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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 그러나 대부분 단순한 PID제어기를 이용하여 벨로우즈 펌프나 피스톤 펌프의 압력을 제어하고 있어 제어성능에 한계가 있고, 무엇보다 인공심장을 모의심혈관계에 연동할 경우 발생할 수 있는 압력 외란 등에 대한 강인성에 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 제어성능과 강인성을 향상시킬 수 있는 피스톤 펌프의 모델에 기반한 비선형 제어시스템을 제안한다. 향후 확장된 비선형 제어시스템을 적용할 수 있도록, 비선형 제어기의 원형이라고 할 수 있는 feedback linearization기법을 일차적으로 적용하였다.

제안 방법

• Elastance 구현을 위해 피스톤 펌프 압력에 대한 비선형 제어기를 설계하여 우수한 압력 추종성능을 얻었다. 모델링 오차에 기인한 것으로 추정되는 상승된 목표신호를 해결하기 위해 추후 강인한 제어기를 적용할 계획이다.
• 본 연구에서는 기계적으로 구현이 쉬운 4 요소 Windkessel 모델을 변형한 전기회로 등가모델을 바탕으로 그림 1과 같은 모의심혈관 순환계를 구성하였다. 좌심실은 피스톤 펌프로 구성하였으며, 피스톤의 위치를 선형적으로 증가하도록 제어하여 얻어진 데이터를 C = ΔV / ΔP 식에 선형 회귀하여 피스톤 펌프의 컴플라이언스 값을 결정하였다.
• 향후 확장된 비선형 제어시스템을 적용할 수 있도록, 비선형 제어기의 원형이라고 할 수 있는 feedback linearization기법을 일차적으로 적용하였다. 제어기의 적용을 위해 피스톤 펌프와 순환계 주요 변수들의 파라미터 값을 시스템 동정(identification) 기법을 통해 도출하고 이를 기반으로 제어시스템을 설계하였다.
• 좌심실은 피스톤 펌프로 구성하였으며, 피스톤의 위치를 선형적으로 증가하도록 제어하여 얻어진 데이터를 C = ΔV / ΔP 식에 선형 회귀하여 피스톤 펌프의 컴플라이언스 값을 결정하였다.

이론/모형

• 심실 판막은 NewHeartBio 의 T-PLS에 사용된 체크밸브가 사용되었고, 양쪽 판막 모두 기어펌프를 이용하여 얻은 유량-압력 강하 데이터에 R = ΔP/Q의 선형회귀 모델을 적용하여 파라미터값을 도출하였다.
• 따라서 본 연구에서는 제어성능과 강인성을 향상시킬 수 있는 피스톤 펌프의 모델에 기반한 비선형 제어시스템을 제안한다. 향후 확장된 비선형 제어시스템을 적용할 수 있도록, 비선형 제어기의 원형이라고 할 수 있는 feedback linearization기법을 일차적으로 적용하였다. 제어기의 적용을 위해 피스톤 펌프와 순환계 주요 변수들의 파라미터 값을 시스템 동정(identification) 기법을 통해 도출하고 이를 기반으로 제어시스템을 설계하였다.

성능/효과

• 제어 성능 향상을 위해 목표오차 동역학 식의 시상수 λ 를 수축기와 이완기에 대해 각각 별도로 지정하여 실험을 수행하였고 향상된 압력추종 성능을 확인 할 수 있었다.

후속연구

• Elastance 구현을 위해 피스톤 펌프 압력에 대한 비선형 제어기를 설계하여 우수한 압력 추종성능을 얻었다. 모델링 오차에 기인한 것으로 추정되는 상승된 목표신호를 해결하기 위해 추후 강인한 제어기를 적용할 계획이다.
• 이는 동일한 모델 파라미터 값을 갖는 전기회로 등가모델로 시뮬레이션을 수행한 경우에 비해 약 30mmHg 정도 상승된 값으로, 제어기 설계에 사용된 파라미터 값, 특히 판막 저항 값의 모델링 오차에 기인한 것으로 판단된다. 향후 모델 개선과 강인 제어기법인 sliding mode 제어기나 적응제어 기법을 통해 이를 해결할 계획이다.

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