Study on dynamics transformation and robustness of non-paroxysmal atrial fibrillation based on phase singularity
| Project/Area Number |
21K12636
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
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| Research Institution | Morinomiya University of Medical Sciences |
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Principal Investigator |
中沢 一雄 森ノ宮医療大学, 医療技術学部, 教授 (50198058)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
富井 直輝 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00803602)
井尻 敬 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (30550347)
稲田 慎 森ノ宮医療大学, 医療技術学部, 教授 (50349792)
芦原 貴司 滋賀医科大学, 医学部, 教授 (80396259)
高山 健志 株式会社サイバーエージェント(AI事業本部 AI Lab), AItech Studio AI Lab, - (80614370)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 心房細動 / 位相シンギュラリティ / スパイラルリエントリー / コンピュータシミュレーション / 興奮伝播ダイナミクス / 心筋焼灼術 / 可視化 / atrial fibrillation / phase singularity / visualization / computer simulation / myocardial ablation |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、コンピュータシミュレーションなどによる計算科学的手法と臨床不整脈の可視化データに基づいて、計算機上の3次元心房モデルに心房細動の興奮伝播を再現し、そのダイナミクス変容を位相シンギュラリティの問題として解析する。さらに、容易に停止しない非発作性心房細動のロバスト性を克服するために計算機上で網羅的な仮想実験を行い、経皮的心筋焼灼術のための治療戦略を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）３次元形状のヒト心房モデルにおいて、従来の均質モデルに線維走向を付加した大規模な電気生理学コンピュータシミュレーションを実施した。結果として、より実際の心房細動のイメージに近づいた渦巻型旋回興奮波（スパイラルリエントリー）のダイナミクスを可視化した。しかし、渦巻型旋回興奮波は、いったんランダム・リエントリー状態に移行するものの数十秒で停止すること分かった。すなわち、完全な非発作性心房細動の再現には至らなかった。
（２）臨床の心房細動において、カテーテルの心内電位から心房細動をリアルタイムで映像化するシステムの２次元データに基づき、３次元の心房形状にマッピングする手法を開発した。また、３次元の規範モデル上で作成した可視化データを別の３次元形状モデルへ移し込むことを目標に、３角形メッシュ構造の変換についての技術開発を行った。
（３）心房細動のダイナミクスの変容を位相シンギュラリティの問題として解析するため、作成したシミュレーションデータに対して位相分散解析を実施した。一方、簡便性を重視した方法を用いて、３次元心房モデル上に渦巻型旋回興奮波の位置を示すインディケーターを含めた可視化を行った。さらに、カテーテル術者の使用を前提に、スマートグラスを用いて術野に位相マッピングの結果を重畳する可視化も行った。
（４）不整脈の細動現象の知見を整理するため、心室細動を主テーマとしたレビュー論文を作成した。また、心房細動の興奮伝播ダイナミクスの解説記事などを執筆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
３次元心房モデルにおいて、コンピュータシミュレーションにおいて発作性心房細動はほぼ再現できたものの、発作性心房細動の再現に難航している状況である。おそらく、心房細動のドライバーとなる電気生理学特性の導入に向かう必要がある。当初、計画を予定していた心房細動の典型的症例の再現が困難なようなら、仮想的な症例を前提に、理論的な心筋焼灼術の治療戦略の開発を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
作成した３次元形状のヒト心房モデルにおいて、心房細動のドライバーとなる電気生理学特性の導入を行い、目標とする非発作心房細動の再現を目指す。非発作心房細動が再現できれば、心房細動の興奮伝播ダイナミクスの変容を位相シンギュラリティの問題として解析し、理論的な基盤を構築する。具体的には、３次元形状のヒト心房モデルにおいて位相シンギュラリティの位置の分布頻度やMeandering現象の軌跡パターンのデータからダイナミクスの変容についての統計的特徴量を算出する。位相データのばらつきから位相シンギュラリティを同定する位相分散解析の手法、あるいは、より簡便な興奮波の全面と後面の交点を用いた解析から、心房細動の興奮伝播ダイナミクスの変容の層別化を図る計画とする。最終的には、再現した心房細動の複数の典型的症例について、計算機上で心筋焼灼を網羅的に行う仮想実験を大規模に実施し、典型的症例毎になるべく最小限の焼灼によって心房細動の停止につながる方法を探索する。さらに、心筋焼灼によって停止できない症例があれば、心筋焼灼術の適応外としての鑑別やAIの導入の可能性を検討する。
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Report
(2 results)
Research Products
(27 results)
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[Journal Article] 計算科学的手法による心房細動の興奮伝播ダイナミクスの解明と可視化2022
Author(s)
中沢一雄
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Journal Title
Transactions of Japanese Society for Medical and Biological Engineering
Volume: 60
Issue: 4-5
Pages: 107-109
DOI
ISSN
1347-443X, 1881-4379
Year and Date
2022-09-10
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