심실보조장치는 말기 심부전 또는 중증 심장질환 환자의 심장 기능을 보조하고 심장 이식 대기중인 환자의 정상적인 혈액순환 기능을 돕기 위해 사용된다. 심실보조장치는 연속형과 박동형 심실보조장치로 나뉘는데, 그 중 박동형 심실보조장치는 심장과 심실보조장치가 동시에 박동할 경우 심장에 가해지는 부하가 높아질 수 있다. 따라서 박동형 심실보조장치에 심장과 동시 박동하지 않고 번갈아가며 박동하는 역박동 제어 기술을 추가할 필요성이 높아지고 있다.
본 연구에서는 위상고정루프 방식의 역박동 제어 알고리즘을 적용한 심실보조장치에 대해 전기적 생체모델을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하였으며, 심실보조장치를 이용해 체순환 시스템을 모방한 모의순환장치에서 체외실험을 진행한 후 두 실험의 결과를 비교하고 심장에서의 혈류역학적 변화를 분석하였다. 컴퓨터 시뮬레이션은 심실보조장치의 체적 변화를 제어할 수 있도록 개선된 4-element Windkessel model을 사용했으며, 심장의 부하 변화를 직관적으로 확인할 수 있도록 P-V 곡선을 그렸다. 그 후 시뮬레이션 모델에 부정맥 환자의 ECG 데이터를 적용해 대동맥 내 혈압 및 혈류량, 좌심실 내 혈압 및 체적 등의 수치를 기록하고 분석하였다.
체외실험의 경우 체순환 시스템을 모방한 모의순환장치를 사용했다. 정맥과 대동맥 사이에 심장 역할의 박동형 펌프와 심실보조장치를 연결한 후, 혈압의 변화 폭이 80 ~ 120 mmHg 사이가 되도록 탄성 성분과 저항 성분을 조정하였다. 실험을 위해 자체 개발한 심실보조장치 제어 시스템에 부정맥 환자의 ECG를 입력한 뒤 심장 펌프가 QRS wave를 감지하는 즉시 박동하도록 하였으며, 심실보조장치 제어부는 위상고정루프 방식의 역박동 제어 알고리즘대로 작동하도록 하였다. 그 후 대동맥 내 혈압의 수치를 측정하였으며 계산을 통해 역박동 제어 성공률, 박동속도별 성공률 및 박동 시간별 분포 등의 산술적인 분석을 수행하였다.
컴퓨터 시뮬레이션 결과, 심실보조장치 제어 방법은 정상인의 심장박동과 심장박동 속도가 일시적으로 증가하는 부정맥을 가진 환자의 심장박동에서 심장의 부하를 평균 23.9%까지 감소시켰다. 또한 시뮬레이션으로 얻어진 P-V 곡선 상에서 동박동이 일어났을 때 정상적으로 역박동 제어가 이루어졌을 때에 비해 좌심실의 압력은 약 5 mmHg, 체적은 약 10 mL까지 증가했지만 이는 심실보조장치를 적용하지 않았을 때의 압력 및 체적의 수치와 같다.
체외실험 결과 심실보조장치 제어 시스템은 전체의 부정맥 데이터에서 85.0%의 역박동 제어 성공률을 보였다. 실패한 역박동 제어에서의 대동맥 내 압력은 모든 환자의 실험 결과에서 최대 125 mmHg를 넘지 않았으며, 90% 이상의 경우 120 mmHg를 넘지 않았다. 컴퓨터 시뮬레이션은 역박동 제어 실패가 나타나지 않았지만, 체외실험에서는 박동하는데 걸린 시간 지연으로 인해 역박동 제어 실패가 나타났다. 하지만 실패에도 불구하고 심장의 최대 부하는 심장이 박출해야 할 혈류를 심실보조장치가 대신 박출해 줬기 때문에 정상 범위의 압력을 넘지 않았다.
본 연구에서는 위상고정루프 방식으로 역박동 제어를 수행하는 심실보조장치 제어 방법을 제시하였으며, 컴퓨터 시뮬레이션과 체외실험을 통해 새로운 심실보조장치 제어 방법이 심장의 부하 변동을 효과적으로 줄여준다는 것을 보여주었다. 이러한 심실보조장치 제어 방법을 적용해 일시적인 심장박동속도 변화가 있는 부정맥 증상을 동반한 환자에게 심실보조장치를 적용한다면 효과적인 심장 부하의 감소를 기대할 수 있을 것이다.

VAD(Ventricular assist device) is used to assist the normal blood circulation function and assist the cardiac function in patients with end-stage heart failure, severe heart disease and undergoing heart transplantation. There are reports of side effects such as thrombosis, intracerebral hemorrhage or aortic stenosis in patients with continuous VADs currently in clinical use. Also, if the heart and VAD are beating at the same time, the heartload can be increased. Therefore, there is a growing need to add CP(counterpulsation) control method to beating alternating VADs instead of beating the heart simultaneously.
In this study, computer simulations using an electrical human model were performed on VADs using a counterpulsaion control algorithm with phase-locked loop, and in vitro experiments were performed in a mock circulation system simulating a systemic circulatory system using a VAD. The results of the two experiments were compared and hemodynamic changes in the heart were analyzed. The computer simulation used the improved 4-element Windkessel model to control the volume change of the VAD and plotted the P-V curve to make it easier to identify changes in the heart''s load. Then, ECG data of patients with arrhythmia were applied to the simulation model to record blood pressure and blood flow in the aorta, blood pressure and volume in the left ventricle.
In the case of in vitro experiments, a mock circulation system simulating a systemic circulatory system was used. After applying a heart pump and a VAD between the veins and the aorta, the compliance and resistance were adjusted so that the change in blood pressure was between 80 and 120 mmHg. For this study, after inputting the ECG of the arrhythmia patient into the VAD control system, the heart pump was pulsed immediately after sensing the QRS wave, and the VAD controller operated as a phase-locked loop Respectively. After that, the values of blood pressure in the aorta were measured and the arithmetic analysis was performed such as the success rate of the CP control, the success rate by the heart rate, and the distribution by time of heart beat.
Computer simulation showed that the CP control method reduced the heartload by 23.9% in normal and patients with arrhythmia with a temporary increase in heart rate. In addition, on the P-V curve obtained by the simulation experiment, the left ventricular pressure increased to about 5 mmHg and left ventricular volume increased to about 10 mL when co-pulsation occurred, compared to when normal CP was performed. However, this is the same as the pressure and volume values without VAD.
In vitro experiments showed that the VAD control system showed 85.0% CP success rate in total arrhythmia data. The aortic pressure in failed counterpulsaion control was not greater than 125 mmHg in all patients and not more than 120 mmHg in 90% or more. Computer simulation did not show the failure of counterpulsaion control, but in vitro tests showed failure of counterpulsaion control due to the delay in VAD’s pulsing. Despite the failure, the maximum load on the heart did not exceed the normal range of ABP because the VAD ejected the blood flow out of the heart.
In this study, we propose a control method of VAD to perform CP control method with phase locked loop. And computer simulation and in vitro experiments have shown that the new VAD control method effectively reduces heart load changes. If the VAD is applied to patients with arrhythmia that has a temporary change in heart rate by applying this control method, it is expected that effective heartload reduction is achieved.