상완 수축기 혈압과 맥압은 50세 이상의 개인에서 심혈관 질환의 예측 인자이다. 강성이 증가함에 따라 수축기 후기의 반사 진폭과 압력이 증가하여 좌심실 부하와 심근 산소 요구량이 증가한다. 따라서 강성이 혈압에 미치는 영향을 연구 할 필요가 있다. 본 연구에서는 약물 복용 전후에 혈압 맥파를 측정하고, 심부전 환자에서 심근 심장 이식 전후에 혈압 맥파를 측정하였다. Windkessel 모델의 R, L 및 C 구성 요소 간의 상관관계는 혈압을 높임으로써 추정되었다. 커브 피팅 방법을 사용하여 Windkessel 모델의 매개 변수를 모델링 한 결과 혈압의 증가와 수축기 상승 시간의 감소는 RLC Windkessel 모델의 L 성분이 증가했기 때문이다. 혈관의 다양한 기계적 특성 중에 높은 BP 파형에 영향을 미치는 가장 중요한 매개 변수는 실험결과로 이너턴스인 것을 증명하였다.
A blood flow simulator is one of the experimental devices used to better understand the cardiovascular system. Time-Domain analysis is not sufficient to understand the cardiovascular system because of the effects related to pulsating flows. Even when the mean pressure and mean flow rate of the blood flow simulators are satisfied, the dynamic properties can differ from the desired performance. In this paper, the Windkessel model, a well-known mathematical model of the cardiovascular system, was employed to obtain optimized pressure using initial values. The Windkessel parameters, including flow resistance, R, are expected to lead to a better understanding of the dynamic behavior of cardiovascular systems.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제11권3호
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pp.53-64
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2007
Considering a sinusoidally varying blood pressure In left ventricle in Cho - Kensey's Windkessel model, we expressed the impedance elements in terms of the phase differences among the pressure and flow rates in the artery and the peripherical tubes. The relationships were further simplified for the real human cardiac system. We expect that the results would give some valuable information for examination and treatment in oriental medicine as well as in western medicine.
We explored how changes in blood vessel compliance affected the systolic rise time (SRT) of the maximum blood pressure (BP) peak wave and the diastolic fall time (DFT) of the minimal BP peak wave, compared to photoplethysmograpic (PPG) parameters, using a two-compartment, second-order, arterial Windkessel model. We employed earlier two-compartment Windkessel models and the components thereof to construct equivalent blood vessel circuits, and reproduced BP waveforms using PSpice technology. The SRT and DFT values were obtained via circuit simulation, considering variations in compliance (the dominant influence on blood vessel parameters attributable to BP changes). And then performed regression analysis to identify how compliance affected the SRT and DFT. We compared the SRTs and DFTs of BP waves to the PPG values by reference to BP changes in each subject. We confirmed that the time-shift propensities of BP waves and the PPG data were highly consistent. However, the time shifts differed significantly among subjects. These simulation and experimental results allowed us to construct an initial trend curve of individual BP peak time (measured via wrist PPG evaluations at three arm positions) that facilitated accurate individual BP estimations.
심장 일을 계산하여 혈관질환을 진단하는 방법이 새롭게 대두되고 있다. 이 연구의 목적은 혈관내의 두 지점에서 압력을 측정하여 점도 모델로부터 압력 펄스 및 심장 일을 구하는 수학적 모델을 개발하는 것이다. 심장 일을 측정하기 위해서 커프로부터 구한 혈압과 펄스파에 대한 의료 정보를 활용하였다. 본 연구의 목적은 혈관 내 두 측정점 사이의 펄스파를 이용하여 심장 일을 구하기 위한 수학적 모델의 개발이다. 심장 일은 Casson 및 Hershel-Bulkery 점도모델과 Windkessel 모델을 이용하여 구하였다. Casson 점도 모델과 Hershel-Bulkley 점도 모델을 이용하여 근위부에서의 컴플라이언스 값은 차이가 없으나 원위부에서 값은 큰 차이가 나타났다.
