンプの導入が進められている．地中熱とは，地下100m程度の深さまでに存在する低温
の熱エネルギーであり，地中温度は年間を通して温度変化がなく，夏は外気より温度が低く，逆に
冬は温度が高い．この地中熱ヒートポンプは，従来の空気熱ヒートポンプを用いた冷暖房・給湯シ
ステムよりも省エネルギー性に優れたシステムを構築することが可能である．また，冷房排熱を地
中に放出するため，ヒートアイランド現象の防止にも繋がると期待されている． 
研究に用いた実験装置は，市販の空気熱ヒートポンプ室外機内の空気／冷媒熱交換器を地中熱交
換器に取り替えたものである．冷媒量はR410Aを6.95kg，圧縮機の潤滑油を1kg充填した．冷媒は，
暖房サイクルで圧縮器，四方弁，室内空調熱交換器（凝縮器），膨張弁，地中熱交換器（蒸発器）の
順に循環して圧縮機に戻る．冷房サイクルでは四方弁により冷媒の循環方向を変え，凝縮器と蒸発
器の役割を切り替える．これまで，直接膨張方式地中熱ヒートポンプの地中熱交換器は配管抵抗や
潤滑油の底部停滞等による1次側冷媒循環の不安定さから商用化が進まなかった．そこで，本実験
ではこれらの課題を解決するため，ボアホール長を 30m に短縮し，U字管の一方を複数細管で構成
し，5本の1/4インチ銅管をU字管の下部で1本の3/8インチ銅管に接続する構造とした．また，
3/8 インチ銅管側には保温材を巻いた．本実験結果の評価には，空気熱ヒートポンプと同様に成績
 
 
 
係数（Coefficient of Performance，以下 COP）を使用し，ここでは，空気エンタルピー法により
冷房・暖房運転時のCOPを求めた．山梨大学甲府東キャンパス内の実験場において30mのボアホー
ルを使用した熱応答試験の結果は，土壌の有効熱伝導率は 1.69W/m･K，熱抵抗は 0.08K/W 及び不易
層温度は18.3℃であった． 
直接膨張方式地中熱ヒートポンプでは，地中熱交換器において冷媒流れが蒸発・凝縮を伴う気液
二相流となるため，適切な熱交換器の仕様が確立されていない．そこで，運転時における地中熱交
換器内の適切な冷媒循環方向を決定するため，暖房運転において，地中熱交換器への冷媒循環方向
を逆方向に変更した場合について検討を行った．暖房運転において，冷媒循環方向が1流路側から
流下し，底部で反転して5流路側から流出する場合，平均取得熱量は2.8kW，平均COPは7.4，平均
消費電力は0.4kWとなった．一方，冷媒循環方向が逆方向となる5流路側から流下し，底部で反転
して 1 流路側から流出する場合，平均取得熱量は 3.0kW，平均 COP は 3.6，平均消費電力は 0.8kW
となった．暖房運転時には地中熱交換器は蒸発器となるため，液状冷媒が，5 流路側から流入する
ことで，1 流路に対して 5流路分の摩擦損失による流動抵抗が増大すること，さらに液状冷媒が細
管内を流下する際に管壁部分から蒸発することで更なる流動抵抗となることから圧縮機の負荷が増
大したものと考えている．これにより，冷媒循環方向が5流路側から1流路側の場合の消費電力が
増大し，COP が低下したものと考えている．したがって，ボアホール型の地中熱交換器では，蒸発
過程において液冷媒を流下させる場合に，断熱材等を用いて熱交換器最下端に到達するまでの間に
液冷媒の蒸発を防ぐ対策を施さないと浮力による流動抵抗を抑えることができないことから，圧縮
機に負荷がかかり，消費電力が増大する．これより，冷房運転では複数管側から単管側に，暖房運
転では単管側から複数管側に冷媒を流動させる必要がある．2013年8月19日から8月23日にかけ
て，一般家庭における使用を想定した冷房間欠運転（運転開始9:00，運転終了17:00）を行った結
果，夜間の運転停止中に地中温度は概ね回復し，運転期間中のCOP増減率は最大約15％程度(COP＝
6.3～7.4)であることから，一般家庭の使用負荷程度であれば，補助冷却システム等は必要なく運転
可能であると考える． 
直接膨張方式地中熱ヒートポンプでは，冷暖房運転において更なる高性能化を実証してきたが，
熱交換性能が優れているため，従来法である間接方式地中熱ヒートポンプに比べ地中熱交換器深さ
を短縮できることから，単位深さ辺りの採放熱負荷が大きくなる．そこで，本実験では，中規模施
設および農業利用を想定した複数本の地中熱交換器を並列に用いた場合の性能評価，地中との採放
熱特性および地盤への環境負荷影響を明らかにすることを目的とした実験を行った．実験装置は前
述で使用したシステムに対して，地中熱交換器を20m×2本とし，複数細管側の配管数を5本から4
本に変更した．これは，地中熱交換器の伝熱面積，容積および製作コストを検討項目としてシステ
ムの再評価を行った結果及び地盤への負荷を分散させるためである．本実験において，深さ30mの
 
 
 
シングル地中熱交換器を用いる場合及び深さ20mの地中熱交換器を2本並列に用いる場合において
も，COPは冷房運転時10以上，暖房運転時においても5以上の値を得て，十分省エネルギー機器と
して成立している． 
暖房運転の結果，地中熱交換器の温度変化を見ると，いずれの地点も運転開始とともに温度が急
激に低下しており，5m，10mおよび15m地点で運転開始5時間後に0℃を下回った．暖房運転におい
ては地中熱交換器全域にわたり温度変化が見られることから，地中熱交換器内で冷媒の蒸発過程が
終了していない可能性があると考えられる．運転期間平均でCOPは 5.6，出力4.2kW および消費電
力0.9kWである．COPは運転開始5時間後に約7から約5に減少した．これは地中熱交換器温度が0℃
を下回った時間と一致する．したがって，実用化の観点からは長期にわたる連続負荷運転時の性能
を確保するため，ボアホール内に外部から注水してボアホール内の水を攪拌する等の補助的な除熱
システムを導入することも検討の必要がある． 
 
