| 研究課題/領域番号 |
21K08817
|
|---|
| 研究機関 | 東京医科歯科大学 |
|---|
研究代表者 |
藤原 立樹 東京医科歯科大学, 東京医科歯科大学病院, 助教 (00632291)
|
|---|
| 研究分担者 |
大内 克洋 東京医科歯科大学, 統合研究機構, 特任准教授 (20322084)
土方 亘 東京工業大学, 工学院, 准教授 (30618947)
井上 雄介 旭川医科大学, 医学部, 准教授 (80611079)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | ECMO / 新型コロナウイルス感染症 / COVID-19 / 血栓予防 / リアルタイム血栓モニタリング / インドシアニングリーン蛍光造影 / 拍動流 / 円軌道加振 |
|---|
| 研究実績の概要 |
【背景】COVID-19パンデミックによりECMOの有用性は更に広く認知された。しかしCOVID-19が惹起する強い血液凝固傾向はECMO治療において大きな障害となることも明らかになった。我々はECMO回路内における血栓予防・血栓検出技術を速やかに実現することが喫緊の課題であると考え、研究開発に従事した。ECMOデバイスの抗血栓性に関してはこれまでも材質や構造設計など様々な工夫がなされてきたが、従来の血栓対策だけではCOVID-19患者のECMO回路内での血栓形成を予防できないことが実状である。そこで従来とは異なる流体力学的なアプローチによるアクティブな血栓予防法を考案した。
【血栓予防法】ポンプに対してはインペラを周波数300Hz程度で極微小に加振することで表面への凝固因子の付着を阻害し、人工肺に対してはインペラ回転数を調整して拍動流を作り、人工肺内部の血液滞留を予防する方法である。いずれも従来の血栓対策と競合するものではなく更に血栓予防効果を高めることを目的としている。東京工業大学で開発された磁気浮上型遠心ポンプにこれらの機能を搭載し、大型動物実験にてその効果を実証した。
【血栓検出法】ポンプのインペラを数十ミクロン、数十Hzで振動させ、この時の変位と電流の応答からポンプ内血栓を検出する方法を開発した。また人工肺の血栓検出法として、インドシアニングリーン(ICG)蛍光造影を用いて血栓を詳細に観察することに成功した。肉眼観察では、血液と血栓は濃淡が違うものの同じ赤色調であるため血栓を評価することは難易度が高い。本手法では「血液は白、血栓は黒」と白黒二色で表現され客観性の高い評価が可能であった。
本研究結果をもとに人工肺の血栓検出・予防に関する特許出願を2件行った。今後は本研究で開発したECMOデバイスの血栓予防技術を医療機器メーカーと連携して臨床導入に繋げていく。
|
| 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
【ポンプ内血栓の血栓検出・血栓予防】模擬回路実験では、ブタ血液を作動流体とした模擬循環回路を用い、加振の周波数・振幅・加振円軌道方向を変化させ、血栓予防効果を比較した。いずれの加振条件においても、加振無しと比較して2.5 倍程度の血栓形成時間となり、著明な血栓形成時間の延長を確認した。急性動物実験では、体重約80kg のブタを使用した。送血管は頸動脈から、脱血管は左室心尖部から挿入し、左心補助を確立した。加振振幅30μm、加振周波数70Hz の条件でインペラを微小加振させた。電流とインペラ変位の位相差が1°上昇した時点で血栓形成と判断し、循環を終了しポンプ内を観察した。該当した例では血栓形成を認めた。
【人工肺の血栓検出】ブタに遠心ポンプと人工肺を含むECMO回路を装着して行った。ICG は1 時間毎に投与し赤外線カメラシステムを用いて人工肺の撮影を行った。ICG 蛍光造影により人工肺内に形成された血栓の早期検出が可能であった。
【人工肺の血栓予防】全身麻酔下のブタに2 つの体外循環回路(頸静脈脱血・頸動脈層血によるVA ECMO、大腿静脈脱血・大腿動脈送血によるVA ECMO)を装着し、それぞれ定常流と拍動流に設定した。拍動流は，定常流に正弦波または半波整流波(正弦波の負値部をゼロとした波形)を加えた2パターンで検証した。血栓形成の評価はICG蛍光造影を用いて行った。定常流回路と比較し正弦波の拍動流回路では血栓の形成が多い傾向にあったが、半波整流波の拍動流回路では少ない傾向にあった。半波整流波の拍動流では定常流と比較し人工肺内の血栓抑制効果が期待できると考えている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
【ポンプ内血栓の血栓検出・血栓予防】加振の周波数・振幅・加振円軌道方向について更に検討を重ね、最適な血栓予防効果となる条件を探求する。
【人工肺の血栓検出】白黒二値化された画像は、コンピュータによる血栓の自動検出や遠隔モニタリングへの応用に適していると考え、現在システムを開発している。また臨床現場においてECMO回路の血栓をICG蛍光造影で検出する臨床研究の準備を進めている。
【人工肺の血栓予防】正弦波では血栓予防効果はなく、半波整流波の拍動流では定常流と比較し人工肺内の血栓抑制効果が期待できることが分かった。今後はパラメーターを変更しつつ更に検討を重ね、最適な血栓予防効果となる条件を探求する。
初年度の研究結果をもとに人工肺の血栓検出・予防に関する特許出願を2件行った。ECMOの抗血栓性向上に関する技術はCOVID-19のみならず、様々な病態に対して有用である。開発した技術はいずれも汎用性の高いものであり、様々な医療機器メーカーと連携して臨床導入に繋げることが最終目標である。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
COVID-19パンデミックによる緊急事態宣言に伴い、実験を行うことが出来ない期間があった。また同様の理由で、いくつかの学会が現地開催ではなくオンライン開催となったため、旅費がかからなかった。
|
