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体外循環補助装置の安心・安全な中長期使用を実現するための血球性状評価技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K12882
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分90140:医療技術評価学関連
研究機関弘前大学

研究代表者

矢野 哲也  弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (70404853)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード血球脆弱性 / 血球損傷 / 溶血 / 光学計測 / 体外循環装置 / 血液ポンプ / 血栓センサ / 機械学習 / 血球膜損傷 / 改良設計 / 溶血試験
研究開始時の研究の概要

光学的手法により血球の力学的性状を迅速かつ簡便に評価する方法(血球性状評価法)を確立する.体外循環補助装置や膜型人工肺(ECMO)を使用した呼吸補助装置に搭載される血液ポンプおよびその構成要素の血液適合性評価に同評価法を適用する.この評価結果に基づき機器の改良設計を行い,性能改善を図る.医療機器開発段階から臨床使用段階まで適用可能な血球性状評価法を用い,血液適合性の良好な循環器デバイスの開発と安全な体外循環管理の実現を目指す.

研究実績の概要

本研究は,体外循環補助装置に搭載される血液ポンプおよびその構成要素の血液適合性評価に適用可能な血球性状評価法を確立することを目標としている.2023年度中に以下の成果を得た.
【血球脆弱性評価】本研究課題では,急速低張液曝露法と呼ぶ赤血球脆弱性評価法の開発を進めている.この手法は,赤血球分散液を低張液に分注することで,赤血球を低張環境に急速曝露し,膨潤,崩壊させ,そのときの赤血球分散液の光学特性の時間変化から,赤血球崩壊時間の分布を推定するものである.低張曝露された赤血球は,膨潤により赤血球は球形となり,内部のヘモグロビン濃度が徐々に低下し,崩壊により数密度が低下する.そこで,元の両凹円盤形の赤血球と等表面積の球としてミー散乱理論を適用し,赤血球内ヘモグロビン濃度および赤血球数密度を変化させた条件の下で,モンテカルロ法による光伝播シミュレーションを実行し,分散液の光学特性と赤血球内ヘモグロビン濃度,赤血球数密度の関係式を導出した.また,この関係式をもとに,実験で得られた透過光および散乱光の強度の変化から赤血球数密度の変化を算出し,赤血球の崩壊時間の分布すなわち脆弱性の分布を推定することが可能となった.
【血球脆弱性評価の自動化】急速低張液曝露法において,低張液への試料液注入を自動化する装置を製作した.体外循環装置による補助循環中の赤血球脆弱性の評価は,①循環回路からの採血,②試料液の調製,③光学計測の3つの工程で構成される.2022年度に工程①,2023年度に③の前半工程の自動化を完了した.
【ポンプ要素技術の開発】スパイラル状の溝構造を有する遠心型血液ポンプ用動圧スラスト軸受について,形状の異なる複数のモデルをコンピュータ上に構築し,数値流体解析により,溝断面形状が軸受発生力および軸受隙間流量に及ぼす影響を明らかにした.

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

【血球脆弱性評価】低張液曝露による赤血球形態の変化過程を顕微鏡下で観察し,特に両凹円盤形状から球形になる膨潤過程を詳細に調べ,赤血球分散液の散乱光強度の変化に基づく膨潤過程の推定が可能となった.これにより,球形赤血球を仮定した光散乱シミュレーションの結果の適用可能範囲が明確になり,シミューレーションを援用した血球脆弱性分布推定の妥当性向上につながった.また,低張液曝露中の赤血球分散液の散乱光強度を異なる散乱角において同時計測し,それらのデータを統合することにより,血球脆弱性分布推定の精度向上を図ることが可能であることを示した.
【血球脆弱性評価の自動化】体外循環施行中の血球脆弱性評価の省力化のために,一連の工程の自動化を進めている.循環回路からの血液サンプリング,等張液による希釈(試料液の調製),低張液曝露,光計測,脆弱性評価のうち,血液サンプリングおよび低張液曝露工程の自動化を2023年度までに完了した.
【ポンプ要素技術の開発】スパイラル状の溝構造を有する遠心型血液ポンプ用動圧スラスト軸受の数値流体解析を行い,溝断面形状が軸受発生力および軸受隙間流量に及ぼす影響を明らかにし,血液適合性を考慮した改良設計のための有益な指針を得た.
これらの成果は,体外循環補助装置の開発や安心・安全な中長期使用の実現に資するものである.以上より,本研究はおおむね順調に進展していると判断した.

