モデルベースド脈波センシング装置の開発

2.1.2 モデルベースド脈波センジング装置の開発 ‐疾患初期兆候検出のための血流動態の超微細高感度 モデルベースド・アクティブセンシング技術‐ 早瀬敏幸、太田信、白井敦
東北大学・流体科学研究所
Development of Model-based Pulse-wave Measurement System
(Diagnosis of Diseases from Pulse Waves)
Toshiyuki Hayase, Makoto Ohta, and Atsushi Shirai
Institute of Fluid Science, Tohoku University
Abstract: The authors have focused on the pulse diagnosis in traditional Chinese medicines, as a
non-invasive and simple diagnosis technique. The pulse diagnosis is said to be able to detect not only
diseases but also prior notice of diseases of patients. The authors performed an experiment to press down a
pressure sensor onto a radial artery, which extract fundamental mechanism of the pulse diagnosis, to
measure the change in the pressure pulse waves with the displacement of the sensor. They also developed a
simple mathematical model of one-dimensional blood flow in artery to reproduce the pulse diagnosis.
Finally it was suggested that physical properties of the circulation system have possible be identified by
adjusting the parameter of the mathematical model to fit the pressure pulse waves with the measurement.
Moreover, the authors have developed a model of blood vessels with poly-vinyl alcohol (PVA) hydro-gel.
For this purpose, we performed numerous parameter studies, and finally they found the arrangement of
PVA hydro-gel to mimic physical properties of real vessels. They then presented a wrist model which
contains a blood vessel, muscles, skin and a bone. This model must be a great help for verification of the
mathematical model.
目 的
本研究開発は、既存の技術では計測不可能な超早期の生活習慣病に伴うきわめて微細な変化を
検出可能とするため、血液物性および血流動態に対する新たな超微細超高感度モデルベースド・
アクティブセンシング技術を開発することを目的とする。そのため、脈波を計測システムを構築
し、脈診を模擬して、圧力センサを手首の橈骨動脈に押しつけることによる脈波波形の変化を計
測した。これと並行して、腕部血管系の一次元血流数学モデルを構築し、実験の再現を行うとと
もに、各種パラメータが脈波波形に与える影響を解析した。また、検証実験に供するために、ポ
リビニルアルコールハイドロゲル(以下、PVA)を用いたモデル血管の試作を行った。本報では、(1)
脈波計測システムの開発、(2) 腕部血管系数学モデルの構築、(3) PVA による血管モデルの作成の
それぞれについて、これまでに得られた成果を報告する。
1
別 紙
投稿論文
1) 鳴海賢太郎, 中西勉, 白井敦, 早瀬敏幸: 脈診の科学的検証のための一次元数学モデルの構築.
日本機械学会論文集 (B 編), 74-737, 142-148 (2008).
2) Kosukegawa, H., Mamada, K., Kuroki, K., Liu, L., Inoue K., Hayase, T., and Ohta, M., Measurements
of Dynamic Viscoelasticity of Poly(vinyl alcohol) Hydrogel for the Development of Blood Vessel
Biomodeling, Journal of Fluid Science and Technology, Vol. 3, No. 4 Special Issue on Advanced Fluid
Information (2008), 533-543.
3) 及川，片倉，柴田，太田，歯科技工技術と新材料の融合により生体の触感・質感・形状に近
づく外科手術練習用口腔模型(口腔粘膜＆骨模型)の開発―医療分野における歯科技工技術応
用の可能性拡大の模索から，歯科技工，第 36 巻 第 3 号 (2008-3)，305-315.
