컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 이동 작동기형 인공 심장의 생리적 제어 방식에 관한 연구 = A study on the physiological control of a moving actuator artificial heart using computer simulation

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 인공 심장을 이식한 말기 심장 질환 환자의 순환 생리계 변화를 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 개발하고, 시뮬레이션을 통하여 이동 작동기 방식의 인공 심장의 생리적인 최적 제어 방식을 제안하기 위함이다. 인공 심장 모델은 인공 심장과 제어기를 기술하는 전기 역학적 비선형 미분 방정식을 수치 해석하여 수축기와 확장기의 혈류 역학적인 값들을 계산한다. 인공 심장 - 순환 생리계 통합 모델은 인공 심장 모델과 인체 순환 생리계 모델 (QCP2)을 결합하여 구성하였다. 모델 내의 미지 변수들은 모의 순환 장치 실험을 통하여 결정하였고 동물 실험을 통하여 검증하였다. 컴퓨터 시뮬레이션은 일상 생활에서 흔히 접하는 자세 및 활동도의 변화에 따른 환자의 순환 생리계 변화를 고려하였다. 본 연구에서는 펌프 박동수 고정 제어 방식, 전부하 대응 제어 방식, 자연 심장의 심박동수 동기 제어 방식에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 각 제어 방식에 대한 시뮬레이션 결과는 정상인의 생리적 반응과 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 누워 있다가 일어설 때의 자세 변화에 대한 대응 방식으로는 심박수 동기 제어 방식, 펌프 박동수 고정 제어 방식, 전부하 대응 제어 방식 순으로 정상인의 대응 결과와 가까운 것으로 예측되었다. 3mile/hr의 속도로 10분간 treadmill 운동을 할 경우 활동도 변화에 대한 대응은 심박수 동기 제어 방식과 전부하 제어 방식이 우수한 결과를 나타내는 것으로 예측되었다. 결론적으로 이동 작동기 형태 양심실 보조 장치의 최적 제어 방식으로 심박수 동기 제어를 주 제어 방식으로 하고 전부하 제어 및 펌프 박동수 고정 제어를 보조 제어 방식으로 하는 것이 추천된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The study is to develop a computer simulation model for predicting the physiological parameters of the cardiovascular system of the end stage heart failure patients with an artificial heart - a moving actuator type artificial heart used for a bi-ventricular assist device: BVAD and is to propose an physiologically optimal control algorithm for the BVAD using the model. The artificial heart model consists of the several coupled nonlinear differential equations and calculates the values of the hemodynamic parameters at the systolic and diastolic stages of each ventricle. The simulation model was constructed by combining the artificial heart model and a proven circulatory physiology model (QCP2). Unknown variables in the model were determined by in vitro mock circulation measurements and the simulation model was validated with animal experiments. Simulation considered the usual posture and activity changes of the patient with the BVAD and was carried out for various control modes such as the fixed rate control (Fixed), the preload sensitive control (Preload), the heart rate synchronized control (HR synch). The simulated results were compared with the responses from a healthy man. When the patient changed his position from lying to standing, the HR synch mode showed the best responses among the others and the Fixed mode appeared the second best. For the patient running in a treadmill with 3mile/hr for 10 minutes, it was predicted that both the HR synch mode and the Preload mode showed good responses. In conclusion, it is proposed that, for the optimal physiological control of the moving actuator bi-ventricular assist device, the HR synch control is to be taken as a primary automatic control algorithm and the Preload and the Fixed controls as the supplementary control modes.