[논문]한국형 심실 보조 인공심장과 자연심장 간의 counterpulsation 제어 알고리즘의 개발

남경원; 최성욱; 정진한; 김욱은; 민병구

문제 정의

이는 counterpulsation 방식을 사용 함으로써 대동맥에 걸리는 부하가 줄어들었으며, 혈류역학적으로도 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 나타내는 연구결과이다. 본 연구에서는 이러한 counterpulsation 제어를 위해 심전도(Electrocardiogram, ECG) 신호를 사용하여 자연심장의 박 출시기를 실시간으로 검출해내고, 그에 따라 동시 박출 방지 제어를 수행하는 방식의 제어 알고리즘을 개발하였다. 심전도 신호의 QRS 파형 검출 알고리즘은 이미 여러 사람들에 의해 다양한 방법들이 개발되어 있으므로, [3][4][5][6]본 연구에서는 counterpulsation 알고리즘 자체의 구현에 중점을 두어 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 counterpulsation 제어를 위해 심전도(Electrocardiogram, ECG) 신호를 사용하여 자연심장의 박 출시기를 실시간으로 검출해내고, 그에 따라 동시 박출 방지 제어를 수행하는 방식의 제어 알고리즘을 개발하였다. 심전도 신호의 QRS 파형 검출 알고리즘은 이미 여러 사람들에 의해 다양한 방법들이 개발되어 있으므로, [3][4][5][6]본 연구에서는 counterpulsation 알고리즘 자체의 구현에 중점을 두어 연구를 진행하였다. 실험에 사용한 심실보조장치는 현재 서울대학교 인공심장연구실과 (주)바이오메드랩에서 공동으로 개발 중인 이식형 양심실보조장치(AnyHeart™, 그림1)를 사용하였으며, 이 심실보조장치는 이동작동기(Moving-actuator)가 좌우로 움직이며 혈액을 박출함으로써 하나의 디바이스로 좌심실과 우심 실을 동시에 보조하는 형태의 심실보조장치이다.
개발된 counterpulsation 제어 알고리즘은 기본적으로 자연 심장의 현재 박출 상태에 따라 심실보조장치의 박출 타이밍과 박동수를 자동적으로 조절하도록 설계되었다. 알고리즘을 작성할 때에는 일차적으로 좌심실에서 대동맥으로의 혈액 박출이 동시에 일어나지 않도록 하는 동시에 자연심장의 박출상태와 무관하게 항상 일정량 이상의 심실보조장치 박출량을 일정하게 유지시키는 데에 그 주안점을 두었다. 실험에 사용된 심전도 신호는 DNI Nevada Inc.

