ナノテクアクチュエータを応用した小児用循環補助システム開発プラットフォーム創生

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25282126
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 白石 泰之 東北大学, 加齢医学研究所, 准教授 (00329137)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三浦 英和 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (50451894) ; 山家 智之 東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (70241578) ; 佐々木 一益 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (80738948)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 先天性心疾患 / 人工心筋 / 形状記憶合金線維 / マイクロマシン / 循環器・高血圧

Outline of Annual Research Achievements

小児の重症心不全治療に対しては、現在のところ心臓移植のほかに長期循環補助を実現する代替手段はない。本研究では、ナノテク形状記憶合金線維を応用することで、小児の重症心不全治療にも適用できる超小型の埋込型人工心筋システム開発プラットフォームを創成する。極細ナノテク材料を使用したアクチュエータ線維で駆動し、必要な血液循環の拍動を生成し、循環を血行力学的に補助する構造で、心臓の外面に装着され、血液との直接接触がなく“必要なときに必要なだけ”循環を補助するため溶血、血栓形成の問題もない。先天性心疾患患者でも適応可能な人工心筋サポートシステム基盤技術を確立する。
本研究では、ナノテク形状記憶合金線維を応用して、小児の重症心不全治療において右心系に必要な血液循環を力学的にサポートする超小型の埋込型人工心筋装置を開発することを目的とした。これは、心臓の外面に装着され、Fontan循環を構成する静脈-肺動脈間の心外導管人工血管を外部から力学的に収縮補助し、蠕動的に拍動流を生成する。従来の人工心臓などのように血栓の危険もなく、人工弁などの耐久性の問題もない。研究の成果概要として、健常成山羊における左室補助循環下での下大静脈肺動脈バイパスモデルにおいて、形状記憶合金線維を用いた心外導管装着型デバイスの開発に加え、長期Fontan術後の予後を改善しうる心外導管装着型能動クリップ（特許申請）開発設計を行った。さらに、右心人工心筋補助に伴う肺循環-心機能の血行力学的検討を心室壁虚血心不全モデルを用いて実施し、右室収縮に伴う血液拍出機能の改善がもたらす左室拡張期への影響の基礎検討を行った。いずれの埋込型人工心筋アクチュエーションシステムも、本研究であわせて開発した小児循環にも対応するFontan循環の血液循環シミュレーション回路において非臨床試験評価に基づいてさらなる性能改善が行いうることが示唆された。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Sensorless cardiac phase detection for synchronized control of ventricular assist devices using nonlinear kernel regression model (2016)
  • Author(s): Hirohashi Y, Tanaka A, Yoshizawa M, Sugita N, Abe M, Kato T, Shiraishi Y, Miura H, Yambe T
  • Journal Title: J Artif Organs Volume: 2016 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a thermodynamic control system for the Fontan circulation pulsation device using shape memory alloy fibers. (2015)
  • Author(s): Yamada A, Shiraishi Y, Miura H, Hashem HM, Tsuboko Y, Yamagishi M, Yambe T.
  • Journal Title: J Artif Organs. Volume: 18(3) Pages: 199-205
  • DOI: 10.1007/s10047-015-0827-z
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical analysis of hemodynamic changes in the left atrium due to atrial fibrillation. (2015)
  • Author(s): Koizumi R, Funamoto K, Hayase T, Kanke Y, Shibata M, Shiraishi Y, Yambe T.
  • Journal Title: J Biomech Volume: 48(3) Pages: 472-478
  • DOI: doi: 10.1016/j.jbiomech.2014.12.025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Initial Acute Animal Experiment Using a New Miniature Axial Flow Pump in Series With the Natural Heart (2015)
  • Author(s): Okamoto E, Yano T, Shiraishi Y, Miura H, Yambe T, Mitamura Y.
  • Journal Title: Artif Organs Volume: 39(8) Pages: 701-704
  • DOI: 10.1111/aor.12558
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of valsalva in the pulmonary prosthetic conduit valve on hemodynamic function in a mock circulatory system (2015)
  • Author(s): Tsuboko Y, Shiraishi Y, Yamada A, Yambe T, Matsuo S, Saiki Y, Yamagishi M.
