| 研究概要 |
本研究では,臓器としての生物学的知見が豊富な心臓を対象として,近年急速に解明が進み実現されるようになった,タンパク分子機能に基づく精密な細胞モデルを元に,心筋細胞の配列,組織の微小循環,冠動脈血流,心筋組織の力学的特性に基づいた心臓の3次元拍動モデルを実現する.
様々な構成要素や構造を考慮した心臓の3次元有限要素法モデルは極めて複雑になるが,日々蓄積される生物学的知見を導入することが重要であり,その度に新たなモデルを設計することは極めてコストが高いことがわかった.そのため,本年度は,最新の生物学的知見を導入したモデルを容易に構築し,有効性等を評価するシステムとして,心臓拍動モデルの生成・修正ツールを実現した.生体シミュレーションを推進している国際プロジェクトであるPhysiome Projectにおいても,このようなツールの重要性が指摘されていたが,現在までに同様の研究はなく,非常に有用性が高いものである.
次に,拍動シミュレーションアルゴリズムとして,心筋細胞のタンパク分子機能に基づいたモデルが生成する収縮力と,材料特性に基づく3次元形状の変形を精密に計算する連成シミュレーションアルゴリズムを提案した.最新の知見に基づいた臓器シミュレーションモデルを実現する場合,従来は導入するモデルごとに新たなシミュレーションソフトウェアを生成する必要があった.これに対し,本研究では,心筋細胞モデル,収縮力発生モデル,心臓形状モデルを独立に持ち,それぞれ独立したソフトウェアにより分散計算を行うシステムを実現した.この際,これらのモデルの連成計算において,通常の弱連成を行うと数値不安定性が生じることがわかっている.そこで,本研究では,新たに分散連成計算において,数値不安定性が生じず,数学的に高精度な変形計算が可能なアルゴリズムを提案した.
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