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May 27, 2023

数値流体力学に基づく機械学習により、NeoVAD ブレードの幾何学的設計の最適化が可能になります

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7183 (2023) この記事を引用 2709 アクセス 2 オルトメトリクスの詳細 NeoVAD は、提案されている小児用軸流左心室補助装置です

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7183 (2023) この記事を引用

2709 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

NeoVAD は、乳児に移植できるほど十分に小さい、提案された小児用軸流左心室補助装置 (LVAD) です。 インペラとディフューザーブレードの設計は、ポンプの流体力学的性能と血液適合性にとって重要です。 この研究は、数値流体力学 (CFD)、機械学習、およびグローバル最適化を使用して、ポンプ効率のブレードを最適化することを目的としていました。 各設計のメッシュ化には通常 600 万の六面体要素が含まれており、レイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式を閉じるためにせん断応力輸送乱流モデルが使用されました。 実験研究に適合するように、0.5 ～ 4 L/min の 8 つの流量で動作する 32 の基本形状の CFD モデルが作成されました。 これらは、圧力-流量曲線および効率-流量曲線を、すべての基本プロトタイプポンプについて実験的に測定された曲線と比較することによって検証されました。 最適化ルーチンが効率的な検索を実行できるようにするには、サロゲート モデルが必要でした。 多重線形回帰、ガウス過程回帰、およびベイジアン正則化人工ニューラル ネットワークは、明示的にシミュレーションされていない設計ポイントでの最適化目標を予測しました。 遺伝的アルゴリズムを使用して最適な設計を検索しました。 最適化された設計では、32 の基本設計の最高性能のポンプと比較して、設計時点で効率が 5.51% 向上しました (性能は 20.9% 向上)。 LVAD のブレード設計の最適化方法は、単一の目的関数に対して機能することが示されており、今後の研究では多目的の最適化が検討される予定です。

先天性心疾患（CHD）による小児心不全の発生率は、出生 1,000 人あたり 1 ～ 2 人です。 これらの患者は心臓移植を必要としていますが、利用可能なドナー心臓の数がこのニーズを満たすには不十分です1、2、3。 左心室補助装置 (LVAD) は、新しい心臓を待つ間、患者の生命を維持することができます (いわゆる移植へのブリッジ療法)。

小児患者に対する現在の LVAD オプションにはすべて大きな制限があります。 ベルリン ハート EXCOR は、体外の空気圧駆動の拍動流 VAD です。 小児患者向けに特別に設計されていますが、主に弁での血栓形成による神経合併症のリスクが 20 ～ 30% あります 4,5,6。 PediMag は体外の磁気浮遊式遠心 VAD であり、最長 6 時間の使用のみが承認されており、感染症と神経学的事象の両方に関連しています 7、8、9。 現在の代替ソリューションは、成人向けに設計された既存の LVAD を再利用することです。HeartMate II と HVAD はどちらもこの方法で使用されており、2020 年に HeartMate 3 が小児患者用に承認され、現在最も頻繁に使用されています 6、10、11。 これらのポンプは心拍出量の大きい成人向けに設計されているため、小児患者が必要とする低流量および圧力ヘッドでの操作には動作速度の低下が伴い、デバイスが設計から外れて動作するため、血液滞留時間の増加につながります。うっ血と血栓症1、3、12。 デバイスのサイズにより、HeartMate 3 は最小 BSA が約 0.6 m\(^2\) ( HVAD11、13の場合は13.1kg）。 サイズ制限があるということは、これより小さい患者は体外に装置を装着する必要があり、常に感染のリスクが伴います。

NeoVAD は、提案されている小児用左心室補助装置であり、5 ～ 20 kg の乳児に移植できるほど小さいです。 一般に、体重が 5 kg 未満の患者は LVAD サポートにとって大きな課題となっており、これらの患者に対する連続流装置の使用は十分に研究されていません 3。 完全に埋め込み可能であることがさらに難しいため、NeoVAD はこの制限より小さい患者向けに特別に設計されていません。 小児患者向けに特別に設計された完全に移植可能な LVAD の必要性が緊急に求められており、NeoVAD の目的は、この特定のニーズを満たす安全で長期の移植までのブリッジ療法を提供することです。