心臓内の「渦血流」を同定する理論を世界に先駆けて構築

心臓は効率よく血流を駆出するために、心臓内にさまざまな回転する流れ（渦血流）を発生させることが知られています。例えば５００年以上前にレオナルド・ダ・ヴィンチが想像で描いた心臓内部の絵画にも渦血流が描かれており、人体の神秘として人類の興味を引いてきました。近年では心エコーや心臓ＭＲＩなどの診断機器の進歩により、このような渦血流が本当に心臓内に発生しているということが画像で確認できるようになり、さらに、心疾患ではその渦のパターンが乱れることなどが解明され、この渦血流をこれらの計測データから拾い出すことが心疾患の状況を把握するのに有効と考えられています。しかし、心臓は全体が筋肉でできたポンプであり、心臓自体が拍動で動きながら非常に複雑な血流を発生させるため、従来のデータ解析技術では、これらの渦血流を一つ一つ拾い出すことは難しいとされていました。

このたび、京都大学 大学院理学研究科 坂上 貴之 教授と名古屋市立大学 心臓血管外科 板谷 慶一 准教授は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 未来社会創造事業 「共通基盤」領域（運営統括：長我部 信行）の支援を受けた共同研究により、トポロジー（位相幾何学）と力学理論を用いて、渦血流のパターンを正確に同定する新しい理論（流線トポロジー解析、Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｏｗ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＴＦＤＡ））を構築することに成功しました。

前述の通り、心臓はそれ自体が拍動して動くことに加え、弁などの心腔内構造物も拍動によって動くため、非常に複雑な流れが発生します。そこで坂上の研究グループが、これまでに独自に開発してきた「流線トポロジー解析」により、拍動する心筋壁など、心内腔に現れる流れを球面の上の流れにマッピングするという数学的な処理を行い、ダイナミックに運動する心臓の中でも渦血流を同定できるようにしました。この理論を使って、渦血流の一つ一つに文字を割り当て「解読」し、健常な心臓と極初期の心不全にも大きな違いがあることなどを発見しました。これにより、厳密な数学に基づいて、古来より神秘とされた心臓内の渦流の医学・生理学的なメカニズムを解明し、新しい心機能の分類が可能になります。さらに、この分類を用いて、心疾患の病態を定量的に示すことで、早期に心不全に対して、より良質の医療が実現できる可能性があると期待されています。

本研究成果は、２０２３年８月１１日（現地時間）に米国の国際学術雑誌「ＳＩＡＭ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ　Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ」にオンライン掲載されました。