計測自動制御学会東北支部帯lT9回研究集会（199乱12．14）
資料碩号1丁9−15

定常涜完全置換型人工心臓の末梢血管抵抗依存型適応制御

Adaptivecon七roldependentonperipheralvasc11larresistance fbr a．continuous flow totalarti丘cialheart0三浦剛史−，寺澤 証■，田中 明−，阿部健一−，竹田 宏叫，
山家智之仙，仁田新一一一Jh書■，阿部裕輔＼鎮西憧旋†，井街 宏†
OT．Miura＋，M．Yb8hizawa■，A．Ta．n乱ka＋，K．Abe＊，H．Takeda■1，
TIYambe−＋＋，S・ⅣittaH＊，Y・Abe†．T．Chinzei†，K．Imachi†＊東北大学大学院工学研究科．＊＊東北学院大学工学部，
榊東北大学加齢医学研究所，†東京大学大学院医学系研究科＊GraduateSchooIofEngineerlng，TbhokuUniversity，＊＊FacultyofEngineenng，Tblmku−GikuinUniversity，＊榊InBtituteofDevelopmentAgingandCan亡er，Tbhoku
University，†GraduatedSchoolofMedicine，UniversityofTokyo
キーワード‥ 完全置換塑人工心端（LotalartificiaIheaL七）．定常流ボン7 （continuouゴAowbloodptlmP），末梢血管祇抗（periph亡【山Ⅵ姐Ⅲ1arTeSi如弧α），適応制御（daptiveco山01），ARMAモデ叫ARMA皿Od亡1）
連絡先：〒g弧・85T9・仙台市青葉区荒巻字育礫拍5焉北大学大学院工学研究科電気・通信工学専攻阿部研究室
三浦剛史．Tel・：【舵印17−7074．FむL：（02封263・9290，払mail：t且加止血b8．8朗i．t血血．鋸∴jp

一方，拍動流型人工心臓においては，末梢血管

1． はじめに抵抗に依存して拍出流量を変化させるという制御
人工心臓用定常流ポンプは．定常流が生体に及法が優れた流量制御方式であることが，完全置換

ぼす影響の解明が十分でないこと，血液の逆乱型人工心臓装着動物が容易に長期生存を達成でき心房壁の吸着，シーリングの難しき1溶血が生じることなどから明らかになりつつあが），4）．このやすいことなどのさまざまな医学的・技術的課題

制御方式は定常読型人工心臓にも適用可能であるを持っている．しかし，定常詫ポンプには．拍動ことが予想きれるが．このことはこれまでのとこ流ポンプに比敬してサイズが小きく∴効率が高く，ろ十分確かめられてはいない．

人工弁が不要であるという長所があることに加え．

そこで本研究では，拍動流型人工心臓を対象と貴近では．磁気浮上式軸受け等の開発によるシーして著者らがこ丸まで開発してきた末梢血管抵抗リンダの改善やインベラの改良による溶血の軽減

値存型適応制御方式5）が，定常流ポンプを用いたなどが図ら九つつあることなどにより，定常流型完全置換型人工心臓に対Lても実現可能であるか人工心臓の実現に期待が集まるようになってきた

どうかを，モック循環系において検証することを

1），叶目的とする．

−1−2．方法

中枢自身が月を操作することで行うことになる．非干渉北制御が達成されていれば，月の変化がAロp

コ．1 生体循環系のモデルと非干渉制御とは独立にCOの変化に反映与れるため，月を用い本研究では．2つのモータ駆動定常流ポンプを用たC亡）の制御が容易になることが予想される．たいた完全置換型人工心願（mH）を想定し，これをだLこのとき，TAH制御装置へ人為的に人力すべ装着した循環系（制御付利が2人か2出力システ

きA（〕P■事はA〔）Pの其の目標値A〔〕P−に十分近い必ムであるとみなす単純化したモデルを考える．す要がある．

なわち．制御対泉への2つの入力（操作畳）が．そ

さらに，本制御系のもう一つの利点は，本制御系

れぞれ左心ポンプのモータへの供給電庄指令偏号が適応制御アルゴリズムを用いているため，循環（上叫Vl）と縁末梢血管抵抗（呵mmHg・血n／1】）で系の個体差ヤ時変的性質に合わせた設走パラメーあり，2つの出力（制御量）が，それぞれ大動脈圧タの手動による微調整ザ不要となることである．

