Design and Development of a Bench-Top Left Ventricular Simulator for Reproducing Physiological Pressure–Volume Dynamics = 생리학적 압력–부피 동역학을 재현하는 벤치탑 좌심실 시뮬레이터

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cardiovascular diseases cause a large number of deaths worldwide, and many cardiac assist devices have been developed to address this problem. To apply these devices to humans, extensive animal experiments are typically conducted to verify their safety. However, this approach has major drawbacks, including ethical concerns as well as high costs and substantial time requirements. To overcome these limitations, heart simulators have been developed, but most existing simulators fail to obtain pressure–volume (PV) loops, which are one of the key factors for evaluating cardiac function. This is because many simulators directly inject water into the heart phantom, causing pressure and volume to increase and decrease simultaneously, showing a pattern opposite to that of the real heart.
To address this issue, we developed a left ventricular simulator that follows a physiological mechanism similar to the real heart by compressing the heart phantom externally. By adjusting various parameters of this simulator, we can reproduce not only normal conditions but also a range of abnormal cardiac conditions. Using this system, we demonstrated its potential for evaluating cardiac function and serving as a test bed for medical devices, and we expect it can reduce reliance on animal experiments.

국문 초록 (Abstract)

심혈관 질환은 전 세계적으로 주요 사망 원인으로 남아 있으며, 이에 따라 다양한 심장 보조 장치들이 개발되고 있다. 이러한 장치들은 임상 적용 이전에 안전성과 효능을 평가하기 위해 광범위한 동물실험을 거치는 것이 일반적이지만, 동물실험은 윤리적 논란이 크고 시간·비용 측면에서도 부담이 크다. 이에 대한 대안으로 좌심실 시뮬레이터가 제안되어 왔으나, 기존 시스템의 상당수는 심근 수축성과 전반적 심장 기능을 평가하는 핵심 지표인 압력–부피(PV) 루프를 재현하는 데 실패한다. 이러한 한계는 주로 기존 방식이 심실 파텀 내부로 직접 유체를 주입하는 구동 전략에 기반하기 때문이며, 이 경우 압력과 부피가 동시에 증가해 실제 생리학적 심장 동작과 괴리가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 심실 파텀 외부에서 압력과 유량을 조절함으로써 PV 루프의 생리학적 형성 메커니즘을 재현하는 새로운 심실 시뮬레이터를 제안한다. 생리학적으로 적합한 탄성을 가진 연성 좌심실 파텀과 외부 유체 구동 프레임워크를 결합함으로써, 본 시스템은 정상 및 병리적 상태 모두에서 조절 가능하고 생리학적으로 일관된 PV 루프 동역학을 구현할 수 있다. 이러한 접근법은 심장 기능 평가와 의료기기 검증을 위한 실용적 벤치톱 대안으로 작용할 수 있으며, 동물실험 의존도를 줄이고 실제 임상 적용 가능성을 높이는 데 기여할 잠재력을 지닌다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Figures iv
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Introduction 1
• 1.2. Related Work 3
• Chapter 2. Working Principle 6
• 2.1. Working Principle 6
• 2.2. Phase 1: Isovolumic Contraction 7
• 2.3. Phase 2: Ejection 7
• 2.4. Phase 3: Isovolumic Relaxation 8
• 2.5. Phase 4: Diastolic Filling 9
• Chapter 3. Design of LV Simulator 11
• 3.1. Design Requirements 11
• 3.2. LV Heart Phantom 11
• 3.3. Blood Vessel 12
• 3.4. Motor and Actuation 12
• 3.5. Heart Valves 12
• 3.6. Afterload Control Mechanism 13
• 3.7. Preload Control Mechanism 15
• Chapter 4. Experimental Section 17
• 4.1. Device Control 17
• 4.2. Device Fabrication 17
• 4.3. Data Analysis 18
• Chapter 5. Results 19
• 5.1. Normal Condition 19
• 5.2. Contractility Disability 21
• Chapter 6. Conclusion 24
• 6.1. Conclusion 24
• Bibliography 26
• 국문 초록 29