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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Multidisciplinary Treatment Strategies for Chronic Atrial Fibrillation by Integrating Phase Variance Analysis and Clinical Visualization Techniques

Research Project

Project/Area Number 21H04953
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

佐久間 一郎  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50178597)

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)
山崎 正俊  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (30627328)
中沢 一雄  森ノ宮医療大学, 医療技術学部, 教授 (50198058)
芦原 貴司  滋賀医科大学, 医学部, 教授 (80396259)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Keywords心房細動 / 生体制御・治療 / カテーテルアブレーション / 心臓旋回興奮波 / 光学マッピング
Outline of Annual Research Achievements

1.多電極信号からの膜電位の再構成手法に関して、多電極計測と光学的計測の同時計測システムを用いて、ブタ心臓標本を用いたex-vivo実験を実施した。実際に臨床で用いられるカテーテルと同じ電極配置の電極信号から、コンピュータシミュレーションモデル上で学習された深層学習モデルによって光学計測と同等の精度での膜電位再構成が可能である事が確認された.
2.心房形状モデルに対して局所の心筋線維走向を手動で設定するためのUIを備えたツールを作成し、さらに設定した局所的な走向から適切な補間処理により、心房全体に心筋線維走向を設定可能なツールを作成した。また作成した三次元モデル内で、一定時間異常持続する渦巻き型旋回興奮波の再現が可能となった。
3.ヒトの心房細動時のデータ解析に関して、引き続き芦原らより提供されたデータの解析を行った.位相分散解析をExTRa Mappingに適用した場合、限られたマッピング分解能によって位相分散のアーチファクトが生じる問題に対して、空間フィルタリングによるアーチファクト解消を検討した.
4.電極信号からの膜電位再構成手法に対する位相分散解析の適用可能性を、実臨床カテーテル電極信号に対して検証した.ex-vivo実験と同様の複雑な旋回性興奮の膜電位映像が再構成されることを確認し、また上述の位相分散のアーチファクトが解消する事が明らかとなり、位相分散解析に基づく焼灼治療の最適化の可能性が示された.
5.2次元映像に対する位相分散解析をさらに発展させ、厚みのある心筋組織内で生じる異常興奮を電極信号から同定するための、電極信号に基づく3次元膜電位推定の初期検討を行った.シミュレーション検討の結果、心筋組織表面の電極信号から、従来は分別が困難であった3次元的な旋回興奮と組織内部での異常発火との分別ができる可能性が示された.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的である位相分散解析の基づく焼灼戦略の確立に向けて、既存のマッピング手法であるExTRaマッピングに対する位相分散解析の応用可能性を、実臨床データを用いて検証をすすめることができている.さらに、より精密な位相分散解析の実現に向けて開発された電極信号にもとづく膜電位推定手法に関して、ex-vivo実験によりその性能が光学マッピングに匹敵することを確認し、さらに実臨床データに対しても同手法が適用可能であること、再構成された映像に対する位相分散解析が可能であることを実証しつつあり、具体的な焼灼の最適化戦略の検討に着手している.さらに、分析された位相分散指標に基づいて、焼灼戦略の最適化を検討するために重要な役割を果たす、心筋線維走向等の不均一性を加味した心房細動数値シミュレーションモデルが確立されつつある.

Strategy for Future Research Activity

1.多電極信号からの膜電位の再構成手法に関して、ブタ心臓標本を用いたex-vivo実験を継続して行う.近年普及が進む格子状のカテーテル配置に対しても本手法が適用可能であるかを、コンピュータシミュレーションモデル上で学習された深層学習モデルを用いて検討し、他の電極配置と同様に、光学計測と同等の精度での膜電位再構成が可能である事を確認する.
2.心房細動シミュレーションモデルに関して、心筋線維走向に加えて線維化等の組織の不均一性を加味した数値シミュレーションモデルを構築し、より実際の疾患に近い心房細動が再現できるかを検討する.
3.引き続き芦原らより提供されたExTRa Mappingに位相分散解析を適用し、焼灼戦略の最適化が可能であるかを検討する.
4.引き続き電極信号からの膜電位再構成手法の、実臨床データへの応用可能性、位相分散解析の適用可能性、および焼灼治療の最適化の可能性を検討する.
5.前年度で示された、電極信号にもとづく3次元的な旋回興奮の再構成手法を発展させ、非接触な電極信号からの心房の複雑表面での膜電位マッピング技術を検討する.

