生体情報シミュレーション
1.研究の背景
当研究室では，今年度より生体情報のシミュレーションに関する研究を行って いる．近年，細胞内部の微細構造であるイオンチャネルやポンプ等の機能が急 速に解明されており，従来定性的にしか把握されていなかったそれらの機能が 定量的にモデル化されるようになってきている．当研究室では，心筋細胞の精 密な数理モデルの研究を行っている医学部生理学教室と共同で，生体組織、特 に心臓の機能をモデル化してシミュレートする研究を進めている．
生体組織のシミュレーションに関する研究は，世界的にも緒についたばかりで あり，アメリカ，ニュージーランドなどで全身の臓器に関するシミュレーション のプロジェクトが計画されはじめたところである．特にアメリカのプロジェクト はポストゲノム計画として，フィジオーム(Physiome)プロジェクトと称して大規 模に研究が進められようとしている．
このような生体機能のシミュレーションは，機能や構造の最適性などが理解さ れていない生体組織の機能を解明するツールとなるばかりでなく，薬物に対す る反応を評価できるため，創薬支援などに応用できると期待されている．また， 医師が治療方針を決定する際に，投薬の影響をシミュレートできるため，患者 一人一人に合わせた投薬計画をたてることが可能であり，オーダーメイド医療 の強力なツールとなることが期待されている．
2.心臓シミュレーション
当研究室では，心臓を対象として，臓器全体の運動機能を再現するシミュレーション モデルの構築を行っている．
心筋細胞を含む一般の細胞には，細胞膜上に各種のイオンチャネルやポンプと 呼ばれる構造があり，Ca Na K イオンは，それぞれの濃度と ATP 濃度などに 従って，これらの構造を通じて細胞内外でやり取りされ，細胞の状態を変化さ せている．また，心筋細胞などに特有の構造として筋小包体と呼ばれる，Ca イオンを蓄えておく構造や，アクチンフィラメント，ミオシンフィラメントと 呼ばれる，収縮力を発生させる構造が存在する．これら単一細胞レベルの構造 は，それぞれ特有の微分方程式でモデル化されており，現在利用している、医 学部生理学教室で構築している京都モデルと呼ばれる心筋細胞モデルでは独立 変数および方程式の数がそれぞれ50個程度になっている．
心臓という臓器全体をモデル化する場合，この心筋細胞を臓器一つ分並べれば良 いことになる．しかしながら，心筋細胞一つの収縮率が15%程度であるのに対し て，左心室内腔の体積変化率は70%にも及び，単純に心筋細胞を並べただけでは 心臓の機能が再現できないことがわかる．実際には，心筋はシート状の構造をし ており，シート間の結合は若干ゆるくなっていると考えられており，さらに，心 臓の内壁部のシートと外壁部のシートでは心筋細胞の配向方向が異なることがわ かっている．このような構造によって、心臓全体の収縮運動は，全体として回転 運動を伴いねじれるように収縮しているといわれている．しかしながら，このよ うな運動を実現する心筋細胞の配向構造はまだ完全には解明されておらず，本研 究では，MRIによる断層像(図1,2)や顕微鏡を用いた組織学的研究によって明らか にされている心筋細胞のらせん配向情報などを用いて実際の運動を再現する心臓 モデルの構築を行っている(図3)．
3.シミュレーションプラットフォーム
心臓シミュレーションは，京都大学医学部生理学教室で開発された細胞生理学シ ミュレータsimBioと，商用の有限要素 法ソフトウェアMSC社marcを用いており，これらの要素シミュレータを統合して 連成シミュレーションを実現するソフトウェアとして，連成シミュレーションプ ラットフォームDynaBioS を開発している．DynaBioSは，複数のシミュレーションモデルを用いる連成シミュ レーションにおいても，それぞれの専門分野の研究者によって構築されるシミュ レーションモデルをそのまま既存シミュレータで実行しながら連成シミュレーショ ンを実現できるソフトウェア環境である(図4，図5)．
4.近年の研究成果
信秋 裕，西 俊文，天野 晃，阿部 泰之，松田 哲也 循環動態シミュレーションのための統合マルチドメインシミュレーショ ンシステム 生体医工学, 44(1): 163-169, 2006.
陸建銀、西俊文、芦原貴司、シュナイダーナタリー、天野 晃、松田哲 也、小寺秀俊 心室筋興奮到達時間の組織収縮力への影響：シミュレーションによる解析 生体医工学, 44(1): 170-176, 2006.
笈田 武範，大野 友和，天野 晃，姜 有峯，岡本 淳，東 高志，瀧澤 修，堤 定美，松田 哲也 弾性波あてはめ法によるMR Elastographyからの粘弾性定数の導出 信学論, Vol. J89-D, No. 10, pp.2348--2360, 2006, 10.
