| Project/Area Number |
22K12770
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
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| Research Institution | Hiroshima City University |
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Principal Investigator |
式田 光宏 広島市立大学, 情報科学研究科, 教授 (80273291)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川部 勤 名古屋大学, 医学系研究科(保健), 教授 (20378219)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 呼吸計測 / 換気計測 / 細径センサデバイス / ピトー管 / バルーンカテーテル / マイクロセンサ |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，肺内部での呼吸メカニズムを解明することを目的とし，呼吸状態を示す二つの物理量（「流量」と「圧力」）を計測可能にする「細径集積化センサデバイスを用いた換気計測システム技術」の実現を目指す。具体的には，マイクロ工学を医学に展開し，かつセンサデバイス素材として新たに銅張積層板を用いることで，本基板上での流量センサと圧力センサの集積化を可能とし，肺内部に挿入可能な細径集積化センサデバイスを実現する。そして開発したセンサデバイスにて，肺内部での肺胞の弾性（肺の膨らみ易さ），気道内抵抗（空気の通り易さ）を計測可能にし，世界に先駆けて末梢気道での呼吸メカニズムを解明することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、肺内部での呼吸メカニズムを解明することを目的とし，呼吸状態を示す二つの物理量（「流量」と「圧力」）を計測可能にする「細径集積化センサデバイスを用いた換気計測システム技術」の実現を目指した。具体的には、昨年度と同様に細径センサデバイス開発を中心に、以下の研究課題を克服した。
(1) 細径プローブ上での圧力センサと流量センサとの集積化：本テーマでは昨年度に提案したピトー管型細径センサデバイスの改良に取り組んだ。具体的には、体内挿入時の安全性を向上したピトー管構造を検討するとともにその動圧検出特性を評価した。また、上記ピトー管型センサデバイス以外の方法として、バルーンカテーテルを応用したバルーンカテーテル型細径センサデバイスを新たに提案・作製し、先ずは局所領域での気流計測が可能であることを実証した。
(2) 人工呼吸器を用いた細径集積化センサデバイス評価：本テーマでは、人工呼吸器の出口に気管支を模擬したチューブを接続し、その中に上記細径センサデバイス（ピトー管型・バルーンカテーテル型）を挿入し、往復流下におけるセンサ検出特性を計測評価した。その結果、ピトー管型細径センサデバイスでは計測部からセンサ取り付け位置までの長さに依存せずに動圧計測が可能であることを確認した。またバルーンカテーテル型細径センサデバイスではチューブ内径に依存せずに気流計測が可能であることを実証した。
(3) 動物実験による直接的換気評価：本テーマでは、上記細径センサデバイス開発と併行して試作デバイスによる動物実験を行い、本計測手法の有用性を実証する医学的データを蓄積した。具体的には、上記で開発したバルーンカテーテル型細径センサデバイスをラットの気道内気流計測に適用し、まずは、本システムにて気道内呼気計測が可能であることを確認した。なお、実験は動物実験の設備が整っている名古屋大学医学部にて実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書記載の研究計画に従い、本年度は、(1)細径センサデバイスの開発、(2)人工呼吸器を用いた細径集積化センサデバイス評価、(3)動物実験による直接的換気評価の研究課題の克服に取り組んだ。その結果、(1)に関しては、昨年度に提案したピトー管型細径センサデバイスの実用化を目指し安全性の向上を図った。具体的には体内挿入部をチューブのみにし、センサ検出部を体外に配置するというピトー管構造を発案・作製した。また、上記ピトー管型センサデバイス以外の方法として、12 Frバルーンカテーテル（外径4.0 mm、内径2.0 mm、ユーシンメディカル株式会社）を応用したバルーンカテーテル型細径センサデバイスを新たに提案し、レーザー加工などを用いてカテーテル内へのセンサ実装を可能にした。(2)に関しては、人工呼吸器の出口に気管支を模擬したチューブを接続し、その中に今年度開発した二種類のセンサデバイス（ピトー管型・バルーンカテーテル型）を挿入し、往復流下におけるセンサ検出特性を計測評価した。そしてピトー管型細径センサデバイスでは計測部からセンサ取り付け位置までの長さ（150 mm～550 mm）に依存せずに動圧計測が可能であることを確認した（体外に設置した圧力センサからチューブを肺内部へ挿入することのみで肺内部での局所的な動圧計測が可能となる見通しを得た）。またバルーンカテーテル型細径センサデバイスでは、バルーンでセンサを実装したカテーテルを固定し、かつチューブ内径に依存せずにチューブ内気流計測が可能である見通しを得た。
(3)に関しては、上記で開発したバルーンカテーテル型細径センサデバイスをラットの気道内気流計測に適用し、まずは本システムにて気道内呼気計測が可能であることを確認した。以上の結果より、研究は当初の計画通りに進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後については、下記の研究課題を解決する予定である。
(1) 細径プローブ上での圧力センサと流量センサとの集積化：本テーマについては、令和５年度に引続き、二種類のセンサデバイス（ピトー管型・バルーンカテーテル型）の改良に取り組む。具体的には、前者については実用化に向けてピトー管構造の更なる見直し、流量および圧力検出特性評価（再現性）を検討する。後者についてはカテーテル内へのセンサ実装の見直し、流量検出特性評価、及び圧力検出機能付加を検討する。
(2) 人工呼吸器を用いた細径集積化センサデバイス評価：本テーマでは、令和５年度に引続き、人工呼吸器の出口に気管支を模擬したチューブを形成し、その中に上記(1)で開発した細径センサデバイスを挿入し、往復流下において呼気流量とチューブ内圧力の両物理量を取得する。そして管内圧力分布と管内流量とを計測し管内抵抗を評価する。また適宜、必要に応じて流体シミュレーション（CFD：Computational Fluid Dynamics）を用いてチューブ内での流れ場を解析する予定である。
(3) 動物実験による実証：本テーマでは、令和５年度を引き続き、上記細径センサデバイス開発と併行して、上記(1)で開発した細径センサデバイスによる動物実験を行い、本計測手法の有用性を実証する医学的データを蓄積する。具体的には、実験動物の気道内に細径集積化センサデバイスを挿入し、肺内部での「流量」と「圧力」の同時計測を試みる。そして得られた二つの物理量をもとに気道抵抗など換気に関する呼吸情報を算出する。なお、実験は動物実験の設備が整っている名古屋大学医学部にて実施する予定である。
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