제안 방법

각 박출모드 별로 연속된 두 개의 QRS 파형 사이에 위치하는 심실보조장치의 박출 횟수가 다르므로, 보다 안정적인 동작을 위해 현재 자연심장의 박동수와 목표 박출 횟수에 따라 위의 제어인자들의 값을 자동적으로 변경시켜주는 알고리즘을 작성하였다. 즉, 현재 자연심장의 박동수가 분당 60회인 경우와 분당 90회인 경우, 또는 연속된 두 개의 QRS 파형 사이에 위치하는 심실보조장치의 박출 횟수가 1회일 때와 2회일 때, 그리고 3회일 때의 좌우 이동속도, 지연시간들을 각각 다르게 설정함으로써, 지정된 구간 내에 목표로 하는 횟수만큼의 심실보조장치 박출이 정확히 이루어질 수 있도록 설계하였다.
개발된 counterpulsation 제어 알고리즘은 기본적으로 자연 심장의 현재 박출 상태에 따라 심실보조장치의 박출 타이밍과 박동수를 자동적으로 조절하도록 설계되었다. 알고리즘을 작성할 때에는 일차적으로 좌심실에서 대동맥으로의 혈액 박출이 동시에 일어나지 않도록 하는 동시에 자연심장의 박출상태와 무관하게 항상 일정량 이상의 심실보조장치 박출량을 일정하게 유지시키는 데에 그 주안점을 두었다.
4:12의 비가 성립하도록 설정하였다. 그리고, 자연심장이 연속적으로 4회 박출할 동안 심실보조장치의 좌측 박출이 어떠한 형태로 일어나느냐를 나타내기 위해 표 1에 나오는 것과 같은 박출 프로파일의 개념을 도입하였다. 즉, 박출 프로파일이 1 : 1 : 1 : 1 이라는 것은 자연심장과 심실보조장치가 한 번씩 번갈아가며 박출한다는 것을 의미한다.
즉, 박출 프로파일이 1 : 1 : 1 : 1 이라는 것은 자연심장과 심실보조장치가 한 번씩 번갈아가며 박출한다는 것을 의미한다. 보다 안정적인 동작과 연속적인 혈액 박출을 위해, 동일 횟수의 경우 프로파일의 선택은 대칭성을 가지도록 선택하였으며(4:0:0:0이 아닌 1 : 1 : 1 : 1을 선택), 현재 자연심장의 박동수에 따라 사전에 지정 된 10종류의 박출모드들 중에서 목표 박출량 유지를 위해 필요한 박출모드를 자동적으로 선택하도록 하는 방식으로 심실보조장치의 박동수를 자동 제어하여 항상 목표 박출량에 근접한 심실보조장치 박출량을 유지할 수 있도록 설계하였다. 그리고, 이러한 박출모드 선택 프로토콜은 사전에 시행한 모의순환장치 에서의 박출량 측정 실험에 의해 결정되었다.
그러므로 자연심장의 박동수에 무관하게 항상 이 정도의 심실보조장치 박동수를 유지할 수 있으려면, 자연심장의 박동수와 심실보조장치의 박동수 간에 일정한 정수비를 유지하도록 설계하는 작업이 필요하였다. 실험의 편의를 위해 사용하는 자연심장의 박동수를 분당 30~110회로 제한하였으며, 자연심장의 박동수가 분당 30회일 경우에 심실보조장치의 박동수를 분당 90회로 유지할 수 있도록 박동수 간의 최대비를 1 : 3(4 : 12)으로 설정하였고, 또한 자연심장의 박동수가 분당 110회인 경우 심실보조장치의 박동수를 분당 90회로 유지할 수 있도록 박동수 간의 최소비를 4 : 3으로 설정하였다. 그리고, 이러한 최대.
이 경우에는 자연심장의 박동수와 심실보조장치의 박동수 간의 비가 1:2 (4: 8)로 강제 지정되어 심실보조장치가 동작하게 된다. 이 경우, 선택된 박 출모드에 따른 제어인자의 자동변경 매커니즘은 자동 박출량 제어모드에서의 경우와 동일하지만, 이 경우에는 박출량 유지보다는 박출모드 변경이 더 중요하므로, 4 :1에서 4 : 8까지 모두 8가지의 박출모드가 선택 가능하도록 설계하였다.
각 박출모드 별로 연속된 두 개의 QRS 파형 사이에 위치하는 심실보조장치의 박출 횟수가 다르므로, 보다 안정적인 동작을 위해 현재 자연심장의 박동수와 목표 박출 횟수에 따라 위의 제어인자들의 값을 자동적으로 변경시켜주는 알고리즘을 작성하였다. 즉, 현재 자연심장의 박동수가 분당 60회인 경우와 분당 90회인 경우, 또는 연속된 두 개의 QRS 파형 사이에 위치하는 심실보조장치의 박출 횟수가 1회일 때와 2회일 때, 그리고 3회일 때의 좌우 이동속도, 지연시간들을 각각 다르게 설정함으로써, 지정된 구간 내에 목표로 하는 횟수만큼의 심실보조장치 박출이 정확히 이루어질 수 있도록 설계하였다. 이때 사용되는 제어인자 값들은 모의순환장치를 이용한 사전 실험을 통해 얻어진 결과값들을 사용하였다.

대상 데이터

에서 제작한 Patient Simulator 217A를 사용하여 얻은 신호를 증폭하여 사용하였다. 사용한 신호는 Normal Sinus, amplitude 2 mV, Normal axis deviation, ST segment variation off로 설정하였으며, 발생된 신호는 별도의 증폭회로를 통과한 후, 아날로그/디지탈(A/D) 변환되어 PC 상의 통신포트(COM2)로 입력되었다. 이렇게 입력된 심전도 신호를 신호처리해서 QRS 파형을 실시간으로 검출하면 이를 토대로 나머지 통신포트(C0M1)를 통해 제어신호를 보내줌으로써 내부 제어기를 제어하게 된다.
심전도 신호의 QRS 파형 검출 알고리즘은 이미 여러 사람들에 의해 다양한 방법들이 개발되어 있으므로, [3][4][5][6]본 연구에서는 counterpulsation 알고리즘 자체의 구현에 중점을 두어 연구를 진행하였다. 실험에 사용한 심실보조장치는 현재 서울대학교 인공심장연구실과 (주)바이오메드랩에서 공동으로 개발 중인 이식형 양심실보조장치(AnyHeart™, 그림1)를 사용하였으며, 이 심실보조장치는 이동작동기(Moving-actuator)가 좌우로 움직이며 혈액을 박출함으로써 하나의 디바이스로 좌심실과 우심 실을 동시에 보조하는 형태의 심실보조장치이다.
그리고, 이러한 최대. 최소비 내에서 총 10종류의 박동수 비를 가지는 박출모드를 설정하였다. 즉, 자연심장의 박동수와 심실보조장치의 박동수 간에 4 : 3, 4 : 4, 4 : 5, 4 : 6, .

