新規治療機器を実臨床に導入時に有効な循環シミュレータの開発

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H03041
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 梅津 光生 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90132927)
• 研究分担者: 岩崎 清隆 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339691) ; 伊関 洋 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90119892) ; 八木 高伸 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (00468852)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 循環シミュレータ / 新規治療機器 / 医療技術評価

研究実績の概要

本研究では，研究代表者(梅津)が有する体循環シミュレータ(流体循環モデル)の技術を活かし，生体という“不確定要素のかたまり”を相手に，3種類の新規治療機器(うち2種は国産)による医療行為が臨床現場で効果的に発揮できるような“循環シミュレータ”の評価装置の開発を行うことに焦点を絞り，研究を推進している．対象とした新規治療機器はA) 国産人工弁(ステントレス僧帽弁：NORMO弁)，B) 経皮的大動脈弁，C) 生体吸収性ステントの3つとし，研究を実施している．
A) 国産人工弁(ステントレス僧帽弁：NORMO弁)の植込み手術・評価用シミュレータの開発　NORMO 弁の性能評価に使用してきたシミュレータの臨床面からの改良を進める．又それと並行して構造解析などから耐久性予測も行い，弁の性能を向上させる．そして，NORMO 弁の性能や植込手術，術後管理リスクの評価ができる拍動型シミュレータを作り上げることを目的とし研究を行っている．
B) 経皮的大動脈弁の適正な径選択と留置部位検討用シミュレータの開発　Valsalva を含む解剖学的にも力学的にも高精度のヒトの弾性大動脈モデルを作り，現在,我国で臨床が開始された新型弁の適切な留置位置決めが可能となる手法の確立．そして3 年後の最終年には，カルシウム沈着，小口径といったサイズ選択と高リスクに対応できるシミュレータを作り上げることを目的として研究を行っている．
C) 生体吸収性ステントの性能評価用シミュレータの開発　狭窄病変や分岐モデルをまず高精度に製作する技術を確立し，そこでの最適ステント拡張・挿入方法を検討すると共に，3 年後の最終年には，繰り返し屈曲部の適正に留置する手法を動的に評価できるシミュレーションの開発を行うことを目的として研究を行っている.

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

A) 国産人工弁(ステントレス僧帽弁：NORMO弁)の植込み手術・評価用シミュレータの開発　(a)ドライラボの開催時に第一線の多数の心臓外科医の協力を得て，現状のシミュレータの課題点の抽出を実施した．さらに，(b)研究協力者が在籍する榊原記念病院の協力のもと，患者左室形状CT データを取得し，患者病態モデルの解剖学的，組織学的分析を実施した.その結果，患者CTデータより患者の解剖学的な特徴を取得し，より詳細なモデルを製作するための知見を得た．
B) 経皮的大動脈弁の適正な径選択と留置部位検討用シミュレータの開発　患者40症例のCTデータから，三次元構築ソフトMimicsを用いて三次元モデルを構築し，大動脈弁の弁輪部近傍の石灰化を9種類の部位に分類して定量化を行った．石灰化の量と臨床での逆流量の関係が特徴的な症例を選択し，石灰化の硬度がA56の弁尖無し大動脈弁モデルと，石灰化の硬度をA56とA24に変化させた弁尖付き大動脈弁モデルの3種をシリコーンで製作し，拍動循環回路を用いて，大動脈弁流量を測定した．その結果，臨床で逆流量の多かった患者モデルは弁輪部上下2 mmに石灰化が多いことが判明した．さらに，弁尖付きモデルは，弁尖無しモデルと比べ静的逆流量が約18%減少し，弁周囲逆流の評価には弁尖付き大動脈弁モデルが必須であることが示唆された．
C) 生体吸収性ステントの性能評価用シミュレータの開発　冠動脈の流量・圧力環境を創出可能な回路の開発を行った．その結果，ローラポンプを用い，ヘッド形状を新たに設計し，特徴的なダブルピークの形状を有する，平均60 mL/minの流量波形，120/80(100) mmHgの圧力波形を創出する回路を開発した．また，ヤング率が異なる3種類のシリコーンを用いて，生体吸収性スキャフォールドが留置される治療適用範囲内の狭窄率を有する狭窄病変部を模擬した狭窄血管モデルを開発した．