論文審査結果の要旨 
学位論文の審査においては，研究テーマに関する背景情報の調査，開発研究を行うに当っての実
用化への課題抽出，実用化への見通し，等について，新しい知見を含めて，どのような成果が得ら
れているかという視点から評価した． 
まず，背景情報については，現在，地中の比較的浅層部分に存在する地中熱をヒートポンプの熱
源として利用することで優れた省エネルギー性能を発揮する地中熱ヒートポンプに関する開発研究
であるとともに，研究の対象としたテーマは，直接膨張方式と呼ばれる新しい熱交換方式を採用し
た地中熱ヒートポンプに使用される地中熱交換器の開発である．熱源として利用する地中熱は，地
表から10ｍより深い地中温度は年間を通して一定であり，夏は外気より温度が低く，逆に冬は外気
より温度が高い．したがって，従来の空気熱ヒートポンプを用いた冷暖房・給湯システムよりも省
エネルギー性に優れたシステムを構築することが可能である．また，冷房排熱を地中に放出するた
め，ヒートアイランド現象の防止にも繋がると期待されている．しかしながら，従来方式である間
接方式地中熱ヒートポンプでは，地中熱交換器を挿入するボアホールの掘削コストが高いため，産
業界への普及に対して解決すべき大きな課題となっている．そこで，特に，地盤の浅層部分に存在
する地中熱をヒートポンプの熱源として利用することでボアホール掘削コストも抑えつつ，優れた
省エネルギー性能を発揮する地中熱ヒートポンプシステムが構築できるとして研究を進めている． 
開発研究を行うに当っての実用化への課題抽出として，まず，ボアホール深さを30ｍ以下とする
場合の地中熱交換器の開発研究を進めている．従来型の地中熱ヒートポンプでは，ボアホールを浅
くすることは，熱交換効率が悪く，50W/m 程度の熱量しか，採放熱できないことが分かっており，
 
 
 
出力を大きくできない．そこで，ヒートポンプの冷媒を直接地中に導入して熱交換を行う直接膨張
方式地中熱ヒートポンプの地中熱交換器の開発を進め，複数本で構成される銅管を，水を封入した
ボアホール内のケーシング管に収めて地中熱交換器を構成している．複数本の銅管については，5
本，4本，3本と試験を行って調査し，最終的に3本のボアホールを1組として，出力約10kWのヒ
ートポンプに対応できる地中熱交換器の基本仕様を策定している． 
実用化への見通しについては，今回，研究開発に用いた実験装置は，市販の空気熱ヒートポンプ
室外機内の空気／冷媒熱交換器を地中熱交換器に取り替えたものであり，もともと実用化の観点か
らは産業に製品として供給されている機器であったが，これまでの研究結果では，地中熱交換器内
の配管抵抗や潤滑油の底部停滞等による冷媒循環量の不安定さから適切に設置できなかった．そこ
で，これらの課題を解決するため，ボアホール長を 30m に短縮し，U字管の一方を複数細管で構成
し，単管の方に保温材を施工する構造とした．その結果，得られた冷暖房性能は従来型の地中熱ヒ
ートポンプのみならず，空気熱ヒートポンプにも勝る性能を得た．これらの成果を基に，基本設計
が行われた地中熱交換器は，山梨大学の大村博士記念学術館の1階ホールの空調システムや北杜市
大泉町の夏秋イチゴ用農業ハウスの冷暖房空調システムとして導入されている． 
これらより，直接膨張方式地中熱ヒートポンプの経済性に対する優位性を証明できたとし，今後
は製品のJIS化も含めて，実用化に大きく前進したとしている．以上のことから本論文は十分な実
験データと深い考察から記述され，学位論文として有意な成果を見出しており，学位論文審査結果
を合格とした． 


直接膨張方式地中熱ヒートポンプに用いる地中熱交換器の開発研究

University of Yamanashi (山梨大学)博士(工学)医工農博甲第12

澤田, 直輝

氏        名  澤田 直輝 
博士の専攻分野の名称  博士（工学） 
学 位 記 番 号   医工農博甲第１２号 
学 位 授 与 年 月 日  平成３１年３月２０日 
学 位 授 与 の 要 件  学位規則第４条第１項該当 
専   攻   名   情報機能システム工学専攻 
学 位 論 文 題 目    高精度な音声認識結果の推定技術とその応用に関する研究 
 
論 文 審 査 委 員    主査 教 授 鈴木 良弥 
               教 授 大渕 竜太郎 
               教 授 宗久 知男 
               教 授 福本 文代 
               准教授 渡辺 喜道 
               准教授 丹沢 勉 
               准教授 西﨑 博光 
 
