| 研究課題/領域番号 |
21K08874
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分55030:心臓血管外科学関連
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| 研究機関 | 桐蔭横浜大学 |
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研究代表者 |
大沼 健太郎 桐蔭横浜大学, 医用工学部, 講師 (50527992)
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| 研究分担者 |
住倉 博仁 東京電機大学, 理工学部, 准教授 (20433998)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
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| キーワード | 連続流VAD / 駆動制御 / シミュレーション / 人工心臓 / 計算機シミュレーション |
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| 研究開始時の研究の概要 |
体外設置型連続流式の補助人工心臓（VAD）は、人工心肺用を応用した回路構成に起因する流路障害や塞栓症など生命維持に直結する課題を有している。本研究は、自律的な血液ポンプ制御と協調的なアラーム機構により体外設置型連続流VADの安全性と有効性を向上するべく、探索的駆動アルゴリズムを拡張するとともに、制御法で改善し得ない状況に対して協調的に医療従事者の処置を促す安全機構を実装し、計算機シミュレーションと実機駆動試験で実現可能性を検証する研究である。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、血液ポンプの駆動制御により流路障害や血行動態の急変で生じる危険状態の自律的解消・軽減を図ることで、体外設置型連続流VADの安全性・有効性を向上することを目的としている。本年度は、昨年までに拡張した確率的手法による自律的流量制御アルゴリズムを血液ポンプコントローラに実装し、左心補助を模擬した機械的循環回路で挙動を確認した。駆動中に血液ポンプ流入出路の循環抵抗を変更し、流出側の障害に対しては自律的に回転数が上昇して低下した平均流量を補償し、流入側の障害に対しては断続して回転数を低下させることで探索的に物理的に可能な範囲で概ね最大の流量を保持する挙動を示した。また、流路の過度の閉塞や循環容量の不足など血液ポンプの回転数制御だけで解消困難な状況において、シナリオベースで協調的に医療従事者の処置を促す協調的アラーム機能を実装するため、治療工程、生体（患者）、VAD、医療従事者の相互作用を含む状態遷移モデルを構築し、デッドロックを検証することでシステム上の行き詰まりを低減するとともに、介入が必要な状況の一部を抽出した。併せてこの状況に対するアラームのアルゴリズムを構築した。また、拍動下の模擬循環試験において、流量制御とアラーム機構の最適化を図り、次年度に計画している長期駆動試験に向けた計測系の構築を開始した。あわせて、確率的挙動に対する血液適合試験に向けた計測系、循環回路の構成に着手した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、左心補助を模した機械的循環回路により構築アルゴリズムを実装した血液ポンプの挙動を拍動下で確認した。駆動中に血液ポンプ流入出路の抵抗を変えた際の挙動は、当初の想定のとおり流出側の障害に対しては回転数が上昇して低下した流量を補償し、流入側の障害に対しては断続的に回転数を低下させて物理的に可能な範囲で概ね最大の流量を保持する挙動を示した。また、アラーム機構のワークフローモデルを構築した。
長期駆動試験及び血液適合性試験に向けた試験回路の構築に着手した。
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| 今後の研究の推進方策 |
PCシミュレータによる動作検証と併せて、構築アルゴリズムを実装したシステムによる、左心補助を模した流路で流量制御とアラームの長期駆動時の信頼性を検証し、必要に応じてシステムの最適化を図る。その後、確率的な短周期の回転数変動と、長周期に断続的に起こりうる低流量状態に対する血液適合性への影響を検討する予定である。
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