Development of a wearable pneumatic total artificial heart system aimed at permanent use

2010 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20249059
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: General surgery
• Research Institution: National Cardiovascular Center Research Institute
• Principal Investigator: HOMMA Akihiko National Cardiovascular Center Research Institute, 理工学部, 准教授 (20287428)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): TSUKIYA Tomonori 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 室長 (00311449) ; OHNUMA Kentaro 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 流動研究員 (50527992) ; HANADA Shigeru 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 派遣研究員 (90514547) ; LEE Hwangsung 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 流動研究員 (10463275) ; AKAGAWA Eiki 国立循環器病研究センター, 研究開発基盤センター知的資産部, 室長 (40416219) ; KATAGIRI Nobumasa 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 特任研究員 (00463274) ; HOSHI Hideo 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 流動研究員 (30420251) ; SUMIKURA Hirohito 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 流動研究員 (20433998) ; MIZUNO Toshihide 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 室長 (40426515) ; TAKEWA Yoshiaki 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 室長 (20332405) ; TATSUMI Eisuke 国立循環器病研究センター研究所, 人工臓器部, 部長 (00216996) ; TAENAKA Yoshiyuki 国立循環器病研究センター研究所, 研究所, 副所長 (00142183) ; NONAKA Kazuhiro 東京電機大学, 理工学部, 助手 (50584182) ; OHGOE Yasuharu 東京電機大学, 理工学部, 助教 (10408643) ; FUNAKUBO Akio 東京電機大学, 理工学部, 教授 (00307670) ; FUKUI Yasuhiro 東京電機大学, 理工学部, 教授 (60112877)
• Project Period (FY): 2008 – 2010
• Keywords: 人工臓器学

Research Abstract

A wearable pneumatic total artificial heart (PTAH) system with compact wearable pneumatic drive (WPD) unit was developed. The PTAH system consists of left and right diaphragm-type blood pumps and two WPD units. Two blood pumps were designed to fit anatomy, and these had housing made of polyurethane resin. The sizes of the left and right pumps are 95 x 68 x 49 mm and 104 x 74 x 44 mm. The stroke volumes of the left and right pump are 85 and 94 ml, respectively. The WPD unit consists of a brushless DC motor, a crankshaft, a cylinder-piston, non-circular gears, and air pressure regulation valves. Driving air pressure is generated by the cylinder-piston. The non-circular gears generate the fixed systolic ratio. The size and weight of the WPD unit are 20 x 8.5 x 20 cm and 1.8 kg, respectively.
The performance of the PTAH system was confirmed using an overflow-type mock circulation test. The pump output of more than 8 L/min using the left blood pump was achieved. The mean electric power consumption was approximately 20 W at 105bpm of pump rate.
The fundamental performance of the PTAH system was evaluated in acute animal experiment. The left and right pumps were implanted in a calf weighing 98 kg. Two WPD units with fixed systolic ratio of 35 and 44% were connected to the left and right blood pumps with 2 m air hoses, respectively. The cardiac output ranged from 3.9 to 5.4 L/min at mean aorta pressures from 108 to 115 mmHg at pump rates from 60 to 100 bpm. The average electric power consumption in each WPD unit varied from 5.3 to 17.6 W according to the beating rate, and the efficiency was estimated from 2 to 9%.

