[논문 리뷰] Exact Modeling of Cardiovascular System Using Lumped Method

Omid Ghasemalizadeh, Mohammad Reza Mirzaee외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 19.

Heart Rate Variability and Autonomic Control참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전기 회로 이론을 활용하여 인간 순환계의 혈역학적 매개변수를 시뮬레이션하기 위해 36개의 혈관을 포함한 상세한 루프 모델을 제시한다. 왼쪽 및 오른쪽 심실을 정확하게 모의하고 압력 역학을 반영함으로써, 모델은 임상 측정치와 매우 유사한 대동맥 압력을 예측하여 이전의 루프 모델 대비 시뮬레이션 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Electrical analogy (Lumped method) is an easy way to model human cardiovascular system. In this paper Lumped method is used for simulating a complete model. It describes a 36-vessel model and cardiac system of human body with details that could show hydrodynamic parameters of cardiovascular system. Also this paper includes modeling of pulmonary, atrium, left and right ventricles with their equivalent circuits. Exact modeling of right and left ventricles pressure increases the accuracy of our simulation. In this paper we show that a calculated pressure for aorta from our complex circuit is near to measured pressure by using advanced medical instruments.

연구 동기 및 목표

• 인간 순환계에 대해 종합적이고 생리학적으로 정확한 루프 모델을 개발하기 위해.
• 왼쪽 및 오른쪽 심실의 압력 생성 역학을 명시적으로 모의하여 시뮬레이션 정확도를 향상시키기 위해.
• 고급 의료 기기로부터 확보한 임상 측정치와 비교하여 모델의 대동맥 압력 출력을 검증하기 위해.
• 전기 회로 이론을 활용하여 복잡한 시간에 따라 변화하는 순환계 혈역학을 시뮬레이션하는 데의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 혈관, 판막, 심장 부정은 회로 요소로 표현된 루프 모델링 방법을 사용하여 순환계를 전기 회로로 모의한다.
• 모델은 폐순환, 체순환, 관상동맥 순환을 명시적으로 포함한 총 36개의 별도 혈관을 수용한다.
• 정우심방, 좌심방, 정우심실, 좌심실 각각의 심장 부정은 수축 및 구출 단계를 반영하기 위해 시간에 따라 변하는 부피율과 저항을 갖는다.
• 심실은 정확한 압력-부피 관계를 모의하여 구출 단계의 역학을 정확히 반영한다.
• 혈류 및 압력 변화를 기술하기 위해 미분 방정식을 사용하며, 이를 수치적으로 해결한다.
• 모델의 대동맥 압력 출력은 임상 장비로부터 확보한 측정치와 비교하여 정확도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세부적인 루프 모델이 인간 대동맥의 압력 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 심실의 압력 생성 역학을 명시적으로 모의함으로써 단순화된 심실 모델 대비 시뮬레이션의 정밀도가 얼마나 향상되는가?
• RQ3 모델이 예측한 대동맥 압력이 고급 의료 기기로부터 확보한 측정치와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 폐순환 및 체순환 구성 요소를 상세히 포함함으로써 혈역학 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전기 회로 이론 방법이 복잡하고 시간에 따라 변화하는 순환계 혈역학을 효과적으로 모의하는 데 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 모델이 예측한 대동맥 압력은 고급 의료 기기로 확보한 측정치와 매우 유사하여 높은 시뮬레이션 정확도를 확인한다.
• 정확한 심실 압력 모의를 포함함으로써 이전의 루프 모델 대비 혈역학 시뮬레이션의 정밀도가 크게 향상된다.
• 36개 혈관의 구성은 체순환, 폐순환, 관상동맥 순환을 세밀하게 표현하고 정확한 혈역학 매개변수 추정을 가능하게 한다.
• 모델은 특히 구출 단계 동안 심장 부정의 시간에 따라 변화하는 압력-부피 행동을 성공적으로 포착한다.
• 전기 회로 이론은 복잡한 순환계 역학을 고도로 생리학적으로 관련된 정확한 프레임워크로 효과적으로 제공한다.
• 검증 결과, 심실 기능에 대해 적절히 校정된 루프 모델링 방법은 임상적으로 의미 있는 압력 파형을 생성할 수 있음을 입증한다.