【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】24300159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

不整脈 / 光学マッピング / ３次元興奮伝播 / リエントリ / シミュレーション / 3次元興奮伝播

【研究成果の概要】

不整脈発生時の心筋内活動電位伝播様式は複雑な三次元的構造を持つ。膜電位感受性色素を用いた光学マッピングによって得られる膜電位情報は、組織標本表層から深さ３００μｍの浅い情報であり、心内膜側を計測するためには心室壁を切開するなどの処置が必要であった。本研究では心外膜と心内膜を同時かつその位置関係を正確に同定して光学マッピングするシステムを開発した。線状レーザ光を心外膜側から照射し、心内膜側の像を観察することで位置の対応関係を同定する方法を考案し、１mm以下の精度で画像統合可能であることを確認した。またウサギLangendorff灌流心標本右心室の心外膜側と心外膜側の同時光学マッピングを実施した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】18650129 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

不整脈 / シミュレーション / 心室細動 / 蛍光計測 / リエントリ

【研究成果の概要】

植込み型除細動器は心室細動(VF)などの致死性不整脈に対して極めて高い有効性を持つが、高エネルギーショックによる心筋傷害は低心機能脈者にとっては時に致命的になる。このため、より低エネルギーの通電による新しい除細動法の開発が求められている。一方、VFの主な機序は渦巻き様に旋回する興奮波(SW:spiral wave, scroll wave)であることが明らかとなっている。このようなSWは心臓の電気現象以外にも広く自然界で観察され、一定の条件下であれば外部からの刺激によってその挙動をコントロールできることか示されている。本研究では、VF中のSWを脱分極閾値以下の低エネルギー通電やペーシングによってコントロールしてVFを停止させる新しい除細動方法を開発する。
コンピュータ・シミュレーションにより、心室モデル内に誘発したSWを局所ペーシングおよび低エネルギー反復通電により停止させる方法を検討した。心室壁厚を菲薄化させた2次元的心室モデルにおいて、心室自由壁に安定に定在するSWは局所ペーシングおよび低エネルギー反復通電により停止することがあった。しかしながら、SWが右室左室接合部などの3次元的構造を有する部位に存在したり、SWが分裂するイオンチャンネル電流の設定や心室壁厚を菲薄化させない3次元的心室モデルでは、SWを停止させることは困難であった。シミュレーションから、局所ペーシングおよび低エネルギー反復通電による停止効果は、媒質の3次元的構造や不均一性、心筋の活動電位の特性等に極めて敏感であり、実際の生体への応用は極めて困難と考えられた。
実験的にも、2次元培養心筋標本上に安定して存在するSWはペーシングにより停止させることができたが、左室壁から切り出した3次元的心筋切片や心室壁を2次元的に菲薄化させたウサギのLangendorff灌流心標本に誘発したSWは停止させることが困難であった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】2,600千円 (直接経費: 2,600千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】16500311 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

インタフェース / 心臓電気現象 / 不整脈 / シミュレーション / 可視化 / スケッチ / モデリングインタフェース / 手書き

【研究成果の概要】

我々は心臓シミュレーションの将来の臨床応用を目指し、試行システムを開発した。試行システムは主に以下の3つの機能から構成される。1)複雑な心臓形状のためのボリュームあるいはサーフィスモデルを処理するモデリングインタフェース。2)シミュレーション結果の有効な可視化。モデリングインタフェースによって、比較的容易に立体的な心臓形状モデルの処理と電気生理学的パラメータの設定が可能である。シミュレーションは心臓の電気生理学的な挙動を記述する2種類の数学モデルを目的に応じて選択できる。迅速性・簡便性を重視する場合には、簡易型のFHN方程式を用いてパーソナルコンピュータでのシミュレーションが実行できる。例えば、医療従事者が簡潔にベッドサイドで不整脈の概要を説明するときに効果的である。一方、制度がより重要であるときは、スーパーコンピュータで複雑なLRモデルを使って大規模な計算を実行することも可能である。これは不整脈メカニズムの詳細な研究に適している。されに、我々はネットワークシステムを試行した。このシステムでは、最初にユーザは滋賀医科大学のWWWサーバにアクセスし、活動電位のパラメータ、心室性期外収縮の発生場所などを指定する。次に、指定されたパラメータは循環器病センターに送られ、スーパーコンピュータによってシミュレーションが実行される。計算結果は循環器病センターにの可視化サーバで可視化されてイメージデータに変換される。最終的にイメージデータは滋賀医科大学に戻され、WWWサーバに登録される。ユーザはシミュレーション結果を可視化データとして閲覧することができる。これらのシステム開発は、心臓モデルの電気生理学的を変えて反復実験を用意に行うことが出来るシミュレーション研究の特徴を活かすのに有効であると思われる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】2,500千円 (直接経費: 2,500千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】12308046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

不整脈 / コンピュータシミュレーション / Spiral Reentry / LR2次元 / 光学的心筋細胞膜活動電位マッピングシステム / 電気刺激に対する心臓全体の応答 / 心筋二次元標本 / Spiral Reentryのダイナミクス / Siral Reentry / LR2次元バイドメイン仮想心室筋モデル / 心室細動電気的除細動メカニズム / Siral Reentr のダイナミクス / M細胞 / 広領域心臓活動電位計測 / 機能的ブロックライン / 心筋細胞膜活動電位光学マッピングシステム / シミュレーション / LRモデル / スーパーコンピュータ / 心臓の興奮伝播の可視化 / 高速DVCR / 抗不整脈薬

【研究成果の概要】

本研究では、コンピュータシミュレーション技術を応用し、不整脈発生時の心臓興奮伝播や関連現象を解析するとともに、心筋細胞膜活動電位計測システムを開発し、実験的に発生したSpiral Reentryを観察してシミュレーション結果と比較するべく、以下の研究を行った。(1)心筋活動電位モデルによるシミュレーションと心臓興奮伝播の可視化:単位心筋をLRモデルによる微分方程式で記述し、スーパーコンピュータで不整脈のシミュレーションを実施した。またSpiral Wave理論に基づき心臓興奮伝播を再現し、ワークステーション上でCG手法による動画像表現での可視化に成功した。(2)光学的心筋細胞膜活動電位マッピングシステムの開発と光信号の解析による電気刺激に対する心臓全体の応答の検討:膜電位感受性色素Di-4-ANEPPSで染色したウサギのLangendorff灌流心の膜電位伝播の様子を観察可能とするため、高速度ディジタルビデオカメラ(DVCR)を用いて高分解能光学マッピングシステムを開発した。また2台のDVCRにより、広領域心臓活動電位の計測を可能とした。これによる光学マッピング下に電気刺激を与え、光信号の解析により、電気刺激に対する心臓全体の応答を詳細に検討することができた。さらに仮想電極の発生や任意条件で任意個所を刺激可能とする刺激系の作製などにより、伝導系に異常を生じた心臓に光信号のフィードバックで脈を発生することを可能ならしめた。(3)ウサギ灌流心標本のSpiral Reentryのダイナミクスと活動電位の関係や抗不整脈薬の作用についての検討:光学マッピングシステムを用い、ウサギ灌流心二次元標本のSpiral Reentryについて、興奮旋回のダイナミクスと活動電位波形との変化や抗不整脈薬作用の面から検討した。その結果、心室筋Spiral Reentryのダイナミクスは、(1)興奮波前面と終末部との相互作用、(2)興奮前面の曲率による効果、および(3)心筋構築の異方性により規定されることが判明した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】33,160千円 (直接経費: 28,300千円、間接経費: 4,860千円)