Natalie S. Schneidera, Takao Shimayoshi, Akira Amano, and Tetsuya Matsuda Mechanism of the Frank-Starling law - a simulation study with a novel cardiac muscle contraction model that includes titin and troponin I, Journal of Molecular and Cellular Cardiology, Vol. 41, Issue 3, pp.522-536, 2006.
笈田武範，藤原卓矢，天野晃，姜有峯，堤定美，松田哲也 MR Elastography における定常および非定常振動を用いた撮影法の評価 生体医工学, 44(3), pp. 445-453, 2006. 9.
Takao Shimayoshi, Kazuhiro Komurasaki, Akira Amano, Takeshi Iwashita, Tetsuya Matsuda, Masanori Kanazawa A Method to Support Cell Physiological Modelling using Description Language and Ontology 情報処理学会論文誌 バイオ情報学，Vol. 47, No. SIG 17(TBIO 1), pp.83-92, 2006. 11.
Takao Shimayoshi, Akira Amano and Tetsuya Matsuda, PSPML: Physiological Simulation Protocol Markup Language, APBC 2006
Y. Shimizu, X. Jin, A. Amano, T. Matsuda Three Dimensional Tracking of Tag Intersections in Tagged MRI ISMRM, p.1015, 2006.
信秋裕, 瓶井悠, 陸建銀, 嶋吉隆夫, 石川覚志, 天野晃, 小寺秀俊, 松田哲也 心筋組織における非線形張力速度関係再現のための非線形並列弾性要素モデル 複合医工学シンポジウム，pp.172--175, 2006年5月．
Jianyin Lu, Toshifumi Nishi, Takashi Ashihara, Natalie Schneider, Akira Amano, Tetsuya Matsuda, Hidetoshi Kotera The Influence of Activation Time on Contraction Force of Myocardial Tissue: a Simulation Study IEEE EMB Conference, pp.2900-2903, 2006.
Yutaka NOBUAKI, Yu KAMEI, Jianyin LU, Takao SHIMAYOSHI, Satoshi ISHIKAWA, Akira AMANO, Hidetoshi KOTERA, Tetsuya MATSUDA Reproducing Nonlinear Force Velocity Relation of Myocardial Tissue by a Nonlinear Parallel Elastic Component IEEE EMB Conference, pp.612-615, 2006.
Yasuhiro TAKADA, Akira AMANO, Jianyin LU, Takao SHIMAYOSHI, Tetsuya MATSUDA, Hidetoshi KOTERA Stress Distribution in a Rotationally Symmetric and a Measurement Based Left Ventricular Shape Model IEEE EMB Conference, pp.624-627, 2006.
SHIMAYOSHI Takao, KOMURASAKI Kazuhiro, AMANO Akira, IWASHITA Takeshi, KANAZAWA Masanori and MATSUDA Tetsuya An Computer Support for Physiological Cell Modeling using an Ontology on Cell Physiology IEEE EMB Conference, pp.4171-4174, 2006.
N.S. Schneider, T. Shimayoshi, A. Amano, T. Matsuda A NOVEL CARDIAC MUSCLE CONTRACTION MODEL THAT INCLUDES TITIN ELUCIDATES A POTENTIAL FRANK-STARLING MECHANISM International Muscle Energetics Conference(IMEC), 2006.
高田康弘, 陸建銀, 嶋吉隆夫, 石川覚志, 天野晃, 小寺秀俊, 松田哲也 実心臓に基づく形状及びリング形状を用いた左心室拍動シミュレーショ ンにおける収縮末期応力分布の比較 生体医工学シンポジウム, p.222, 2006.
Natalie Schneider, Takao Shimayoshi, Akira Amano, Tetsuya Matsuda Elucidation of a potential Frank-Starling mechanism through modeling and simulation ICSB, 2006.
Takao Shimayoshi, Akira Amano, Tetsuya Matsuda DynaBioS.Cell: A New General Simulator for Cell Physiological Models to Facilitate Simulation of Experimental Protocols ICSB, 2006.
嶋吉隆夫，小紫和宏，天野晃，岩下武史，松田哲也，金澤正憲 細胞生理学モデルの構築支援を目的とした既存要素モデルのオントロジー 対応化手法 情報処理学会 研究会報告，vol. 2006, no. 64, 2006-BIO-5， pp.17--22, 2006年6月．
嶋吉隆夫，天野晃，松田哲也 細胞モデルの連立常微分方程式に対する可解要件と数値計算手順の解析 情報処理学会 研究会報告, Vol. 2006, No.135, 2006-BIO-007, pp. 127-133, 2006年12月．
天野晃，松田哲也 心筋細胞モデルに基づく 心臓シミュレーション 医用画像工学会大会，S3-4, 2006, 7.
天野晃，松田哲也 精密心筋細胞モデルに基づく生体シミュレーション 自動制御連合講演会, SU5-2-4, 2006, 11.
