혈류역학적 특성을 이용한 혈류 시뮬레이터 구현에 관한 연구 = implementation of the blood flow simulator based on hemodynamic characteristics

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the physical characteristic of blood flow is proposed in terms of physical movement of a heart. With this aim to a bloodflow simulator is implemented to measure flow and magnetic plethysmography(MPG) module is applied to estimate the flow movement.
MPG measures a inductance difference caused by time-varying magnetic field and it compare with photo-plethysmography. experiments about hemodynamic reliance between measurement signal of the MPG is sought as the velocity of fluid, waveform cycle and volume change.
Bloodflow simulator is implemented for the purpose of controlling flow based on Arterial blood pressure(APV) wave. Simultaneously MPG measurement module measures PPG, MPG, Electrocardiography(ECG) and flowsensor signal.
On drinking-water and saline solution MPG, PPG measurement reveal the relationship between MPG signals of drinking water and saline solution have differences and the correlation coefficient decreases relative to PPG signal.
In MPG signal tests of change waveform cycle results, the intensity of MPG signal at 30 bpm power spectrum is smaller than 60 bpm MPG signal. However, between MPG signal at 80 bpm and 100 bpm is relatively small the difference.
Concerning the result of MPG volume control test, volume supression test result shows the improved signal quality when waveform cycles increase, but signal quality of diastolic peak period and signal amplitude is not improved.
In contrast, volume non-supression test result signals show that the increased signal quality and decreased signal amplitude when waveform cycles increased.
Finally, if the quantitative criteria provided by the correlation study of the hemoydnamic characteristics of bloodflow simulator and physical properties of the MPG, it is expected to be used in a new system for planting the prevention and treatment of cardiovascular disease.

국문 초록 (Abstract)

근래 대한민국의 사망원인 1위는 악성신생물(암)으로 조사되었으며, 2013년까지만 해도 뇌혈관 질환에 의한 사망이 2위를 차지하고 있었으나 2014년 기준으로 심장 질환에 의한 사망률은 뇌혈관 질환에 의한 사망률을 제치고 2위가 되었다. 이와 같은 심장 질환에 의한 사망률 증가는 심장 질환의 예방 및 치료에 대한 소요를 증가시키게 되며, 따라서 심장의 움직임에 대한 다양한 측정방법 연구의 중요성이 증대되고 있다.
따라서 심장의 물리적 운동 요소 중 혈류의 물리적 특정에 기반한 측정방법 연구를 진행하게 되었다. 본 연구에서는 혈류역학적 특성을 이용한 혈류 시뮬레이터를 구현하였으며, 자계용적맥파 측정 모듈을 이용하여 유체의 움직임을 측정하였다. 자계용적맥파는 시변 자기장의 변화에 의해 발생하는 인덕턴스 변화를 측정하며, 따라서 기존에 생체 신호 측정에 사용되고 있는 광용적맥파와의 비교 실험을 진행하였다. 또한 자계용적맥파의 측정 신호와 유체의 속도, 파형주기, 용적 변화에 따른 혈류역학적 상관관계에 대한 실험을 진행하였다.
혈류 시뮬레이터는 동맥혈압파형을 기반으로 유체의 흐름을 제어하도록 설계하였으며 여러 종류의 유체와 파형 형태에 대한 실험을 진행하였다. 신호 측정을 위한 장비로는 자계용적맥파 측정 모듈을 이용하였으며, 해당 모듈은 광용적맥파, 자계용적맥파, 심전도 신호 그리고 유체 속도 센서 신호를 동시에 측정 할 수 있다.
음용수와 식염수 비교 실험 결과 광용적맥파 측정 신호간의 실험결과에 비해 상대적으로 자계용적맥파 측정 신호간의 파워 스펙트럼 그래프의 차이가 발생하였으며 자계용적맥파의 PPG 측정 신호와 MPG 측정 신호간의 상관계수가 감소함을 알 수 있었다.
파형주기 변화에 따른 자계용적맥파 실험 결과 60 bpm에서 측정된 신호의 파워 스펙트럼이 30 bpm에서의 파워 스펙트럼보다 더 작은 것을 확인하였다. 이에 비하여 80 bpm, 100 bpm에서 측정된 파형은 거의 차이가 발생하지 않았다.
용적 제어 실험 결과 파형주기가 증가 할수록 용적제어 자계용적맥파 신호의 품질이 상승하였으나 이완기 구간의 신호 품질은 거의 증가하지 않으며 진폭 또한 거의 변하지 않음을 확인하였다. 이에 반해 용적비제어 자계용적맥파 파형은 파형주기가 증가함에 따라 진폭이 감소하였으며 용적제어 파형에 비해 신호의 품질이 상대적으로 양호한 것을 확인하였다.
따라서 본 연구에 따라 혈류 시뮬레이터의 혈류역학적 특성과 자계용적맥파의 물리적 특성에 대한 상관관계 연구를 통해 정량적 기준을 마련한다면 심혈관 질환 예방 및 치료를 위한 새로운 시스템 개척에 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구의 필요성 1
• 제2절 연구의 목표 3
• 제2장 연구배경 5
• 제1절 혈관의 특성 5
• 1. 혈관의 구분 5
• 2. 혈관의 컴플라이언스 6
• 제2절 혈류역학 8
• 제3절 자계용적맥파 10
• 제3장 연구방법 12
• 제1절 혈류시뮬레이터의 설계 12
• 1. 혈류구현을 위한 유체 구동부 제작 12
• 2. 유속센서(Flowsensor) 회로 15
• 3. 동맥혈압파형 알고리즘 16
• 4. 자계용적맥파 측정 모듈 17
• 제2절 실험 방법 20
• 1. 실험 프로토콜 20
• 2. 실험 장비 및 측정용 코일 세팅 22
• 3. 측정 신호 분석 방법 23
• 제4장 결과 및 토의 25
• 제1절 유체의 매질별 PPG 및 MPG 측정파형 비교 25
• 제2절 파형의 주기 및 용적변화 별 파형 비교 30
• 1. 파형의 주기 별 자계용적맥파 파형 변화 30
• 2. 측정부 용적 제어에 따른 자계용적맥파 파형 변화 관
• 찰 33
• 제5장 결론 및 고찰 37
• 제1절 결과에 기반한 유체 및 자계용적맥파 특성 연구 37
• 제2절 연구의 한계 및 보완점 39
• 참고문헌 40
• ABSTRACT 42