Development of miniaturized artificial heart with low blood damage utilizing cells separation

利用细胞分离开发低血液损伤的小型人造心脏

• 批准号: 20J14805
• 负责人: JIANG MING
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14805/
• 关键词: 人工心臓; 動圧浮上; 血しょう・赤血球分離現象; 遺伝的アルゴリズム; 動圧軸受の最適設計; 補助人工心臓; 血しょう・血液細胞分離現象; 血液ダメージ軽減

今年度は人工心臓の動作条件に合わせた設計方針に基づき，血しょう・赤血球分離効率90%以上に達成できる優れた分離効果と羽根付き回転子を浮上させる十分な動圧浮上性能を両立できる溝形状の最適設計と応用を目的として，以下の内容を取り組んだ．まず，人工心臓の動作条件における動圧軸受内の血液の流れ方向を計測するために，人工心臓と相当な流量・揚程性能を有する模擬装置を設計・試作した．人工心臓模擬装置の中で羽根付き回転子を上下に設置された二つの動圧軸受によって軸方向に浮上させた．試作した装置内で血液を循環させ，流量 5 L/min，ギャップサイズ20 μmの条件で装置内における動圧軸受の流体隙間を撮影し，血液の流れ方向を計測した．次に，優れた分離効果と十分な動圧浮上性能を両立できる最適な溝形状を目指し，最適設計問題を定式化するための溝形状の設計変数，制約条件，目的関数を定義し，最適な溝形状を逐次に探索した．確立した設計方針により，溝形状の設計変数を各設計点と計測した血液の流れに対する角度変化量とした．制約条件については昨年度の実験で調べた優れた分離効果を得られる角度変化量により決められた．目的関数は正規化された角度変化量と数値流体解析で求めた動圧浮上力により構造された．なお，最適設計手法として遺伝的アルゴリズムが利用され，最適な溝形状が生成された．その後，実験で分離効果と動圧浮上性能を確認するために，最適な溝形状の有する動圧軸受を試作し，人工心臓模擬装置に実装した．動圧軸受内の分離効果を定量的に評価した結果，本研究で設計した最適動圧軸受の分離効率は95%までに向上された．なお，流体隙間のギャップサイズを計測した結果，設計した動圧軸受は20 μmの条件で羽根付き回転子を浮上させることを確認した．以上の結果によって，設計した動圧軸受は優れた分離効果と十分な動圧浮上性能を得たことを検証できた．

今年，根据针对人造心脏的工作条件量身定制的设计政策，我们致力于以下主题，目的是优化凹槽形状的设计和应用，该凹槽形状可以实现出色的分离效应，这些效果可以实现血浆和红细胞分离效率90％或以上，并具有足够的动态压力浮动性能，以提高液体转子。首先，我们设计并原型制作了具有相当大的流量和人造心脏提升性能的模拟器，以测量人造心脏操作条件下动态压力轴承内血流的方向。在人造心脏模拟器中，通过安装在上方和下方的两个动态压力轴承轴向抬起叶片转子。在原型设备中循环血液，并在流速为5 l/min和20μm的间隙大小的条件下拍摄了动态压力轴承的流体间隙，并测量了血流的方向。接下来，我们旨在达到最佳的凹槽形状，既可以达到出色的分离效果和足够的动态压力浮动性能，又可以实现凹槽形状的设计变量，约束和目标功能，以制定最佳的设计问题，并搜索最佳的凹槽形状。基于既定的设计策略，凹槽形状的设计变量是相对于每个设计点测得的血流的角度变化量。约束由去年实验中研究的角度变化的量确定，这允许获得出色的分离效应。通过计算流体分析确定的归一化角变化量和动态悬浮力来构建目标函数。此外，将遗传算法用作生成最佳凹槽形状的最佳设计方法。之后，为了确认实验中的分离效果和动态压力浮动性能，构造了具有最佳凹槽形状的动态压力轴承并安装在人造心脏模拟器上。定量评估动态压力轴承内部的分离效果，该研究中设计的最佳动态压力轴承的分离效率提高到95％。由于测量流体间隙之间的间隙大小，因此已确认设计的动态压力轴承使叶片转子在20μm的条件下漂浮。基于上述结果，已证实设计的动态压力轴承具有出色的分离效果和足够的动态压力浮动性能。

项目成果

Evaluating Plasma Skimming with Different Groove Shapes of Hydrodynamic Bearings for Applying to Blood Pumps by Cells Visualization

通过细胞可视化评估应用于血泵的不同凹槽形状的流体动压轴承的等离子撇渣

• 发表时间: 2021
• 作者: JIANG MING;SAKOTA DAISUKE;KOSAKA RYO;HIJIKATA WATARU
• 通讯作者: HIJIKATA WATARU

Analysis of Plasma Skimming within a Hydrodynamic Bearing Gap for Designing Spiral Groove Bearings in Rotary Blood Pumps

用于设计旋转血泵螺旋槽轴承的流体动压轴承间隙内的等离子撇油分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Ming Jiang;Daisuke Sakota;Ryo Kosaka;Wataru Hijikata
• 通讯作者: Wataru Hijikata

Impact of Gap Size and Groove Design of Hydrodynamic Bearing on Plasma Skimming Effect for Use in Rotary Blood Pump.

液体动压轴承的间隙尺寸和凹槽设计对旋转血泵等离子撇取效果的影响。

• DOI: 10.1007/s10047-021-01308-x
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Artificial Organs
• 影响因子: 1.3
• 作者: Ming Jiang;Daisuke Sakota;Ryo Kosaka;Wataru Hijikata
• 通讯作者: Wataru Hijikata

動圧軸受隙間内における赤血球・血漿分離現象を向上する軸受形状の設計

改善动压轴承间隙内红细胞/血浆分离现象的轴承形状设计

• 发表时间: 2020
• 作者: Tamaki Masaharu;Nakasone Hideki;Nakamura Yuhei;Kawamura Masakatsu;Kawamura Shunto;Takeshita Junko;Yoshino Nozomu;Misaki Yukiko;Yoshimura Kazuki;Matsumi Shinpei;Gomyo Ayumi;Tanihara Aki;Kusuda Machiko;Kameda Kazuaki;Akahoshi Yu;Kimura Shun-ichi;Kako Shinic;李光曦;JIANG MING，迫田 大輔，小阪 亮，土方 亘
• 通讯作者: JIANG MING，迫田 大輔，小阪 亮，土方 亘