血液ポンプの拍動制御によるECMOの血栓予防
東京工業大学2022年1月18日

准教授

土方 亘

hijikata.w.aa@m.titech.ac.jp 1

ECMOとはTokyo Tech

患者の肺を使う人工肺で酸素化する

CO2 O2

人工肺
血液ポンプ
人工呼吸器

ECMO

Extracorporeal membrane oxygenation
体外式膜型人工肺

2

ECMOとはTokyo Tech

人工肺で酸素化する

CO2 O2人工肺

血液ポンプ
人工肺
血液ポンプ
ECMO

Extracorporeal membrane oxygenation
体外式膜型人工肺3

血液ポンプのしくみ（連続流ポンプ）
インペラ接触支持タイプ

インペラTokyo Tech

インペラ非接触支持タイプ

電磁石モータ

永久磁石（モータ・インペラ間で磁気カップリングを形成）

モータ

本発明はすべての連続流ポンプに適用可能
4

本技術の開発に至った背景

Tokyo Tech

共同研究先の東京医科歯科大学でも，COVID-19に感染した患者が非常に強い血液凝固傾向を示すことを確認している
ほぼ全症例でポンプや人工肺に多量の血栓形成

血栓血栓

なぜCOVID-19では強い血液凝固傾向を示すのか？
 サイトカインストーム
 血管内皮障害

5新型コロナウイルス感染状況

Tokyo Tech

新規感染者数
（全世界）

死亡数
（全世界）

ワクチン接種数（全世界）

出典："Dong E, Du H, Gardner L. An interactive web-based dashboard to track COVID-19 inreal time. Lancet Inf Dis. 20(5):533-534. doi: 10.1016/S1473-3099(20)30120-1"

6Tokyo Tech

COVID-19患者は強い血液凝固傾向を示す報告が蓄積されており，ECMO回路中の血栓形成も多く確認されている

7

ECMOの血栓予防技術
構造工学的アプローチ

材料制御

血栓塞栓症
不足
不足

Tokyo Tech＋

抗凝固療法

出血合併症
適量 適量過多8本発明の概要
血液ポンプインペラ

Tokyo Tech

拍動流による血液滞留部のウォッシュアウト→人工肺・血液ポンプ・コネクタ等の血栓を予防

モータ
回転数変動指令値

モータ
速度制御器

近赤外カメラ等

人工肺

血流速度場のフィードバック9

連続流ポンプの拍動制御実験

Tokyo Tech10

血栓予防に用いる回転数・流量条件

Tokyo Tech

非定常流

下に凸の成分が大きく，低流量時は血栓予防の点からは望ましくない 11

血栓予防に用いる回転数・流量条件

Tokyo Tech

12

本発明の概要
血液ポンプ
インペラTokyo Tech

拍動流による血液滞留部のウォッシュアウト→人工肺・血液ポンプ・コネクタ等の血栓を予防

モータ
回転数変動指令値

モータ
速度制御器

近赤外カメラ等

人工肺

血流速度場のフィードバック

13

ECMO回路内の血流場観察技術

Tokyo Tech

ICG (Indocyanine green)蛍光造影
励起光 760 nm

蛍光 830 nm

肉眼では内部が見えない
 ICGが血液中のα1リポタンパク質に結合し，赤外光で励起され蛍光 肝臓より排泄 (通常の半減期：3-4分)
 肝機能評価，血流評価，リンパ節同定など幅広く臨床で使用
14

ECMO回路内の血流場観察技術

Tokyo Tech

ブタを用いた８時間の体外循環後の人工肺の様子
肉眼観察

ICG造影

摘出標本

血液と血栓は同じ赤色調なので判別しにくい

血液滞留部へはICGが十分に浸透せず，黒い影として造影

ICG造影カ所と血栓部位が一致

人工肺内部の血流場を観察することが可能

リアルタイムで人工肺内部の血流場を観察可能→血栓検出にも応用 本日，東京医科歯科大 藤原先生が発表：特願2021-111590 15

ECMO回路内の血流場観察技術
y
解析領域

輝度
200180A160
140

C(x:172,y:204)