4) 太田，企業との win-win 共同研究による PVA ハイドロゲル外科手術練習用口腔粘膜模型の開
発，歯科技工 The International Journal of Dental Technology, 第 36 巻 第 3 号 (2008-3), 316-318
5) Liu, L., Hayase, T., Ohta, M., and Inoue, K., Experimental Validation of Color Doppler Velocity
Measurement for Ultrasonic-Measurement-Integrated Simulation of Blood Flow, Journal of
Biomechanical Science and Engineering, Vol. 3, No. 2 (2008), 161-175
6) Lei Liu, Hiroyuki Kosukegawa, Makoto Ohta, Toshiyuki Hayase, An isotropic in vitro Vessel Model
Using (Vinyl Alcohol) Hydro Gel and Mesh Material, Journal of Applied Polymer Science, Vol.116,
No.4, pp.2242-2250 (2009)
7) ChangHo YU, Hiroyuki KOSUKEGAWA, Keisuke MAMADA, Kanju KUROKI, Kazuto
TAKASHIMA, Kiyoshi YOSHINAKA, Makoto OHTA, Development of an In Vitro Tracking System
with Poly (vinyl alcohol) Hydrogel for Catheter Motion, Journal of Biomechanical Science and
Engineering, Vol.5, No.1, pp.11-17 (2009)
特 許
1)生体模型ための粘膜材
平成 18 年 5 月 26 日出願(特願 2006-147108)
発明者：太田 信，柴田幸彦，及川直人，片倉裕司，出願人；有限会社 テクノキャスト
出願人：株式会社東北テクノアーチ，有限会社 テクノ・キャスト
2)骨模型
平成 19 年 3 月 30 日出願（特願 2007‐091360）
発明者：太田 信，柴田幸彦，及川直人，片倉裕司，
出願人：東北大学，有限会社 テクノ・キャスト
学会発表
2009 年度
2
1) Tsutomu Nakanishi, Atsushi Shirai, and Toshiyuki Hayase: Reproduction of Pulse Waveform
Measurement using One-dimensional Mathematical Model for Validation of Pulse Diagnosis.
GPBE/NUS-Tohoku Graduate Student Conference in Bioengineering (Singapore). 2008-12-9.10.
2) 中西勉, 鳴海賢太郎, 白井敦, 早瀬敏幸: 脈診の科学的検証のための腕部皮下組織の力学モデ
ルの検討. JACT-JIM 合同大会 2007 in 松島 (仙台), 2007-12-1.2.
3) 小助川博之，間々田圭祐，劉磊，黒木完樹，井上浩介，早瀬敏幸，太田信 血管バイオモデ
リング開発を目的としたポリビニルアルコールハイドロゲルの力学的特性評価 第 21 回バイ
オエンジニアリング講演会講演論文集, No.08-53, pp.355-356 (2009)
4) Makoto Ohta, Kenjiro Okuno,Hitomi Anzai,Toshio Nakayama ， The Effect of Computational
Simulation on EndovascularTreatments of Cerebral Aneurysm The Third International Symposium
on Biomechanics,Human Function and Information Science pp.3-1-3-4, (2009.2.21).
5) Fridrici V., Kapsa Ph.,Ohta M Tribological behavior of PVA hydrogel for biological model of
arteries International Conference on Bioengineering & Biomaterials
http://ic2b2009.enise.fr/resumes/r_LG31P333.pdf (2009)
6) 太田信 医療デバイス開発のための要素技術開発-バイオモデルとシミュレーション- 会議
名称:低侵襲医療機器実現化フォーラム「脳外科領域の血管内治療」(2009)
7) Makoto OHTA Blood flow in cerebral aneurysm; Computational simulations and biomodels Special lecture in Yonsei University (2009)
8) Chang-Ho YU, Hiroyuki KOSUKEGAWA, Keisuke MAMADA, Kanju KUROKI, Kazuto
TAKASHIMA, Kiyoshi YOSHINAKA, Makoto OHTA, Study on a Catheter Movement with Poly
(vinyl alcohol) Hydrogel for the Development of an In-Vitro Tracking System Fourth Asian Pacific
Conference on Biomechanics, pp.301-302 (2009)
9) Hiroyuki KOSUKEGAWA, Keisuke MAMADA, Kanju KUROKI, Lei LIU, Kosuke INOUE,
Toshiyuki HAYASE, Makoto OHTA Study on the Development of Blood Vessel Biomodeling with
Realistic Mechanical Properties by Using Poly (vinyl alcohol) Hydrogel 4th Asian Pacific
Conference on Biomechanics AP Biomech 2009, pp.126-127,