（Aロf，【mmH琶】）と左心の抽出流量（CO【l／min】）であるとみなす．

2．2 適応制御

このようなモデルに対し，TAHの制御装置は．
いま．rrg梓周期とする離散時間をたとし，月A島，AOP，その日標値AOP■㌔および月の情報に基づ

AO職，エ蛾．C口上，兄上を，それぞれ右心房庄〔月AP），き．制御対象の（エ叫月）」A〔）Pの動特性を逐次AOP．上財．月の時刻別こ虫ける過去r【可間の平均同定Lながら，AOPに及ぼす属の影響をキャンセ値とする．籍末梢血管抵抗月島はルするように，操作量としてエ〟を出力するような適応的な非干渉化制御を行う．また循環中枢は，A（〕且一月Af㌔

月島

亡口上

（1）

AロP，その其の目標値AOfI■．Cロおよぴその真で計算する．このとき，完全置換型TA忙装着時循の目標値CO●から操作壬月を決定することができ環系を（2）式のARMAモデルるものと仮定する．

Aロ穐十1＝＝ 勘（可A（〕島＋凸2（可Aロ島＿l＋h（可山九＋缶2錘）上〟た＿1‥∴＋cl仲）月た＋亡2囲月島＿1＋d（相2〕‥・で表す・パラメータ・ベクトル叩）をト嘩）… 一口l（軋凸2（軋bl（軋頃軋cl（軋cコ囲，叫瑚T （ユ）Fig．1人工心果菜着時循環系のブロック固とおき．データ・ベクトル印訂）を

このような制御系を構成する利点は．生体外部帥）＝【AO島，Aロ且＿1，から直積知ることが困難である生体自身が要求すエ吋た，エ兢−l，凡打凡ト1，1】T（4）る心拍出量の目標値仁ロ←を．TAH制御装置への入とぉくとき．β匝）の推定値叫可

力情報として必要としない点であが）・叶っまり，
T丸忙制御装置はA亡）PをAロP…に近づける操作だ上矩）＝ r丘1（拙瑚再．（軋けを行い．ロロをCり■に近づける動作は生体の循環占泄），叫牲包（た），（桓）一丁 （5）ー2−を，文献与）の（4卜（7）式に示きれた固定トレース．

模擬したFig．2のょうなモック循環系を用いて実験ゲイン法8）舌用いて逐次的に同定する．同走されを行った・卒研究では．Fig．卦のょうな家庭用風呂たパラメータを使って．左心のモータ電圧指令借水没み上げ用の同一型式の遠心ポンプ持田ポン

上几布告

プ製作所鮎L−25）を2つ用V、た．Fig．2の対応する
畠1㈹エ九九位置において・大動脈庄A（〕P．左心房圧上AP，右【AOクー−一品1匝）Aロ且

占l（た）コ＋入

心房庄且4P・左心拍出端量仁ロを計測し，A／Dコ

ー帥別㍉−†軸一｝札1ンパ￣タを介して10m5毎にコンピュータ〔Ⅳ丑C製

一叫叫月た一毎匝）凡−1一如）】（6）

問にわたる平均値に変換された．これらの平均値のように与える・ここで，実数入は評価関数J占

Jk＝妄（Aロf…−AO恥）2＋喜瞞一抽−．）2

PC一拍01）に取り込んだ．こ九らの計測量はr＝1旦に基づき，2．と3．で述べたアルゴリズムに従っ

一｛・・■■て．r＝15毎に左右のモータ電圧指令値上〃と月〟（7）をD／Aコンバータから出力Lた．の重み偶数である・（6）式で与えられる川拍，（7）式を最小にするものであり，AロPの目標値AロP…とA亡）Pの1ステップ先の予瀾値■−￣、A（〕P抽＝柚丁帥）（8）の2乗誤差と・操作書上〟の時間差利変動量）とを同時に少なくするような操作量を発生させるものである．

