心疾患研究を支える患者固有の心臓モデルをCoreform Cubitで作成

背景

At Dresden University of Technology’s 構造解析研究所 （Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke、ISD）では、研究者のBarış Cansiz氏とYongjae Lee氏が、研究所長のMichael Kaliske教授と協力し、人間の心臓を対象とした計算バイオメカニクスの先進的な研究を行っています。患者ごとに状態が異なることを前提に、最終的には個別化治療の実現を目指しています。

心臓の機能をより深く理解できれば、治療法を効率化し、心血管疾患による死亡率を下げることができます。また、疾患に伴う経済的負担の軽減にもつながります。心血管系は非常に複雑で、人を対象とした実験には制約があり、心臓の特徴も患者ごとに異なります。そのため、心臓の働きを理解することは容易ではありません。こうした背景から、現在は患者固有の治療法の開発を目的として、コンピュータ上で心臓をモデル化する研究が進められています。

この研究では、Coreform Cubitを使って患者固有の心臓モデルを作成しています。さらに、虚血性心疾患などで生じる病的な心室リモデリングを、患者固有の心臓モデルを使ってシミュレーションしています。研究グループは、細胞レベルでの心筋の成長様式と、心臓モデル全体の形状変化との関係を理解することを目指しました。これらの過程を計算モデルでシミュレーションするために、 FEAPという有限要素解析ソフトウェアを使用しました。Coreform Cubitはモデル形状のメッシュ生成を直感的に行える環境を提供し、特に細かな形状を持つ複雑な人間の心室モデルで有効でした。

このプロジェクトの重要な点は、心筋の粘性特性と成長特性を取り入れた新しい構成モデルを開発したことです。この計算手法により、心筋の粘性や成長が心臓の病態にどのように影響し、心筋損傷がどのように始まり進行するのかを理解しやすくなります。長期的には、虚血や血行動態の変動による心室リモデリングの影響予測と、患者固有の心臓治療法の開発に役立つことが期待されます。また、患者ごとの有効な治療計画の策定や、非侵襲的な病態予測・モニタリングにも活用できます。

課題

研究グループの計算バイオメカニクス解析では、正確な解析結果を得るため、心臓形状を高品質なメッシュで表現する必要があります。患者固有の心臓モデルが必要になるにつれ、既存のメッシュ生成ソフトウェアの制約が大きな課題になりました。研究所独自の有限要素解析環境で容易に利用できる高品質なメッシュが必要です。そこで、心エコーデータから抽出した節点を整え、離散化して、必要な品質のメッシュを作成することが課題となりました。

図1： TomTecの4D心エコーデータから仮想左心室モデルを作成する一連の工程です。まず拡張末期の心内膜面と心外膜面をセグメンテーションし、その座標から構造フレームを作成します。次に、心内膜と心外膜の境界に沿って面要素を作成し、基底部まで延長して閉じたボリュームを形成します。最後に、すべての境界面要素を統合して、一体化した左心室のソリッド形状を構築します。

心内膜面と心外膜面は形状が複雑で、その幾何形状の作成は難しい作業です。心臓の構造は健康な患者同士でも大きく異なるため、生理学的な挙動や病態を正確に表すシミュレーションには高品質なメッシュが不可欠です。研究グループの解析では、4節点四面体要素や3節点三角形要素など、複数種類の要素を使用します。

解決策

心臓の構造と機能は非常に複雑であるため、モデルには高い詳細度と精度が必要です。計算バイオメカニクスでは、心臓の力学挙動を正確にシミュレーションすることが重要ですが、患者固有モデルでは特に難しくなります。本研究では、詳細な左心室モデルと、左右両方の心室の複雑さを含む両心室モデルの2種類を作成する必要がありました。

4D心エコーデータから患者固有の左心室モデルを作成する作業は複雑です。まず、TomTec Imaging Systems GmbHの4D LV-Analysisソフトウェアで心内膜面と心外膜面の境界を抽出します。このソフトウェアは面の特定には優れていますが、その後、モデル再構築に使う面上の点を正確に追跡してエクスポートするには、さらに精密な処理が必要です。工程を図1に示します。

図2： cMRIデータから仮想左心室モデルを作成する工程を示します。まず短軸断面で左心室の心内膜壁と心外膜壁をセグメンテーションし、得られた座標から構造フレームを組み立てます。続いて、定義した境界に沿ってトラス要素を作成し、その境界上に面要素を作成します。最後に、すべての境界面要素を統合して三次元ソリッドを形成します。

患者固有の両心室モデルの作成は、左心室モデルよりさらに複雑です。まず心臓MRIの短軸画像を使用し、長軸方向の8断面について左心室の心内膜境界と心外膜境界を正確に抽出します。この作業にはTomTec Imaging Systems GmbHの2D Cardiac Performance Analysisソフトウェアを使用します。同ソフトウェアは必要な心臓境界を抽出し、スペックルトラッキングのため各境界に48点を自動配置します。点の座標はテキストファイルとして保存でき、追加編集にも利用できます。次の工程ではCoreform Cubitが重要な役割を果たします。エクスポートした座標をメッシュ生成の基礎データとし、Cubitの高度なメッシュ生成アルゴリズムで点群を適切な構造フレームへ変換します。このフレームを使って心臓境界上にトラス要素と面要素を正確に配置し、心臓内部の複雑な形状を忠実に表すメッシュを作成します。工程を図2に示します。

細部の扱いが重要です。心内膜面と心外膜面の心尖部は、最高の精度を確保するため手作業で特定する必要があります。Cubitの精密なメッシュ生成機能により、この作業が可能になります。重要な点を定めた後、それらを包む三次元ボリュームを作成し、左心室のソリッド形状とします。

右心室も同様の手順で作成し、Coreform Cubitのメッシュ生成機能によって一貫性と精度を確保します。左右の心室を正確にモデル化した後、Cubit上で統合し、両心室を含む心臓モデルを作成します。

完成した左心室モデルと両心室モデルを図3に示します。左心室モデルは4,116節点、18,809個の四面体要素に離散化されています。一方、両心室モデルはCoreform Cubitで25,366個の四面体要素に離散化されています。Coreform Cubitの利用は研究の成功に大きく貢献しています。その一例が、虚血による両心室リモデリングのシミュレーションです。図4に示すように、研究チームのモデルは、病的状態に対する複雑な心臓の応答をシミュレーションできる可能性を示しています。

まとめ

TU DresdenのISD研究チームは、Coreform Cubitの高度なメッシュ生成機能を活用し、詳細な左心室モデルと両心室モデルを作成しています。患者固有の複雑な心臓形状を離散化し、必要な箇所を細分化する難しさを、この工程によって克服しています。得られたモデルは、高度なソフトウェアツールが生物医学研究や個別化医療の革新に役立つことを示しています。

図3： a）両心室形状はCoreform Cubitで、6,270節点、25,366個の4節点四面体要素に離散化されています。b）左心室形状は4,116節点、18,809個の四面体要素に離散化されています。左から順に、寸法付きの離散化形状（長さはmm）、線維配向を別方向から見た2図とその角度θの分布、基底面および心外膜面に境界拘束として接続した剛性可変ばね（N/mm）を示します。

図4： 急性局所虚血によってリモデリングした両心室モデルの模式図。
線維方向の成長伸長率λの分布を(a)に示し、_f シート方向の成長伸長率λの分布を_s (b)に示します。