学位論文内容の要旨 
近年，動画コンテンツに代表されるマルチメディアコンテンツが充実してきた．その理
由に，Graphics Processing Unit（GPU）の発達による個人のマルチメディアデータの生
成・編集の普及，Hard Disk Drive（HDD）や Solid State Drive（SSD）などのストレー
ジの大容量化，YouTube や Twitch などに代表されるマルチメディアコンテンツの配信サイ
トの増加などが挙げられる．また，ビジネスにおいても，会議や講演や，病院のカルテの
作成などに，映像の録画や音声の録音を用いることも増えてきている．このようなコンテ
ンツが増加してきている背景には，ネットワークインフラの充実に加えて，タブレット PC，
スマートフォンの普及により，容易にマルチメディアコンテンツにアクセスすることがで
きるようになったことが挙げられる． 
また近年では，深層学習技術が発展してきており，画像処理の分野や音声処理の分野で
様々な手法が提案されている．このような深層学習技術の発展には，ハードウェアの発展
と対応したコンテンツが充実してきたことが挙げられる． 
音声処理の分野では，大量の音データを効率良く扱うために音声の内容から人間が求め
ているコンテンツを検索する技術や，人間が話している内容を理解して会話を行う音声対
話システムなどの技術が提案されている．これらの技術の基盤技術として音声認識技術が
存在する．音声認識技術は，音声データに対して発話内容を文字列として書き起こす技術
である．音声認識技術を活用することで，発話内容を理解することや特定の内容を探すこ
とが容易になる． 
このような音声認識技術を活用する場合に，正しく音声認識できていない認識誤り箇所
が様々な悪影響を及ぼす．このような認識誤りに対して，様々な認識誤り対策が考えられ
ている．例えば音声検索では，単語より小さい音の単位であるサブワード単位で検索する
方法や，認識結果の出現確率を用いて検索する方法などが用いられている． 
また，音声認識技術においても，様々な新しい手法が提案されており，音声認識性能の
改善が図られている．例えば音声認識システムにおいて，深層学習を用いて高精度な音素
識別を導入することで認識性能の改善が試みられている． 
しかし，音声認識システムは通常単語を認識する必要があるため，音声認識システムで
学習されていない単語（未知語）を正しく認識することは困難である．また，認識誤りし
た結果は音声認識を用いた技術において性能低下の要因となってしまう．そこで，後処理
で認識誤りを含む認識結果を正しいサブワード系列に変換することが有用であることが明
らかとなっている．さらに，先行研究では，文字列の表現を変更した複数の音声認識シス
テムを用いることが，検索技術において認識誤りに頑健であることが示された．そこで，
複数の認識システムを用いることで認識誤りを修正することができる高精度な正解音識別
が可能であると考えられる． 
本研究での目的は，音声からの検索などの応用技術に利用することが可能であり，様々
な音声認識技術にも適用することが可能な方法で音声認識性能を改善することである．具
体的には，音声認識結果のサブワード系列を入力情報として，正しいサブワード系列を推
定することによりそのまま応用技術に入力することが可能な出力を獲得することが実現す
る．本研究では，このような音声認識結果から正しいサブワード系列を獲得する高精度な
認識結果推定器を提案する．さらに，この認識結果推定器が応用技術に有用であるか検証
するために，検索実験と単語変換実験を行い性能の調査を行った． 
本研究ではサブワード単位として音声の最小単位である音素を用いて高精度な認識結果
を推定する．認識結果を推定するために深層学習技術を利用して正しい音素列の推定を行
う．具体的には，複数の音声認識結果を音素列に変換し，各音素列を時間情報に基づいて
アライメントを行う．このアライメントされた結果に対して深層学習技術を適用して各ア
ライメント区間に対して正しい音素列の推定を行う．このような正解音素推定器を用いて，
正しい音素列を推定することにより，元の音声認識列や複数の認識結果を多数決により統
合した方法よりも，高い性能が得られた．このような結果から，正解音素推定器により高
精度な認識結果を生成できる可能性が示された． 
しかし，音声は，時系列を持ったデータであり，音と音が時間の軸で組み合わさること
で意味が付いてくる．また，時間方向において制約も存在する．例えば，日本語において
子音の後に母音が現れることは絶対であり，子音の後に子音が現れることはない．しかし，
時間情報を用いなければこのような制約を考慮することができない．そのため，単純な正
解音素推定器では，このような間違いが出現する可能性がある．このことから，正解音素
推定器に対して時間情報を付与することは高精度な推定には必要である． 
そこで，時間情報を考慮することができる深層学習技術を利用する．時間情報を考慮し
た正解音素推定器は，考慮していない正解音素推定器と比較して高い性能が示された．こ
のことから，正解音素推定には時間情報が有用であることが示された． 
正解音素推定器は，認識結果の誤りを減少させた高精度な認識結果を生成することがで
きるため，音声認識を用いた様々なアプリケーションに適用可能である．そこで，正解音
素推定の性能が音声認識を用いたアプリケーションにおいてどのような影響を与えるか調
査した． 
まず，音声の検索技術である音声中の検索語検出の技術に適用した．音声中の検索語検
出は，音声中に存在する目的の単語を探し出す技術である．この技術は一般的に音声認識
結果を利用するため，認識精度が検索精度に影響されやすい．そこで，正解音素推定結果
から検索することで，高精度な音素推定性能が応用技術に好影響を与えるか調査した．結
果として，推定性能が高い結果から検索するほど検索性能も改善の傾向が見られた．この
ことから，正解音素推定器が応用技術に適用することで，応用技術の性能を改善できる技
術であることが示された． 
しかし，実際に応用技術に音声認識結果を利用する場合，音声認識結果として単語列を
入力することが一般的である．そのため，正解音素推定した結果を単語列に変換して認識
結果の単語列の精度を改善することで，どのような応用技術にも適用可能にすることがで
きる．そこで，認識結果の単語列の誤っている単語を，正解音素推定器で変換した単語で
置換することで誤りが少ない単語列を生成する．これは，認識結果において誤り単語箇所
を検出し，誤り単語箇所に正解音素推定結果から変換して得られた単語を置換することで
性能を改善させる．認識結果に対して適応することで，単語の認識結果が改善することが
示された．このことから，正解音素推定器を様々な応用技術に適用することが可能である
と考えられる． 
 
