2021 Fiscal Year Research-status Report

心不全リスク定量評価に向けた補助人工心臓圧流量推定に基づく動脈硬化検査法の開発

Research Project

Project/Area Number	20K22508
Research Institution	Morinomiya University of Medical Sciences
Principal Investigator	信太宗也森ノ宮医療大学, 保健医療学部, 助教 (20880347)
Project Period (FY)	2020-09-11 – 2023-03-31
Keywords	補助人工心臓 / 遠心血液ポンプ / 数値流体力学解析 / ポンプ流路形状設計 / 乱流モデル
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，補助人工心臓用の血液ポンプ駆動情報から，大動脈に関する生体情報（血管コンプライアンス：AC，大動脈流量および大動脈圧）を簡便に評価できる手法（以下，本検査手法）を開発する．本年度は以下の研究項目(2)を実施した．本検査手法の原理である[ポンプ駆動情報]-[ポンプ特性]-[AC]の相関には，インペラが血流から受ける力（流体力）が影響する可能性がある．インペラに働く流体力はポンプの流路形状によって決まるため，本検査手法を従来の血液ポンプに適用する（手法標準化）にあたって，ポンプ流路形状と本検査手法の関係を調べることは重要となる．2020年度の研究結果では，ポンプ流路形状として特に渦巻室形状と径間隙が，本検査手法の精度に対して大きく影響を及ぼすことを数値流体力学（CFD）解析により示した．今年度は，本検査手法の精度や時間応答性に対する渦巻室と径間隙の流路設計の影響を定量的に確認するため，CFD解析結果の精度を試作ポンプによるポンプ特性の計測結果と比較することにより評価した．解析と実験の結果は，比較的低流量（～5 L/min）までは誤差数％以内でよく一致していたものの，高流量条件（5 L/min以上）では誤差が10%以上となった．この誤差要因として，CFD解析におけるポンプ内乱流のモデルの不適合の影響が大きいと考え，次に適切な乱流モデルの検討を行った．精度およびコストの面から検討した結果，本研究条件においてはLarge Eddy Simulation(LES)モデルが適切であることが分かった．今後の研究では，LES乱流モデルを用いたCFD解析を実施することで，至適な試作ポンプ流路形状を迅速に探索することができると考えられる．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 交付申請書に記載した「研究実施計画」では，2021年度までに本検査手法を実現させる計画であった．しかし，研究進捗状況の遅れから，本研究の期間を2022年度まで延長している．そのため，現在までの研究進捗状況は，「遅れている」と評価できる．
Strategy for Future Research Activity	2022年度前期においては，「研究実績の概要」の項に記載した【研究項目（2）】における至適な流路形状を有するポンプを製作する計画である．具合的には，特に渦巻室と径間隙の設計パラメータに着目し，本検査手法の精度や時間応答性に優れた遠心血液ポンプを製作する． 2022年度後期においては，ポンプ駆動情報からACを評価するのに適切なアルゴリズムを，特に動特性に着目して検討する．具体的には，AC評価の時間分解能や時間遅れを0.1秒以下とすることを目標とし，データの適切なフィルタリングおよび補間手法を検討する．次に，検討したアルゴリズムをポンプシステムに実装し，本検査手法を実現する．
Causes of Carryover	本研究の実施方法は，大きくCFD解析と実験計測とに分けられる．CFD解析による研究は「研究実績の概要」で記載した通りの成果が挙げられたものの，実験計測に関しては新型感染症の影響が大きく，当初の計画から大幅な遅れが生じている．そのため，物品費として計上した経費を使用することができなかった．また前年度に引き続き，予定していた2件の学会発表も，新型感染症の影響により1件はオンラインでの参加となった．以上の状況から，特に物品費と旅費に関して次年度使用額が多く生じた．次年度の使用計画としては，試作ポンプを複数回製作するために，物品費（ポンプ治具製作部品および組込みセンサ）として研究経費を使用する．また，数値計算用ワークステーションを導入し，CFD解析研究の迅速な進展を図る．その他，得られた研究成果を発表するための論文投稿費および学会参加費として経費を使用する予定である．