성능/효과

지금까지의 실험 결과에 의하면, 박출량 자동제어모드의 경우 이동 작동기형 심실보조장치에서 자연심장의 박동상황이 변화하더라도 항상 일정 수준 이상의 심실보조장치 박출량을 유지하는 동시에 자연심장과 심실보조장치 간의 counterpulsation 이 일어남을 확인할 수 있었다. 그리고 박출모드 수동제어모드의 경우에는 자연심장의 박동상황이 변화하더라도 항상 둘 간의 박동수비가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과로 미루어 볼 때, 제안된 제어 알고리즘은 현재 서울 대학교와 (주)바이오메드랩에서 공동으로 개발 중인 이식형 심실보조장치에 적용되어 자연심장과 심실보조장치 간의 coun- terpulsation을 항상 유지하는 동시에, 정상 상황에서는 심실보조장치의 박출량을 일정 수준 이상으로 유지하다가, 필요할 때에는 심실보조장치와 자연심장의 박동수비를 일정하게 유지시키기 위한 목적으로 사용 가능하다고 판단된다.
또한, Nanas 등의 연구결과로 미루어볼 때 심실보조장치의 제어에 counterpulsation 기법을 적용함으로 인해 혈류역학적으로도 긍정 적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 현재 제안된 제어 알고리즘은 박출량 유지를 위해 좌우 이동거리를 고정시키고 좌우 이동속도와 정지시간 만을 변화시키는 방법을 채택하고 있기 때문에, 자연심장의 박동수가 높아질수록 이동 작동기의 동작속도가 증가하여 전체적인 전류 증가가 일어나는 문제가 있었다. 이러한 전류 증가 문제의 해결을 위해서는 좌우 이동속도와 정지시간 외에 좌우 이동거리를 동시에 변경시킴으로써 박출량을 유지시키는 방식으로의 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
그리고, 이처럼 일정수준의 심실보조장치 박출량을 계속 유지할 수 있으려면, 자연심장의 박동수에 무관하게 항상 일정값 이상의 심실보조장치 박동수를 유지할 수 있어야만 한다. 본 연구에서는 이러한 심실보조장치의 목표 박출량을 3.0 i/min,3.5 C/min의 두 가지로 설정하여 실험을 진행하였으며, 테스트 결과 실험에 사용된 심실보조장치의 경우 3.0 /min 정도의 박출량을 유지하려면 분당 90~100회, 3.5 £/min 정도의 박출량을 유지하려면 분당 100~110회 정도의 박동수를 유지해 주는 것이 필요하였다. 그러므로 자연심장의 박동수에 무관하게 항상 이 정도의 심실보조장치 박동수를 유지할 수 있으려면, 자연심장의 박동수와 심실보조장치의 박동수 간에 일정한 정수비를 유지하도록 설계하는 작업이 필요하였다.
지금까지의 실험 결과에 의하면, 박출량 자동제어모드의 경우 이동 작동기형 심실보조장치에서 자연심장의 박동상황이 변화하더라도 항상 일정 수준 이상의 심실보조장치 박출량을 유지하는 동시에 자연심장과 심실보조장치 간의 counterpulsation 이 일어남을 확인할 수 있었다. 그리고 박출모드 수동제어모드의 경우에는 자연심장의 박동상황이 변화하더라도 항상 둘 간의 박동수비가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

