磁気浮上人工心臓における生体情報のセンサレス計測とＱＯＬ向上技術への応用

• 研究課題/領域番号: 17H04909
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械力学・制御
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 土方 亘 東京工業大学, 工学院, 准教授 (30618947)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2019年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2018年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2017年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
• キーワード: 磁気浮上型補助人工心臓 / 血栓検出 / 心拍同期制御 / 外乱オブザーバ / 補助人工心臓 / 磁気浮上 / センサレス計測 / 生体情報 / 流量制御 / 協調制御 / 人工心臓 / 磁気浮上システム / 血栓 / 血液粘度

研究成果の概要

心不全患者に使用する補助人工心臓は，ポンプ内血栓と患者の循環状態に合わせた流量制御が課題となっている．そこで本研究では，磁気浮上人工心臓を対象とし，インペラを強制変位加振したときの電流と変位の位相差から血栓を検出する技術を開発した．また，磁気浮上システムに外乱オブザーバを構築し，生体心臓の拍動に伴う流体力を推定することで，モータ回転数制御を心拍に同期させることで，適切な流量調節を行う制御システムを開発した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は，人工心臓装着患者の生存率向上および生活の質（QOL）向上に繋がる．特に，追加のセンサを用いずに制御系の変更のみで実装可能な点で，既存の磁気浮上型補助人工心臓にも適用可能であり，汎用性が高い．更に，磁気浮上システムを用いた生体信号のさんサレス計測という，新しい応用分野の発展にもつながる点で，学術的意義が大きい．

