Development of a hemodynamic simulator of implantable ventricular assist devices for congenital heart diseases

Research Project

Project/Area Number	22K12794
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
Research Institution	National Cardiovascular Center Research Institute
Principal Investigator	清水秀二国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (80443498)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	宍戸稔聡国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 部長 (60300977) 小谷恭弘岡山大学, 医歯薬学域, 准教授 (90534678)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	先天性心疾患 / 植え込み型補助人工心臓 / 血行動態 / シミュレーション / 植込み型補助人工心臓
Outline of Research at the Start	本研究では、先天性心疾患患者個々人の血行動態を再現できるシミュレータを用いて、植込み型補助人工心臓導入後の血行動態の変化を予測することで、最適な補助循環法を選択できるシステムを開発し、臨床応用することを目的としています。本研究は、研究代表者らが先行研究で開発した血行動態シミュレータを臨床へと応用することで、患者個々人に合せた最適な医療を提供するものであり、本研究の得られる成果は、補助循環法の選択において、臨床医の経験を補い、治療をサポートするのみならず、ひいては患者の生命予後を改善するものになると考えられます。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、先天性心疾患患者個々人の血行動態を再現できるシミュレータを用いて、補助人工心臓導入後の血行動態の変化を予測することで、最適な補助循環法を選択できるシステムを開発し、臨床応用することを目的として研究を行なっている。本年度は、主として臨床で使用されている補助人工心臓のモデル化と、先行研究で開発したシミュレータを元とした血行動態シミュレータの開発を行なった。補助人工心臓のモデル化においては、EVAHEART、HeartMateII、HeartMate 3、HeartWave Ventricular Assist Device（HVAD）およびJarvick 2000の数理モデル化を行い、それぞれのデバイスに応じた圧流量曲線の近似式を作成し、開発した血行動態シミュレータに組み込むことに成功した。血行動態シミュレータの開発においては、まず初めに患者個々人での血行動態を再現するために、個人個人で異なるパラメタを推定するアルゴリズムの開発を行なった。先天性心疾患患者を対象としたシミュレーションの場合、新生児から成人までの患者が対象となるため、血管の抵抗やキャパシタンスも年齢や体格によって大きく異なってくる。そこで、まず体格等を考慮した上で仮のパラメタを設定し、実測の収縮期・拡張期血圧、中心静脈圧、酸素飽和度からパラメタを修正していくアルゴリズムを構築した。また本年度は、先天性心疾患の中でも心不全を来たしやすいとされるフォンタン手術後患者における補助人工心臓の効果を、開発した血行動態シミュレータを用いて検証し、その成果を国内学会にて報告した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 補助人工心臓のモデル化については、ほぼ予定通り進んでいる。血行動態シミュレータの開発においては、個別パラメタ推定アルゴリズムの構築が進んでおり、今後は精度向上が課題である。
Strategy for Future Research Activity	補助人工心臓のモデル化においては、まだモデル化が出来ていないEXCORなどのデバイスについてモデル化を進めていく。血行動態シミュレータの開発においては、臨床データをもとに個別パラメタ推定アルゴリズムの精度向上を図る。また、動物実験による精度検証とシミュレータの最適化を行うために必要な動物での初期パラメタ設定用データを収集する。加えて、実際の補助人工心臓装着患者が出た場合、その患者に合わせたシミュレータを構築し、シミュレータの精度検証を行う。