 
審査結果の要旨 
本論文で解決しようとしている課題は，音声からの検索などの応用技術に利用すること
が可能であり，様々な音声認識技術にも適用することが可能な方法で音声認識性能を改善
することである． 
近年，動画コンテンツに代表されるマルチメディアコンテンツが充実してきた．その理
由に，個人のマルチメディアデータの生成・編集の普及，データ記憶装置の大容量化，マ
ルチメディアコンテンツの配信サイトの増加などが挙げられる．また，ビジネスにおいて
も，会議や講演や，病院のカルテの作成などに，映像の録画や音声の録音を用いることも
増えてきている．このようなコンテンツが増加してきている背景には，ネットワークイン
フラの充実に加えて，タブレット PC，スマートフォンの普及により，容易にマルチメディ
アコンテンツにアクセスすることができるようになったことが挙げられる．このようなマ
ルチメディアコンテンツが増えることにより，大量のコンテンツから必要な部分を検索す
る技術が不可欠になってきており，その問題を解決することは社会的・学術的意義が大き
い． 
音声処理の分野では，大量の音データを効率良く扱うために音声の内容から人間が求め
ているコンテンツを検索する技術や，人間が話している内容を理解して会話を行う音声対
話システムなどの技術が提案されている．これらの技術の基盤技術として音声認識技術が
存在する．音声認識技術は，音声データに対して発話内容を文字列として書き起こす技術
である．音声認識技術を活用することで，発話内容を理解することや特定の内容を探すこ
とが容易になる． 
音声認識技術を活用する場合に，正しく音声認識できていない認識誤り箇所が様々な悪
影響を及ぼす．このような認識誤りに対して，様々な認識誤り対策が考えられている．例
えば音声検索では，単語より小さい音の単位であるサブワード単位で検索する方法や，認
識結果の出現確率を用いて検索する方法などが用いられている．また，音声認識技術にお
いても，様々な新しい手法が提案されており，音声認識性能の改善が図られている．例え
ば音声認識システムにおいて，深層学習を用いて高精度な音素識別を導入することで認識
性能の改善が試みられている． 
本研究ではサブワード単位として音声の最小単位である音素を用いて高精度な認識結果
を推定している．認識結果を推定するために深層学習技術を利用して正しい音素列の推定
を行っている．具体的には，複数の音声認識結果を音素列に変換し，各音素列を時間情報
に基づいてアライメントを行い，このアライメントされた結果に対して深層学習技術を適
用して各アライメント区間に対して正しい音素列の推定を行う．このような正解音素推定
器を用いて，正しい音素列を推定することにより，元の音声認識列や複数の認識結果を多
数決により統合した方法よりも，高い性能が得られた．このような結果から，正解音素推
定器により高精度な認識結果を生成できる可能性を示すことができた． 
音声は，時系列を持ったデータであり，音と音が時間の軸で組み合わさることで意味が
付いてくる．また，時間方向において制約も存在する．そのため，時間情報を用いない単
純な正解音素推定器では，このような間違いが出現する可能性がある．このことから，正
解音素推定器に対して時間情報を付与することは高精度な推定には必要である． 
そこで，本研究では時間情報を考慮することができる深層学習技術を利用している．時
間情報を考慮した正解音素推定器は，考慮していない正解音素推定器と比較して高い性能
であることを示すことができ，正解音素推定には時間情報が有用であることを示すことが
できた． 
以上より，本論文は今後爆発的に増加することが見込まれるマルチメディアコンテンツ
などの音声検索に利用可能な高性能な正解音素推定器の提案し，その優位性を音素認識実
験により示している．また提案した正解音素推定器を検索語検出に適用する実験を行い，
提案手法の優位性を示している． 
博士論文で取り組んだ課題の重要性，提案した手法の斬新さ，手法の有用性を示す緻密
な実験と考察，最終試験でのプレゼンテーションの構成，質疑応答の的確さを鑑み，本論
文は，博士論文としてふさわしい研究であると判断した． 


高精度な音声認識結果の推定技術とその応用に関する研究

University of Yamanashi (山梨大学)博士(工学)医工博甲第455

Wirasnita, Riry

 
 
 
氏 名  Wirasnita Riry 
博士の専攻分野の名称  博士（工学） 
学 位 記 番 号  医工博甲第４５５号 
学 位 授 与 年 月 日  平成３１年３月２０日 
学 位 授 与 の 要 件  学位規則第４条第１項該当 
専 攻 名  環境社会創生工学専攻 
学 位 論 文 題 目  Enhancement of Phragmites australis Planted-Constructed 
Wetlands Performance using Activated Carbon for Phenolic 
Endocrine-Disrupting Compounds Removal 
（フェノール性内分泌撹乱化学物質に対して高い除去性能を発揮
する活性炭利用型ヨシ植栽人工湿地に関する研究） 
 
論 文 審 査 委 員  主査  准教授  遠山 忠 
教 授  風間 ふたば 
教 授  金子 栄廣 
准教授  森 一博 
准教授  田中 靖浩 
准教授  原本 英司 
 