コ．3 左右心バランス制御
Fig．2 モック循環系

時刻別こおける左心房庄を山瑚mm軸】とする
とき．左心と右心の柏出流量の′巧ンスを保つために，時刻別こ別ナる右心のモータ電圧指令値月峨を，エA且と月A鳥の差e烏を小さくするようなPI制
御〔比例＋領分制判別
e鳥＝月Afl−エA昂
軸＝軸＿1＋軸月兢＝恥軋＋勘占七（叫Fig・3 家庭用風呂水汲み上げ用ポンプの構避に従って決定する．ここで∬pと勘は走数である．
また．比戟のため，Fig．2と同一のモッタ循環系

2．4 実験方法において，遠心ポンプの代わりに，拍動涜ポンプである空気圧駆動式サック型人工心臓（東北大型丁王‡−

密閉容器で動脈屈コンプライアンスを，開放容7Ⅰ】〕を2個用いた実額も行った．この場合の制御ア器で静脈属リザーバを，バルブで末梢血管抵抗を−3−ルゴリズムも末梢血管砥抗依存型適応制御アルゴ
リズムであり，文献与）と同様なものである．定常施ポンプの制御アルゴリズムと拍動龍のそれとの大きな相違はト定常洗ポンプの方が計測壬の1s間の平均値に基づいてモータ指令信号ム肘を15毎に変えているのに対し，拍動流ポンプの方は，左心一回抽出量（上∫Ⅴ【mmHd）を一定値となるように自動制御しながら．各拍毎に拍動数岬刊1／minl）を操作している点にある．

3．結果

1㈹

嶋巾

Fig．4に，モック循環系において定常流ポンプを用いた際の，本研究で提案した末梢血管抵抗依存型適応制御の箱果を示す．同園には．AO月h」翫，

Fig．4 モツタ循環系における適応制御の結果

CO七，エ蛾およぴAO鳥の実測値と同定結果から得られる予測値虎わ上との差Eた

一一−■．． ∈上＝AOJ⊃セーAOf，た郎た）の初期値叫）はこれまでの尭験で既に得られた適当と思われる値を用いた．
（12）▲H︶古−○■i−1T■貞苫9 羞が示きれている■（7）式のユは与0であり．叩）の同定アルゴリズムに使われる行列ゲインのトレースの初期値trr卜1）は1とした．入はAOfl等の応答が速く，かつ，安定になるように設定したものである・trrト1）は同定の速さを調整するものであるが，この億を1から多少変化きせても制御特性に変化はあまり見られなかったので，この値に固定叫IIした．

Fig．5 適応同定の各パラメー

タの推移

Aロ凸の目標値AロP■★を90mmHgとし，第100軌
第200軋第300拍．第400拍付近で末梢血管抵抗

Fig・6は，拍動流ポンプを用いてFig．4と同一のを模擬するバルブを開閉することにより変化させ実験を行った際の諸量の応答を．定常流ポンプのた兄上に対する応答を計測した．私の変化によりそれらと並べて比較したものである．ただL，拍一旦AO島はAOf −かち経れるが，それを打ち消動流の場合．計測量は拍数毎に侍ら九るた軋 こ

すようにエ九九が制御さ九，AO巧を目標値に保つ

れを拍動周期を考慮して絶対時間毎のデータに変ような制御を行うことができた．Aロ且の推定誤換して示してある．また上述したように，拍動寵差のど上の標準偏差は0．03TmmHgであった．の場合には駆動空気圧レベルを自動詞節してエ∫Ⅴが一定となるような制御も行っており，最上段にFig▲引ま，Fig・4に対応する区間における（占）式の串）の各要素の推移を示Lたものである．ここでエβⅤも付け加えてある．

