2022 Fiscal Year Research-status Report
体外循環補助装置の安心・安全な中長期使用を実現するための血球性状評価技術の開発
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22K12882
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
矢野 哲也 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (70404853)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 血球脆弱性 / 血球損傷 / 溶血 / 光学計測 / 体外循環装置 / 血液ポンプ / 血栓センサ / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，体外循環補助装置に搭載される血液ポンプおよびその構成要素の血液適合性評価に適用可能な血球性状評価法を確立することを目標としている．良好な血液適合性を有する循環器デバイスの開発と安全な体外循環管理を実現するために，医療機器開発段階から臨床使用段階まで適用可能な血球性状評価法の開発を進め，2022年度中に以下の成果を得た．
【血球脆弱性評価】循環回路中の非崩壊血球に着目し，その脆弱性の変化について調べた．その結果，循環時間の経過とともに見かけの血球脆弱性が単調に亢進せず，低下する時相が存在することを確認した．この結果について説明するために，血中には低脆弱から高脆弱まで脆弱性の異なる血球が存在し，このうち高脆弱の血球が優先的に溶血したことで血球全体の見かけの脆弱性が低下したという仮説を立て，この検証を行った．血球に与える負荷を定量的に調整可能な装置であるエレクトロポレータを使用し，血球分散液に印加する電界強度を変化させ，血球の見かけの脆弱性の変化を調べた．その結果，見かけの脆弱性は低電界強度の条件（1900 V/cm）で低下，高電界強度（3300 V/cm～）の条件において亢進することを確認し，上記の仮説をサポートする結果を得た．
【自動採血装置】体外循環装置を用いた実験を行うために，循環回路からの採血を自動化する装置を設計，製作した．これにより，シリンジを用いた採血時に血球に与える負荷を一定にすることが可能となった．また，採血ポートの洗浄を含めて自動化し，臨床用装置の試作機としての役割を果たすものができた．
【光散乱シミュレーション】光学的血球損傷度評価における低張曝露による血球体積の増加および血球内部ヘモグロビン濃度の低下を反映した，血球分散液の光散乱シミュレーション法を確立した．
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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
【溶血性能評価法の確立】臨床で使用されている体外循環装置について動物血を用いて循環試験を行い，その血液中の血球損傷度の時間変化を調べ，非崩壊段階の血球膜性状の変化の仕方について新しい知見を得た．またそのプロセスについて仮説を立て，数理モデルを構築し，その検証実験を行い，妥当性を確認した．これまでは，評価対象とする血液に含まれる膨大な数の血球の平均損傷度（見かけの脆弱性）に着目してきたが，光学系の改良により，損傷度の分布を取得することが可能になった．これにより，血球性状の変化についてより詳細に調べられる段階に到達した．また，循環回路から血液を自動で採取する装置を開発し，効率的に実験を実施する準備を整えた．
【ポンプ要素技術の開発】スパイラル状の溝構造を有する遠心型血液ポンプ用動圧スラスト軸受の改良設計を行うために，数値流体解析により流体軸受内の狭小隙間の流れを高精度に解く必要がある．このために不可欠な高品質の計算格子を用意し，解析の準備を整えた．
【ポンプ内の血栓検出】市販のポンプの外側に送受光装置を取り付け，ポンプ内の軸受部に光を照射し，受光信号から血栓の成長をモニタリングする血栓センサの性能向上に取り組んだ．その結果，機械学習を用いて受光信号のスペクトログラムから血栓の有無を判定するモデルを生成し，これを用いることで検出限界の向上と検出範囲の拡張を実現した．具体的には，光が照射されている軸受部のみならず，インペラに形成された微小な血栓についても，インペラの挙動の変化として光センサで検出できることを示した．これは，体外循環補助装置の安心・安全な中長期使用の実現に資する重要な成果である．
以上より，本研究はおおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
①光散乱シミュレーション：低張液中における赤血球の形態変化の過程と光学特性の変化の関係について実験的に明らかにする．2022年度は，血球体積および血球内部ヘモグロビン濃度の変化を考慮した条件での血球分散液の光散乱シミュレーション法を確立した．ただし現状では，低張液中での血球の形態，体積変化について仮定に基づいた状態でのシミュレーションに留まっている．2023年度以降は，実際の血球形態の変化過程を観察，計測し，それに合わせたシミュレーションを実施する．
②溶血性能評価法の確立：血球性状評価技術を用いて，実際に臨床で使用されている体外循環装置による血液循環中に発生する血球損傷の進行，すなわち膜損傷の蓄積を検出可能であることを確認し，血球損傷度の特徴的な変化傾向を明らかにした．また，光学系の改良により，評価対象とする血液に含まれる膨大な数の血球の損傷度の分布を計測することが可能になった．2023年度以降は，左心補助を想定した条件のほか，低揚程の右心補助や高揚程の心肺補助の条件で体外循環装置を運転し，運転条件による血球性状の時間変化の傾向の差異を調べる．このほか，体外循環施行中の血球脆弱性評価の省力化のために，循環回路からの血液サンプリング，等張液による希釈，低張液追加，光計測，損傷度評価の一連の処理を自動化するシステムを構築する．このうち，血液サンプリング工程の自動化を2022年度に完了した．2023年度以降は，試料液調製工程以降の自動化を進める．
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| Causes of Carryover |
生物顕微鏡の選定に時間を要したことから，2022年度後期においては，貸出機器を用いて実験を実施した．当該機器を導入するための物品購入費分を2023年度に繰り越した．2022年度からの繰り越し分については，生物顕微鏡の購入費に充てる．研究計画に変更はなく，当初予定どおりに計画を進めていく．
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Research Products
(4 results)