It is important to begin left ventricular assist device (LVAD) treatment at appropriate time for heart failure patients who expect cardiac recovery after the therapy. In order to predict the optimal timing of LVAD implantation, we predicted pumping efficacy of LVAD according to the severity of heart failure theoretically. We used LVAD-implanted cardiovascular system model which consist of 8 Windkessel compartments for the simulation study. The time-varying compliance theory was used to simulate ventricular pumping function in the model. The ventricular systolic dysfunction was implemented by increasing the end-systolic ventricular compliance. Using the mathematical model, we predicted cardiac responses such as left ventricular peak pressure, cardiac output, ejection fraction, and stroke work according to the severity of ventricular systolic dysfunction under the treatments of continuous and pulsatile LVAD. Left ventricular peak pressure, which indicates the ventricular loading condition, decreased maximally at the 1st level heart-failure under pulsatile LVAD therapy and 2nd level heart-failure under continuous LVAD therapy. We conclude that optimal timing for pulsatile LVAD treatment is 1st level heart-failure and for continuous LVAD treatment is 2nd level heart-failure when considering LVAD treatment as "bridge to recovery".
Extra-corporeal Life Support System (ECLS) is the device used in emergency cases to substitute a extracorporeal circulation in open heart surgery, cardiac arrest or in acute cardiopulmonary failure. To obtain the effect of counter-pulsation on hemodynamic response in the ECLS quantitatively, we developed cardiovascular model which consists of 12 compartment model of heldt et al. and 3 compartment model of Schreiner et al. based on windkessel approximation. We compared coronary perfusion, arterial pulse pressure, cardiac output, and left ventricular pressure-volume diagram according to flow configuration such as counter-pulsation, copulsation, and continous flow. When counter-pulsation was applied, 5% higher coronary perfusion, 26% lower pulse pressure, and 2% higher cardiac output than copulsation condition were calculated. We conclude that counter-pulsation configuration in the ECLS is hemodynamically more stable than copulsation and influences the positive effect to recover ventricles.
The estimation of the work of heart can be treated as one of the most important parameters for determining the amount of circulating blood needed for harmonious metabolism in the human body. By monitoring the work of heart, one can detect increased work load of heart and start the treatment at the early stage of CHF. Thus it is necessary to estimate the work of heart. The contractility of the left ventricle, the second important parameter for representing the motion of heart, can be estimated through information on the work of heart. In this study, the modified Windkessel model, which has been used for a measure of vascular hemodynamic impedance parameters, was adapted to estimate the work of heart.
Invasive blood pressure (IBP) is measured for the patient's real time arterial pressure (ABP) to monitor the critical abrupt disorders of the cardiovascular system. It can be used for the estimation of cardiac output and the opening and closing time detection of the aortic valve. Although the unexplained inflections on ABP make it difficult to find the mathematical relations with other cardiovascular parameters, the estimations based on ABP for other data have been accepted as useful methods as they had been verified with the statistical results among vast patient data. Previous windkessel models were composed with systemic resistance and vascular compliance and they were successful at explaining the average systolic and diastolic values of ABP simply. Although it is well-known that the blood pressure reflection from peripheral arteries causes complex inflection on ABP, previous models do not contain any elements of the reflections because of the complexity of peripheral arteries' shapes. In this study, to simulate a reflection wave of blood pressure, a new mathematical model was designed with four elements that were the impedance of aorta, the compliance of aortic arch, the peripheral resistance, and the compliance of peripheral arteries. The parameters of the new model were adjusted to have three types of arterial blood pressure waveform that were measured from a patient. It was used to find the relations between the inflections and other cardiovascular parameters such as the opening-closing time of aortic valve and the cardiac output. It showed that the blood pressure reflection can bring wide range errors to the closing time of aortic valve and cardiac output with the conventional estimation based on ABP and that the changes of one-stroke volumes can be easily detected with previous estimation while the changes of heart rate can bring some error caused by unexpected reflections.
In this study, it is intended to provide basic data that can help develop a cardiovascular simulator for performance evaluation of pulse wave detectors by identifying the development status of domestic and overseas cardiovascular simulators. A total of 119 papers were selected by excluding duplicate literature, gray literature, and literature not related to a cardiovascular simulator. Based on the selected literature, the research trend of cardiovascular simulators was analyzed. As a result of analyzing the purpose of the study, most of the simulators were developed to evaluate the hemodynamic properties of artificial hearts and valves. In addition, it was used for simulation evaluation or hemodynamic studies such as pulse wave studies. As a result of analyzing configurations of the simulators, a heart most often consisted of only one left ventricle. For blood vessels, the Windkessel model was most often constructed using chambers and valves. In most studies, blood was reproduced by mixing glycerin and water to reproduce both density and viscosity. In addition, as a result of analysis from the perspective of medical device performance evaluation, simulators for evaluating artificial heart and artificial valves have been studied a lot, whereas simulators for blood pressure, pulse wave, and blood flow devices have been relatively insignificant. Based on the review results, we suggested considerations when developing a simulator for performance evaluations of a pulse wave detector.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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