Research Products

• [Journal Article] 空気駆動式ウェアラブル全人工心臓システムの開発 (2010)
  • Author(s): 本間章彦,住倉博仁,大沼健太郎,妙中義之,巽英介,武輪能明,赤川英毅,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,福井康裕,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Journal Title: 電気学会研究会資料(リニアドライブ研究会) LD-10-57 Pages: 57-61
• [Journal Article] 空気駆動式人工心臓の流量推定に関する検討 (2010)
  • Author(s): 大沼健太郎,本間章彦,住倉博仁,妙中義之,巽英介,赤川英毅,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Journal Title: 電気学会研究会資料(リニアドライブ研究会) LD-10-56 Pages: 51-55
• [Journal Article] Observation of cavitation pits on mechanical heart valve surface in an artificial heart used in in vitro testing. (2010)
  • Author(s): 李桓成, 本間章彦, 巽英介, 妙中義之
  • Journal Title: J Artif Organs. 13 Pages: 17-23
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of cavitation pits on a mechanical heart valve surface in an artificial heart used in in vivo testing. (2009)
  • Author(s): 李桓成, 本間章彦, 巽英介, 妙中義之
  • Journal Title: J Artif Organs. 12 Pages: 105-110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 空気駆動型補助人工心臓用小型駆動装置 (2009)
  • Author(s): 本間章彦,住倉博仁,大沼健太郎,妙中義之,巽英介,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Journal Title: 電気学会研究会資料(リニアドライブ研究会) LD-09-38 Pages: 17-22
• [Journal Article] 人工心臓の埋め込みに関するコンピュータシミュレーション技術 (2009)
  • Author(s): 黒澤雄,福井康裕,本間章彦,住倉博仁,大沼健太郎,巽英介,妙中義之
  • Journal Title: 電気学会研究会資料(リニアドライブ研究会) LD-09-38 Pages: 13-16
• [Journal Article] 人工臓器 □最近の進歩,人工心臓(基礎) (2008)
  • Author(s): 本間章彦
  • Journal Title: 人工臓器 37 Pages: 126-129
• [Journal Article] 電気油圧駆動式全人工心臓の開発-血液ポンプ駆動ユニットの改良- (2008)
  • Author(s): 本間章彦,妙中義之,巽英介,武輪能明,水野敏秀,塩谷恭子,李桓成,築谷朋典,角田幸秀,片桐伸将,西中知博,越地耕二
  • Journal Title: 電気学会論文誌C 128 Pages: 943-952
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 水素化アモルファス炭素膜の溶血低減効果の検討 (2011)
  • Author(s): 関貴弘,大越康晴,平栗健二,本間章彦,三田満男,舟久保昭夫,福井康裕
  • Organizer: 第20回ライフサポート学会フロンティア講演会予稿集(2011:99)
  • Place of Presentation: 東京電機大学神田キャンパス(東京都)
  • Year and Date: 2011-03-05
• [Presentation] 補助循環装置用耐久試験装置の開発と特性評価 (2011)
  • Author(s): 大沼健太郎,住倉博仁,本間章彦,妙中義之,向林宏,片野一夫,巽英介
  • Organizer: 第39回人工心臓と補助循環懇話会(2011:77)
  • Place of Presentation: 皆生つるや、米子観光センター(鳥取県)
  • Year and Date: 2011-02-18
• [Presentation] 人工心臓の埋め込みシミュレーション技術の開発 (2010)
  • Author(s): 三田満男,本間章彦,三田豊,巽英介,妙中義之,福井康裕
  • Organizer: 生活生命支援医療福祉工学系学会連合大会2010講演論文集(2010:3C1-5,455)
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス(大阪府)
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Flow rate estimation for a pneumatic artificial heart using the driveline air mass flow. (2010)
  • Author(s): K.Ohnuma, A.Homma, Y.Taenaka, E.Tatsumi, H.Sumikura, E.Akagawa, HS.Lee,, Y.Takewa, T.Mizuno,, T.Tsukiya, N.Katagiri, Y.Kakuta, I.Shimosaki, H.Mukaibayashi, K.Katano
  • Organizer: ASAIO Journal.(2010;56:100)
  • Place of Presentation: Baitimore, Maryland(米国)
  • Year and Date: 2010-05-29
• [Presentation] Development of a wearable pneumatic total artificial heart system with an ultra compact drive unit. (2010)
