[논문]혈압파형에 초점을 맞춘 심혈관계 시뮬레이터의 개발

이주연; 장민; 신상훈

doi:10.9718/jber.2013.34.1.40

혈압파형에 초점을 맞춘 심혈관계 시뮬레이터의 개발
Development of a Cardiovascular Simulator Focused on the Pressure Wave 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.34 no.1, 2013년, pp.40 - 45

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

Abstract ▼ AI-Helper

The conventional simulators used the expensive commercial artificial heart with a limited performance, and focused on replicating the heart function. The arterial pressure is the key factor of the cardiovascular disease. The purpose of this study is to develop a simulator focused on the pressure wave. The simulator is composed of a step motor, slider-crank mechanism, piston-cylinder, two check valves, a elastic tube, and two reservoirs. With the changes of design parameters, the functions of the simulator were evaluated. The simulator shows the good agreement of the characteristics of the cardiovascular system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 혈액펌프의 경우는 심장의 특성구현에 초점을 맞추고 있으므로, 다양한 형태를 구현하는 기능은 부족하다. 그러므로 본 연구는 동맥의 물리적인 특성을 만족하면서, 다양한 혈압패턴을 구현할 수 있는 심혈관계 시뮬레이터를 구현하는 것을 목표로 하였다.
본 연구에서 개발된 시뮬레이터가 혈관계의 물리적인 특성을 잘 구현하면서 다양한 혈압파형을 구현할 수 있는가를 평가하기 위하여, 심장과 혈관의 특성에 해당되는 요소들을 변화시켜 보았다.
체크밸브는 유체의 흐름을 한 방향으로만 조절하며, 인체에서 판막의 역할을 한다. 본 연구에서는 미세압력차에 반영할 수 있는 체크밸브를 개발하였다[16]. 혈류역학에서 혈압에 영향을 주는 혈액의 물리적 인자는 비중과 점도이다.
본 연구에서는 심장과 대동맥의 기능을 구현한 시뮬레이터를 개발하였다. 그림 1은 구현된 시뮬레이터를 나타낸다.
본 연구에서는 심혈관계 질환에 가장 큰 영향을 미치는 동맥계의 물리적인 특성을 잘 반영할 수 있는 심혈관계 시뮬레이터를 개발하는 것을 목표로 하였다. 심장특성과 혈관 특성을 변화시켜 개발된 시뮬레이터의 성능을 평가하였다.