10) C.H. Yu, H. Kosukegawa, K. Mamada, K. Kuroki, K, Takashima, K.Yoshinaka, M. Ohta ，
Experimental Study on a Catheter Movement for evaluating Catheter Designs ， International
3
Intracranial Stent Meeting 2009, pp.83-83
11) H. Kosukegawa, K. Mamada, K. Kuroki, L. Liu, K. Inoue, T. Hayase, M. Ohta Evaluation of Poly
(vinyl alcohol) Hydrogel Biomodeling by Using Ultrasound International Intracranial Stent Meeting
2009, pp.83-,
12) Hiroyuki Kosukegawa, Yoko Hashida, Toshiyuki Hayase, Makoto Ohta Poly(vinyl alcohol)
Hydrogel with Controlled Wall Thickness for Blood Vessel Biomodelilng Third Switzerland-Japan
workshop on Biomechanics 2009(SLB 2009), pp.75-75, (2009.9)
13) C.H.Yu, H. Kosukegawa, K. Mamada, K. Kuroki, K. Takashima, K. Yoshinaka, M. Ohta Experimental Study on a Catheter Movement for Evaluating Catheter Designs Using an In-Vitro
Tracking System Sixth International Conference on Flow Dynamics(ICFD), pp.352-353 (2009)
14) 小助川博之，劉磊，黒木完樹，早瀬敏幸，太田信 ポリビニルアルコールハイドロゲルを用
いた 3 次元血管モデルの構築と力学的特性の計測 第３１回日本バイオマテリアル学会大会,
pp.138-138, (2009.11).
2008 年度
1) Umimoto, T., Shirai, A., and Hayase, T., Measurement of Friction Characteristics of Neutrophils on
MPC Polymer with the Inclined Centrifuge Microscope, Proceedings of GPBE/NUS-Tohoku Graduate
Student Conference in Bioengineering, (2008-12), 11-12.
2) Nakanishi, T., Shirai, A., and Hayase, T., Reproduction of Pulse Waveform Measurement using
One-dimensional Mathematical Model for Validation of Pulse Diagnosis, Proceedings of
GPBE/NUS-Tohoku Graduate Student Conference in Bioengineering, (2008-12), 9-10.
3) Mamada, K. Kosukegawa, H. Yamaguchi, K., Oikawa, N., Katakura, Y., Shibata, Y., Kuroki, K., and
Ohta, M.，Sensory Evaluation of Poly (Vinyl Alcohol) Gel for Surgical Operation of Soft Tissue, The
5th International Intracranial Stent Symposium Program&abstract, (2008), 26.
4) Kosukegawa, H., Mamada, K., Liu, L., Kuroki, K., Yamashita, O., Hayase, T., and Ohta, M.,
Observation of Motion of Blood Vessel Biomodeling Made of Poly (Vinyl Alcohol) Gel with
Ultrasound, The 5th International Intracranial Stent Symposium Program&abstract, (2008) 33.
5) Yu, C.-H., Kosukegawa, H., Mamada, K., Kuroki, K., Takashima, K., Yoshinaka, K., and Ohta, M.,
Development for Catheter Motion Tracking System Using Poly(vinyl alcohol) Hydro-gel Biomodel,
Proceedings of The Eighth International Symposium on Advanced Fluid Information and
Transdiciplinary Fluid Integration, (2008-12), 92-93.
6) 海本，白井，早瀬，傾斜遠心顕微鏡を用いた好中球の MPC ポリマーに対する摩擦特性の計測，
日本機械学会第 19 回バイオフロンティア講演会講演論文集, (2008-9), 111-112.
4
7) 劉，小助川，太田，早瀬，PVA ハイドロゲルとメッシュ材料を用いた異方性血管モデルの制
作，日本機械学会第 19 回バイオフロンティア講演会講演論文集, (2008-9), 145-146.
8) 中西，白井，早瀬，脈診の科学的検証のための一次元数学モデルを用いた脈波計測実験の再
現, 日本機械学会第 21 回バイオエンジニアリング講演会講演論文集, (2009-1), 51-52.
9) 海本，白井，早瀬，傾斜遠心顕微鏡を用いた好中球の内皮細胞に対する摩擦特性の計測, 日本
機械学会第 21 回バイオエンジニアリング講演会講演論文集, (2009-1), 81-82.
10) 小助川，間々田，劉，黒木，井上，早瀬，太田，血管バイオモデリング開発を目的としたポ
リビニルアルコールハイドロゲルの力学的特性評価，日本機械学会第 21 回バイオエンジニア
リング講演会講演論文集, (2009-1), 355-356.