今後の研究の推進方策

A) 国産人工弁(ステントレス僧帽弁：NORMO弁)の植込み手術・評価用シミュレータの開発　心臓壁の動きを再現でき，また，僧帽弁と乳頭筋の連続性を再現可能で，且つ，解剖学的・病理学的により詳細なデータが取得可能な評価用シミュレータの開発を最終目的とし，(a) 前年度に取得した患者病態モデルの解剖学的，組織学的分析の結果を基に弾性材料であるシリコーンで精度の向上した左心室モデルを作成し，(b) 作成したモデルを循環シミュレータに組込み性能を評価する．
B) 経皮的大動脈弁の適正な径選択と留置部位検討用シミュレータの開発　経皮的大動脈弁は，口径が3 種類あり，弁口径の選択指針やカルシウム沈着部位での弁の適正留置方法を示すことが求められている． 国内治験施設である湘南鎌倉病院の臨床医の協力を得てこのテーマの課題に対する定量データを取得可能なシミュレータの開発を行う．大動脈部位の解剖学的・病理学的(石灰化部位)にも患者に近づけた循環シミュレータを開発することを最終目的とし，経皮的大動脈弁の適正なサイズ，留置部位が十分に検討できることを最終目標と設定した．今後は(a) 組織学的分析に基づく石灰化モデルを製作し，(b) 経皮的大動脈弁の挿入試験を実施し，臨床医の観点から考察を行う．
C) 生体吸収性ステントの性能評価用シミュレータの開発　生体吸収性ステントの吸収・分解特性をin vitroで再現し,破断耐久性試験法を提案することを最終目的とし，(a) これまでに開発したin vitro生体吸収性ステントの吸収・分解特性試験を実時間で実施し，分解を伴う生体吸収性スキャフォールドについて，生体内で内膜に覆われると想定される6ヶ月間までの経時的な拡張性能を明らかにしていく．(b) 得られたデータを基に構造解析のプロトコールの作成に着手する．

研究成果

• [雑誌論文] Biomedical engineering analysis to reduce incompletely apposed area yielded by jailed struts after single stenting at left main bifurcation lesions: Micro-CT analysis using a three-dimensional elastic bifurcated coronary artery model (2016)
  • 著者名/発表者名: Hikichi Y, Umezu M, Node K, Iwasaki K
  • 雑誌名: Cardiovasc Interv and Ther 巻: なし
  • DOI: 10.1007/s12928-016-0380-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Biomechanical modeling to improve coronary artery bifurcation stenting: Expert review document on techniques and clinical implementation (2015)
  • 著者名/発表者名: Antoniadis AP, Mortier P, Kassab G, Dubini G, Foin N, Murasato Y, Giannopoulos A, Tu S, Iwasaki K, Hikichi Y, Migliavacca F, Chiastra C, Wentzel J, Gijsen F, H.Reiber J, Barlis P, Serruys PW, Bhatt DL, Stankovic L, Edelman ER, Giannoglou GD, Louvard Y, Chatzizisis YS
  • 雑誌名: JACC: Cardiovascular Interventions 巻: 8(10) ページ: 1281-1296
  • DOI: 10.1016/j.jcin.2015.06.015.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lessons from the real bench: Non-BRS (2015)
  • 著者名/発表者名: Ormiston J, Darremont O, Iwasaki K, Murasato Y, Hikichi Y, Webber B, Webster M
  • 雑誌名: EuroIntervention: journal of EuroPCR in collaboration with the Working Group on Interventional Cardiology of the European Society of Cardiology 巻: 11 ページ: V27-V30
  • DOI: 10.4244/EIJV11SVA6.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic analysis of the incidence of coronary stent fracture and adverse events in Japan (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.Matsui, M. Umezu, H.Kasanuki, K.Iwasaki
  • 雑誌名: Regulatory Science of Mecical Products 巻: 6(1) ページ: 1-10
  • DOI: 10.14982/rsmp.6.1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adantages by vagus nerve stimulation therapy in patient in medically refractory epilepsy based on analysis of direct medical cost of one general hospital in Japan (2015)
  • 著者名/発表者名: A.Onomura, T.Yamamoto, H.Iseki, K.Iwasaki, M.Umezu
  • 雑誌名: Regulatory Science of Mecical Products 巻: 5(2) ページ: 111-120
  • DOI: 10.14982/rsmp.5.111
  • 査読あり
• [学会発表] ステントレス僧帽弁（Normo弁）の加速耐久試験方法の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀内勇希，岩﨑清隆，臼井一晃，加瀬川均，梅津光生
  • 学会等名: 第28回バイオエンジニアリング講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2016-01-10
• [学会発表] 先進的医療機器の迅速な実用化と安全な普及を促進する非臨床評価試験法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岩﨑清隆
  • 学会等名: 第32回医用高分子研究会講座
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-11-19
  • 招待講演
• [学会発表] Another EBM (Engineering Based Medicine) (2015)
  • 著者名/発表者名: Umezu M, Iwsaki K, Sakaguchi K, Yagi T, Iseki H, Karube H, Sen I, Kasanuki H
  • 学会等名: Interdisciplinary Cerebrovascular Symposium Intracranial Stent Meeting Program2015
  • 発表場所: Australia
  • 年月日: 2015-11-13 – 2015-11-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel insights from flow visualization in the bench (2015)
  • 著者名/発表者名: K.Iwasaki, Y.Hikichi
  • 学会等名: 11th European Bifurcation Club Meeting
  • 発表場所: Athens
  • 年月日: 2015-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of influences of flow field in the port of hemofilters on thrombus formation (2015)
  • 著者名/発表者名: A.Takahashi, K.Iwasaki, S.Suzuki, Y.Aoyama, Y.Matsuhashi, M.Hirata, Y.Yamamotom, M.Umezu
  • 学会等名: 15th International Congress of Biorheology and 8th International Conference of Clinical Hemorheology
  • 発表場所: Seoul
  • 年月日: 2015-05-26
  • 国際学会