2020 Fiscal Year Research-status Report

Reduction of Radial Shaft Deflection in Cascade Blood Pump for Total Artificial Heart

Research Project

Project/Area Number	20K20261
Research Institution	Kyorin University
Principal Investigator	大貫雅也杏林大学, 保健学部, 助教 (30759775)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	完全人工心臓 / カスケード血液ポンプ / 偏心力
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、完全人工心臓用ポンプとして拍動流発生能力の高いカスケードポンプを応用することを目指している。カスケードポンプのハウジングは馬蹄形のような環状形状であるため、解剖学的に重要となる流入・流出ポートの配置を、周側面近傍に開口させることが可能となる。一方で環状の流路にそって圧力差が発生することにより、インペラの回転軸を流出側から流入側に偏心させる力が働く。この偏心を改善させるため、本研究では、ポンプ内圧力分布を軸中心に平衡させる独自の流路によって、インペラに加わる偏心力を回転中心で相殺できる構造を提案し、血液ポンプとしての実現可能性を検討することを目的とした。 2020年度は、主にカスケード血液ポンプの設計を行った。設計したポンプは、インペラの片面に二対の流入・流出ポートを軸対称に配置することによって、流路に沿って発生する圧力分布を相殺し、径方向に発生する偏心力を抑制することを可能にする。さらに、紙面を鏡面としてインペラのもう片面にも同様の構造を有しているため、軸方向に加わる偏心力を相殺するとともに、インペラの傾斜を抑制する。心臓と置換できる解剖学的制約を考慮して、流体解析ソフトウェア(CFD)を用いて左心ポンプの大きさおよび形状を試行錯誤的に検討し、ポンプの構造を決定した。ケーシングの外寸は、モータ込みで、外径70 mm、厚み27 mm、流入・流出ポートの直径20 mm、それらがなす角度30°とした。また円盤状のインペラの外寸は、外径44 mm、厚み12 mmとした。さらにCFDを使用してインペラを仮想的に回転させることで、インペラの回転軸に作用する偏心力の解析を行ったところ、径方向に働く偏心力を抑制させられる（0.03 N（X成分: 0.02 N、Y成分: 0.02 N））ことを確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の感染拡大防止対策の一環として、研究施設への立ち入りが制限されたこと、ならびに講義・実習のオンライン化に伴う準備のため研究エフォートの一時的な低下が発生したことにより、申請時の予定と比べ進捗にやや遅れが生じている。申請時の予定では、2020年度にポンプの試作を行い、偏心力測定システムの開発に着手する予定であったが、ポンプの設計に時間を要し、ポンプを試作するまでには至らなかった。
Strategy for Future Research Activity	申請時の予定に大きな変更はない。2021年度は、設計したポンプの試作および偏心力測定システムの製作を行う予定である。１．設計したポンプの試作を行う。試作には、過去の論文報告で溶血試験、in vitro試験での実績が多いアクリルを用い、切削加工によって試作を行う。また拍動流を生み出すためには、モータの回転数応答性が良いことが必要である。本研究では、モータステータとロータの間隙に動圧軸受を組み込むのではなく、インペラの中心部に動圧軸受と外周部にモータロータ、その外周にモータステータという構造にすることで、ロータ・ステータギャップを狭くして、高いトルクを発生可能な扁平ブラシレスDCモータを開発する。２．実際にインペラに加わる偏心力を測定するため、評価用ポンプおよび測定システムを製作し、模擬循環回路を接続して様々な条件で駆動させた際の偏心力を測定し、想定どおりに相殺されるかを確認する。具体的には、インペラの中心軸をポンプ外まで延長し、その軸に加わる偏心力の測定を行う。中心軸は回転させずポンプ外部のXYステージに固定し、ボールベアリングによってインペラを保持し、インペラに組み込んだロータを外周部のステータによって回転させる予定である。
Causes of Carryover	進捗の遅れに伴い、当初予定していたポンプの試作を行うことができず、消耗品などの購入に至らなかった。一部の消耗品は、すでに所有している既存品を利用した結果、2020年度の交付金の使用には至らなかった。 2020年度の未使用金および2021年度の交付金は、ポンプの試作および偏心力測定システムの製作に必要な消耗品の購入に割り当てることを計画している。