学位論文内容の要旨 
人工湿地は，省エネルギー，低コストで省メンテナンスな水処理技術であり，これまで
の多大なエネルギーを消費する排水処理技術の代替として普及が期待されている。しかし
ながら，その適用は排水から有機性汚濁物質（BOD）や栄養塩類，重金属などの除去に限
定されている。近年，人工湿地により，排水中に含まれる内分泌撹乱化学物質などの難分
解性化学物質の除去・低減を試みる研究がいくつか報告されるようになってきたが，これ
らの物質に対する人工湿地の除去効果は低く，また，除去効果の変動が大きいのが現状で
ある。さらに，人工湿地によって内分泌撹乱化学物質が除去されるメカニズム，その除去
に係る影響因子や微生物叢についての詳細は明らかになっていない。そこで，本研究では，
人工湿地の内分泌撹乱化学物質除去を強化することを目指し，ろ材の一部として活性炭を
利用する新しい人工湿地を初めて考案し，その人工湿地の内分泌撹乱化学物質除去能力と
除去要因／メカニズムを調べた。 
 
 
 
 最初に，活性炭による様々な内分泌撹乱化学物質の吸着能力を評価した。これまでは，
ビスフェノール A（BPA）などの代表的な内分泌撹乱化学物質に対する活性炭の吸着能力
が詳しく研究されていた。本論文では，BPA 以外に，ビスフェノール F（BPF），ビスフェ
ノール S（BPS）や 4-tert-ブチルフェノール（4-tBP），4-ニトロフェノール（4-NP）と 2,4-
ジクロロフェノール（2,4-DCP）に対する活性炭の吸着能力を調べた結果，いずれの内分泌
撹乱化学物質（数 ppm～数十 ppm の濃度範囲）も速やかに活性炭に吸着し，処理時間 1 日
以内で高い除去効果（除去率 90%以上）が確認された。この結果から，人工湿地のろ材と
して活性炭を利用する有効性が示された。 
続いて，水生植物のヨシと排水中の微生物を組み合わせた簡易的な水耕栽培実験におい
て，人工湿地の構成要素となっている「ヨシ」と「微生物」のそれぞれと，「ヨシと微生物
の共同体」が持つ各種内分泌撹乱化学物質除去能力を評価した。BPA に対しては微生物の
作用が，4-tBP に対してはヨシの作用とヨシ-微生物の相互作用が，4-NP に対してはヨシ-
微生物の相互作用が，2,4-DCP に対してはヨシの作用とヨシ-微生物の相互作用が効果的に
働き，それぞれの物質を水中から除去していることが明らかとなった。 
次に，ろ材の一部として活性炭を利用した人工湿地（活性炭-人工湿地）と通常の人工湿
地のリアクターを作製し，4 種類の内分泌撹乱化学物質（BPA，BPF，BPS と 4-tBP）を
それぞれ5 mg/Lとなるように含んだ内分泌撹乱化学物質複合汚染水を処理する実証実験を
56 日間にわたって実施した。通常の人工湿地では，BPA と BPF を効果的に除去するまで
に 2 週間以上を要し，その後も両物質に対する除去性能は不安定であった。さらに，通常
の人工湿地では，BPS と 4-tBP を除去することができなかった。これに対して，活性炭-
人工湿地は，実証実験開始直後から 56 日間にわたって全ての内分泌撹乱化学物質を完全に
除去することができた。活性炭はこれらの物質を効率的に吸着するものの，長期間汚染排
水を処理した後の人工湿地内の活性炭にはいずれの内分泌撹乱化学物質も蓄積していなか
った。この結果から，活性炭-人工湿地での効率的な内分泌撹乱化学物質除去機構として，
（1）まず内分泌撹乱化学物質が活性炭に吸着し，その後，（2）微生物の分解作用によって
吸着した内分泌撹乱化学物質が分解されることが推定された。また，その内分泌撹乱化学
物質の分解には，Sphingomonadaceae 科の微生物が関与していることが分かり，活性炭-
人工湿地内でのその微生物の動態を明らかにすることができた。内分泌撹乱化学物質に対
する低い除去率と不安定な除去が人工湿地の課題であったが，ろ材の一部として活性炭を
利用することによりその課題を解決し，内分泌撹乱化学物質汚染水の処理に活性炭-人工湿
地が適用可能であることを示すことができた。 
さらに，人工湿地に係る一連の研究を通じて，内分泌撹乱化学物質分解菌をいくつか分
 
 
 
離することにも成功した。その中の一つである Novosphingobium sp. RTW1 株は新たに発
見された BPA 分解菌である。RTW1 株は，Skeletal Rearrangement を介した分解経路に
よって BPA を完全に分解し，炭素源とエネルギー源として BPA を利用することを明らか
にした。この RTW1 株を根圏に導入したヨシ（rhizoaugmentation）の水耕栽培によって，
汚染水から効率的に BPA を除去できることも実証した。この rhizoaugmentation も，人工
湿地の内分泌撹乱化学物質除去を強化する手法として期待できる。 
以上の検討から，本研究はろ材の一部として活性炭を利用することによって，人工湿地
の種々の内分泌撹乱化学物質に対する除去能力を大幅に強化することができることを実証
した。さらに，その人工湿地内で，内分泌撹乱化学物質が効率的に除去されるメカニズム
と除去に関与する微生物を明らかにすることができた。さらに，分解菌をヨシ根圏に導入
する rhizoaugmentation 手法も，人工湿地の内分泌撹乱化学物質除去能力の強化に有効で
あることを示した。このように，本論文は，人工湿地のこれまでの課題を解決して内分泌
撹乱化学物質除去を強化する手法を科学的な裏付けと共に示すことに成功し，人工湿地の
適用範囲を内分泌撹乱化学物質汚染水処理に拡大することができた。この手法は，内分泌
撹乱化学物質以外の難分解性化学物質汚染水にも応用可能であると考えられる。 
 
