呼吸循環補助装置の安全性評価に有用な心臓血管内血流シミュレーターの開発

开发用于呼吸循环支持装置安全性评估的心血管血流模拟器

• 批准号: 22K12906
• 负责人: 築谷 朋典
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: National Cardiovascular Center Research Institute
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K12906/
• 关键词: 補助循環; 補助人工心臓; ECMO; 数値流体力学; 可視化; 循環器; カニューレ

本研究は呼吸循環補助装置の安全性評価に有用な心臓血管内血流シミュレーターを開発し、呼吸循環不全患者に呼吸循環補助装置を装着する際の安全性を担保する方法等について医工学的観点から指針を提示することを目的としている。ECMO及び補助人工心臓による呼吸・循環補助を施行するために体内に挿入される管（カニューレ）を対象として研究を進める上で，数値流体力学ソフトウェア環境の構築を行い、臨床使用されているECMO用カニューレに関してその形状モデルを作製した。また、数値流体力学による数値計算によりカニューレの性能低下，キャビテーション発生を予測するための基礎データとして、模擬循環回路にECMO用カニューレを挿入して臨床 ECMO使用を模擬した条件で駆動した場合に、液体が流入するカニューレ先端あるいはサイドホールにおける流速・圧力分布の計測を行った。その結果、サイドホールを持つカニューレにおいては、流れは主に最もカニューレ先端から遠い孔から流入しており、先端付近ではサイドホールによってカニューレ内の圧力勾配が消失し、外部から流入する液体の流量はほとんどなくなっていることが示された。弾力の大きな静脈に長いカニューレが挿入されている状況では、血管壁に対するカニューレの位置関係が外力に敏感であり、解析を行うにあたっては多くの仮定を設ける必要があることが明らかとなった。また、カニューレの挿入された心室モデルあるいは血管モデルの表面における流れの向きを明瞭に表示することができるトレーサ法の効果について検討を行い、パール粉を混入した液体を循環させることによって複雑な流れの巨視的な観察が可能であった。補助人工心臓内部の観察によってポンプ外部での流れの剥離が観察でき、数値計算結果の妥当性検証にも活かすことが出来る可能性が示された。

本研究旨在开发一种心血管血流模拟器，可用于评估呼吸和循环支持装置的安全性，并研究在医学和工程领域将呼吸和循环支持装置连接到呼吸和循环衰竭患者时确保安全的方法。目的是从一开始就提供指导。在对插入体内以使用 ECMO 和心室辅助装置提供呼吸和循环支持的管（插管）进行研究时，我们正在构建计算流体动力学软件环境，并开发用于临床使用的 ECMO 计算流体动力学软件环境创建了插管的形状模型。此外，作为通过使用计算流体动力学的数值计算来预测插管性能恶化和空化发生的基础数据，我们发现，当将 ECMO 插管插入模拟循环回路并在模拟临床 ECMO 使用条件下驱动时，我们测量了流速以及流体流动的插管尖端或侧孔处的压力分布。因此，在有侧孔的插管中，流体主要从距插管尖端最远的孔进入，而在尖端附近，插管内部的压力梯度因侧孔而消失，从插管流入的液体流速降低。表明它几乎消失了。当长插管插入高弹性静脉时，插管相对于血管壁的位置关系对外力很敏感，并且很明显，在进行分析时需要做出许多假设。此外，我们还研究了示踪剂方法的有效性，该方法可以清楚地显示插管心室模型或血管模型表面上的流动方向。通过观察辅助人工心脏内部，我们能够观察到泵外部的流动分离，这表明可以用来验证数值计算结果的有效性。