[논문 리뷰] Monitoring and Control System Development and Experimental Validation for a Novel Extrapulmonary Respiratory Support Setup

Mahsa Doosthosseini, Kevin Aroom외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 04.

Mechanical Circulatory Support Devices참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 호흡기능 부전 환자의 기체교환을 지원하기 위해 복강내에 산소화된 퍼플루오로카본(PFC) 순환을 사용하는 새로운 복외성 호흡 지원 시스템을 제시한다. 이 시스템은 유량, 압력, 온도 및 산소포화도를 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있으며, 돼지에서의 실험적 검증을 통해 안정적인 순환과 생리적 반응 분석을 위한 데이터 수집이 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper presents a novel mechatronic setup intended for providing respiratory support to patients suffering from pulmonary failure. The setup relies upon the circulation of an oxygenated perfluorocarbon (PFC) through the abdominal cavity. Such circulation provides a potential pathway for the transport of oxygen to the bloodstream. However, the viability of this technology for $CO_2$ clearance has not been established. Moreover, there is a lack of experimental data enabling the modeling and identification of the underlying dynamics of this technology. To address these gaps, we develop a flexible experimental perfusion setup capable of monitoring and controlling key variables such as perfusate flowrate, temperature, pressure, and oxygenation. The paper (i) briefly summarizes the design of this setup; (ii) highlights the degree to which its data acquisition system enables the collection and cross-correlation of both perfusion-related and physiological variables; and (iii) discusses the development of flow, pressure, and temperature control algorithms for the setup. Experiments with large animals (swine) show that the setup is capable of successfully controlling the perfusion process, as well as gathering extensive data to support subsequent modeling and identification studies.

연구 동기 및 목표

• 복강내 퍼플루오로카본(PFC) 순환을 이용한 새로운 복외성 호흡 지원 장치를 위한 유연하고 피드백 루프 기반의 모니터링 및 제어 시스템을 개발한다.
• PFC 순환 동역학 및 CO2 제거 및 산소포화도 향상 효과에 대한 실험적 데이터 부족 문제를 해결한다.
• 모델링 및 검증을 위해 순환 변수와 생리적 반응(예: 맥박 산소포화도, 말초 산소포화도)을 동시에 획득할 수 있도록 한다.
• 통제된 조건에서 대형 동물(돼지) 실험을 통해 시스템의 功能을 검증한다.
• 임상적 기체교환을 위한 최소한의 복잡성 수준을 갖춘 시스템의 미래 연구를 지원한다.

제안 방법

• 유량, 압력, 온도 및 PFC 산소포화도를 측정할 수 있는 통합 센서를 탑재한 기계전자 시스템 순환 회로 설계 및 구현.
• 동물 실험 기간 동안 목표 순환액 유량, 압력 및 온도를 유지하기 위한 피드백 제어 알고리즘 개발.
• 맥박 산소포화도 및 말초 산소포화도(ETCO2)와 같은 생리적 지표와 순환 매개변수를 교차 분석할 수 있는 데이터 수집 시스템 통합.
• 환기 조건 변화 중 기관지 내 기체 측정을 통해 흡입 및 말초 산소포화도 농도를 추정하기 위해 캡노그래프 사용.
• 순환 사이클 이후 복강내 압력을 신속히 감소시키기 위해 능동적 진공 흡입 기술 적용.
• 시스템 안정성, 제어 성능 및 데이터 품질 평가를 위해 네 차례의 대형 동물(돼지) 실험 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대형 동물에서 복강내 PFC 순환 중 피드백 루프 기반의 모니터링 및 제어 시스템이 순환액 유량, 압력 및 온도를 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 시스템이 순환 변수와 생리적 반응(예: 맥박 산소포화도, ETCO2) 간의 동기화된 데이터를 얼마나 잘 수집할 수 있는가?
• RQ3 순환 및 수거 단계 동안 시스템이 안전한 한계 내에서 안정적인 복강내 압력을 유지할 수 있는가?
• RQ4 PFC 순환은 맥박 산소포화도 및 말초 산소포화도 변화를 통해 동물의 산소포화도 및 CO2 제거에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 복강내 순환을 통한 신뢰성 있고 측정 가능한 기체교환을 달성하기 위해 필요한 시스템의 복잡성 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 모든 네 차례의 돼지 실험 기간 동안 모니터링 및 제어 시스템이 순환액 유량, 압력 및 온도를 목표 설정값 내에서 안정적으로 유지하였다.
• 복강내 압력은 안전 범위 내에서 유지되었으며, 짧은 시간 동안 설정값을 초과하는 변동이 있었고, 이에 따라 유량 감소 및 능동적 진공 흡입을 통해 기준 수준으로 신속히 복귀되었다.
• 시스템은 순환 매개변수와 맥박 산소포화도 및 말초 산소포화도(ETCO2)와 같은 생리적 변수 간의 지속적이고 동기화된 측정을 가능하게 하였다.
• 유도된 저산소 상태 기간 동안 맥박 산소포화도가 감소하였고, 이후 부분적으로 회복되는 경향을 보였으며, 이는 PFC 순환과 생리적 회복의 기여 가능성을 시사하였다.
• 과호흡증 유도 기간 동안 말초 산소포화도 농도가 향상되는 경향을 관찰하여 PFC 순환에 의한 CO2 제거 가능성을 시사하였지만, 생리적 메커니즘의 기여는 완전히 분리되지 못하였다.
• 실험 설정은 강력한 데이터 수집 및 제어 성능을 보였으며, 향후 PFC 순환 동역학의 모델링 및 식별에 기초가 되었다.