Tokyo Tech120

血栓形成部

B

100
80

A(x:271,y:264)

60

B(x:307,y:277)

C40
20001000

2000

X
輝度の時系列変化を計測することで，血流場を計測可能

30004000時間(s)16ECMO回路内の血流場観察技術

Tokyo Tech

コネクタ

チューブ

血液ポンプ
17拍動による血栓予防 実験

Tokyo Tech18

拍動による血栓予防 実験結果

Tokyo Tech

血栓拍動制御なし

拍動制御あり19拍動による血栓予防 実験結果

Tokyo Tech

人工肺の血栓20血栓予防に有効な拍動流

22600
2500

40%以上

1.5

2400

流量 [L/min]

回転数 [rpm]

Tokyo Tech

2300
2200

10.502100
02

4
時間 [s]

680※上に凸なため，低流量時でも適用可能

2

血栓を予防可能な流量波形（実施例）• ４秒に１回程度上に凸の非定常流10%以下• 定常流に対して40%程度上に凸468• 定常流に対して時間 [s]10%程度の下に凸※※下に凸は無い方が良いが，生体のコンプライアンス等で多少は生じてしまう21

血栓予防に有効な拍動流

Tokyo Tech

できるだけ上に凸の非定常流を発生させる•

下に凸の成分が大きいと血液滞留の原因となり，血栓が悪化する可能性がある•

生体や回路のコンプライアンス等の影響で，下に凸の流量も発生することがあるが，回転数の周期と振幅を適切に調節することで低減可能•

数秒に１回，非定常流を発生させれば予防効果が期待できる
回転数•

ただし，人工心肺回路や流量条件で細かくは異なる→血流速度場のフィードバックを行えば個別のケース

振幅
周期
時間ごとに最適な拍動制御を実現可能

22

まとめ

Tokyo Tech

従来技術とその問題点
血栓のできにくい形状や抗血栓コーティング等の材料が研究開発されているものの，完全な血栓予防はできない．
そこで，出血合併症のリスクを伴う抗凝固薬が使われている．

23

まとめ

Tokyo Tech

新技術の特徴・従来技術との比較
 血液ポンプの回転数変動制御によって血栓を予防
 従来の形状・材料・抗凝固薬と対立する技術ではなく，むしろ併用することでより優れた血栓予防効果が期待
 COVID-19治療に用いられるECMO治療に限らず，抗凝固療法に難渋する全ての病態に有効
24

まとめ

Tokyo Tech

想定される用途 ECMO（人工肺，血液ポンプ，人工心肺回路用チューブ・コネクタ）の血栓予防
 補助人工心臓の血栓予防
 その他，送血用ポンプを用いたシステムの血栓予防
 連続流ポンプを用いたアプリケーション
で，液体の滞留を排除したい用途に最適
25

まとめ

Tokyo Tech

実用化に向けた課題
 血流場を画像解析し，回転数制御のフィードバックを自動化する必要あり．
 既存のデバイスに本技術を搭載する場合，薬事上新しい医療機器となるのか，改良となるのかPMDAに要相談

26

まとめ

Tokyo Tech

企業への期待 血液ポンプや人工心臓を他社と差別化したい企
業との共同研究を希望 血流場のリアルタイム計測を得意とする企業との共同研究を希望
 本技術を使った医療機器を共同で開発・もしくはライセンス契約していただける企業を希望 医療分野だけでなく，産業分野で同様の課題がある場合も共同開発を希望
27

まとめTokyo Tech

本技術に関する知的財産権
 発明の名称：血液ポンプシステム及び血液循環システム
 出願番号 ：特願2021-167592
 出願人：東京工業大学，東京医科歯科大学，旭川医科大学
 発明者：土方亘，田仲結衣，藤原立樹，大内克洋，櫻井啓暢，荒井裕国，水野友裕，井上雄介，武輪能明

28

Tokyo Tech

お問い合わせ先
東京工業大学
研究・産学連携本部
ＴＥＬ ０３－５７３４－３８１７
ＦＡＸ ０３－５７３４－２４８２
e-mail sangaku＠sangaku.titech.ac.jp
29