[논문]맥진연구를 위한 심혈관계 시뮬레이터의 개발

이주연; 신상훈

맥진연구를 위한 심혈관계 시뮬레이터의 개발
Development of the Cardiovascular Simulator for Pulse Diagnosis Study 원문보기

大韓韓醫診斷學會誌 = The journal of the Society of Korean Medicine Diagnostics, v.16 no.1, 2012년, pp.19 - 26

이주연 (상지대학교 일반대학원 동서의료공학과) , 신상훈 (상지대학교 보건과학대학 한방의료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives The aim of this study is to develop a cardiovascular simulator that can reproduce blood pressure pulse and blood flow similar to those of the human body. Methods In order to design a system similar to the human cardiovascular system, the required performances were determined by investigating the hemodynamic characteristics of the heart and the arterial system. Main organ to be imitated is heart in simulator. The rest of the system was minimally designed. Also, a blood pressure and blood flow measurement system was developed for measuring the results. Results The developed system showed blood pressure pulse at similar range of the human aorta. The result waveform include primary wave caused by ventricular systole except reflected wave. Conclusions The blood pressure and blow flow patterns were replicated by the simulator. These patterns were similar to those of the human body. The system will play an important role in studying pulse diagnostics.

주제어

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문제 정의

그러나 맥상은 심장, 혈관계, 그리고 장부의 특성까지 포함하고 있는 인체의 전반적인 특성이므로, 전통적인 28맥의 기전을 연구하기 위해서는 인체의 혈압과 혈류특성을 동시에 재현할 수 있는 시뮬레이터가 반드시 필요하다. 그러므로 본 연구는 심혈관계에 대하여 혈압과 혈류특성을 동시에 구현할 수 있는 시뮬레이터를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
본 논문에서는 대동맥의 혈압과 혈류 패턴을 구현해내는 심혈관계 시뮬레이터를 개발하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문은 기존의 연구들이 시도하지 않았던 생리적인 혈압-혈류 패턴의 동시구현이라는 힘든 목표를 설정하고 이를 구체화한 첫걸음이다. 본 연구에서는 충격파의 특성만을 만족시키고 있으나, 향후에는 조랑파와 중복파의 특성도 구현할 수 있는 완벽한 시뮬레이터를 개발할 예정이다.
본 연구는 맥진의 기전연구에 필요한 심혈관계 시뮬레이터를 개발하는 것이다. 이를 위하여 인체의 생리적 특성과 유사한 혈압패턴과 혈류패턴을 동시에 구현할 수 있는 시뮬레이터를 제작하는 것이 목표이다.
본 연구에서는 심혈관계의 기능적 특징인 혈압과 혈류를 동시에 모두 재현하는 것을 목표로 한다. 시뮬레이터가 구현할 특성으로는, 심장 박동수 분당 60회, 혈압의 범위 50-100 mmHg, 혈류의 범위 0-70 cm/s로 선정하였다.
시뮬레이터에 요구되는 성능을 파악하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 심혈관계의 혈류역학적 특성을 바탕으로 시뮬레이터의 구현특성을 설계 하였다.
본 연구는 맥진의 기전연구에 필요한 심혈관계 시뮬레이터를 개발하는 것이다. 이를 위하여 인체의 생리적 특성과 유사한 혈압패턴과 혈류패턴을 동시에 구현할 수 있는 시뮬레이터를 제작하는 것이 목표이다.