실제 동물실험실에서 사용되고 있는 Patient Monitor 장비의 RS-232 포트를 통해 나오는 데이터 값은 실제 입력 값보다 많이 지연되어(250 msec 정도) 출력되므로 정확한 제어의 용도로 사용하기에는 부적절하였다. 그밖에도, 현재 개발된 알고리즘은 혈액주머니의 혈액 충만상태가 최고인 상태(full-fill)인 경우를 가정하여 작성되었으므로, 실제 상황에서는 혈액주머니의 현재 충만상태를 파악하여 그에 따른 추가적인 조절을 가해주는 알고리즘의 추가적 보완이 필요하리라 판단된다. 이를 위해 현재 심실보조장치의 자동제어에 사용되는 제어값인 PTBC(Percent~time before contact)을 사용하여 현재의 PTBC 값에 따라 혈액 충만도를 파악하고 그 값에 따라 박출 프로파일과 제어 인자들의 값을 자동 변경하는 알고리즘의 개발이 추가적으로 요구된다.
이러한 실험 결과로 미루어 볼 때, 제안된 제어 알고리즘은 현재 서울 대학교와 (주)바이오메드랩에서 공동으로 개발 중인 이식형 심실보조장치에 적용되어 자연심장과 심실보조장치 간의 coun- terpulsation을 항상 유지하는 동시에, 정상 상황에서는 심실보조장치의 박출량을 일정 수준 이상으로 유지하다가, 필요할 때에는 심실보조장치와 자연심장의 박동수비를 일정하게 유지시키기 위한 목적으로 사용 가능하다고 판단된다. 또한, Nanas 등의 연구결과로 미루어볼 때 심실보조장치의 제어에 counterpulsation 기법을 적용함으로 인해 혈류역학적으로도 긍정 적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 현재 제안된 제어 알고리즘은 박출량 유지를 위해 좌우 이동거리를 고정시키고 좌우 이동속도와 정지시간 만을 변화시키는 방법을 채택하고 있기 때문에, 자연심장의 박동수가 높아질수록 이동 작동기의 동작속도가 증가하여 전체적인 전류 증가가 일어나는 문제가 있었다.
이러한 전류 증가 문제의 해결을 위해서는 좌우 이동속도와 정지시간 외에 좌우 이동거리를 동시에 변경시킴으로써 박출량을 유지시키는 방식으로의 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 또한, 개발된 알고리즘을 실제 동물실험 상황에 적용하기 위해서는 체내에 이식하여 심전도 신호를 실시간으로 검출해 낼 수 있는 이식형 전극과 그와 연관된 소형 하드웨어를 따로 개발할 필요가 있었다. 실제 동물실험실에서 사용되고 있는 Patient Monitor 장비의 RS-232 포트를 통해 나오는 데이터 값은 실제 입력 값보다 많이 지연되어(250 msec 정도) 출력되므로 정확한 제어의 용도로 사용하기에는 부적절하였다.
그리고 박출모드 수동제어모드의 경우에는 자연심장의 박동상황이 변화하더라도 항상 둘 간의 박동수비가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과로 미루어 볼 때, 제안된 제어 알고리즘은 현재 서울 대학교와 (주)바이오메드랩에서 공동으로 개발 중인 이식형 심실보조장치에 적용되어 자연심장과 심실보조장치 간의 coun- terpulsation을 항상 유지하는 동시에, 정상 상황에서는 심실보조장치의 박출량을 일정 수준 이상으로 유지하다가, 필요할 때에는 심실보조장치와 자연심장의 박동수비를 일정하게 유지시키기 위한 목적으로 사용 가능하다고 판단된다. 또한, Nanas 등의 연구결과로 미루어볼 때 심실보조장치의 제어에 counterpulsation 기법을 적용함으로 인해 혈류역학적으로도 긍정 적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
다만, 현재 제안된 제어 알고리즘은 박출량 유지를 위해 좌우 이동거리를 고정시키고 좌우 이동속도와 정지시간 만을 변화시키는 방법을 채택하고 있기 때문에, 자연심장의 박동수가 높아질수록 이동 작동기의 동작속도가 증가하여 전체적인 전류 증가가 일어나는 문제가 있었다. 이러한 전류 증가 문제의 해결을 위해서는 좌우 이동속도와 정지시간 외에 좌우 이동거리를 동시에 변경시킴으로써 박출량을 유지시키는 방식으로의 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 또한, 개발된 알고리즘을 실제 동물실험 상황에 적용하기 위해서는 체내에 이식하여 심전도 신호를 실시간으로 검출해 낼 수 있는 이식형 전극과 그와 연관된 소형 하드웨어를 따로 개발할 필요가 있었다.
그밖에도, 현재 개발된 알고리즘은 혈액주머니의 혈액 충만상태가 최고인 상태(full-fill)인 경우를 가정하여 작성되었으므로, 실제 상황에서는 혈액주머니의 현재 충만상태를 파악하여 그에 따른 추가적인 조절을 가해주는 알고리즘의 추가적 보완이 필요하리라 판단된다. 이를 위해 현재 심실보조장치의 자동제어에 사용되는 제어값인 PTBC(Percent~time before contact)을 사용하여 현재의 PTBC 값에 따라 혈액 충만도를 파악하고 그 값에 따라 박출 프로파일과 제어 인자들의 값을 자동 변경하는 알고리즘의 개발이 추가적으로 요구된다.[7]

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Development of the Control Algorithm for Counterpulsation between a Moving-actuator type Bi-Ventricular Assist Device (AnyHeart) and a Natural Heart 원문보기

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