人工心臓の開発に CAD を応用: 人工心臓の 3D モデリング

人工心臓と 3D 設計

PLS 人工心臓自動車部品から家庭用品、医療機器まで、あらゆる製品の開発に 3D モデリングが広く使用されていることは驚くに値しません。人工心臓の設計は 3D モデリングの最も期待されている用途の 1 つと言えるでしょう。Creo CAD 3D モデリング ソフトウェアは、この最先端技術の最前線で使用されています。

人工心臓に対するニーズ

心臓移植と人工心臓に対するニーズの高まりについて、簡単な統計から以下のことがわかります。

  • 世界保健機構によると心臓疾患は世界における死亡原因の第 1 位であり、年間 740 万人もの人が亡くなっています。
  • ドナー心臓の需要が急速に増える一方で、提供される心臓の数は横ばいから減少しつつあります。
  • 米国では 4,000 人、欧州連合では 3,000 人以上がドナー心臓の提供を待っています (米国保健福祉省および欧州委員会保健省による推定)。
  • 人工心臓は、ドナー心臓が見つかるまで患者の生命をつなぐ架け橋として主に使用されています。人工心臓の移植は、45 年前に実用的な人工心臓が発明されて以降、1,413 例にとどまっています (年間約 30 件)。

医師らが、完全置換型人工心臓よりも患者自身の心臓による血液の送り出しを補助する補助人工心臓を選ぶ理由として、以下の問題が挙げられます。

  • 人工心臓は、患者の体内で拒絶反応が現れる場合が多い。
  • 血流を妨げ、心臓発作を引き起こす恐れがある。
  • 非常に高価である (約 250,000 米ドル)。
  • 通常、人工心臓の大きさは人間の心臓の 2 倍以上ある。
  • 感染のリスクが高い。移植される部品が多いほどリスクが高まる。

3D モデリングと人工心臓の設計

東京大学大学院の磯山隆氏と研究チームはこれらの問題を克服する次世代の人工心臓の開発を急務と考え、3D CAD ソフトウェアを使用し、心臓内の血液の流れをアニメーションで示す、心臓のモデリングを行っています。3D モデルを使用することで、2D CAD よりもターボ ポンプのブレードの設計プロセスを迅速化することができました。

東京大学チームは、シャフトとベアリングで構成される非接触ロータリー ポンプの設計に Creo ソフトウェアを使用しました。3D モデルによってこのプロセスにかかる時間が短縮され、次のステップである部品の精密機械加工を行う ANSYS などのコンピュータ支援エンジニアリング ソフトウェアにプランを簡単にエクスポートできるようになった、と磯山氏は述べています。

磯山氏が設計した人工心臓であるヘリカル フロー完全置換型人工心臓はすでにヤギへの移植を終えており (最長 100 日の生存を達成)、2016 年までに動物用の最終モデルが完成する予定で、人間に使用できるモデルは 5 年後以降の完成が見込まれています。

PTC は、3D モデリングとシミュレーションにおける当社の先進技術が人工心臓技術の一端を担い、将来の人命救助に使われることに誇りを感じています。

写真提供: 東京大学