−4−

定常流
■1tユ︸叫一コ

知力．1∵F二＞冒エコ増−■月日・首冨﹂

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Fig．6 左右心バランス制御の結果∴

適応制御のパラメータは入＝0．与D，trr（一り＝1．0と【重■ニ臼「設定した．この設定も定常施ポンプと同種Aロ且の応答が速く．かつ十分安走になるようにしたも

Fig．7 定常詫ポンプと拍動流ポンプにおける適のである．その結果，拍動流ポンプの場合のAOP応制御の席黒の整定時間は定常施より約10昏長くなった．拍動もかかわらず，実際はFig．6の最上段ように，月の流の整売時間をこれ以上短くすると，応答が振動急変で∫Ⅴが目標値からはずれてLまうことが考的になってしまう傾向にあった．どたの標準偏差はえられる．一回拍出塁の定借制御の追従性能は，□・042m咄であり．定常流ポンプより大き捌こな安定性を十分確保しなければならないことを考慮った．

すると，これ以上良くすることはできないと考えFig．7は．走常流ポンプの場合の左右心バランスられる．

制御の結果であり，右心モータ電圧指令値月蝿と遵応制御系の性能を左右するのは，モデルのパ（9〕式の左右心房圧較差e烏を，私とともに示していラメータ同定能力である．この点，システムの出る．PI軌御のパラメータは試行錯誤により定め，そ力であるAロPの推定誤差∈上の標準偏差は，定常流の結果耳p＝2・8，打J＝0・10とした．同園からバランポンプの方が拍動涜ポンプよりむしろ小きいため−ス制御が所期のとおり動作していることがわかる．
（2）式のような低次の線形モデルであってもモツタ循環系を十分近似可能であると判断することがで

4．考察

きる．これは拍動流ポンプの場合と同様に．シ■ス

Fig．6における定常蛇ポンプと拍動流ポンプの応テムに非線形性ヤモデルイヒ誤差が多少存在しても，答特性を比較すると，定常流ポンプの方が整定時

これらが推定パラメータの時変性に吸収きれるか間が短く推定誤差言上の標準偏差が小さいことがわらであると考えられが）．

かる．この原因としては．拍動流ポンプの方では．

邁応制御が正常に動作するためには．デ「タ・ベ

拍動数のみを操作量とする目的で左心の一回柏出クトル紳）が持続的励振（persistentex亡itati叫PE）

重工∫Ⅴを一定値に保つ制御動作が要求きれるのに条件を満たす必要があが）．pE条件とは帥）がで−5−

きるだけ多くの周波数成分を含むという条件であが必要でないということである，

る・これはFig．昌の各パラメータの大幅な変化が月今回用いたモック循環系には，ポンプの流入口の急変時に起こっている現象に相応している．こにおける心房壁の吸着をシミュレートする機能がのため．交流成分を多く含む拍動沌の方が．ほほなかった・Lかし，実際の定常詫ポンプでは．この直流である定常乾よりPE条件が満たきれやすい上吸着現象が起こりゃすい．吸着現象が起きている

うに思わ九がちである．しかし実際は，拍動碓の時であっても，制御対象の特性が（2）式のモデルで場合もー拍内の計測壬の平均値に基づいた制御で十分近似できるかどうか，今のところ不明である．

あり．帥）のPE性は定常克と同程度でぁると考え

ただし．本システムでは．（2）式の係数パラメータられる・むしろ拍動流の方では，（2）式のARMAモの推走鰯何をモニタすることが可能であるため，デルでは表し切れない雑音成分が拍毎により頻繁

姉）の推移は吸着現象が起きそうかどうかを判断に混入するため∴定常詑よりパラメータの同定満する一つの辛がかりになる可能性がある．

鹿が低くなり，推定誤差∈上の標準偏差が大きくなる傾向にあるものと考えられる．

5． 虫わりに

本適応制御アルゴリズムの設定パラメータのう本研究では．拍動流完全置換型人工心臓で開発

ち．定常沌ポンプと拍動流牒ンプで大きく異なったされた末梢血管塘抗依存型適応制御が．定常流ポ

ものは．〔7）式の重み償鮎である．異なった理由は．

ンプを用いた場合にも適用可能かどうかを検討し走常流ポけに副ナるエ城附からAロ瑚mmHglたものである．小型のモータ駆動遠心ポンプを2までの伝達特性と．拍動戎ポンプに釦ナる剖叩／mh】

