심혈관 시뮬레이터를 위한 맥파 반사 메커니즘: 반사지점 개수와 조건이 미치는 영향
심혈관 시뮬레이터를 위한 맥파 반사 메커니즘: 반사지점 개수와 조건이 미치는 영향
서론
심혈관계 질환은 전 세계 사망 원인의 주요 요인 중 하나이며, 그 진단과 예측을 위한 다양한 생체신호 분석 중에서 맥파(pulse wave) 분석은 중요한 역할을 한다. 맥파는 진행파와 반사파의 중첩으로 구성되어 있으며, 그 반사파는 혈관 노화, 동맥경화, 혈류저항 등 다양한 심혈관계 인자들을 반영한다. 따라서 반사파의 특성과 반사지점의 조건을 이해하고 시뮬레이션할 수 있는 능력은 고정밀 심혈관 시뮬레이터 개발의 핵심이다.
본 컬럼에서는 반사파의 중첩 시기 및 크기에 영향을 주는 반사지점의 개수와 공기 챔버 조건에 대한 연구 내용을 바탕으로, 그 임상적 응용 가능성과 시뮬레이션 기술로의 확장 방향을 소개한다.
본론
1. 맥파와 반사파의 개요
맥파는 심장에서 생성된 혈류의 압력파가 혈관을 따라 이동하면서 나타나는 파형이다. 이 압력파는 혈관 말단 또는 분기점 등에서 반사되어 반사파(reflected wave) 를 형성하며, 이는 진행파와 중첩되어 최종적으로 측정되는 파형을 형성한다. 반사파는 다음과 같은 생리학적 파라미터에 영향을 준다:
맥파 전달 속도(PWV: Pulse Wave Velocity)
심혈관계 탄성 평가 지표 (AIx, 혈압 등)
동맥 경직도 및 노화 척도
2. 실험 목적 및 구성
이 연구는 다음 세 가지 실험 목표로 구성되었다:
단일 혈관에서 맥파 전달속도 측정
반사지점에 설치된 공기 챔버(compliance chamber) 의 공기량 변화가 반사파 중첩 시기에 미치는 영향 분석
반사지점의 개수 변화가 반사파 크기에 미치는 영향 조사
3. 실험 장치 및 구성 요소
그림 1. 모의 실험 장치 구성
인체 대동맥 특성을 반영한 실리콘 튜브 사용 (직경 1.6 cm, 두께 0.08 cm)
충격파 입력 시스템: 1.33kg 추 낙하 방식
압력 센서 부착 지점: A(30cm), B(80cm), C(130cm)
측정 기기: 침습적 혈압계 및 DAQ 시스템 (1000 Hz 샘플링)
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| 그림 1. 실험에 사용된 단일 모의혈관 및 측정 위치도 |
4. 공기 챔버의 공기량과 반사파 중첩 시기
공기 챔버는 반사지점에서의 위상지연(phase delay) 을 유도하여 반사파 도달 시간에 영향을 주는 장치이다. 공기량이 증가할수록 반사파의 중첩 시기가 지연됨을 확인하였다.
표 1. 공기량 증가에 따른 반사파 도달 시간 변화 (A, B, C 지점)
0 ml: 0.176 s, 0.136 s, 0.061 s
200 ml: 0.242 s, 0.166 s, 0.107 s
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| 그림 2. 반사파 시간지연 조절 실험 결과. 그림 1의 실험장치 A, B, C에서 측정한 결과 (a) 위치 A (b) 위치 B (c) 위치 C |
5. 반사지점 개수와 반사파 크기
반사파의 크기는 반사계수와 반사지점의 수에 비례한다. 네 갈래 분지를 가진 모델에서 반사지점의 개수가 0개에서 4개까지 증가함에 따라, 반사파의 진폭도 점진적으로 증가하는 결과가 도출되었다.
표 2. 반사지점 수에 따른 반사파 상대 크기 변화
0개: 1.000
4개: 1.346 (위치 C 기준)
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| 그림 3. 반사파 크기 조절 실험 결과 그림1의 실험장치 A, B, C에서 측정한 결과 (a) 위치 A (b) 위치 B (c) 위치 C |
6. 임상 시뮬레이터 적용 가능성
본 실험 결과는 심혈관계 시뮬레이터 설계에 다음과 같은 임상적 의미를 제공한다:
정확한 반사파 도달 시간 구현 가능: 공기 챔버 내 공기량 조절
임상과 유사한 맥파 파형 생성: 반사지점 개수 조절
혈관노화 시뮬레이션 모델 구현: 시간지연 및 반사파 크기 변화 반영
결론
이번 연구는 심혈관 시뮬레이터 설계에 있어 가장 중요한 요소 중 하나인 반사파 제어의 핵심 기법을 제시한다. 공기 챔버를 이용한 위상 지연 제어, 그리고 분지 구조를 통한 반사파 크기 조절은 임상적 유효성을 갖춘 맥파 구현을 가능하게 한다. 이와 같은 물리적 실험 기반 결과는 향후 AI 기반 진단 알고리즘의 학습 데이터로도 활용될 수 있으며, 디지털 트윈 기반 심혈관 질환 예측 플랫폼 개발의 기초가 된다.
참고문헌
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