제안 방법

- 단일 실리콘튜브를 이용하여 동맥계를 모사하였으며, 튜브의 높이차와 튜브말단에 밸브를 설치하여 혈류저항 특성을 구현하였다. 또한 물을 저장하는 수조를 이용하여 정맥의 기능을 구현하였다.
- 모터와 피스톤-실린더를 이용하여 좌심실의 혈압생성 기능을 구현하였으며, 시뮬레이터에 적합한 체크밸브를 설계/제작하여 판막의 기능을 구현하였다.
대동맥의 압력패턴을 구현하기 위해 수축기 시간과 이완기 시간의 비율이 1:2가 되도록 모터를 제어하였다. 맥상의 패턴은 심장의 수축으로 인해 생기는 충격파와, 판막의 닫힘으로 인해 생기는 절흔, 동맥의 분지로 인해 되돌아오는 반사파로 구성되어 있는데, 본 시뮬레이터에는 혈관분지가 없으므로 반사파가 없는 압력파형이 생성되었다.
- 단일 실리콘튜브를 이용하여 동맥계를 모사하였으며, 튜브의 높이차와 튜브말단에 밸브를 설치하여 혈류저항 특성을 구현하였다. 또한 물을 저장하는 수조를 이용하여 정맥의 기능을 구현하였다.
체크밸브는 역류방지 밸브라고도 불리며, 역할과 구조에 따라 여러 가지 종류가 있다. 본 시스템이 구현하는 압력 범위와 관의 구경에 따라 밸브를 조사한 결과 적합한 밸브를 구할 수 없었으므로 본 시스템에 적합한 체크밸브를 직접 설계하고 제작하였다. 그림 4는 체크밸브의 설계도이다.
혈압을 측정하기 위한 센서는 유체흐름에 영향을 주지 않아야 하고 재현성이 좋아야 하며, 측정 범위를 만족시켜야 한다. 본 연구에서는 실제 임상에 사용되는 침습적 혈압센서(1620 pressure sensor, msisensors, Inc.)를 이용하여 혈압을 측정하였다. 센서의 전기적인 신호를 원하는 값으로 변환하기 위해서는 두 가지 과정이 필요하다.
본 연구에서는 임상에서 사용되는 도플러식 초음파 센서(ES-100V3, Hadeco Co. Ltd.)를 사용하여 혈류속도를 측정하였다. 초음파 혈류계의 경우 유체에 주는 영향이 거의 없으며 측정범위가 본 실험과 동일하다는 장점이 있다.
본 연구에서는 심혈관계의 기능적 특징인 혈압과 혈류를 동시에 모두 재현하는 것을 목표로 한다. 시뮬레이터가 구현할 특성으로는, 심장 박동수 분당 60회, 혈압의 범위 50-100 mmHg, 혈류의 범위 0-70 cm/s로 선정하였다.
시뮬레이터는 심장, 혈관계, 그리고 측정부로 구성하였다. 심장은 좌심실의 기능을 구현하는 실린더 방식의 압력 발생부와 판막 역할을 하는 체크밸브로 구성되어 있다.
혈관계는 동맥계를 모사하는 단일혈관과 혈류저항을 모사하기 위한 밸브장치, 그리고 정맥계의 특성을 나타내는 수조로 구성하였다. 시뮬레이터의 특성을 평가하기 위하여 혈압 측정장치와 혈류 측정장치로 구성된 측정부를 제작하였다.
실린더-피스톤의 기구부 사이에 장착된 실링부는 기구가 피스톤 운동을 하는 도중에 생기는 큰 마찰을 견딜 수 있으며 동시에 물이 새지 않도록 제작되었다. 실린더의 용량은 여러 경우의 실험을 할 수 있도록 심장의 일회박출량의 두 배인 200㎖로 제작하였다. 그림 3는 압력 발생부의 설계도이다.
시뮬레이터(simulator)란 실제의 특성과 유사한 현상을 재현하도록 만들어진 장치를 뜻한다. 전통적인 맥진은 인체의 전반적인 특성을 나타내나, 현대적인 의미에서 맥상은 심장과 동맥계의 특성에 가장 영향을 많이 받으므로, 심혈관계의 구조적 특성과 기능적 특성을 고려하여 조사하였다.⁶⁾ 심장 시뮬레이터로는 인공심장이 있으며, 심장의 혈압과 혈류기능을 대신하는 일종의 치료장비로 사용되고 있었다.
측정의 정확도를 높이기 위하여 지그를 제작하여 최적의 각도를 유지할 수 있도록 하였다. 정밀도가 검증된 유량계를 이용하여 초음파 도플러의 정밀도를 보정하였다.
본 실험에서 기준 압력시스템은 정수압으로 선정하였다. 측정결과를 바탕으로 변환식을 추출하였으며, 이를 적용하여 출력전압을 혈압으로 변환하였다. 그림 5는 측정결과와 변환식을 비교한 그림이다.
이상적인 각도는 30-60° 이며, 선정된 혈류계에서는 60° 로 고정하였다. 측정의 정확도를 높이기 위하여 지그를 제작하여 최적의 각도를 유지할 수 있도록 하였다. 정밀도가 검증된 유량계를 이용하여 초음파 도플러의 정밀도를 보정하였다.

