2014 Fiscal Year Research-status Report
解剖学的適合性を有するらせん流入路遠心血液ポンプによる全置換型人工心臓
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25861225
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
三浦 英和 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (50451894)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 全置換型人工心臓 / 経皮的電力伝送システム / 遠心血液ポンプ / 数値流体解析 / モノピボット軸受 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標である超小型、軽量の全置換型人工心臓（TAH）を実現するため実際の埋込手技に基づく動物実験を本年度は２例実施した。実験では適切なポンプ特性を明らかにするため性能評価が確立している市販の遠心血液ポンプを用いた。健常成ヤギを用い全身麻酔科に正中切開し人工心肺を施行した。そののち心室をを切除しその断端にカフを介し２台のポンプを接続した。結果、循環を維持することができ、血圧、血流は正常範囲内であった。TAHにおいては肺動脈に過剰な圧力が生じた際に肺水腫が起こり、ガス交換が不良となる問題がある。しかし遠心ポンプでは圧力が一定特性となるため、この問題が生じにくいことが明らかになった。他方、体循環側では末梢血管抵抗が変化した場合、血流量が大きく変化する問題が明らかになった。したがって左心用ポンプは適切なポンプ内部抵抗を持たせ、緩やかな圧流量特性を持たせることが望ましいと考えられた。
これらの結果からポンプの再設計を行った。動圧軸受については高い加工精度が要求されためコスト高になることは明らかで、低コストで幅広く使用できる人工心臓を目指す社会的要求を満たすことは困難である。そこで新しい構造のモノピボットを考案し試作を行った。ポンプ羽根形状については数値流体解析を行い、十分なポンプ性能を得ることを確認したのち試作を行った。試作したポンプのインペラ外径は３８ ｍｍで毎分２２００ 回転で５ L/min、１００ ｍｍHgの出力を達成した。このポンプを駆動するためのモータも設計試作を行い、毎分3000 回転, 20 mNmの出力を実現しておりポンプの要求仕様を満たしている。経皮的電力伝送システムについては定電流定電圧モードを周波数制御にて実現し、体内埋込の充電回路を省略できる新しい構成を考案した。
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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
本研究の目標である超小型、軽量の全置換型人工心臓（TAH）を実現するためには様々な技術要素を解決する必要がある。埋込手技については動物実験を２例実施した。健常成ヤギを用い全身麻酔科に正中切開し人工心肺を施行したそののち心室をを切除しその断端にカフを介し２台のポンプを接続した。結果、循環を維持することができTAHを埋めこむ方法がを確立できた。左心右心ポンプの適切な特性を明らかにすることができた。右心については肺動脈に過剰な圧力が生じないように遠心ポンプのような圧力が一定の特性が好ましい。他方、左心ポンプでは末梢血管抵抗が変化した場合、血流量が変化するため一定流量に特性に近いポンプが望ましい。
血液ポンプの開発については動圧軸受は高い加工精度が要求されためコスト高であること、軸受けクリアランスに高いせん断応力が発生しフォン・ビルブラント因子の減退により消化管出血の問題があることから、低コスト化、せん断応力の低減を図るべく新しい構造のピボット軸受を考案した。数値流体解析を導入し、ポンプ羽根形状について十分なポンプ性能を得ることを確認したのちに試作ができるようになった。試作したポンプではTAHとして必要な出力を得ると同時に遠心ポンプに過流ポンプの原理を組み合わせることによりインペラを30 ㎜程度まで小さくでき、更には回転数をより低くできること明らかにした。
このポンプを駆動するためのモータも仮定磁路法により設計試作を行い、磁気回路の断面積を最適化するなどして要求仕様を満たしつつ小型化を実現した。経皮的電力伝送システムについては定電流定電圧モードを周波数制御にて実現し、体内埋込の充電回路を省略できる新しい構成を試作し充電実験を行った。このように種々の研究の要素技術について解決を進めているため、研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度はデバイスの要素技術研究の進展と統合を図り最終的な完全埋込システムの完成を目指す。ポンプのハウジング、インペラ形状については数値流体解析を駆使して新しい構造の遠心ー過流ポンプを左心用に開発する。本ポンプは圧流量特性が一定流量により近い特性を持つことが明らかになったおり、末梢血管抵抗の変化に受動的に対応できる可能性があり、インペラ枚数、形状を調整することにより適切な特性を実現する。新しいピボット軸受はボール状の回転軸先端を軌道輪を走行する複数の球により支持される回転式ものピボット軸受である。これまでの滑り軸受に比べてせん断応力は少なく、流入口の直下に配置すればウォッシュアウト効果により血栓の発生が低減が期待できる。軸受け部については高い精度が要求されるがは回転軸受の構成部品製造については工業的に確立されており容易に試作可能であること、ポンプ全体としてはクリアランスが大きく取れるため要求加工精度は高くはないことから、低コストかつ高耐久のポンプが実現できる。このポンプにモータを組みつけ直径40 ㎜程度の小型ポンプを実現する。経皮的電力伝送システムでは体内の整流回路の出力を直接二次電池に接続し体外より直接充電制御を行う新しい体内二次電池充電システムの試作検討を行う。共振特性を利用し体外で入力電流が定電流となるように駆動周波数を変化させる。二次電池は過電圧保護回路を経て整流回路の出力に接続される。整流回路の出力と二次電池は切り替えスイッチで接続され電圧の高いほうからモータ駆動回路に電力を供給する。充電制御回路を体内に埋め込む必要がなく、高効率、小型化、発熱、そして故障と交換のリスクを考えると大きな利点がある。以上のように要素技術の改良と統合を行い、溶血試験等の基礎的な試験を経た後、動物実験によりシステムの有効性を確認する。
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