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

基本信息

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

项目摘要

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，基于针对人工心脏运行条件的设计方针，我们开发了既能实现血浆/红细胞分离效率超过90%的优异分离效果，又能实现足够的流体动力悬浮性能的凹槽。为了使叶片转子悬浮，以优化形状设计和应用为目标，我们进行了以下主题的研究。首先，为了测量人造心脏工作条件下动压轴承内血液的流动方向，我们设计并制作了一个具有与人造心脏相当的流速和升力性能的模拟装置。在人造心脏模拟器中，带有叶片的转子通过安装在上方和下方的两个动压轴承沿轴向浮动。血液在原型装置中循环，在流速为5L/min、间隙尺寸为20μm的条件下拍摄装置中动压轴承的流体间隙，并测量血流方向。接下来，我们定义了凹槽形状的设计变量、约束条件和目标函数，以制定优化设计问题，旨在找到既能实现良好的分离效果又具有足够的水动力浮选性能的最佳凹槽形状。根据既定的设计策略，凹槽形状的设计变量被设置为相对于每个设计点和测量的血流的角度变化。约束条件是根据产生优异分离效果的角度变化量确定的，这在去年的实验中进行了研究。使用归一化的角度变化量和通过计算流体分析获得的流体动力浮力构建目标函数。采用遗传算法作为优化设计方法来生成最佳凹槽形状。随后，为了通过实验确认分离效果和流体动力悬浮性能，我们制作了具有最佳凹槽形状的流体动力轴承原型，并将其安装在人工心脏模拟器中。通过定量评估动压轴承内部的分离效果，本研究设计的最佳动压轴承的分离效率提高到95%。此外，通过测量流体间隙的间隙尺寸，证实所设计的动压轴承能够在20μm的条件下使叶片转子悬浮。综合以上结果，验证了所设计的动压轴承具有良好的分离效果和足够的动压浮选性能。