【文献紹介#21】HemeLBを用いた医的バーチャルヒューマンの開発

こんにちはJunonです。

今月公開された研究論文（英語）の中から興味のあったものを一つ紹介します。

出典

タイトル：Towards blood flow in the virtual human: efficient self-coupling of HemeLB

著者：J. W. S. McCullough, R. A. Richardson, A. Patronis, R. Halver, 他

雑誌：Interface Focus.

論文公開日：2021年2月6日

どんな内容の論文か？

多くの科学・医学研究者が、患者の診断、治療、回復を支援するために、個人のデジタルコピーであるバーチャルヒューマンの開発に取り組んでいます。生体システムの複雑な性質から、その開発は依然として大きな課題となっています。この研究では、HemeLB格子ボルツマンコードを用いて、人間の完全なスケールで3D巨視的な血流をシミュレートできるようにしました。バーチャルヒューマンの構築に不可欠な、HemeLBの実装について説明しています。これにより、人間固有の形状に基づいた動脈と静脈の血管ツリー構造の同時シミュレーションが可能になります。

背景と結論

人体は、複雑で相互作用するいくつかのサブシステムで構成されており、それらが協調してその完全な動作を決定しています。これらの各サブシステムは、細胞内プロセスから直接観察可能な巨視的特性に至るまで、複数の空間的・時間的スケールにまたがるメカニズムに依存しています。これらのシステムの挙動は、年齢、性別、遺伝学、環境、病歴などの個々の要因に影響されます。患者が治療のために臨床医に提示する際には、これらのすべてを考慮しなければなりません。バーチャルヒューマンの開発は、複数の治療法を検討し、最適な治療を実行できるようになることを支援します。

体内の血液輸送は生理機能に不可欠です。心臓との間で血液を輸送する血管は、組織、臓器、筋肉をつなぎ、その機能に必要な酸素と栄養素を供給しています。このような血管系の基本的な性質は、バーチャルヒューマンの開発において極めて重要な要素となっており、本研究の焦点となっています。完全なバーチャルヒューマンをモデル化するためには、膨大な計算とデータが必要であり、次世代のエクサスケールスーパーコンピュータのリソースが必要となります。これらを最大限に活用するためには、効率的なシミュレーションコードを開発し、現在の最大規模のマシン上でそれらの間の通信戦略を立てる必要があります。

完全な3Dモデル化により、動脈表面全体の壁せん断応力分布など、低次元モデルでは不可能な局所的な流れの特徴を特定することが可能になります。また、3Dモデルを使用することで、個人の血管系を正確にシミュレーションすることができます。1Dモデルは一般的に血管の断面が円形であることを前提としており、それは隣り合うノード間や経時的に変化する可能性があります。患者固有の寸法であっても、このような構造的な仮定は、個人間での解の均一性をもたらします。3Dモデルを使用することにより、そのような仮定なしに、特定の形状に対して正確にシミュレーション結果を構築することができます。

HemeLBは、複雑な形状の血流を研究するためのオープンソースの3D格子ボルツマンベースの流体力学ソルバーです。HemeLBはC++で開発されており、現在はCPUコアのみを対象としています。他の多くの一般的なオープンソースの格子ボルツマンコード（Palabos, TCLB, OpenLB, waLBerlaなど）とは異なり、HemeLBは血管ネットワークに特徴的な疎な形状を効率的にシミュレーションできるように最適化されています。HemeLBは2008年に初めて公開されて以来、脳の流れ、網膜の流れ、血管のリモデリング、磁気薬物の標的化など、心臓血管系のさまざまな側面を研究するために使用されてきました。

バーチャルヒューマンの開発は現在進行中であり、生理学的な行動を正確かつ効率的に捉えるためには多くの計算およびアルゴリズムの開発が必要です。本論文では、HemeLBにおける最近の進歩により、完全なヒトの血管ツリー構造の忠実度が高いシミュレーションが可能になってきたことを示しています。

最後に

今回の論文では、HemeLBにより、人間スケールの形状で血流のシミュレーションが可能であることが実証されました。彼らはヒューマンスケールの血流を可視化する技術の開発を進め、バーチャルヒューマンの理解を深めることを目指しています。このような試みは、スーパーコンピュータの出現によって大きく促進されると考えられ、人類の医療に貢献されることを期待します。

おしまいです。

次の記事までお待ちください。