つ用いたモック循環系における実験から判断してからAOJコrmm嘲までの伝達特性とが，主として定常菰の場合は拍動滝ポンプを用いた場合より制物理量とその単位が全く異なるところから来るためであると考えられる．物理量に関する適当な換御性能が優れているばかりではなく，上り簡単なア算をすることに上り無次元化した入を＃入すれば．

ルゴリズムで．しかも計測畳が1つ少ない，AロP．

ポンプの種類の相違に応じた入に関する大幅な調エAP，月AP，C亡〕の4つの計測量で制御が実現できることが確かめられた．実験結果から．珪素し整を避けることが可能になると思われる．

た制御法が1／R制御と同様に末梢血管抵抗に依存

上述した応答特性以外に．拍動流ポンプより定Lた拍出流量制御を可能にするものであることが常流ポンプの制御が優れている点は，明らかになった．また，本制御法が適応制御アルa）一回摘出量制御が不要

ゴリズムを採用していることにより．ポンプが拍b）制御間隔Tが任意に設定可能

動流型か定常流型かという駆動様式やその動特性

C〕計測器から出力手九る平均値がそのまま利用に大幅な相違があっても，さらに，循環系の個体可能差や時変性があっても，自動的な流量制御が実行d）右心拍出先量の計測が不要可能であることを確かめられた．

である・a）については既に述べたとおりである．b）

今後は．動物乗馬削こおいて本制御法をさらに検と亡）は走常泥ポンプが拍動しないので当然である．

討するとともに．心房壁の吸着を考慮し．かつ．さただしアヤ計測静の時宜致が大きすぎると応答がらに計測量の少ない制御アルゴリズムヘの改良をにぷくなると考えられる，d）については．拍動流行うぺきであると考えられる．

ポンプにおいて右心ポンプに対してもー回抽出量の制御が必要なのに付し，定常流ポンプではこ九−6−参考文献l）T．Ahn＆tu．T．T凱Ikjy乱．‡く．Ⅳishimura，ParkCH，T．N血i；R∝ent8tudie80fttle Cenlri山名山
月100dP吐mpWitb．且M乱酔eti亡山IyS11SP印dedI皿−
pelleT，631／634，A山i鮎ialOrgM：1g（1gg5）
2）大横義男：長瀬補助を目的とした定常洗ポンプの阻尭の現状と展望，92可9ユ3，人工臓器叫1gg7）

3）阿部甫♯，鎮西憧撞，磯山 隆，浦調邦彦，松浦弘幸．馬場一息河野明正仁小野使乱望月修一，
孫 艶軋 今西 兼．書洋 軋 田中 明．内山守一，藤正 巌．恵美和乱井街 宏：完全置換型
人工心楓1／R制御に上る古3三日生存ヤギの長期血行動畢と桶態生理，21／26，人工昧器叫1997）

4）Y．Abe，T．C出皿托i，K．M山仙血i，A．J．Snyder，T．
Ⅰ呵鮎na，Ⅹ．In乱ni8i，T．YDneEaWa．，且M且tuura，
A■Ⅹ0ⅡnO，T．Ono，Ⅸ．A也Ⅶ皿i，Ⅰ．F11jim礼砲，旭d

K・Ima症 Pbysj0logi仁山抽出roldF a totalar一
亡ificiaIheaLrt：COnductzLACe・むId arterialpressure・

も朋ed粗ntrOl，88町876，エAppl．Pby6iol．け998）

5）田中明，曹市 乳阿部 健一．竹田 宏，山家智之，仁田新一，阿部硲軒，井街 宏：人工心臓
用連応制御系の同定能力と安定性の評凧114／1柑，
人工臓静ユも（19耶）

6）告辞 詫．田中 軋阿部 健一．竹田 宏，山家智之，仁日新−，阿部裕輔，井笥 宏：人工心
簾の制御一領碍制御系の制御工学的設計−，21／28，
BM王ト10（1粥嘲7）日本磯和学会：挑戦：知能化する機軋1さ岳／1阻茸
質量（1997）

朝新中新二連応アルゴリズム，産業国書（19gO）−7−