医工学的方法論による小児用肺動脈弁の設計開発のためのシステム構築

• Project/Area Number: 15J00531
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 坪子 侑佑 東北大学, 加齢医学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 右室流出路再建 / 先天性心疾患 / 人工弁 / 人工血管 / 血液循環シミュレーション / 小児右心循環 / bulging sinus付ePTFE弁付導管 / 循環シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

小児の先天性肺動脈狭窄に対する右室流出路再建に用いられるハンドメイドePTFE製3弁付導管においては、バルサルバ洞形状を模した構造（bulging sinus; BS）を弁基部導管壁に持たせることで、弁開放性能の向上、収縮期エネルギー損失の低減が期待できる。しかしながら、より小児肺循環に適応するためのBS形状について、その改良のための有効な設計指針は明らかになっていない。
ePTFE製肺動脈弁付導管の形状最適化を目標とし、所有する拍動型小児右心循環シミュレータでの開放性能評価と合わせ、心収縮末期の弁葉閉鎖能に着目した静圧負荷試験による弁性能のトータル評価を実施した。オーバーフロータンクによって弁後流部側から任意の静圧を負荷できる試験装置を構築し、拍動下では観察が困難である導管壁面部の変形を高速度ビデオカメラで詳細に観測し、取得動画に対してOptical flowの手法を用いることで定量的に算出することを試みた。
研究成果の概要として、構築した試験系によるePTFE弁の弁葉周辺挙動の定量評価が行いえた。導管への圧負荷増加時には弁葉接合部よりリークが生じるが、大型のBSを持たせた導管においては直管型導管や、臨床使用されるBS付ePTFE弁と比してリーク量が増大した。Optical flow解析から、内圧上昇に伴い導管壁面のBS縫合部の径方向への拡張が観測され、弁尖接合部の間隙が大きくなることでリークが増大することが示された。これまでに実施された模擬循環回路や動物実験結果からはBSの大型化による拍動下での弁葉開放挙動の促進効果が示されているが、今後、閉鎖時の導管変形および閉鎖時リークとのトレードオフを考慮することで、弁葉およびBS形状といった設計指標の相互作用を定量的に示しえる可能性が示された。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Engineering based assessment for a shape design of a pediatric ePTFE pulmonary conduit valve (2016)
  • Author(s): Yusuke Tsuboko, Yasuyuki Shiraishi, Akihiro Yamada, Tomoyuki Yambe, Hidekazu Miura, Seitaro Mura, Masaaki Yamagishi
  • Journal Title: Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc Volume: - Pages: 4313-4316
  • DOI: 10.1109/embc.2016.7591681
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of right atrial contraction on prosthetic valve function in a mechanical pulmonary circulatory system (2016)
  • Author(s): Yusuke Tsuboko, Yasuyuki Shiraishi, Satoshi Matsuo, Akihiro Yamada, Hidekazu Miura, Takuya Shiga, Mohamed Omran Hashem, Tomoyuki Yambe
  • Journal Title: Journal of Biomechanical Science and Engineering Volume: 11 Issue: 3 Pages: 15-00356-15-00356
  • DOI: 10.1299/jbse.15-00356
  • NAID: 130005414976
  • ISSN: 1880-9863
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hemodynamics of a Functional Centrifugal-Flow Total Artificial Heart with Functional Atrial Contraction in Goats (2016)
  • Author(s): Shiga T, Shiraishi Y, Sano K, Taira Y, Tsuboko Y, Yamada A, Miura H, Katahira S, Akiyama M, Saiki Y, Yambe T
  • Journal Title: Journal of Artificial Organs Volume: 19(1) Issue: 1 Pages: 8-13
  • DOI: 10.1007/s10047-015-0852-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Valsalva in the Pulmonary Prosthetic Conduit Valve on Hemodynamic Function in a Mock Circulatory System (2015)
  • Author(s): Tsuboko Y, Shiraishi Y, Matsuo S, Yamada A, Saiki Y, Yamagishi M, Yambe T
  • Journal Title: Conference Proceedings IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Volume: 1 Pages: 278-281
  • DOI: 10.1109/embc.2015.7318354
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Preliminary Study on Mathematical Modeling for the Shape Design of Expanded Polytetrafluoroethylene Pulmonary Valved Conduit (2015)
  • Author(s): Tsuboko Y, Shiraishi Y, Suzuki I, Yamada A, Miura H, Yamagishi M, Yambe T
  • Journal Title: Advanced Biomedical Engineering Volume: 4 Issue: 0 Pages: 144-150
  • DOI: 10.14326/abe.4.144
  • NAID: 130005096467
  • ISSN: 2187-5219
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of a thermodynamic control system for the Fontan circulation pulsation device using shape memory alloy fibers (2015)
  • Author(s): Yamada A, Shiraishi Y, Miura H, Yamagishi M, Yambe T
  • Journal Title: J Artif Organs Volume: 印刷中 Issue: 3 Pages: 199-205
  • DOI: 10.1007/s10047-015-0827-z
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recent Progress in the Study of the Cardio-Ankle Vascular Index (CAVI) (2015)
  • Author(s): Yambe T, Shiraishi Y, Miura H, Inoue Y, Tsuboko Y, Yamada A, Taira Y, Watanabe S, Kovalev YA, Milyagina IA, Maruyama M
  • Journal Title: Advanced Techniques in Biology & Medicine Volume: 3(3) Issue: 03 Pages: 1-3
  • DOI: 10.4172/2379-1764.1000145
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Preclinical Approach for Improving the Shape Design of Paediatric Pulmonary Valved Conduit (2017)
