高速度低レイノルズ数弁葉挙動解析に基づく小児用肺動脈弁設計最適化

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K12748
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 白石 泰之 東北大学, 加齢医学研究所, 准教授 (00329137)
• 研究分担者: 山岸 正明 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 准教授 (40182422)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 循環器病学 / 先天性心疾患 / 心臓代用弁 / 血行動態シミュレーション / 安全性評価

研究実績の概要

先天性心疾患治療に対応する右心系血液循環シミュレータの評価試験系と新たな弁葉応答リアルタイム動解析システムによるePTFE弁葉形状と流入時の低レイノルズ数域における定量応答を、弁葉挙動拍動試験装置と高速度水中digital image correlation (DIC)法による弁葉曲面解析を実施することを目的として研究を行った。本法の医工学－医用物理学解析による小児用心臓弁の最適化は、臨床使用10年を経て明らかとなった長期成績の臨床知見からの喫緊の解決すべきものとして国際的臨床ニーズに応えるものである。
小児の重症心不全治療に対しては、現在のところ心臓移植のほかに長期循環補助を実現する代替手段はない。本研究では、基盤研究(B)および国際共同研究加速基金により創生された小児先天性心疾患治療プラットフォームの展開として新しいBulging sinus付ePTFE製肺動脈弁の国際標準の安全性有効性評価を、国際連携による平成28年竣工の東北大学加齢医学研究所非臨床試験推進センター機能の非臨床試験によって行った。研究実績として、ePTFE製弁の実時間高速度応答解析を高度に肺循環を模擬した血液循環シミュレーターを新たに開発し、高速度撮影と医用物理学による流体―弁葉応答解析により臨床データのエンティティ解析用プラットフォームを構築した。右心系血液循環を模擬した拍動流試験を実時間で行い、約1ミリ秒時間分解能と約0.1mmの立体空間分解能をもつ高精度可視化システムを開発した。本プラットフォームを活用し実臨床の人工弁機能や開発中の設計評価について前臨床・非臨床試験による生物学的安全性評価が具現化される。さらに右心循環における低レイノルズ負荷時の心臓弁の流体相互作用解析法も発展させる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Sheffield(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Sheffield
• [雑誌論文] In Vitro Modelling for Bulging Sinus Effects of an Expanded Polytetrafluoroethylene Valved Conduit Based on High-Speed 3D Leaflet Evaluation (2022)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Y, Narracott AJ, Yamada A, Fukaya A, Sahara G, Yambe T, Nagano Y, Yamagishi M
  • 雑誌名: Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 巻: 2022 ページ: -
  • DOI: 10.1109/EMBC46164.2022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hemolysis and von Willebrand factor degradation in mechanical shuttle shear flow tester (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Y, Tachizaki Y, Inoue Y, Hayakawa M, Yamada A, Kayashima M, Matsumoto M, Horiuchi H, Yambe T
  • 雑誌名: J Artif Organs 巻: 24(2) ページ: 111-119
  • DOI: 10.1007/s10047-020-01219-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design of an Artificial Tongue Driven by Shape Memory Alloy Fibers (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Y, Yamada A, Sahara G, Yambe T, Kato K, Ohta J, Katori Y, Homma D
  • 雑誌名: Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 巻: 2021 ページ: 1573-1576
  • DOI: 10.1109/EMBC46164.2021.9630283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of muscle connection components for implantable power generation system (2021)
  • 著者名/発表者名: Sahara G, Yamada A, Inoue Y, Shiraishi Y, Hijikata W, Fukaya A, Yambe T
  • 雑誌名: Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 巻: 2021 ページ: 7206-7210
  • DOI: 10.1109/EMBC46164.2021.9629561
  • 査読あり
• [学会発表] 高速度カメラを用いた3方向等角投影によるePTFE弁葉挙動可視化システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永野友香、白石泰之、Andrew Narracott、山田昭博、山岸正明、山家智之
  • 学会等名: 第60回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 高分子製小児用肺動脈弁評価システム用マルチカメラキャリブレータの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永野友香、白石泰之、Andrew Narracott、山田昭博、山岸正明、山家智之
  • 学会等名: 第55回日本生体医工学会東北支部大会
• [学会発表] 3方位ハイスピードカメラを用いたePTFE弁葉三次元モデル化システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永野友香、白石泰之、Andrew Narracott、山田昭博、山岸正明、山家智之
  • 学会等名: 第59回日本人工臓器学会大会
• [図書] モデル動物の作製と利用 循環器疾患2021上巻 (2021)
  • 著者名/発表者名: 白石泰之（編集委員 堀内久徳）
  • 総ページ数: 591
  • 出版者: エル・アイ・シー
  • ISBN: 978-4-900487-58-1
• [備考] 東北大学加齢医学研究所非臨床試験推進センター 心臓病電子医学・非臨床試験推進分野
  • URL: http://mec1.idac.tohoku.ac.jp
• [備考] 東北大学加齢医学研究所非臨床試験推進センター
  • URL: http://tops.idac.tohoku.ac.jp
• [備考] 東北大学加齢額研究所
  • URL: https://www.idac.tohoku.ac.jp
• [備考] 東北大学大学院医工学研究科人工臓器医工学講座
  • URL: https://www.bme.tohoku.ac.jp/labo/field_08.html