  • Research Products

    (22 results)

All 2022

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 5 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Heavy ion irradiation reduces vulnerability to atrial tachyarrhythmias: Gap junction and sympathetic neural remodeling2022

    • Author(s)
      Mari Amino, Koichiro Yoshioka, Masatoshi Yamazaki, Noboru Kawabe, Sachie Tanaka, Takashi Shimokawa, Ryoko Niwa, Naoki Tomii, Shigeto Kabuki, Etsuo Kunieda, Atsuhiko Yagishita, Yuji Ikari, Itsuo Kodama.
    • Journal Title

      Circulation Journal

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1253/circj.CJ-22-0527

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Rotors anchored by refractory islands drive torsades de pointes in an experimental model of electrical storm2022

    • Author(s)
      Masatoshi Yamazaki, Naoki Tomii, Koichi Tsuneyama, Hiroki Takanari, Ryoko Niwa, Haruo Honjo, Itsuo Kodama, Tatsuhiko Arafune, Naomasa Makita, Ichiro Sakuma
    • Journal Title

      Heart Rhythm

      Volume: 19(2) Pages: 318-329

    • DOI

      10.1016/j.hrthm.2021.10.012

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanism of Ventricular Fibrillation: Current Status and Problems2022

    • Author(s)
      Nitaro Shibata, Shin Inada, Kazuo Nakazawa, Takashi Ashihara, Naoki Tomii, Masatoshi Yamazaki, Haruo Honjo, Hiroshi Seno, Ichiro Sakuma
    • Journal Title

      Advanced Biomedical Engineering

      Volume: 11 Pages: 117-135

    • DOI

      10.14326/abe.11.117

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The impact of the atrial wall thickness in normal/mild late-gadolinium enhancement areas on atrial fibrillation rotors in persistent atrial fibrillation patients2022

    • Author(s)
      Nakamura T, Kiuchi K, Fukuzawa K, Takami M, Watanabe Y, Izawa Y, Suehiro H, Akita T, Takemoto M, Sakai J, Yatomi A, Sonoda Y, Takahara H, Nakasone K, Yamamoto K, Negi N, Kono A,Ashihara T, Hirata K
    • Journal Title

      J Arrhythm

      Volume: 38 Pages: 221-231

    • DOI

      10.1002/joa3.12676

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] カテーテルアブレーションにおける3次元マッピングシステムの新たな展開:ExTRa MappingTMシステム2022

    • Author(s)
      芦原貴司
    • Journal Title

      心臓

      Volume: 54(5) Pages: 545-554

  • [Presentation] Optimization of myocardial ablation therapy using in silico deep reinforcement learning2022

    • Author(s)
      Naoki Tomii, Hiroshi Seno, Masatoshi Yamazaki, Ichiro Sakuma
    • Organizer
      IUPESM World Congress 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Rotor mapping and ablation using artificial intelligence2022

    • Author(s)
      Naoki Tomii
    • Organizer
      第14回 Catheter Ablation Course for AF (CACAF)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] “What is an artificial intelligence (AI)? -Rotor and atrial fibrillation-“2022

    • Author(s)
      Naoki Tomii
    • Organizer
      2022 Summer Research Conference of Institute for Advanced Medical Sciences
    • Invited
  • [Presentation] Optimization of myocardial ablation therapy using in silico deep reinforcement learning2022

    • Author(s)
      Naoki Tomii, Hiroshi Seno, Masatoshi Yamazaki, Ichiro Sakuma
    • Organizer
      IUPESM World Congress Special Symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 特別演題2「医工学と心電学」. 心電図解釈のための機械学習によるパターン認識2022