  • Author(s): Yusuke Tsuboko, Yasuyuki Shiraishi, Akihiro Yamada, Yasunori Taira, Yusuke Inoue, Tomoya Arakawa, Mitsuru Yuba, Sen Itsu, Tomoyuki Yambe
  • Organizer: 3rd Biomedical Engineering Symposium of JSMBE ME & PS Group
  • Place of Presentation: Sydney (Australia)
  • Year and Date: 2017-02-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小児用高分子製肺動脈弁付導管の閉鎖特性改良のための導管変形解析 (2017)
  • Author(s): 坪子侑佑、白石泰之、山田昭博、井上雄介、山家智之
  • Organizer: 第45回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
  • Place of Presentation: 華やぎの章 慶山（山梨）
  • Year and Date: 2017-02-17
• [Presentation] 動脈系末梢部の医工学的モデリングによる血圧血流応答 (2016)
  • Author(s): 坪子侑佑、白石泰之、山家智之
  • Organizer: 第20回日本統合医療学会
  • Place of Presentation: 東北大学医学部（仙台）
  • Year and Date: 2016-12-24
• [Presentation] 小児用ePTFE製肺動脈弁付導管の形状改良のための静圧負荷逆流特性計測 (2016)
  • Author(s): 坪子侑佑、白石泰之、山田昭博、平恭紀、池田純平、山岸正明、山家智之
  • Organizer: 第54回日本人工臓器学会
  • Place of Presentation: 米子コンベンションセンター（島根）
  • Year and Date: 2016-11-24
• [Presentation] 小児用循環補助デバイス評価のための右心模擬循環回路評価 (2016)
  • Author(s): 坪子侑佑、白石泰之、山田昭博、井上雄介、佐々木一益、平恭紀、池田純平、荒川友哉、弓場充、山家智之
  • Organizer: 日本生体医工学会専門別研究会 第2回非臨床ME研究会
  • Place of Presentation: 鈴鹿医療科学大学（三重）
  • Year and Date: 2016-09-10
• [Presentation] 高精度な血液循環模擬による右心循環補助デバイスの医工学評価 (2016)
  • Author(s): 坪子侑佑、白石泰之、山田昭博、平恭紀、井上雄介、佐々木一益、渡辺祥太、池田純平、荒川友哉、弓場充、山家智之
  • Organizer: LIFE 2016 第32回ライフサポート学会大会、第16回日本生活支援工学会大会、日本機械学会 福祉工学シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（仙台）
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] Engineering Based Assessment for a Shape Design of a Pediatric ePTFE Pulmonary Conduit Valve (2016)
  • Author(s): Yusuke Tsuboko, Yasuyuki Shiraishi, Akihiro Yamada, Hidekazu Miura, Seitaro Mura, Masaaki Yamagishi, Tomoyuki Yambe
  • Organizer: 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
  • Place of Presentation: Orlando (USA)
  • Year and Date: 2016-08-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小児用ePTFE製3弁付き導管のbulging sinus形状最適化のための血行力学性能評価 (2016)
  • Author(s): 坪子侑佑、白石泰之、三浦英和、井上雄介、山田昭博、平恭紀、池田純平、山岸正明、山家智之
  • Organizer: 第55回日本生体医工学会
  • Place of Presentation: 富山国際会議場・富山市民プラザ（富山）
  • Year and Date: 2016-04-26
• [Presentation] 右心補助デバイス評価のための心房機能を再現した循環シミュレーションシステム開発 (2016)
  • Author(s): 坪子 侑佑、武良 盛太郎、白石 泰之、池田 純平、三浦 英和、山田 昭博、井上 雄介、鈴木 一郎、佐々木 一益、平 恭紀、鈴木 拓志、萩尾 勇樹、山家 智之
  • Organizer: 第44回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
  • Place of Presentation: ホテル松島大観荘（宮城県宮城郡）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] 小児用ePTFE製肺動脈弁の弁葉および bulging sinusが弁機能へ及ぼす影響の基礎検討 (2015)
  • Author(s): 坪子 侑佑、白石 泰之、武良 盛太郎、山田 昭博、山岸 正明、山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームホテル（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-11-19
• [Presentation] Static Characteristics of the Interaction between the Expanded Polytetrafluoroethylene Valve Conduit Shape and Leaflet (2015)
  • Author(s): Tsuboko Y, Suzuki T, Mura S, Shiraishi Y, Yamada A, Miura H, Inoue Y, Sasaki K, Taira Y, Ikeda J, Yamagishi M, Qian Y, Yambe T
  • Organizer: The Tohoku University-Macquarie University 2nd Biomedical Symposium, Static Characteristics of the Interaction between Expanded Polytetrafluoroethylene Valve Conduit Shape and Leaflet
  • Place of Presentation: シドニー（オーストラリア）
  • Year and Date: 2015-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Effect of Valsalva in the Pulmonary Prosthetic Conduit Valve on Hemodynamic Function in a Mock Circulatory System (2015)
  • Author(s): Tsuboko Y, Shiraishi Y, Matsuo S, Yamada A, Saiki Y, Yamagishi M, Yambe T
  • Organizer: The 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: ミラノ（イタリア）
  • Year and Date: 2015-08-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 補助人工心臓駆動による血圧制御モデルと腎マイクロニューログラフィ計測 (2015)
  • Author(s): 坪子 侑佑、白石 泰之、鈴木 拓志、三浦 英和、井上 雄介、佐々木 一益、山家 智之、熊谷 裕生
  • Organizer: 第28回日本マイクロニューログラフィ学会
  • Place of Presentation: 山形大学医学部（山形県山形市）
  • Year and Date: 2015-06-20
• [Presentation] 新しい肺血管抵抗モデル開発のための基礎検討 (2015)
  • Author(s): 坪子 侑佑、渡辺 祥太、白石 泰之、三浦 英和、山田 昭博、佐野 恭介、平 恭紀、山家 智之
  • Organizer: 第54回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-05-07