自律的適応性を有し生体の制御系へ能動的に働きかける新しい人工心臓制御の確立

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24390308
• Research Institution: National Cardiovascular Center Research Institute
• Principal Investigator: 大沼 健太郎 独立行政法人国立循環器病研究センター, 研究所, 特任研究員 (50527992)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 巽 英介 独立行政法人国立循環器病研究センター, 研究所, 部長 (00216996) ; 住倉 博仁 独立行政法人国立循環器病研究センター, 研究所, 特任研究員 (20433998)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 人工心臓 / 駆動制御 / 生体計測 / 確率過程 / 相互引き込み

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生物の適応性と関係の深い確率論的アプローチと心拍にも見られる同期現象を応用することで自律的適応性を有し生体の制御系へ能動的に働きかける人工心臓制御の開発を目的とする。本年度は、VAD用駆動制御システムの最適化と動物実験に使用可能なシステム構築を目指しておもに以下の項目を実施した。
(1)　先行研究における慢性動物実験にて、拍動流VADの拍動数に自己心が同期する引き込み現象、補助循環下での自律神経系指標・心拍数と心負荷との相関性が確認されてきた。これらの現象は慢性期に確認されており、これらの現象を応用しようとする本制御手法の総合的な評価のため、市販の血液ポンプを駆動可能なコントローラを試作した。対象とした遠心血液ポンプは当施設で血液ポンプを体外に設置した左心バイパスモデルでの使用実績を有しており、これを駆動可能なモータドライバおよび自律的制御機能を組み込んだコントローラから構成される試作システムを構築した。
(2) 開発システムを左心補助模擬循環回路に接続し、拍動負荷における挙動を評価した。その結果、適応的な流量維持に関して循環抵抗の変化に対して設定流量を維持可能であった。また、模擬循環回路にチャンバーを設けることで脱血時に吸い付きが生じる状況を再現したところ、定常回転数による駆動で頻回な吸い付きが生じたのに対して、本制御による駆動では、吸い付きの頻度を12％程度に低減可能であった。一方、LF/HFを指標とするアルゴリズムは模擬循環試験によるシミュレーション上意図した動作が可能なものの、慢性実験による評価が完了しておらず、実用化に向けては生理的反応がある環境での安全性や機能性、信頼性の面で課題が残されている。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of a flow rate monitoring method for the wearable ventricular assist device driver (2014)
  • Author(s): Ohnuma K, Homma A, Sumikura H, Tsukiya T, Takewa Y, Mizuno T, Mukaibayashi H, Kojima K, Katano K, Taenaka Y, Tatsumi E
  • Journal Title: J Artif Organs Volume: Published online Pages: Online
  • DOI: 10.1007/s10047-014-0811-z
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Application of a search algorithm using stochastic behaviors to autonomous control of a ventricular assist device (2014)
  • Author(s): Ohnuma K, Sumikura H, Homma A, Tsukiya T, Mizuno T, Takewa Y, Tatsumi E
  • Journal Title: conf proc ieee eng med biol soc. Volume: 2014 Pages: 290-293
  • DOI: 10.1109/EMBC.2014.6943586
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ウェアラブル式空気圧駆動装置の全置換型人工心臓システムへの応用の基礎的検討 (2014)
  • Author(s): 住倉博仁, 本間章彦, 大沼健太郎, 妙中義之, 武輪能明, 梅木昭秀, 水野敏秀, 築谷朋典, 片桐伸将, 藤井 豊、角田幸秀、向林 宏、片野一夫、福井康裕、巽 英介
  • Journal Title: 電気学会論文誌C Volume: 134 Pages: 839-847
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.134.839
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 耐久性試験装置（ラボハートNCVC）の開発とその応用例 (2014)
  • Author(s): 住倉博仁, 大沼健太郎, 本間章彦, 妙中義之, 武輪能明, 築谷朋典, 水野敏秀, 向林 宏, 小嶋孝一, 巽 英介
  • Journal Title: 循環器病研究の進歩 Volume: 35 Pages: 52-59
• [Presentation] In-vitro evaluation of an autonomous control algorithm using stochastic method for a ventricular assist device (2015)