제안 방법

기존의 심혈관계 시뮬레이터들은 인공장기의 평가를 위한 목적으로 사용되었다. 개발된 인공장기의 성능과 신뢰성을 평가하기 위하여, 다양한 생리적 또는 병리적 조건을 시뮬레이터로 구현하였다[2,3]. 인공판막의 평가를 위해서는 심방과 심실 기능을 구현한 시뮬레이터를 이용하여 개발된 판막의 유체역학적 특성을 평가하였다[4,5].
Patel[13]과 Pearson[14]등의 연구에 의하면 혈관의 두께는 혈관의 반지름의 10%이다. 그러나 본 연구에서는 혈관의 탄성계수에 비해 실리콘의 탄성계수가 더 큰 것을 감안 하여 실리콘 튜브의 두께를 0.8 mm로 정하였다. 본 연구에서 사용된 실리콘의 탄성계수는 14 × 106 dyn/cm2 이며, 대동맥 혈관의 탄성계수는 4 × 106 dyn/cm2 이다.
즉, 모터의 회전각도, 피스톤의 직선위치, 그리고 튜브내의 압력이다. 모터의 회전각도와 피스톤의 직선위치는 심장의 기능과 관계있으며, 이를 통하여 입력데이터의 오류들을 판단하였다. 그림 3은 압력생성부의 운동을 측정한 결과이다.
혈류역학에서 혈압에 영향을 주는 혈액의 물리적 인자는 비중과 점도이다. 본 논문에서는 기존의 문헌[15]을 참조하여 글리세린 37%와 물 63%의 비율로 모의혈액을 제작하였다.
본 연구에서 개발된 시뮬레이터의 특성을 평가하기 위하여 다양한 특성을 변화시켰다. 정상적인 상태의 심혈관계 특성은 모터속도 60 rpm, 피스톤의 행정길이 2 cm, 밸브의 닫 힘율 50%, 두께 0.
그러므로 인체의 혈압특성을 정확히 구현하기 위해서는 맥파전달 특성이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 2 m 길이의 실리콘 튜브를 이용하여 대동맥의 특성을 구현하였다. Avolio모델[12]에 따르면 상행대동맥부터 복부대동맥까지 혈관 내경의 평균은 약 18.
본 연구에서는 심혈관계 질환에 가장 큰 영향을 미치는 동맥계의 물리적인 특성을 잘 반영할 수 있는 심혈관계 시뮬레이터를 개발하는 것을 목표로 하였다. 심장특성과 혈관 특성을 변화시켜 개발된 시뮬레이터의 성능을 평가하였다. 혈압파형에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 혈관이었으며, 본 연구에서 개발된 시뮬레이터는 반사파나 맥파전달 현상과 같은 혈관계의 물리적 현상을 잘 구현하고 있음을 알 수 있었다.
그러나 두개의 봉우리가 존재 한다. 이완기에 발생하는 봉우리의 정체를 밝히기 위하여, 이번에는 실리콘에 비해 탄 성계수가 16배인, 거의 강체(rigidbody)의 특성을 지닌 딱딱한 재질의 튜브에 동일한 조건을 적용하였다. 딱딱한 튜브에서는 수축기의 파형만 존재하고 있다.
개발된 인공장기의 성능과 신뢰성을 평가하기 위하여, 다양한 생리적 또는 병리적 조건을 시뮬레이터로 구현하였다[2,3]. 인공판막의 평가를 위해서는 심방과 심실 기능을 구현한 시뮬레이터를 이용하여 개발된 판막의 유체역학적 특성을 평가하였다[4,5]. 인공혈관의 평가에 있어서는 혈전 발생에 영향을 미치는 혈류유동을 제어하는 시뮬레이터를 개발하였다[6].
본 연구에서 개발된 시뮬레이터의 특성을 평가하기 위하여 다양한 특성을 변화시켰다. 정상적인 상태의 심혈관계 특성은 모터속도 60 rpm, 피스톤의 행정길이 2 cm, 밸브의 닫 힘율 50%, 두께 0.8 mm 인 실리콘 튜브로 설정하였다. 그림 4는 정상상태를 그대로 적용하여 실험할 경우 탄성계수가 큰 튜브에서 측정한 압력의 범위가 지나치게 높아지는 것을 고려하여 밸브의 닫힘율을 30%로 조정하여 실험하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 실리콘의 탄성계수는 14 × 106 dyn/cm2 이며, 대동맥 혈관의 탄성계수는 4 × 106 dyn/cm2 이다.
성인의 심장은 안정상태에서 일회박출량은 평균 66 ml 이 었다[10]. 본 연구에서 제작된 피스톤-실린더의 일회박출량의 범위는 0~200 ml 이며 모터와 연결된 크랭크축 길이를 변화시켜 조절이 가능하다. 성인의 심박수는 77 bpm[10]이며, 본 연구에서는 모터의 회전을 이용하여 다양하게 조절 가능하다.
본 연구에서는 세 종류의 신호를 측정하였다. 즉, 모터의 회전각도, 피스톤의 직선위치, 그리고 튜브내의 압력이다.
심혈관계 시뮬레이터. 시뮬레이터는 모터(1), 슬라이더-크랭크 기구(2), 피스톤-실린더(3), 체크밸브(4,9) 탄성튜브(5), 저항 조절부(6), 수조(7,8)로 구성되어 있다.
그림 1은 구현된 시뮬레이터를 나타낸다. 시뮬레이터는 회전모터, 슬라이더-크랭크 기구, 실린더-피스톤, 체크밸브, 탄성튜브, 유체조절밸브, 그리고 수조로 구성 되어 있다. 피스톤의 직선운동을 결정하면 컴퓨터를 이용한 기구학적 해석을 통하여 모터의 회전운동을 계산하게 된다.
8 mm의 튜브를 사용했을 때 실제 인체와 비슷한 혈압범위가 나온 것을 확인할 수 있었다. 인체의 신장을 고려하여 튜브의 길이를 2 m로 하였다.
그림 3은 압력생성부의 운동을 측정한 결과이다. 피스톤의 선형운동은 리니어센서(PTA6034-2015DP-B103, Inc.)를 이용하여 측정하였으며, 모터의 회전운동은 엔코더(E50S8-2500-3-T-5, Autonics Co, Ltd.)를 사용하였다. 튜브의 압력은 임상에서 사용하는 침습적 혈압계(1620 pressure sensor, MSI sensors, Inc.

