2014 Fiscal Year Research-status Report
脊髄局所冷却における数値解析モデルを用いた脊髄温度制御
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25350574
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
壁井 信之 芝浦工業大学, システム工学部, 教授 (50096583)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 脊髄 / 熱伝導 / 数値解析 / 温度推定 / 局所冷却 / カテーテル / ペルチェ素子 / 温度制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
①冷却カテーテルの熱伝導に関する数値解析モデルAおよびBの改良を試みた。カテーテルやその周辺のメッシュの切り方を昨年度と変更したことで、カテーテル先端部の熱流体の流れをより詳細に表すことができるようになった。また②硬膜外腔から脊髄腹側部までの熱の移動に関する数値解析モデルCを作った。ただ脊髄灰白質部の毛細血管網をそのままモデル化することは、計算機の能力上不可能なため、熱の移動状態だけを模擬するように多孔質管に置き換えてモデル化した。さらに③数値解析モデルA,B,Cを統合し、脊髄冷却システムの統合モデルを構築した。次に④数値解析モデルの解析結果の信頼性を担保するため行う動物実験の代わりとなる脊髄シミュレータを作製した。このシミュレータに実際の冷却カテーテルを挿入し、局所冷却実験を行ったところ、以前に行った動物実験とほぼ類似した結果を得ることができた。⑤この脊髄シミュレータによる実験結果と数値解析の統合モデルを使って求めた各部の推定温度が、誤差が±1℃でほぼ一致することを確認した。この他⑥最終的に温度推定した結果をフィードバックして脊髄の温度制御ができるシステムを構築するための基礎となる、病棟でも使用できる脊髄局所冷却システムのハードウェア部分の開発を行った。ポンプをローラーポンプから小型で高圧が出しやすい二連式シリンジポンプに改良し、ペルチェ素子を用いた熱交換システムの性能向上および脱着機構の改善などを行い、幅300㎜、奥行300㎜、高さ900㎜の非常電源を持った臨床用装置にまとめ上げることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①冷却カテーテルの熱伝導に関する数値解析モデルAの改良：達成度＝ほぼ完成させた。②カテーテルが硬膜外腔に達していない部分の数値解析モデルB１、またカテーテルから硬膜外空への熱の移動を求める数値解析モデルB2、それぞれの作成。さらにこれらを統合した数値解析モデルBの作成。達成度＝ほぼ完成させた。③数値解析モデルA,Bを用いた硬膜外腔温度の推定：達成度＝順調に進んでいる。：まだ広範囲にわたる検証が済んでいないので多少の変更が必要になると思われる。④動物実験の代替え用脊髄シミュレータの製作：達成度＝ほぼ完成させた。脊髄として実際の市販のブタの脊髄を用いた。このため脊髄の採取状況が安定せず、硬膜などが大幅に損傷していることがあった。したがって結果に影響を及ぼす可能性があるため、来年度は脊髄シミュレータを用いず以前の動物実験結果だけを参照していく方式に切り替えることにした。⑤数値解析モデルCの作成と、カテーテルから脊髄腹側部までの熱移動の統合モデルの作成：達成度＝少し遅れている：脊髄灰白質の毛細血管網を多孔質管に置き換えてモデル化したため、多孔質の度合いを調整していく必要がある。しかし色々な条件下で数値が一致するところまでは十分な調整を済ませていない。⑥脊髄局所冷却システムのハードウェアを作る。達成度＝順調に進んでいる。試運転を行った結果、まだいくつかの問題点が見つかり、改良し直している部分がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
27年度：①脊髄局所冷却システムのハードウェアを完成させる。②色々な条件で冷却カテーテル内を流れる冷却液の流量と、カテーテル入口と出口における温度を、完成した数値解析用統合モデルに入力することで、各種の条件下での硬膜外腔温度および脊髄背側部温度、脊髄腹側部温度などの推定値を求める。③これらのデータを、グループに分けて関数化する。④得られた関数を用い、脊髄温度制御用アルゴリズムを構築し、開発したハードウェアを用いて脊髄温度の制御を試みる。
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| Causes of Carryover |
①脊髄局所冷却システムのハードウェアを改良して完成させる。②数値解析による脊髄温度推定作業を完了させる。③数値解析結果をデータとして記録し、読み出しできる電子回路を作成する。④冷却システムの出入口温度と流量を計測する計測システムと、その値をPCに取り込むための変換回路を製作する。⑤PCからの温度制御命令によりペルチェ素子の駆動電圧を制御する電子回路を作成する。以上の作業により脊髄局所冷却システムを完成させる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
①シリンジポンプなどの製作費：約17万円
②種々の電子回路の製作費：約30万円
③Fluentによる熱流動解析：約20万円
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