インテリジェント人工臓器創成を目指した人工臓器内血流の分光イメージング

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26870902
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 迫田 大輔 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 健康工学研究部門, 研究員 (40588670)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 可視・近赤外分光 / 血液 / 循環器デバイス / 血栓

Outline of Annual Research Achievements

重症心肺不全症に対する治療法として用いられる人工心臓や人工肺内の血液情報（流速、ヘモグロビン濃度、血栓）のイメージングを達成することで、人工臓器システムが患者の容態情報から、デバイスの仕事量、システム異常を認識でき、安全な治療を実現する「インテリジェント人工臓器」の開発をゴールとして研究を行ってきた。
in vitro血栓試験およびブタを用いた体外補助循環大型動物実験における、動圧浮上遠心血液ポンプ内の血栓形成過程イメージング法の開発を行った。インペラが高速回転する遠心血液ポンプ内を撮影するため、ポンプ回転数と同周波数のキセノンパルス光源を照射し、ストロボ効果によりインペラの静止像を得た。ポンプ内血液による後方散乱光をハイパースペクトラルカメラにて撮影し、600～750nmの波長帯におけるスペクトル画像を得た。大型動物実験において、血液ポンプ内の吸光度変化領域が出現していく様子を撮影できた。この領域は実験後に確認したポンプ内血栓の形状と一致していた。血液凝固領域において吸光度からヘモグロビン濃度が低下していることがわかった。したがって光による血液凝固イメージングの基本原理は、フィブリン生成時に取り込まれる赤血球密度が周囲全血と異なることを利用することであることが明らかとなった。大型動物実験の結果、ポンプ内の血栓形成に一貫性が無かった。これは脱血カニューレ等の上流デバイスでできた血栓がポンプに飛来して付着し、それを起源に成長していたためであることが撮影された。この様にして人工臓器開発研究者の願望であった、高速でインペラが回転する遠心血液ポンプ内の血栓形成過程のイメージングに世界で初めて成功し、循環器デバイスの血液適合性は周囲デバイスの血液適合性と相互に関係するということを初めて視覚的に示すことができた。