11) 間々田，小助川，Vincent Fridrici，及川，片倉，柴田，黒木，太田，Poly(Vinyl Alcohol)Hydrogel
を用いた口腔粘膜モデルの開発，日本機械学会第 21 回バイオエンジニアリング講演会講演論
文集, (2009-1), 389-390.
2007 年度
1) Shirai, A. and Hayase, T., EFFECT OF NEUTROPHILS RETENTION TIME IN CAPILLARIES ON
INCREASE IN THEIR CONCENTRATION IN A LATTICE CAPILLARY NETWORK MODEL,
Proceedings of the ASME 2007 Summer Bioengineering Conference (SBC2007), (2007- 6), CD-ROM
(SBC2007-176717).
2) Shirai, A. and Hayase, T., EFFECT OF RETENTION TIME OF NEUTROPHILS IN ALVEOLAR
CAPILLARIES ON INCREASE IN THEIR COCNENTRATION IN THE CAPILLARY NETWORK,
Proceedings of the 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Conference (FEDSM2007), (2007-7),
1-6(CD-ROM) (FEDSM2007-37653).
3) Haganuma, T., Hayase, T., Inoue, K., and Takeda, M., Friction Characteristics of Red Blood Cells
Under Physiological Temperature Condition Measured with an Inclined Centrifuge Microscope,
Proceedings of The seventh International Symposium on Advanced Fluid Information and The Fourth
International Symposium on Transdisciplinary Fluid Integration, (2007-12), 62-63.
4) Kosukegawa, H., Mamada, K., Kuroki, K., Liu, L., Inoue, K., Hayase, T., and Ohta, M., Measurement
of Mechanical Properties of Poly (vinyl alcohol) Hyrdogel for Development of Blood Vessel
Biomodeling, Proceedings of The seventh International Symposium on Advanced Fluid Information
and The Fourth International Symposium on Transdisciplinary Fluid Integration(2007-12), 50-51.
5) Kosukegawa, H., Mamada, K., Liu, L., Kuroki, K., Hayase, T., and Ohta, M., Studies on Funstional
Biomodeling of Cerebral Artery with Mechanical Properties using Poly (vinyl alcohole) Hydro-gel,
The 4th International Intracranial Stent Meeting, (2007-4), 39-40.
6) Ohta, M., In-vitro model of artery based on Poly vinyl alcohol (PVA) hydrogel (PVA-H) with low
friction, The 4th LYON-TOHOKU ENGINEERING & SCIENCE FORUM Toward the joint
Laboratory, (2007-12), 23.
7) 白井，早瀬，肺毛細血管網における好中球の停滞時間が濃度上昇に与える影響，日本機械学
5
会 2007 年度年次大会講演論文集，Vol. 6，(2007-9)，83-84.
8) 中西，鳴海，白井，早瀬，脈診の科学的検証のための一次元数学モデルの構築，第 11 回日本
代替・相補・伝統医療連合会議(JACT) 第 7 回日本統合医療学界(JIM) 合同大会 2007in 松島 プ
ログラム・抄録集，(2007-12)，76.
9) 芳賀沼，早瀬，井上，武田，傾斜遠心顕微鏡による生理的温度条件下での赤血球の摩擦特性
の計測，日本機械学会第 20 回バイオエンジニアリング講演会講演論文集，(2008-1)，21-22.
10) 小助川，間々田，劉，黒木，早瀬，太田，力学特性を付与した脳動脈瘤モデル開発のための，
Poly(vinyl alcohol)hydrogel の物性評価，第 30 回日本バイオレオロジー学会年会，Vol. 21 (2007-6),
69.
11) 小助川，間々田，劉，黒木，早瀬，太田，Poly(vinyl alcohol)hydrogel を用いた力学的特性を付
与した血管モデルの開発，第 36 回医用高分子シンポジウム，(2007-7)，81-82.
12) 間々田，小助川，山口，及川，片倉，柴田，黒木，太田，Poly (vinyl alcohol) gel を用いた口腔
粘膜モデルの開発と一対比較法による物性評価，日本機械学会東北支部第 43 期総会・講演会
講演論文集, (2008-3), 57 -58.
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