論文審査結果の要旨 
本論文は，人工湿地の内分泌撹乱化学物質除去を強化することを目的として，ろ材の一
部として活性炭を利用する新しい人工湿地を考案し，その人工湿地の内分泌撹乱化学物質
除去能力と，除去要因／メカニズムを明らかにしたものである。 
最初に，代表的な内分泌撹乱化学物質，あるいは内分泌撹乱作用が疑われる物質である
ビスフェノール A（BPA），ビスフェノール F（BPF），ビスフェノール S（BPS），4-tert-
ブチルフェノール（4-tBP），4-ニトロフェノール（4-NP）と 2,4-ジクロロフェノール
（2,4-DCP）に対する活性炭の吸着能力を検討している。活性炭は，検討した全ての内分泌
撹乱化学物質（数 ppm から数十 ppm の濃度範囲）に対して高い吸着能力を持ち，排水中
からそれらを除去することを実験的に示している。この結果から，内分泌撹乱化学物質除
去を強化するために，人工湿地のろ材として活性炭を用いることの有効性を明らかにして
いる。 
続いて，フラスコスケールの水耕栽培実験において，人工湿地の構成要素となっている
ヨシ，微生物のそれぞれと，ヨシと微生物の共同体（ヨシ-微生物）が持つ各種内分泌撹乱
化学物質除去能力を調べている。BPA に対しては微生物の作用が効果的に働くこと，4-tBP
 
 
 
に対してはヨシの作用とヨシ-微生物の相互作用が効果的に働くこと，4-NP に対してはヨシ
-微生物の相互作用が効果的に働くこと，2,4-DCP に対してはヨシの作用とヨシ-微生物の相
互作用が効果的に働くことを明らかにしている。すなわち，内分泌撹乱化学物質の除去に
対する人工湿地の構成要素の寄与度は対象物質ごとに異なるももの，複数の人工湿地構成
要素が複合的に働くことによって様々な内分泌撹乱化学物質が除去できることを示してい
る。 
次に，ろ材の一部として活性炭を利用した人工湿地（活性炭-人工湿地）と通常の人工湿
地のリアクターを作製し，4 種類の内分泌撹乱化学物質（BPA, BPF, BPS と 4-tBP）をそ
れぞれ 5 mg/L 混合した内分泌撹乱化学物質複合汚染水を処理する実証実験を 56 日間実施
している。通常の人工湿地では，汚染水から BPS と 4-tBP を除去できず，また BPA と BPF
を長期間安定して除去できなかった。一方，活性炭-人工湿地は，4 種類全ての内分泌撹乱
化学物質を完全に除去し，その高い除去効果を 56 日間安定的に維持できることを示してい
る。さらに，活性炭-人工湿地における効率的な内分泌撹乱化学物質除去メカニズムを検討
し，まず，内分泌撹乱化学物質がろ材の活性炭に吸着し，その後，微生物の作用によって
吸着した内分泌撹乱化学物質が分解されることを明らかにしている。さらに，その内分泌
撹乱化学物質分解には，Sphingomonadaceae 科の微生物が関与していることを示している。
内分泌撹乱化学物質に対する低い除去性能と不安定な除去性能が人工湿地の弱点であった
が，ろ材の一部として活性炭を用いることによってその弱点を克服できることを示したこ
とが本論文の骨子である。 
さらに，人工湿地から内分泌撹乱化学物質分解菌を多数分離し，その特徴付けと分解能
の評価も行っている。特に，分解菌の中でも Novosphingobium sp. RTW1 株に対して詳細
な実験を実施しており，RTW1 株が BPA を Skeketal Rearrangement を介して完全分解し
ていることを示している。さらに，RTW1 株をヨシ根圏に導入する（rhizoaugmentation）
手法によって，人工湿地の内分泌撹乱化学物質除去を強化できることも示している。すな
わち，活性炭-人工湿地とは別に，rhizougmentation による内分泌撹乱化学物質除去強化手
法の可能性も示している。 
以上のように，本論文はろ材の一部として活性炭を利用することによって，人工湿地の
内分泌撹乱化学物質除去を大幅に強化できることを，その除去メカニズムと共に実証して
いる。さらに，人工湿地から内分泌撹乱化学物質分解菌を分離し，その分解菌を利用した
第二の内分泌撹乱化学物質除去強化手法も提案している。このように，本論文は，優れた
独創性，学術的新規性，工学的実用性が認められる。したがって，本審査委員会は本論文
の工学的貢献度は高く，博士（工学）論文に値するものであると認め，合格と判断した。 


Enhancement of Phragmites australis planted-constructed wetlands performance using activated carbon for phenolic endocrine-disrupting compounds removal

University of Yamanashi (山梨大学)博士(医学)医工博4甲第263号 ORAL & Implantology . Oct-Dec2018, Vol. 11 Issue 4, p199-209. 11

筒井, 隆光

氏        名    筒井 隆光 
博士の専攻分野の名称    博 士 ( 医 学 ) 
学 位 記  番  号    医工博４甲 第 263 号 
学 位 授 与 年 月 日    平成 31 年 3 月 20 日 
学 位 授 与 の 要 件    学位規則第４条第１項該当 
専    攻    名    先進医療科学専攻 
学  位  論 文  題 名    Bone augmentation by periosteum extension using 
3-dimensional memorized nickel-titanium mesh sheets. 
（3 次元形状記憶ニッケル‐チタンメッシュシートを用いた骨膜
伸展による骨造成の検討） 
 
論  文  審 査  委 員     委員長  教 授  齋藤 正夫 
委 員  教 授  宮澤 恵二  
              委 員  准教授  江幡 重人 
 
