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人工心臓をテストするための水力学的循環モデル系の試作と特性評価を行った研究である。循環系は体循環系と肺循環系に分かれており, それぞれを構成する水力学的素子は, まずはじめに電気的アナログシミュレーションによって特性値が決定される。循環系モデルの特性評価の指標は系の機械的入力インピーダンスで与えられ, 生体循環系のそれと極めて良い一致をみたことが示されている。

呼吸中枢の放電パターンとその伝達様式を数理的に表現し, さらに呼吸情報が筋力の変化を経ていかに力学的な呼吸形態を維持させるかについて, モデルシミュレーションによって検討した研究である。

肺胸郭系の力学を理論と実験の両面から検討し, ２要素ボディプレシスモグラフの方法論を確立した。これをもとに肋骨系肺換気と腹部系肺換気の気道抵抗依存性を明確にした研究である。

２要素ボディプレシスモグラフにより肺換気に関与する肋骨系と横隔膜腹部系の容積変化を算出し, その諸量に対する体型相関性および気道抵抗増大に対する諸量に変化度を検討した研究である。同時に肺胞内圧と換気ガス温度の変化により換気量と肺容積がいかに変動するかを理論的に考察している。

２個のレーザーダイオード（ＬＤ）のスイッチングを利用した２次元レーザードップラ速度計を構成し, 流速の２方向成分を簡便に同時計測するシステムを開発した。本法の利点は一組の受光器と信号処理器で２次元測定が可能であることで, 電気光学変調器を用いる方法に比べ, 高速化, システム全体の小型化, 低コスト化を可能にした, 本システムを用いてチャネル内水流の流速測定を行い, その有効性を確認した。

ハロセンの気道と肺胸郭系に及ぼす影響を１〜25Ｈｚのランダムノイズを用いた強制振動法によるインピーダンスの周波数特性曲線から解析した。高速フーリエ変換によって 100％酸素吸入時および酸素＋１％ハロセン吸入時のインピーダンスを求めたが, ハロセン吸入時のインピーダンス, とくに抵抗成分の低下が認められ，ハロセンの気管支平滑筋に対する弛緩作用が示唆された。

機能的電気刺激による関節角制御において, 煩雑な実験的手法を要していた関節角制御システムの設計に設計理論の応用を試みた。すなわち, 線形補正したステップ応答波形から制御対象の伝達関数を最小２乗法を用いて決定し, 北森法によってＰI,ＰＩＤ制御器を設計して足首関節角を制御した。さらにオーバーシュートを軽減し, 操作量の変動を小さくするために, 系を２自由度系として外乱応答はそのままで目標値応答を変える一方法として目標値フィルタを制御器に付加した結果, 良好な関節角応答特性が得られた。

微小循環系の低血流状態におけるリンパ流と血流の相関性を明らかにするために腸間膜の細動静脈の血流量と集合リンパ管のリンパ流量を高速度ビデオレコーダと画像処理システムを用いて測定した。リンパ流は脱血ショック中の動脈および静脈血流の減少に比例して時間遅れなく減少する。また, リンパ系は微小血管系の変化に対して敏速な応答を示すが, それは能動的ではなくむしろ受動的なふるまいをするという所見が得られた。

ラット腸間膜集合リンパ管のリズミカルな収縮運動とリンパ管の容積変化を解析するために, 顕微鏡動画像処理システムを用いてリンパ管壁の自動抽出とリンパ管径の自動測定を行うアルゴリズムの改良を行った。本法ではグラディエントオペレータ, 方向コード, リンパ管走行ベクトルに加えて管径予測ベクトル等を使用し, 解析スタート点をマニュアル指定するだけで前処理を行うことなく目的のデータが得られた。その結果, リンパ管容積変化の正確な算定が可能となった。

ラット腸間膜集合リンパ管を対象に脈動性リンパ流速とリンパ流量を顕微鏡画像処理法を用いて定量的に計測した。リンパ流速についてはリンパ球の画像抽出, そのフレーム間対応ずけ, 速度ベクトルの算出を行い, リンパ管内の速度分布を求めた。一方, リンパ流量については管径計測を行い, 円管近似による断面積算出後, その時点の平均流速との積から求めた。流速, 流量ともに脈動現象として観測され, 逆流もしばしば起こることが確認された。