대상 데이터

모터는 시스템의 모든 부하를 이겨내고 유체를 순환시킬 수 있어야 한다. 따라서 시스템 부하를 측정하는 실험을 통하여 이를 이겨낼 수 있는 충분한 용량의 모터를 선정하였다. 실린더-피스톤의 기구부 사이에 장착된 실링부는 기구가 피스톤 운동을 하는 도중에 생기는 큰 마찰을 견딜 수 있으며 동시에 물이 새지 않도록 제작되었다.

이론/모형

본 연구에서는 압력센서를 이용한 삽입식 직접혈압 측정방법을 선택하였다. 혈압을 측정하기 위한 센서는 유체흐름에 영향을 주지 않아야 하고 재현성이 좋아야 하며, 측정 범위를 만족시켜야 한다.

성능/효과

- 개발된 시뮬레이터는 충격파의 혈압/혈류 특성은 잘 나타내고 있으나, 조랑파와 중복파의 특성은 관찰되지 않았다. 이는 동맥계를 단일혈관으로 모델링하여 반사파가 생성되지 않았고, 모터제어 기술의 미숙으로 절흔과 같은 급격한 압력차단 효과를 생성하지 못한 때문으로 분석된다.
지금까지 이루어진 맥진 객관화 연구들 중에서 가장 활발하게 진행된 부분은 의사의 주관적인 감각을 객관화하는 맥진기기의 개발 분야이다.¹⁾ 이는 의사의 주관적 감각을 진단기기의 객관적 신호로 정량화했다는 큰의미가 있다. 현재 진행되는 많은 연구들이 측정기기의 정밀도와 재현성을 높이는 데 집중되어 있으며,²⁾ 측정된 맥파신호를 이용하여 한의학적 진단을 자동화하는 연구를 진행하고 있다.
전통적인 맥진은 인체의 전반적인 특성을 나타내나, 현대적인 의미에서 맥상은 심장과 동맥계의 특성에 가장 영향을 많이 받으므로, 심혈관계의 구조적 특성과 기능적 특성을 고려하여 조사하였다.⁶⁾ 심장 시뮬레이터로는 인공심장이 있으며, 심장의 혈압과 혈류기능을 대신하는 일종의 치료장비로 사용되고 있었다.⁷⁾혈관 시뮬레이터에는 혈압특성을 재현하는 혈압 시뮬레이터와 혈류특성을 재현하는 혈류 시뮬레이터가 있다.
⁸⁾ 혈압 시뮬레이터와 마찬가지로 혈류 시뮬레이터도 혈류계의 측정 정확도를 평가하기 위하여 사용되나 실험실 수준이다.⁹⁾ 맥진 시뮬레이터는 요골동맥의 맥진부위에서 의사가 손 끝으로 느끼는 맥압의 3차원적인 분포를 재현한다.¹⁰⁾
시뮬레이터의 구동 결과 반사파가 없이 수축파만을 표현하고 있는 것을 확인할 수 있다. 구현 결과 심장 박동수는 분당 55-65번이며, 혈압의 범위는 50-100 ㎜Hg, 혈류의 범위는 0-50 ㎝/s이다.
시뮬레이터의 구동 결과 반사파가 없이 수축파만을 표현하고 있는 것을 확인할 수 있다. 구현 결과 심장 박동수는 분당 55-65번이며, 혈압의 범위는 50-100 ㎜Hg, 혈류의 범위는 0-50 ㎝/s이다.