  • Author(s): K. Ohnuma, H. Sumikura, A. Homma, T. Tsukiya, T. Mizuno, Y. Takewa , E. Tatsumi
  • Organizer: ASAIO
  • Place of Presentation: Chicago
  • Year and Date: 2015-06-26
• [Presentation] 腎動脈補助用カテーテル式補助循環装置の開発と評価 (2015)
  • Author(s): 住倉博仁, 大沼健太郎, 花田 繁, 築谷朋典, 水野敏秀, 本間章彦, 向林 宏, 小嶋孝一, 武輪能明, 巽 英介
  • Organizer: 人工心臓と補助循環懇話会学術集会 (43)
  • Place of Presentation: 熱海市
  • Year and Date: 2015-02-20 – 2015-02-21
• [Presentation] 動圧浮上式超小型遠心ポンプを用いた体外設置型左心補助システムの慢性動物実験評価 (2015)
  • Author(s): 岸本 諭, 武輪能明, 築谷朋典, 水野敏秀, 住倉博仁, 藤井 豊, 大沼健太郎, 東郷好美, 伊達数馬, 片桐伸将, 角田, 幸秀, 巽 英介
  • Organizer: 人工心臓と補助循環懇話会学術集会 (43)
  • Place of Presentation: 熱海市
  • Year and Date: 2015-02-20 – 2015-02-21
• [Presentation] 体外設置式補助人工心臓用モニタリングシステムの開発 (2014)
  • Author(s): 大沼健太郎, 住倉博仁, 本間章彦, 築谷朋典, 武輪能明, 水野敏秀, 妙中義之, 片野一夫, 小嶋孝一, 向林 宏, 巽 英介
  • Organizer: 日本人工臓器学会大会 (52)
  • Place of Presentation: 札幌市
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-19
• [Presentation] 体外設置式補助人工心臓用小型ポータブル駆動装置の開発 (2014)
  • Author(s): 大沼健太郎, 住倉博仁, 本間章彦, 築谷朋典, 武輪能明, 水野敏秀, 向林 宏, 片野一夫, 小嶋孝一, 妙中義之, 巽 英介
  • Organizer: 日本人工臓器学会大会 (52)
  • Place of Presentation: 札幌市
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-19
• [Presentation] Development of a compact drive unit with high controllability for a pneumatic total artificial heart system (2014)
  • Author(s): Ohnuma K, Sumikura H, Homma A, Tsukiya T, Takewa Y, Mizuno T, Katano K, Kojima K, Mukaibayashi H, Taenaka Y, Tatsumi E.
  • Organizer: ESAO
  • Place of Presentation: Rome
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [Presentation] Application of a search algorithm using stochastic behaviors to autonomous control of a ventricular assist device (2014)
  • Author(s): Ohnuma K, Sumikura H, Homma A, Tsukiya T, Mizuno T, Takewa Y, Tatsumi E.
  • Organizer: IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Chicago
  • Year and Date: 2014-08-26 – 2014-08-30
• [Presentation] in vivo evaluation of a compact wearable pneumatic drive unit with non-circular gears for a ventricular assist device (2014)
  • Author(s): Sumikura H, Ohnuma K, Homma A, Taenaka Y, Takewa Y, Mukaibayashi H, Katano K, Kojima K, Tatsumi E.
  • Organizer: IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Chicago
  • Year and Date: 2014-08-26 – 2014-08-30
• [Presentation] Development or a compact pneumatic drive unit with a DC servo motor for a ventricular assist device (2014)
  • Author(s): Sumikura H, Ohnuma K, Homma A, Taenaka Y, Takewa Y, Tsukiya T, Mizuno T, Mukaibayashi H, Katano K, Kojima K, Fukui Y, Tatsumi E.
  • Organizer: ASAIO
  • Place of Presentation: Washington D.C.
  • Year and Date: 2014-06-18 – 2014-06-21