Kenta Hori, Toshifumi Nishi, Jianyin Lu, Takao Shimayoshi, Takashi Ashihara, Akira Amano, Tetsuya Matsuda. Distributed Biological Simulation on DynaBioS. The IUPS Satellite Meeting for the Physiome Project, Mar, 2005.(2005/3/29, San Diego)
Natalie Shneider, Akira Amano, Satoshi Matsuoka, Tetsuya Matsuda, Akinori Noma Development and performance evaluation of cardiac muscle contraction models 第83回日本生理学会, 55 (Suppl.), S102.
Jianyin Lu, Toshifumi Nishi, Natalie Schneider, Akira Amano, Tetsuya Matsuda, Hidetoshi Kotera, Akinori Noma, "Simulation of myocardial tissue contraction by coupling an electrophysiological cell model with a model of mechanical dynamics", 6th Asian-Pacific Conference on Medical and Biological Engineering, April 24, PA-3-08, 2005, Tsukuba(Japan)
Takao SHIMAYOSHI, Akira AMANO, Tetsuya MATSUDA: ``A Description Language for Cell Physiological Simulation,'' APCMBE, PA-3-09, 2005.
T. Oida, Y. Kang, T. Azuma, J. Okamoto, A. Amano, L. Axel, O. Takizawa, S. Tsutsumi, T. Matsuda The measurement of anisotropic elasticity in skeletal muscle using MR Elastography ISMRM, 2005.
天野晃，神田健一，柴山司，瓶井悠，松田哲也: ``左心室拍動シミュレー ションのためのシミュレーションモデル生成インタフェース,'' 信学論, Vol. J88-D-II, No.5, pp.943--953, 2005, 5.
Akira Amano, Toshifumi Nishi, Jianyin Lu, Natalie Schneider, Tetsuya Matsuda, Hidetoshi Kotera, Akinori Noma: ``Strong Coupling System for the LV Motion Simulation in a Distributed Simulation Environment,'' IEEE EMB Conference 2005, 9.4.5-9, 2005.
Yutaka NOBUAKI, Toshifumi NISHI, Akira AMANO, Yasuyuki ABE, Tetsuya MATSUDA: ``Simulation Algorithm for the Coupling of the Left Ventricular Mechanical Model with Arbitrary Circulation Model,'' IEEE EMB Conference 2005, 9.3.2-5, 2005.
信秋 裕，西 俊文，天野 晃，阿部 泰之，松田 哲也 統合マルチドメインシミュレーションシステムを用いた左心室構造力学 モデルと血管系モデルによる高精度循環動態シミュレーション 生体医工学シンポジウム２００５
陸建銀、西俊文、芦原貴司、シュナイダーナタリー、天野 晃、松田哲 也、小寺秀俊、野間昭典 心室筋興奮到達時間の組織収縮力への影響：シミュレーションによる解析 生体医工学シンポジウム２００５
3rd European Medical and Biological Engineering Conference, November 20-25th, 2005, Prague, Czech Republic. Full paper: Schneider, N.S., Shimayoshi, T., Amano, A., Matsuda, T., and Noma, A. (2005). Including titin in a simple muscle contraction model suitable for a myocardial cell model. EMBEC'05 Proceedings
第98回近畿生理学談話会、2005年9月10日、滋賀医科大学. Abstract: Schneider, N., Shimayoshi, T., Amano, A., Matsuda, T., and Noma, A. (2005). The role of titin in the Frank-Starling law-a simulation study, 33.
嶋吉隆夫, 天野晃, 松田哲也, 細胞生理学シミュレーションのための記述言語系の設計, 信学技法, MBE2005, 2005. 10.
小紫和宏, 嶋吉隆夫, 天野晃, 岩下武史, 松田哲也, 金澤正憲, オントロジーを用いた細胞生理学モデルの構築支援, 信学技法, MBE2005, 2005. 10.
堀謙太、陸 建銀、嶋吉隆夫、西俊文、芦原貴司、寺島啓介、天野晃、 松田哲也 DynaBioSアーキテクチャに基づく分散型生体機能シミュレータの開発 第49回システム制御情報学会研究発表講演会講演論文集 p. 237-238 2005年5月20日
信秋裕，西俊文，天野晃，松田哲也 左心室構造力学モデルにおける血管系モデル連成アルゴリズム 第49回システム制御情報学会研究発表講演会講演論文集 p. 239-240 2005年5月20日
天野晃，松田哲也，小寺秀俊，石川覚志 電気生理学モデルと構造力学モデルの連成による心臓拍動の再現 MSCVPDコンファレンス, 2005, 11.
天野晃，松田哲也 心筋細胞モデルに基づく循環動態シミュレーション 第1回横幹連合コンファレンス，2005, 11.