 
学位論文内容の要旨 
Purpose: The purpose of this study was to evaluate the effect of bone augmentation by periosteum extension using 3-
dimensional memory nickel-titanium mesh sheets in rabbit nasal bone. 
Materials and methods: In the experimental group, the new 3-dimensional shape memory mesh sheet consisted of nickel- 
titanium materials. The 3-dimensional shape nickel-titanium mesh sheet device measured 10 mm x13 mm and 0.2 mm and h
ad four rounded shaped corners. The height of the dome at the time of releasing stress of the shape memory was about 
 2 mm. The shape of the memory nickel titanium mesh cut pattern was a bellows type, and the surface was subjected to
 a blast finish. The mesh cut pattern measured 7 mm x, 10 mm. In the control group, the mesh consisted of titanium  
materials (thickness 0.2mm, diameter 1.0mm, 10 holes /cm2). The static titanium mesh sheet device was cut to a width 
 of 13 mm and a length of 18 mm and bent into a dome shape. The height of the dome of the static titanium mesh devic
e was about 2 mm. Twenty four rabbits (aged 12–16 weeks; 2.5–3.0 kg) were used in this study. In the experimental 
 group, the 3-dimensional memory nickel-titanium mesh sheet was inserted under the periosteal membrane and kept in  
place for 3 weeks using a screw. The screw was then removed and the mesh recovered its shape gradually. In the contr
ol group, the mesh was kept inserted under the periosteal membrane. Four animals were sacrificed in each period in b
oth groups at 6, 9 and 11 weeks postoperative. The carcasses were prepared for immunological assessment and histolog
ical assessment. The bone area and expression of bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) were evaluated. Data of all  
the materials were statistically analyzed with EZR (Saitama Medical Center, Jichi Medical University), which is a 
 graphical user interface for R 
(The R Foundation for Statistical Computing, version 2.13.0). Time-dependent changes were examined by analysis of  
variance (repeated measure ANOVA), after the tests for assumption of normality in each group were made. Scheffe’s 
 test was performed by multiple comparisons in each period. A difference of P< 0.05 was considered significant. 
Results: No animal developed an infection or complication postoperatively and all healed normally during the 11-week 
observation period. Histological examination: (Mesh height) The mesh height in the experimental group increased less 
 significantly than that in the control group over the time course (between subjects: F = 156.277, df = 1, P < 0.000
1; within subjects: F = 5.520, df = 2, P = 0.0200). The control group showed a significantly greater mesh height than  
that in the experimental group (P = 0.011). 
(The bone area)：The bone area in the experimental group increased more significantly than that in the control group  
over the time course (between subjects: F = 43.720, df = 1, P = 0.0006; within subjects: F = 5.084, df = 2, P = 
 0.0251). The experimental group showed a significantly greater mesh height than those in the control group after 9 
(P = 0.0337) and 11 weeks (P = 0.0027). 
Immunohistochemical analysis 
(BMP-2 labeling index) 
There was a significant difference in the BMP-2 labeling indexes over the time course between the groups (between  
subjects: F = 91.429, df = 1, P < 0.0001; within subjects: F = 50.855, df = 2, P < 0.001). Regarding monoclonal anti- 
BMP-2 antibody stained cells, the experimental group showed a significantly higher number than the control group aft
er 6 weeks (P = 0.0001). 
Discussion: We have developed a device that enables bone formation only in the necessary region by creating a shape- 
memory nickel-titanium mesh sheet with a specific 3-dimensional morphology. The mesh height in the experimental group 
 increased gradually after 6 weeks, while that in the control group did not change. This suggested that gradual  
expansion was maintained after 6 weeks even when the screw, which acted to secure the mesh, was removed after 3 months. 
The bone areas in the experimental group were significantly larger than those in the control group after 9 and 11 
 weeks. This suggested that the expansion volume of the 3-dimensional shape-memory mesh was larger than that of the 
 control mesh, and the use of a gradually expanding mesh could induce new bone formation without voids more so than  
with the use of a static mesh. BMP is an active osteoinductive factor that interacts with immature mesenchymal cells 
 such as osteoblasts, thus leading to osteogenesis. In this study, new bone formation activity peaked after 6 weeks 
in the experimental group. This suggested that the tensile strength caused by mesh expansion was maintained after 6 
weeks and could enhance bone formation activity. This study demonstrated the various advantages of using 3-dimension
al shape-memory nickel-titanium mesh and titanium screws. First, titanium screw fixation at the 4 corners was useful
 to provide rigidity. Second, the nickel-titanium mesh created a continuous force during the entire expansion period
 such that neither the surgeon nor the patient needed to manually adjust the screws. Therefore, no sharp bulging was
 observed after the screw was removed, there was no soft tissue opening, and so on. Third, the 3-dimensional dome sh
ape could maintain the space needed to generate new bone and prevent the invasion of endothelial tissue, thereby 
 lowering the infection rate. In addition, since spaces are formed by periosteal extension, they are filled with  
blood, osteoinductive cells, and the like, and it is thought that creating sufficient space has become possible. 
 Although we considered various mesh forms, further consideration is necessary to maximize height restoration. 
Conclusion: This study suggested that periosteum extension using a 3-dimensional shape-memory nickel-titanium mesh  
could induce new bone regeneration much more effectively than titanium mesh. 
 