ラット腸間膜集合リンパ管の収縮運動がそのリンパ流源となっている腸の運動と密接な関係を把握する目的で, 顕微鏡画像処理システムを用いてリンパ管の管径変化と腸管運動を計測した。さらにリンパ管収縮運動のリズムと回腸の運動リズムとの関連をみるため両者の相互相関関数およびそれぞれのリズム性の周波数スペクトラムを求めた。両者の運動の間には固有の周期は異なるものの, 互いに共通する長周期のリズム性が認められ, 高い連関性が示唆された。

メディアルフィルタに濃淡値しきい値, 分散しきい値および分散の差のしきい値を設定することで, メディアンフィルタを掛けながら, 境界強調または境界抽出ができる新メディアンフィルタを考案した。このフィルタを顕微鏡画像に応用し, リンパ球の境界抽出に関して有効な結果が得られた。

筋張力を制御するためのディジタル閉ループ制御システムを提案した。システムのコントローラ設計において新しい制御理論を導入し, 所望の応答が得られる簡単な設計法を示した。構築した筋張力制御システムにより筋の特性変化を補償して筋張力を定常位置偏差なく制御することができた。また用いたコントローラの中では, 立ち上がり時間, オーバーシュート量に関してＰＩコントローラが最も良い結果を示した。

機能的電気刺激によって下肢運動の機能再建を図るため, 腓腹筋, 前頚骨筋, 大腿直筋, 大腿屈筋群を刺激し, 足関節の底屈, 背屈, 膝関節の伸展, 屈曲の４動作を可能とする関節角制御システムを構築した. このような拮抗筋刺激と目標値フィルタによる過渡特性の改善を行い, 両関節動作の制御と負荷変動に伴う特性変化の補償が可能であることを示した。

Target Brightness Feedback法を用いて, 視標追跡中の被験者の注意力を喚起し, 追跡眼球運動のスムースパーシュート特性が注意力によってどのように変化するかを調べた. さらに, 特性変化の起こる理由を追跡眼球運動モデルによるシミュレーションで考察し, 実験と理論結果の比較検討を試みた。注意力の向上によりスムースパーシュートの最高速度, ゲインの増大,位相の遅れ等の現象が見られたが, これらの現象は視標認知時間が延長するために起こる可能性が確認された。

ランダムノイズ波を用いた強制振動法において, 臨床応用を考慮した簡便なメカニカルインピーダンスのキャリブレーション法を提案した。本法では測定系自体のインピーダンスや位相差, さらにキャリブレーション値の周波数特性も十分に考慮しており, 強制振動法による呼吸器インピーダンスの測定に応用可能である。

レーザードップラ速度計を用いて流速を測定する際に生ずる疑似周波数スペクトルの性質を解析し, そのスペクトル周波数と振幅が受光器の位置とアパーチャアサイズによって変わることを見い出した。疑似信号による周波数の広がりは, いわゆるFrequency Broadeningとは異なり, 管壁などからの散乱光が参照光となりヘテロダイン検波されるために起こることを明らかにした。

差動型レーザードップラ速度計を用いて細管内流などの管壁近傍流の測定を行うと, 対象の速度に対応した真のスペクトラムのほかに管壁からの散乱光の多重干渉による疑似信号のスペクトラムが観測される。本研究ではこの疑似信号の持性を理論的ならびに実験的に検討し, その周波数が受光系の位置に依存するという性質を利用して疑似信号の影響を除去する方法を考案し, その実現を図った。

臨床医学に対する理工学技術の寄与, 発展を概説し, 特に今日の医療におけるコンピュータの利用と将来展望を述べた。

腸管からリンパ系への栄養吸収作用の係わりあいを調べるために腸間膜集合リンパ管のリンパ移送におけるオリーブオイル等の脂質注入効果を解析した。超高速ビデオテープレコーダと画像処理システムを用い, ラット腸間膜集合リンパ管内のリンパ球濃度を計測し, 脂質注入量との関係を求めた。脂質吸収量に応じてリンパ移送量は増加する傾向にあり, 吸収とリンパ移送の間には両者を制御する高い相関システムが存在することが示唆された。