후속연구

즉 심장의 수축기에서 이완기가 시작됨과 동시에 혈액의 흐름을 갑자기 차단할 수 있는 판막기능이 필요하다. 본 연구에서 개발된 체크벨브는, 벨브 전후의 압력차가 거의 없어지는 이완기 초기시점에서 판막기능이 약화되는 문제점이 발생하였으며 향후 이 문제를 해결할 수있는 구조변경을 시도할 예정이다.
본 논문은 기존의 연구들이 시도하지 않았던 생리적인 혈압-혈류 패턴의 동시구현이라는 힘든 목표를 설정하고 이를 구체화한 첫걸음이다. 본 연구에서는 충격파의 특성만을 만족시키고 있으나, 향후에는 조랑파와 중복파의 특성도 구현할 수 있는 완벽한 시뮬레이터를 개발할 예정이다.
그리고 심혈관계의 생리적 특성을 정밀하게 구현하기 위해서는 심장의 수축력과 관련이 있는 승각시간에 관한 특성도 고려해야 한다. 이를 위해서는 압력 발생장치에 사용되는 모터의 위치 및 속도제어 기술이 필요하며, 향후 정밀한 모터제어를 통하여 구현할 계획이다.
즉 혈관이 여러 갈래로 나뉘는 분지(分枝) 현상과 심장에 가까운 중심동맥보다 말초동맥이 딱딱해지는 혈관경화 현상을 재현해야 한다. 향후에는 혈관의 분지구조 재현과 혈관탄성도의 변화를 통하여 문제점을 해결하려고 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고전에서는 맥상을 어떻게 표현하는가?	맥진기를 사용하여 임상정보를 객관적으로 측정 하는 것만으로 맥진이 세계화될 수는 없다. 고전에서 맥상을 설명하는 전형적인 방식으로는, 먼저 의사의 감각(體狀)을 기술하고 다음으로 그 맥상이 관찰되는 경우나 원인(主病)을 한의학적 용어로 설명하고 있다. 맥진의 세계화를 위해서는 맥상의 기전을 음양기혈로 설명하는 기존의 방식보다는 한의학적 정체성을 유지하면서 세계인들과 공감할 수 있는 현대화된 언어로 표현하는 노력이 필요하다.
	맥진이란 무엇인가?	맥진은 고대맥진은 고대로부터 오랜 세월에 걸쳐 임상적 경험을 통하여 축적되고 체계화된 귀중한 유산으로서, 현대의학의 관점에서 본다면 혈관계 모니터링을 통한 기능진단이라는 새로운 진료영역에 속한다. 맥진은 손가락 감각을 이용하여 경맥의 박동상태를 관찰함으로써 장부와 경락의 상태를 판단 하는, 변증시치의 중요한 수단이다. 한의학이 급변하는 의료환경 속에서 경쟁력을 가지며 발전하기 위해서는 맥진의 객관화가 중요하다.
	맥진연구를 위한 심혈관계 시뮬레이터에게 요구되는 성능은 무엇인가?	혈압계를 평가하기 위하여 혈압 측정과정에서 발생하는 코로트코프음이나 혈관의 진동 특성만을 생성하는 시뮬레이터의 경우8)는 측정부위의 국부적인 현상만을 나타내는 특수한 시뮬레이터이다. 그러나 맥상은 심장, 혈관계, 그리고 장부의 특성까지 포함하고 있는 인체의 전반적인 특성이므로, 전통적인 28맥의 기전을 연구하기 위해서는 인체의 혈압과 혈류특성을 동시에 재현할 수 있는 시뮬레이터가 반드시 필요하다. 그러므로 본 연구는 심혈관계에 대하여 혈압과 혈류특성을 동시에 구현할 수 있는 시뮬레이터를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

참고문헌 (10)

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강희정, 허영. 맥 진단기기의 요소기술 및 제품화 동향. 전자공학회지. 2010; 37: 22-31.
김재욱, 신상훈. 맥진 알고리즘 개발. 전자공학회지. 2010; 37: 32-41.

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신상훈. 손목의 피부특성을 고려한 맥상파 해석 모델 개발. 대한한의진단학회지. 2011; 15: 159-168.

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신상훈, 박대훈, 박영재, 박영배. 혈류역학을 이용한 촌구와 인영의 특성비교. 대한침구학회지. 2004; 21: 241-248.

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신상훈, 이주연. 심혈관계 시뮬레이터의 연구동향. 대한한의진단학회지. 2011; 15: 55-66.

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Ng KG, Small CF. Review of methods & simulators for evaluation of noninvasive blood pressure monitors. J Clin Eng. 1992; 17: 469-479.

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전세종, 윤병로, 이광복. 혈류 시뮬레이터를 이용한 초음파 혈류계 교정에 대한 연구. 한국정밀공학회 추계학술대회 논문집. 2009: 637-638.
김은근, 남기창, 허현, 허영. 모의 맥파 재현 장치를 이용한 부침맥 구현. 대한전자공학회 하계종합학술대회. 2009: 1170-1171.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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