Research Products

• [Journal Article] Optical aggregometry of red blood cells associated with the blood-clotting reaction in extracorporeal circulation support (2016)
  • Author(s): Daisuke Sakota, Ryo Kosaka, Masahiro Nishida, Osamu Maruyama
  • Journal Title: Journal of Artificial Organs Volume: - Pages: 1-8
  • DOI: 10.1007/s10047-016-0895-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Real-time observation of thrombus growth process in an impeller of a hydrodynamically levitated centrifugal blood pump by near-infrared hyperspectral imaging (2015)
  • Author(s): Daisuke Sakota, Tomotaka Murashige, Ryo Kosaka, Tatsuki Fujiwara, Masahiro Nishida, Osamu Maruyama
  • Journal Title: Artificial Organs Volume: 39 Pages: 714-719
  • DOI: 10.1111/aor.12560
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hyperspectral imaging of vascular anastomosis associated with blood flow and hemoglobin concentration (2015)
  • Author(s): Daisuke Sakota, Eiki Nagaoka, Osamu Maruyama
  • Journal Title: Proceedings of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Volume: - Pages: 4246-4249
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 動圧浮上遠心血液ポンプ内血栓の動的挙動イメージング法の開発 (2016)
  • Author(s): 田原禎生, 迫田大輔, 藤原立樹, 大内克洋, 荒井裕国, 丸山修
  • Organizer: 第44回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
  • Place of Presentation: 松島 大観荘, 宮城
  • Year and Date: 2016-03-04 – 2016-03-05
• [Presentation] 体外循環における非採血式血液凝固・生化学検査を実現する血液内近赤外光散乱モデルの開発 (2015)
  • Author(s): 迫田大輔
  • Organizer: 第53回日本人工臓器学会
  • Place of Presentation: 東京ドームホテル, 東京
  • Year and Date: 2015-11-19 – 2015-11-21
• [Presentation] Hyper-spectral imagingを用いたポンプ内血栓リアルタイムモニタリングシステムの大型動物実験における検証 (2015)
  • Author(s): 藤原立樹, 迫田大輔, 大内克洋, 遠藤衆, 山野春樹, 田原禎生, 関晴永, 村重智崇, 小阪亮, 西田正浩, 丸山修, 荒井裕国
  • Organizer: 定常流ポンプ研究会2015
  • Place of Presentation: 東京ドームホテル, 東京
  • Year and Date: 2015-11-19 – 2015-11-19
• [Presentation] Investigation of optical changes in blood associated with thrombogenic process (2015)
  • Author(s): Daisuke Sakota, Tatsuki Fujiwara, Katsuhiro Ouchi, Ryo Kosaka, Masahiro Nishida, Osamu Maruyama
  • Organizer: 23rd Annual Congress of the International Society for Rotary Blood Pumps
  • Place of Presentation: Hotel Excelsior, Dubrovnik, Croatia
  • Year and Date: 2015-09-27 – 2015-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The real-time optical monitoring of thrombus formaiton inside the blood pump during extracorporeal circulation using hyperspectral imaging in acute animal experiments (2015)
  • Author(s): Tatsuki Fujiwara, Daisuke Sakota, Katsuhiro Ouchi, Tomotaka Murashige, Ryo Kosaka, Masahiro Nishida, Shu Endo, Eiki Nagaoka, Keiji Oi, Tomohiro Mizuno, Osamu Maruyama, Hirokuni Arai
  • Organizer: 23rd Annual Congress of the International Society for Rotary Blood Pumps
  • Place of Presentation: Hotel Excelsior, Dubrovnik, Croatia
  • Year and Date: 2015-09-27 – 2015-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 循環器デバイス内血液凝固過程における工学特性変化のメカニズム (2015)
  • Author(s): 迫田大輔, 藤原立樹, 大内克洋, 小阪亮, 西田正浩, 丸山修
  • Organizer: LIFE2015
  • Place of Presentation: 九州産業大学, 福岡
  • Year and Date: 2015-09-07 – 2015-09-09
• [Presentation] Hyperspectral imaging of vascular anastomosis associated with blood flow and hemoglobin concentration (2015)
  • Author(s): Daisuke Sakota, Eiki Nagaoka, Osamu Maruyama
  • Organizer: 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Mirano Conference Center, Milan, Italy
  • Year and Date: 2015-08-25 – 2015-08-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 循環器デバイス内リアルタイム血栓形成イメージング法の開発 (2015)
  • Author(s): 迫田大輔, 藤原立樹, 大内克洋, 田原禎生, 村重智崇, 小阪亮, 西田正浩, 荒井裕国, 丸山修
  • Organizer: 第38回日本バイオレオロジー学会年会
  • Place of Presentation: 東京学術センター, 東京
  • Year and Date: 2015-06-06 – 2015-06-07
• [Presentation] Optical imaging method of thrombus formation in mechanical circulatory supports (2015)
  • Author(s): Daisuke Sakota, Tatsuki Fujiwara, Katsuhiro Ouchi, Tomotaka Murashige, Ryo Kosaka, Masahiro Nishida, Osamu Maruyama
  • Organizer: 15th International Congress of Biorhelogy
  • Place of Presentation: Korea University, Seoul, Korea
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hyper-spectral imaging 法による血液ポンプ内血栓検出装置の大型動物実験における検証 (2015)
  • Author(s): 藤原立樹, 迫田大輔, 大内克洋, 遠藤衆, 村重智崇, 田原禎生, 関晴永, 小阪亮, 丸山修, 荒井裕国
  • Organizer: 第37回日本血栓止血学会学術集会
  • Place of Presentation: 甲府市総合市民会館, 山梨
  • Year and Date: 2015-05-21 – 2015-05-23
• [Remarks] 産業技術総合研究所 健康工学研究部門 人工臓器研究グループ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/hri/group/2015_ao-4/index.html