성능/효과

이는 정해진 시간에 더 많은 유량을 분출시키려면 혈압이 증가해야 하는 자연스러운 결과를 말하고 있다. 결론적으로 심박출량의 증가는 혈압파형의 평균값을 상승시키나, 혈압 파형에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 이는 심장의 수축기 시간과 이완기 시간의 비율을 1:2로 일정하게 유지한 경우에 한한다.
본 연구에서 사용된 실리콘의 탄성계수는 14 × 106 dyn/cm2 이며, 대동맥 혈관의 탄성계수는 4 × 106 dyn/cm2 이다. 실제 실험에서 0.8 mm의 튜브를 사용했을 때 실제 인체와 비슷한 혈압범위가 나온 것을 확인할 수 있었다. 인체의 신장을 고려하여 튜브의 길이를 2 m로 하였다.
튜브 끝단의 닫힘 정도를 증가시킬수록, 압력평균이 상승하였다. 즉 말초혈관이 수축할수록 혈압파형의 평균이 상승함을알 수 있으며 혈관저항의 변화는 혈압파형에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 그림 8은 혈관의 두께변화가 혈압파형에 미치는 변화를 나타내고 있다.
그림 7은 말초혈관의 저항이 혈압파형에 미치는 영향을 나타낸다. 튜브 끝단의 닫힘 정도를 증가시킬수록, 압력평균이 상승하였다. 즉 말초혈관이 수축할수록 혈압파형의 평균이 상승함을알 수 있으며 혈관저항의 변화는 혈압파형에는 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
심장특성과 혈관 특성을 변화시켜 개발된 시뮬레이터의 성능을 평가하였다. 혈압파형에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 혈관이었으며, 본 연구에서 개발된 시뮬레이터는 반사파나 맥파전달 현상과 같은 혈관계의 물리적 현상을 잘 구현하고 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한국인의 3대 사망원인은 무엇인가?	한국인의 3대 사망원인인 암, 심장병, 뇌졸중 중 암을 제외한 두 질환은 모두 심혈관질환에 속한다[1]. 다양한 원인 들로 인해 발생하는 심혈관 질환의 여러 현상들을 규명하기 위해 전 세계적으로 많은 연구들이 이루어지고 있다.
	심혈관질환연구의 대표적인 방법은 무엇인가?	다양한 원인 들로 인해 발생하는 심혈관 질환의 여러 현상들을 규명하기 위해 전 세계적으로 많은 연구들이 이루어지고 있다. 심혈관질환연구의 대표적 방법은 동물이나 사람을 이용한 임상시험이다. 그러나 임상연구는 막대한 비용과 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다.
	임상시험의 단점은 무엇인가?	심혈관질환연구의 대표적 방법은 동물이나 사람을 이용한 임상시험이다. 그러나 임상연구는 막대한 비용과 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다. 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션은 적은 비용으로 빠른 결과를 얻을 수 있지만, 실험조건이 까다로워 사용할 수 있는 범위가 매우 제한적이다.

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