今後の研究の推進方策

【血球脆弱性評価】急速低張液曝露法による血球脆弱性評価の確立に向けた研究を推進する.
基礎・・・酸化剤添加が赤血球の膜骨格の構造を変化させ,膜剛性率を変化させることが先行研究で明らかにされている.本研究では,同様の化学的負荷を与えた赤血球の脆弱性分布を,急速低張液曝露法により評価し,膜剛性率の変化を検出可能か調べる.実際の酸化剤添加赤血球の膜骨格構造や膜面の局所の剛性率を測定することが理想的であるが,試料の前処理や測定にあたり多くのノウハウが必要であることから困難が予想される.そこで,ここでは,せん断流中での血球伸長度により変形能を測定する標準的な方法であるエクタサイトメトリと急速低張液曝露法の評価結果を比較することとする.なお,赤血球の力学特性と血球膜の微細構造の変化を,変形能の変化から推定可能であることは示されている.
応用・・・成人左心補助を想定した条件に加え,より低揚程および高揚程の条件で体外循環装置を使用したときの血球脆弱性分布の時間変化を調べ,それらの傾向の差異を明らかにする.このほか,体外循環施行中の血球脆弱性評価の省力化のために,循環回路からの血液サンプリング,等張液による希釈(試料液の調製),低張液曝露,光計測,損傷度評価の一連の処理を自動化するシステムを構築する.このうち,血液サンプリングおよび低張液追加工程の自動化を2023年度までに完了しており,2024年度は,残りの工程の自動化を進める.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] バイオメカニクス(溶血・赤血球損傷)2023

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也
    • 雑誌名

      人工臓器

      巻: 52 号: 3 ページ: 198-201

    • DOI

      10.11392/jsao.52.198

    • ISSN
      0300-0818, 1883-6097
    • 年月日
      2023-12-15
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 補助人工心臓の設計のための数値流体解析2023

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也
    • 雑誌名

      フルードパワーシステム

      巻: 54 ページ: 103-108

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Development and initial performance of a miniature axial flow blood pump using magnetic fluid shaft seal2022

    • 著者名/発表者名
      Okamoto Eiji, Yano Tetsuya, Sekine Kazumitsu, Inoue Yusuke, Shiraishi Yasuyuki, Yambe Tomoyuki, Mitamura Yoshinori
    • 雑誌名

      Journal of Artificial Organs

      巻: 26 号: 1 ページ: 12-16

    • DOI

      10.1007/s10047-022-01330-7

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 電気穿孔法を用いた電気的負荷による赤血球脆弱性の変化2023

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也,曽根琴音,石塚空
    • 学会等名
      日本機械学会 第35回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 段差付き流路内の血栓形成のモデル化と数値流体解析による血栓成長のシミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      駒谷萌衣,石塚空,増田貴文,矢野哲也
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部 第59期秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Changes in Light Scattering Properties of Suspensions Containing Erythrocytes with Swelling and Collapse2023

    • 著者名/発表者名
      Sora Ishizuka, Tetsuya Yano
    • 学会等名
      ICFD2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Performance Evaluation of Hydrodynamic Thrust Bearing for Centrifugal Blood Pumps by CFD Simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Masuda, Eiji Okamoto, Daisuke Sakota, Ryo Kosaka, Tetsuya Yano
    • 学会等名
      ICFD2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 遠心ポンプを用いた血液循環中の赤血球脆弱性の分布の変化2023

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也,曽根琴音,石塚空
    • 学会等名
      第61回日本人工臓器学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 血球の膨潤および崩壊を伴う血球分散液の光散乱シミュレーション―血球脆弱性分布の推定に向け て2023

    • 著者名/発表者名
      石塚空,矢野哲也
    • 学会等名
      第61回日本人工臓器学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 遠心血液ポンプ用流体スラスト軸受内の段差形状が流れに及ぼす影響の数値解析的検討2023

    • 著者名/発表者名
      増田貴文,矢野哲也,岡本英治,迫田大輔,小阪亮
    • 学会等名
      第61回日本人工臓器学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 溶血量に代わる血液適合性指標 赤血球脆弱性を光で測る2023

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也,石塚空
    • 学会等名
      日本定常流ポンプ研究会学術集会2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 遠心ポンプ用スパイラル流体軸受内のヘマトクリット低下を考慮した血流解析2023

    • 著者名/発表者名
      増田貴文,矢野哲也
    • 学会等名
      第57回日本生体医工学会東北支部大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of a Model of Thrombus Formation and Its Application to the Simulation of Thrombus Growth in a Cylindrical Container with a Stepped Shape Bottom2023

    • 著者名/発表者名
      Moe Komaya, Sora Ishizuka, Takafumi Masuda, Tetsuya Yano
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Experimental Mechanics for Students and Young Researchers 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 体外循環用遠心ポンプによる血液循環中の赤血球脆弱性の変化2022

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也,浅野昂佑,石塚空
    • 学会等名
      第61回日本生体医工学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 定常流ポンプによる血液循環に伴う血球脆弱性の変化2022

    • 著者名/発表者名
      矢野哲也
    • 学会等名
      日本定常流ポンプ研究会学術集会2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 深層学習によるモノピボット遠心血液ポンプ内血栓光検出範囲拡張の試み2022

    • 著者名/発表者名
      高山史也,矢野哲也,井上将,迫田大輔
    • 学会等名
      第60回日本人工臓器学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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