  • Journal Title: Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. Volume: 2015 Pages: 278-281
  • DOI: 10.1109/EMBC.2015.7318611.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fundamental analysis and development of the current and voltage control method by changing the driving frequency for the transcutaneous energy transmission system (2015)
  • Author(s): Miura H, Yamada A, Shiraishi Y, Yambe T.
  • Journal Title: Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. Volume: 2015 Pages: 1319-1322
  • DOI: 10.1109/EMBC.2015.7318611
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanical circulatory assistance and a non invasive perfusion measurements (2015)
  • Author(s): Shiraishi Y, Sasaki K, Kaneko Y, Kitano T, Watanabe S, Inoue Y, Tsuboko Y, Yamada A, Miura H, Tanaka A, Yoshizawa M, Katahira S, Saiki Y, Homma D, Yambe T
  • Journal Title: Biomedical Science and Technology 2015 Volume: 2015 Pages: 3-5
• [Journal Article] Examination of the polymer coated shape memory alloy actuator for the implantable artificail mechanical organs (2015)
  • Author(s): Yamada A, Shiraishi Y, Miura H, Taira Y, Tsuboko Y, Inoue Y, Sasaki K, Homma D, Yambe T
  • Journal Title: Biomedical Science and Technology 2015 Volume: 2015 Pages: 15-17
• [Journal Article] Conceptual design of a new total cavopulmonary connection assitace device for Fontan circulation (2015)
  • Author(s): Ikeda J, Shiraishi Y, Tsuboko Y, Yamada A, Inoue Y, Taira Y, Suzuki T, Mura S, Homma D, Yamagishi M, Yambe T
  • Journal Title: Biomedical Science and Technology 2015 Volume: 2015 Pages: 42-45
• [Presentation] 右心補助デバイス評価のための心房機能を再現した循環シミュレーションシステム開発 (2016)
  • Author(s): 坪子侑佑、武良盛太郎、白石泰之、池田純平、三浦英和、山田昭博、井上雄介、鈴木一郎、佐々木一益、鈴木拓志、平恭紀、山家智之
  • Organizer: 第44回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
  • Place of Presentation: ホテル松島大観荘（宮城県・松島町）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] Fontan循環動物実験モデルによる拍動指標評価の試み (2016)
  • Author(s): 山田昭博、白石泰之、三浦英和、坪子侑佑、平恭紀、池田純平、井上雄介、山岸正明、本間大、山家智之
  • Organizer: 第44回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
  • Place of Presentation: ホテル松島大観荘（宮城県・松島町）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] Fontan循環用呼吸時逆流抑制デバイス評価の試み (2016)
  • Author(s): 池田純平、白石泰之、山田昭博、坪子侑佑、平恭紀、鈴木拓志、井上雄介、本間大、山岸正明、山家智之
  • Organizer: 第44回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
  • Place of Presentation: ホテル松島大観荘（宮城県・松島町）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] 循環デバイスの慢性実験評価 (2015)
  • Author(s): 白石泰之
  • Organizer: 日本生体医工学会医用アクチュエーション研究会
  • Place of Presentation: 産総研（東京）
  • Year and Date: 2015-11-27
  • Invited
• [Presentation] 右心模擬循環シミュレーションモデルによる小型右心用人工心筋の改良 (2015)
  • Author(s): 白石泰之、片平晋太郎、山田昭博、井上雄介、三浦英和、秋山正年、齋木佳克、山家智之、本間大
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 右心バイパス血流路を有する動物実験モデルによる小児用肺循環補助装置の血行動態評価 (2015)
  • Author(s): 山田昭博、白石泰之、山家智之、山岸正明、本間大
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] Fontan型手術の長期予後を改善する能動クリップ開発のための基礎検討 (2015)
  • Author(s): 池田純平、白石泰之、山田昭博、佐々木一益、本間大、山家智之、山岸正明