    • Author(s)
      富井直輝
    • Organizer
      心電学関連春季大会2022
  • [Presentation] イノベーションを実現しよう 工学系とのマッチングプラザ.「心臓をみる-計測・シミュレーション・AI-」2022

    • Author(s)
      富井直輝,瀬野宏,山崎正俊,佐久間一郎
    • Organizer
      日本循環器学会・日本機械学会共同企画
    • Invited
  • [Presentation] ヒト3次元心房モデルに基づく心房細動興奮伝播シミュレーションと可視化2022

    • Author(s)
      中沢一雄,稲田 慎,原 良昭,岸田優作,柴田仁太郎,富井直輝,高山健志,井尻 敬,芦原貴司
    • Organizer
      第42回医療情報学連合大会(第23回日本医療情報学学術大会)
  • [Presentation] Exponential Mapを用いた3次元心房モデル上の興奮伝播可視化.2022

    • Author(s)
      後藤竜真,木村優希,井尻 敬,芦原貴司,中沢一雄
    • Organizer
      Visual Computing + VC Communications 2022 (VC+VCC 2022)
  • [Presentation] 新たな心房細動治療法の開発を目的とした心房モデルの構築2022

    • Author(s)
      稲田 慎,岸田優作,高山健志,井尻 敬,芦原貴司,大星直樹,柴田仁太郎,中沢一雄
    • Organizer
      第61回日本生体医工学会大会(JSMBE)
  • [Presentation] ヒトの3次元心房モデルに基づく心房細動興奮伝播シミュレーションと拡張現実での可視化2022

    • Author(s)
      岸田優作,浦田智和,橋本 陸,大星直樹,芦原貴司,井尻 敬,高山健志,柴田仁太郎,原 良昭,信太宗也,稲田 慎,中沢一雄
    • Organizer
      第61回日本生体医工学会大会(JSMBE)
  • [Presentation] in silico学習による客観的な心臓焼灼箇所最適化の試み2022

    • Author(s)
      瀬野宏,富井直輝,山崎正俊,柴田仁太郎,佐久間一郎
    • Organizer
      第61回日本生体医工学大会
  • [Presentation] Optimization of Ablation Strategy Using Cardiac Simulator and Reinforcement Learning: in silico Verification of Principles and Construction of Ablation System for in vitro Experiment2022

    • Author(s)
      瀬野宏,富井直輝,山崎正俊,柴田仁太郎,佐久間一郎
    • Organizer
      第68回日本不整脈心電学会学術大会
  • [Presentation] Electrogram-based feedback stimulator and simultaneous panoramic optical measurement system for validation of adaptive defibrillation strategies.2022

    • Author(s)
      古川航暉,瀬野宏,山崎正俊,佐久間一郎,富井直輝
    • Organizer
      第68回日本不整脈心電学会学術大会
  • [Presentation] 心臓電気生理シミュレータを用いた強化学習による適応的除細動法の原理検証2022

    • Author(s)
      荻生崚太郎,瀬野博,中川桂一,佐久間一郎,富井直輝
    • Organizer
      第31回ライフサポート学会フロンティア講演会予稿集
  • [Book] 医用工学ハンドブック2022

    • Author(s)
      佐久間一郎,芦原貴司,富井直輝, 山崎正俊 他
    • Total Pages
      475
    • Publisher
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-735-0
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理システム、プログラム及び情報処理方法2022

    • Inventor(s)
      富井直輝、佐久間一郎、堀圭佑
    • Industrial Property Rights Holder
      富井直輝、佐久間一郎、堀圭佑
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      米国出願62388009
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 電極カテーテルおよびその製造方法2022

    • Inventor(s)
      富井直輝,佐久間一郎,山崎正俊,白石諒太
    • Industrial Property Rights Holder
      富井直輝,佐久間一郎,山崎正俊,白石諒太
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2021-036175

URL: 

Published: 2023-12-25  

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