スーパーコンピュータ上に心臓を再現して仮想手術!難しい心臓手術の成功率アップに大きな期待

まだ解明されていない心臓の動き。それをコンピュータ上に再現(東京大学久田研究室と富士通の共同研究成果)

人の身体を構成する、大切な臓器の1つである「心臓」。心筋梗塞など心臓に関する病気は、日本人の死因の第2位にもなっているように、生命の危険と直結します。それほど重要な臓器にもかかわらず、実は心臓について、まだまだ解明されていないことは多いのです。そのため、心臓の手術は今もって困難をともなうのが実情。たとえば、心筋梗塞を患った結果として、心臓の右側と左側の拍動のタイミングがズレてしまい、血液を送る力が著しく弱まってしまう症例があります。その場合に用いられている療法のひとつがペースメーカーを埋め込んで、心臓の左右の拍動を同期させる「心室再同期療法(CRT)」です。しかし、この治療法は「患者への身体的負担が大きい」「高額である」だけでなく、「患者の3割には効果が見られない」という大きな問題点がありました。

このような問題を解決するために、今、コンピュータ上に心臓の動きを再現し、最適な治療法を探る「仮想手術」の実現が東京大学と富士通により共同で進められているのです。

コンピュータ上の心臓に仮想手術。最適な治療法が見つかり、高まる成功率に期待

コンピュータ上での仮想手術なんて、まるでSFのような話しですが、どうやって実現されたのでしょうか。東京大学の久田・杉浦研究室では、まず、患者の心臓の断面図や心電図などから、コンピュータ上に心臓の形状や電気的な動きを再現できる心臓シミュレータ「UT-Heart」の開発に取り組みました。次にUT-Heartを用いて、心筋梗塞の手術を受けた患者の「手術前の心臓」モデルをコンピュータ上に再現。その心臓モデルに、実際の手術と同様にペースメーカーの電極を取り付ける「仮想手術」を実施したのです。

その結果、実際の手術後の心電図と仮想手術後の心電図がほぼ一致することが確かめられました。つまり、実際の手術の結果を仮想手術で確認できるようになったのです。しかも、血液の心拍出量をさらに高める電極の配置も算出でき、仮想手術で、より効果のある治療法を探ることも可能となりました。

ここで富士通は、医療画像データをもとにした患者の個別データの作成や、シミュレーション結果を医師等に分かりやすく示すための可視化システムで貢献しています。

仮想手術を実際の治療に用いるのは、まだ少し先にはなりますが、すでに応用可能なレベルには達しています。今後、患者ごとに最適な電極の配置を計算することで、「3割の患者には効果が見られない」とされる心筋梗塞手術の成功率と治療効果の向上が期待できます。

心筋細胞の1つひとつから精密に心臓を再現。スーパーコンピュータ「京」[注]で難病治療に光明を

また、富士通では、スーパーコンピュータ「京」を利用した、心臓をコンピュータ上に再現させる心臓シミュレータの研究・開発をはじめ、難病治療にスーパーコンピュータを役立てる取り組みを支援しています。たとえば、これまでは、心臓がたった1回心拍する動きを計算するのに約2年間もかかっていたのですが、「京」ならわずか11時間で計算できます。これにより実際の心臓を構成する心筋細胞1つひとつの動きを緻密に計算し、心臓の拍動の動きを再現することに成功。心臓の鼓動を心筋細胞のレベルから精密にシミュレートすることで、拡張型心筋症や難病の原因解析、薬の副作用の検出など、今後、さらに踏み込んだ研究が進むと期待されています。

さらに「京」を使った取り組みでは「人間の身体を丸ごとコンピュータ上に再現させる」という発想もあるほどです。それが可能となれば、パーキンソン病などの難病の治療をはじめ、病気の進行の早期予測など、先進医療が次のステージへと向かうでしょう。スーパーコンピュータで命を守る、富士通はICTの力で取り組みます。

[注] スーパーコンピュータ「京」:理化学研究所と富士通の共同で開発したスーパーコンピュータです。