研究成果

• [雑誌論文] Detection of thrombosis in a magnetically levitated blood pump by vibrational excitation of the impeller (2020)
  • 著者名/発表者名: Hijikata Wataru、Maruyama Takuro、Murashige Tomotaka、Sakota Daisuke、Maruyama Osamu
  • 雑誌名: Artificial Organs 巻: - 号: 6 ページ: 594-603
  • DOI: 10.1111/aor.13632
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical antithrombogenic properties by vibrational excitation of the impeller in a magnetically levitated centrifugal blood pump (2019)
  • 著者名/発表者名: Murashige Tomotaka、Hijikata Wataru
  • 雑誌名: Artificial Organs 巻: 43 号: 9 ページ: 849-859
  • DOI: 10.1111/aor.13541
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sensorless measurement of biological information in a magnetically levitated artificial heart and its application to QOL improvement technology (2019)
  • 著者名/発表者名: Hijikata Wataru
  • 雑誌名: Impact 巻: 2019 号: 10 ページ: 70-72
  • DOI: 10.21820/23987073.2019.10.70
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Measuring real-time blood viscosity with a ventricular assist device (2019)
  • 著者名/発表者名: Hijikata Wataru、Maruyama Takuro、Suzumori Yuki、Shinshi Tadahiko
  • 雑誌名: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine 巻: 233 号: 5 ページ: 562-569
  • DOI: 10.1177/0954411919838738
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 磁気浮上型遠心ポンプの血栓検出手法の急性動物実験による検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤原立樹, 土方亘, 村重智崇, 関晴永, 田原禎生, 横田幸恵, 尾形麻斗, 大内克洋, 荒井裕国
  • 学会等名: 第４８回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
• [学会発表] 遠心ポンプ内の意図した箇所に血栓形成を誘発させるフィブリノゲンコーティング法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 関晴永, 藤原立樹, 土方亘, 村重智崇, 横田幸恵, 尾形麻斗, 大内克洋, 荒井祐国
  • 学会等名: 第４８回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
• [学会発表] 磁気浮上インペラの微小加振によって血栓を予防するインテリジェント人工心臓の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土方亘, 村重智崇
  • 学会等名: 第４８回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
• [学会発表] Evaluating Plasma Skimming with Whole Blood in Small Gap Region Imitating Clearance of Blood Pumps (2019)
  • 著者名/発表者名: Ming Jiang, Tomotaka Murashige, Daisuke Sakota, Wataru Hijikata
  • 学会等名: IEEE EMBC 2019
• [学会発表] 磁気浮上型遠心ポンプの血栓検出に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤原立樹, 土方亘, 大内克洋, 村重智崇, 関春永, 田原禎生, 横田幸恵, 尾形麻斗, 荒井裕国
  • 学会等名: 第47回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
• [学会発表] 急性動物実験において血液ポンプ内の意図した部位に血栓形成を誘発させる手法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 尾形麻斗, 藤原立樹, 大内 克洋, 土方 亘, 村重 智崇, 佐藤翔太, 関晴永, 荒井裕国
  • 学会等名: 第47回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
• [学会発表] 知能化磁気浮上システムの開発と医療応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 土方亘, 村重智崇, 丸山拓朗, 藤原立樹, 大内克洋, 荒井裕国
  • 学会等名: 第16回「運動と振動の制御」シンポジウム (MoViC2019)
• [学会発表] Development of an intelligent blood pump with a self-detecting function of thrombus (2018)
  • 著者名/発表者名: Wataru Hijikata, Tomotaka Murashige, Takuro Maruyama, Asato Ogata, Tatsuki Fujiwara, Katsuhiro Ohuchi, Hirokuni Arai
  • 学会等名: 26th Annual Meeting for the International Society for Mechanical Circulatory Support (ISMCS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of an axial blood pump with a large-gap passive levitation technology utilizing a combination of magnetic force and thrust force (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Shoji, Tomotaka Murashige, Wataru Hijikata
  • 学会等名: 26th Annual Meeting for the International Society for Mechanical Circulatory Support (ISMCS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Reduction of von Willebrand factor in response to shear stress loading and evaluation of bleeding risk prior to LVAD implantation (2018)
  • 著者名/発表者名: Ko Sakatsume, Masatoshi Akiyama, Yunan Zuo, Daisuke Sakota, Wataru Hijikata, Hisanori Horiuchi, Osamu Maruyama, Yoshikatsu Saiki
  • 学会等名: 26th Annual Meeting for the International Society for Mechanical Circulatory Support (ISMCS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Prevention of thrombus formation inside a magnetically levitated centrifugal blood pump using impeller vibration excitation (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Murashige, Ming Jiang, Wataru Hijikata
  • 学会等名: 26th Annual Meeting for the International Society for Mechanical Circulatory Support (ISMCS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of impeller vibrational excitation on enhancing antithrombogenic properties of a centrifugal blood pump with a magnetic bearing (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Murashige, Wataru Hijikata
  • 学会等名: 45th Annual European Society for Artificial Organs,The International Journal of Artificial Organs
  • 国際学会
• [学会発表] Development of an intelligent ventricular assist device with a function of sensorless thrombus detection (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuro Maruyama, Tomotaka Murashige, Daisuke Sakota, Osamu Maruyama, Wataru Hijikata
  • 学会等名: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 均一なshear stress負荷によるvon Willebrand因子高分子多量体の減少と出欠リスクの評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂爪公, 秋山正年, 左雨南, 迫田大輔, 土方亘, 堀内久徳, 丸山修, 齊木佳克
  • 学会等名: 第５６回日本人工臓器学会大会
• [学会発表] センサレス血栓検知機能を備えたインテリジェント人工心臓の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 丸山拓朗, 村重智崇, 土方亘
  • 学会等名: 生活生命支援医療福祉工学系連合大会(LIFE2018)
• [学会発表] ポンプ内血栓を自己検知するインテリジェント人工心臓の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村重智崇, 丸山拓朗, 迫田大輔, 丸山修, 土方亘
  • 学会等名: 第４６回人工心臓と補助循環懇話会学術集会
• [学会発表] Sensorless Detection of Thrombus Using Real-Time Viscosity Measurement in a Magnetically-Levitated Rotary Blood Pump (2017)
  • 著者名/発表者名: Takuro Maruyama, Tomotaka Murashige, Daisuke Sakota, Osamu Maruyama, Wataru Hijikata
  • 学会等名: International Society for Mechanical Circulatory Support 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 人工心臓用磁気軸受を用いたセンサレス血栓検出の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丸山拓朗, 迫田大輔, 丸山修, 土方亘
  • 学会等名: 第２９回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム
• [学会発表] 磁気浮上式人工心臓におけるセンサレス粘度推定とその応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丸山 拓朗, 土方 亘, 進士 忠彦
  • 学会等名: 日本機械学会関東学生会第56回学生員卒業研究発表講演会
• [備考] 東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100514739&alldisp=1&tab_yf=2019
• [備考] T2R2 Tokyo Tech Research Repository
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100514739
• [備考] 東京工業大学 岡田土方研究室 土方グループ 研究内容
  • URL: http://www.hcds.esd.titech.ac.jp/htmls/hijikata-group/research.html