論文審査結果の要旨 
口腔内の骨欠損への歯科インプラント治療には、自家骨移植などにより骨量を増加させた後に行
うこともあるが、外科的侵襲が伴う。これを軽減させるために、3 次元形状記憶ニッケルチタン
メッシュコートを用い骨膜を伸展させることにより、効率的に骨を造成させることを目的に研究
を行った。 
 まず、メッシュ素材のニッケルチタン合金を 3 次元形状記憶化させ、経時的に約 2mm まで膨
隆するような装置を開発した。この装置を、家兎の頭部の骨膜下に埋入し、骨の造成を検討した。
その結果、対照群に比べ、骨形成が促進されることを明らかにした。本研究では口腔内環境での
実験を行っていないが、将来的には、歯科インプラント治療への応用性も示唆された。 
 本研究発表における審査委員からの質問、ならびに発表者の返答内容を以下に示す。 
１． Ni-Ti 合金の生体内での応用例や有害性について 
Ni-Ti 合金の生体内での応用：口腔内では歯科用矯正ワイヤーとして多く使用され、生体内では
血管内治療機器であるステント，コイル，フィルター等で応用されています。また、人工骨や
人工関節といった整形外科分野で使用されています。Ni 溶出自体は極めて微量であるとされて
いますが、金属アレルギーの惹起といった有害事象の可能性は否定できないという現状があり
ます。 
２． 装置を埋め込む際の感染性の問題をどのように考えているか。スクリューのゆるみが起こるこ
とはないのか？ 
装置を埋め込む際、感染性を防ぐため適切な手術環境と、滅菌器具を使用しました。人体に使
用する際も同様に、感染リスクファクターを除去し治療する必要があります。また、スクリュ
ーのゆるみがないかレントゲン等を用い定期的に観察し、ゆるみを認めた場合は径の太いスク
リューに変更するなどの対応も検討する必要があると思われます。 
３． 平面の骨再生への応用性はありそうだが、凹面へ応用はできるのか 
凹面（欠損部）の深さにもよりますが、Ni-Ti メッシュシートは自在に形態調整が可能です。凹
面の形態に合わせて Ni-Ti メッシュシートを作製することで、凹面への応用を検討しています。
しかしながら、局所の深い凹面に関し本材料は不適応と思われます。 
４．形状記憶合金を使用すると、応力などの力学的な調整はどのように行うのか 
  Ni-Ti メッシュシートの中央ネジ除去後の力学的な調整は形状記憶合金が持つ自発的な伸展力
のみとなり、人為的には不可能です。 
  また、骨膜下に Ni-Ti メッシュシートを埋入しているため、最適な応力、復元期間が現時点では
不明です。メッシュ形状、シート厚さ、シートサイズを変更し、最適な応力、伸展が可能な材料
を検討、調整することが、今後の課題と思われます。 
５．Ni を生体内で使用すると、アレルギーなどが懸念されそうだが、どのように考えているか 
  Ni-Ti 合金を生体内に留置した際の Ni 溶出は極めて微量とされています。しかしながら口腔内
への応用を検討しているため、メッシュシート埋入による外科的侵襲やある程度の細菌侵入のリ
スクは免れないと考えます。これらは創傷治癒過程における炎症反応惹起させ、炎症反応は周囲
組織における pH 低下を引き起こします。これは Ni の溶出リスクを高める原因と思われます。
in vitro においてサイトカイン等により活性化した RAW264.7 等と Ni-Ti メッシュプレート存
在下で培養し、炎症組織における Ni の溶出量を検証することが必要と考えています。 
６．BMP-2 発現細胞を検討しているが、その意義は？また、BMP-2 はどの細胞が発現しているのか？
骨形成因子という意味では BMP-4 などもあると思うが、BMP-2 を測定した理由は？ 
骨形成には骨膜由来間葉系幹細胞である骨原性細胞と骨髄由来間葉系幹細胞の 2 つが関与して
います(J.cell.Sci 2013)。今回は骨膜伸展による機械的刺激により活性化された骨原性細胞と外
科的な侵襲による骨髄由来間葉系幹細胞が BMP-2 を発現すると考えています。いずれが今回の
骨造成に関与しているかは今後検証していく必要があります。これまでに BMP-4 は間葉系幹細
胞から骨芽細胞へと分化する過程において発現が低下していく一方でBMP-2の発現は一定とす
る報告があります(新潟歯学会誌 2000 川島)。このことから BMP-4 発現を測定しても分化段階
の異なる細胞の存在下では染色性が一定せず、骨形成能を有する細胞数測定には向かないと考え
ました。一方で BMP-2 は一定の染色性を示すと考えられることから BMP-2 を指標として採用
しました。 
７．6 週間で骨形成活性のピークになるとしているが、その根拠となるデータは何か？ 
  本研究では 6 週、9 週、11 週での BMP-2 発現陽性細胞率を解析していますが、それ以 
  前における BMP-2 発現の挙動については観察していません。そのため、骨膜伸展を行った 3 週
以後（3 週、4 週、5 週）の BMP-2 発現陽性細胞率を解析する必要性があったと思われます。
今後の実験の課題とさせて頂きます。 
８．臨床応用を考えたときに、高齢者への適応はどのように考えるか？ 
高齢者の場合、1.手術による侵襲に耐えられるか、2.組織再生能力の低下という問題点が考えら
れます。1.に関しては全身評価と手術侵襲を考慮した上で適応を選ぶ必要があると考えています。
2.に関しては bFGF2,β-TCP,テリパラチド等併用により組織再生補助を検討しています。一方で
それらの材料は局所への保持が困難という欠点があります。そのため適応症例が限定されます。
しかし、メッシュプレートにより局所保持のデメリットについても克服可能であると考えていま
す 
８．今回の装置をさらに改良する上で、骨を増やすための何らかの付加的な工夫が必要とおもうが、
どのようなことを考えているか？ 
増殖因子（bFGF2）や骨補填剤（β-TCP）を補助的に利用することを検討しています。 
 特に bFGF2 はリグロスとして保険治療に採用されていますが、歯周炎における 2壁または 3壁
性で垂直性骨欠損に適応でという限定した適応範囲となっています。そのため口腔外科領域への
利用拡大という適応症例拡大という点においても重要と考えています。 
 


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