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 生体適合性の高い補助人工心臓用ハイブリッド脱血カニューレの開発 (2015)
  • Author(s): 井上 雄介, 川瀬 由季乃, 田代 彩夏, 磯山 隆, 斎藤 逸郎, 小野 俊哉, 原 伸太郎, 圦本 晃海, 李 欣陽, 村上 遥, 前野 映里奈, 三浦 英和, 白石 泰之, 山家 智之, 井街 宏, 阿部 裕輔
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 磁気伝導を用いた体内植え込み機器用非接触型システムの開発 (2015)
  • Author(s): 高地 健, 武良 盛太郎, 山田 昭博, 平 恭紀, 白石 泰之, 三浦 英和, 山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 逐次同定法を用いた補助人工心臓運用時の適応的拍動推定と心拍同期制御 (2015)
  • Author(s): 幡谷 原太, 田中 明, 吉澤 誠, 山家 智之, 白石 泰之, 三浦 英和
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] サポートベクタマシンを利用した補助人工心臓装着時の大動脈弁の開閉の有無及び開閉時間の推定 (2015)
  • Author(s): 鷹箸 修平, 田中 明, 吉澤 誠, 白石 泰之, 三浦 英和, 山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] CCDを用いた埋め込み型小型肺循環血流観察デバイス開発のための基礎検討 (2015)
  • Author(s): 渡辺 祥太, 白石 泰之, 三浦 英和, 井上 雄介, 山田 昭博, 坪子 侑佑, 平 恭紀, 山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 右心循環用に用いる人工心臓用モータの性能評価 (2015)
  • Author(s): 萩尾 勇樹, 三浦 英和, 白石 泰之, 片平 晋太郎, 佐々木 一益, 山田 昭博, 坪子 侑佑, 平 恭紀, 山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 小児用ePTFE製肺動脈弁の弁葉およびbulging sinusが弁機能へ及ぼす影響の基礎検討 (2015)
  • Author(s): 坪子 侑佑, 白石 泰之, 武良 盛太郎, 山田 昭博, 山岸 正明, 山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] ePTFE製肺動脈弁の弁挙動解析の基礎検討 (2015)
  • Author(s): 武良 盛太郎, 白石 泰之, 坪子 侑佑, 三浦 英和, 山岸 正明, 山家 智之
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会大会
  • Place of Presentation: 東京ドームシティ（東京）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] Embedding quality into interaction between animal models and mechanical evaluation (2015)
  • Author(s): Shiraishi Y, Sasaki K, Yambe T, Saiki Y
  • Organizer: ICS2015
  • Place of Presentation: ゴールドコースト（オーストラリア）
  • Year and Date: 2015-11-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A quantitative estimation method of peripheral perfusion by using a CCD camera during rotary blood pump support (2015)
  • Author(s): Shiraishi Y, Sano K, Watanabe S, Kitano T, Miura H, Tanaka A, Yoshizawa M, Yambe T.
  • Organizer: IUPSEM-World Congress 2015
  • Place of Presentation: トロント（カナダ）
  • Year and Date: 2015-06-11
• [Presentation] Contraction support for the right ventricle by a shape memory alloy fibered artificial myocardium (2015)
  • Author(s): Shiraishi Y, Yambe T.
  • Organizer: 10th Asian Control Conference
  • Place of Presentation: ステラリゾート（マレーシア）
  • Year and Date: 2015-06-01
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Non invasive evaluation of the renal blood flow during left ventricular assistance (2015)
  • Author(s): Shiraishi Y, Yambe T, Inoue Y, Sasaki K, Miura H, Tanaka A, Yoshizawa M, Katahira S, Akiyama M, Saiki Y
  • Organizer: 第54回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（名古屋）
  • Year and Date: 2015-05-07
• [Remarks] 東北大学加齢医学研究所心臓病電子医学分野
  • URL: mec1.idac.tohoku.ac.jp
• [Remarks] 東北大学加齢医学研究所非臨床試験推進センター
  • URL: tops.idac.tohoku.ac.jp
• [Funded Workshop] 2nd Biomedical Symposium (2015)
  • Place of Presentation: Macquarie University Hospital（オーストラリア）
  • Year and Date: 2015-11-16 – 2015-11-16