  • Author(s): H.Sumikura, A.Homma, Y.Taenaka, E.Tatsumi, K.Ohnuma, E.Akagawa, HS.Lee, Y.Takewa, T.Mizuno, T.Tsukiya, N.Katagiri, Y.Kakuta, I.Shimosaki, H.Mukaibayashi, K.Katano
  • Organizer: ASAIO Journal.(2010;56:97)
  • Place of Presentation: Baitimore, Maryland(米国)
  • Year and Date: 2010-05-28
• [Presentation] Development of an ultra-compact pneumatic pressure generation system to drive a pneumatic blood pump for VAD and TAH. (2010)
  • Author(s): A.Homma, Y.Taenaka, E.Tatsumi, H.Sumikura, K.Ohnuma, E.Akagawa, Y.Takewa, T.Mizuno, T.Tsukiya, N. Katagiri, Y.Kakuta, I.Shimosaki, H.Mukaibayashi, K.Katano
  • Organizer: ASAIO Journal.(2010;56:116)
  • Place of Presentation: Baitimore, Maryland(米国)
  • Year and Date: 2010-05-28
• [Presentation] 恒久的使用を目的とした空気圧駆動式ウェアラブル全置換型人工心臓に関する基礎検討 (2009)
  • Author(s): 本間章彦,妙中義之,巽英介,住倉博仁,大沼健太郎,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Organizer: 第47回日本人工臓器学会大会予稿集(2009;38:S-74)
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ,新潟コンベンションセンター(新潟県)
  • Year and Date: 2009-11-13
• [Presentation] 空気圧駆動式ウェアラブル全置換型人工心臓システムの開発-ウェアラブル式空気駆動装置に関する基礎的検討- (2009)
  • Author(s): 住倉博仁,本間章彦,妙中義之,巽英介,大沼健太郎,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Organizer: 第7回生活支援系工学系学会連合大会講演予稿集(2009:89)
  • Place of Presentation: 高知工科大学(高知県)
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] 空気圧駆動式人工心臓用駆動装置のための電源システムの開発 (2009)
  • Author(s): 本間章彦,妙中義之,巽英介,住倉博仁,大沼健太郎,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Organizer: 第7回生活支援系工学系学会連合大会講演予稿集(2009:70)
  • Place of Presentation: 高知工科大学(高知県)
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] 空気駆動式人工心臓の流量推定に関する研究 (2009)
  • Author(s): 大沼健太郎,本間章彦,妙中義之,巽英介,住倉博仁,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Organizer: 第7回生活支援系工学系学会連合大会講演予稿集(2009:73)
  • Place of Presentation: 高知工科大学(高知県)
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] 空気圧駆動式補助人工心臓用小型装着式駆動装置のための電池の開発 (2009)
  • Author(s): 本間章彦,妙中義之,巽英介,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会抄録集(2009;47:24pmO-16-5,216)
  • Place of Presentation: タワーホール船堀(東京都)
  • Year and Date: 2009-04-24
• [Presentation] 人工心臓の埋め込みシミュレーション技術の開発"有限要素法による圧迫の再現に関する研究 (2009)
  • Author(s): 黒沢雄,本間章彦,巽英介,妙中義之,福井康裕
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会抄録集(2009;47:23amO-1-6,112)
  • Place of Presentation: タワーホール船堀(東京都)
  • Year and Date: 2009-04-23
• [Presentation] 空気駆動式補助人工心臓の駆動条件が機械弁でのキャビテーション強さに与える影響 (2009)
  • Author(s): 李桓成,赤川英毅,本間章彦,築谷朋典,巽英介,妙中義之
  • Organizer: 第48回日本生体医工学会大会抄録集(2009;47:23pmP3-3-13,186)
  • Place of Presentation: タワーホール船堀(東京都)
  • Year and Date: 2009-04-23
• [Presentation] 空気駆動式ウェアラブル全置換型人工心臓システムの開発 (2009)
  • Author(s): 本間章彦,妙中義之,巽英介,住倉博仁,赤川英毅,李桓成,武輪能明,水野敏秀,築谷朋典,片桐伸将,角田幸秀,下崎勇生,向林宏,片野一夫
  • Organizer: 第37回人工心臓と補助循環懇話会(2009:67)
  • Place of Presentation: NASPAニューオータニ(新潟県)
  • Year and Date: 2009-02-28
• [Presentation] 人工臓器の埋め込みシミュレーション技術の開発 (2009)
  • Author(s): 黒沢雄,本間章彦,吉光喜太郎,西中知博,武輪能明,巽英介,妙中義之,福井康裕
  • Organizer: 第37回人工心臓と補助循環懇話会(2009:45)
  • Place of Presentation: NASPA ニューオータニ(新潟県)
  • Year and Date: 2009-02-27