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KR101021154B1 - Virtual Clinical Trial Method for Ventricular Defibrillator Development - Google Patents

Virtual Clinical Trial Method for Ventricular Defibrillator Development Download PDF

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KR101021154B1
KR101021154B1 KR1020080084854A KR20080084854A KR101021154B1 KR 101021154 B1 KR101021154 B1 KR 101021154B1 KR 1020080084854 A KR1020080084854 A KR 1020080084854A KR 20080084854 A KR20080084854 A KR 20080084854A KR 101021154 B1 KR101021154 B1 KR 101021154B1
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Abstract

본 발명은, 심실 제세동기와 인체의 심장의 거동을 가상적으로 시뮬레이션하여 가상 임상 실험에 의해 심실 제세동기를 개발하기 위한 가상 임상 실험 방법에 있어서, (a) 유한요소법에 의해 심근세포 단위로 심장을 모델링하는 단계; (b) 상기 심장 모델을 내부에 수용하는 인체의 흉곽을 유한요소법으로 모델링하는 단계; (c) 심실 제세동기를 가상적으로 모델링하여 그 심실 제세동기에 의해 발생되는 전기적 자극의 사이클을 모델링하는 단계; (d) 상기 가상의 심실 제세동기에서 발생된 전기적 자극의 사이클을 상기 흉곽 모델에 인가하는 단계; (e) 상기 흉곽 모델을 거쳐 심장 모델로 인가된 전기적 자극에 따른 심장의 거동을 해석하는 단계; 및 (f) 상기 심장의 거동을 심전도로 표시하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.The present invention is a virtual clinical experimental method for developing a ventricular defibrillator by virtual clinical experiments by virtually simulating the behavior of the ventricle defibrillator and the human heart, (a) modeling the heart by cardiomyocyte units by the finite element method step; (b) modeling the rib cage of the human body receiving the heart model therein by the finite element method; (c) virtually modeling the ventricular defibrillator to model the cycle of electrical stimulation generated by the ventricular defibrillator; (d) applying a cycle of electrical stimulation generated in the virtual ventricular defibrillator to the rib cage model; (e) analyzing the behavior of the heart according to the electrical stimulation applied to the heart model via the rib cage model; And (f) displaying the behavior of the heart with an electrocardiogram.

Description

심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법{Method of clinical demonstration for development of defibrillator}Method of clinical demonstration for development of defibrillator

본 발명은 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심실 제세동기를 개발하는 과정에서 임상 실험을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 가상적으로 수행하는 가능하게 함으로써, 임상 실험의 기간을 단축하고 비용을 절감할 수 있으며 심실 제세동기를 효율적으로 개발할 수 있는 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a virtual clinical trial method for the development of ventricular defibrillators, and more particularly, by enabling the clinical trials to be performed virtually through computer simulation during the development of ventricular defibrillators, thereby reducing the duration of clinical trials The present invention relates to a virtual clinical trial method for the development of ventricular defibrillators that can reduce costs and efficiently develop ventricular defibrillators.

인간의 심장은 혈액을 효과적으로 방출시키기 위하여 심근을 일정한 순서에 따라서 작용시키는 명령체계를 가지고 있다. 심장은 일정한 순서에 따라서 수축과 팽창을 되풀이 하면서 동맥에 혈액을 공급한다. 만약, 심장이 정해진 순서에 따라 움직이지 않으면 심장은 효율적으로 동맥에 혈액을 공급할 수 없다.The human heart has a command system that operates the myocardium in a certain order in order to release blood effectively. The heart supplies blood to the arteries by repeating contraction and expansion in a certain sequence. If the heart does not move in a certain order, the heart cannot efficiently supply blood to the arteries.

이와 같은 심작의 박동은 심장 세포 내의 세포 전압의 규칙적인 변화에 따라 심근 세포가 수축 이완함으로써 이뤄지게 된다. This heartbeat is achieved by contraction and relaxation of myocardial cells in response to regular changes in cell voltage in the heart cells.

심장의 전압변화가 비정상적으로 이뤄질 경우 서맥(bradycardia), 빈맥(tachycardia), 세동(fibrillation)과 같은 부정맥(arrhythmias)이 발생하게 된 다.Abnormal voltage changes in the heart cause arrhythmias such as bradycardia, tachycardia, and fibrillation.

도 1은, 심장 전압의 시간에 따른 변화를 도시한 심전도(ECG; Electro Cardio Gram)이다.1 is an electrocardiogram (ECG) showing a change in heart voltage over time.

'a 구간'은 정상적인 리듬의 심장 박동을 도시한 것이도, 'b 구간'은 빈맥인 경우 심장 리듬을 도시한 것이며, 'c 구간'은 세동인 경우의 심장 리듬을 도시한 것이다.'A section' shows the heartbeat of normal rhythm, 'b' shows the heart rhythm when tachycardia, and 'c section' shows the heart rhythm when fibrillation.

세동과 같이 심장이 비정상적인 박동을 하게 되면, 전체적으로 수축 이완 운동을 할 수 없게 되어 심장은 동맥으로 혈액을 보낼 수 없게 된다. 이와 같이 심장이 동맥으로 혈액을 보내지 못하게 되면 환자는 사망하게 된다.If your heart behaves abnormally, such as fibrillation, you won't be able to relax and contract your entire body, and your heart won't be able to send blood to your arteries. If the heart fails to send blood to the arteries, the patient dies.

환자에게 심장의 이상 박동이 발생하는 경우 심실 제세동기(defibrillator)를 이용하여 환자에게 전기 충격을 가하게 된다. 이때 제세동기는 펄스 형상의 전기적 자극을 발생하여 환자에게 전달함으로써, 심장의 전기적 분포 및 박동을 정상상태로 되돌리는 역할을 한다.If the patient has an abnormal heartbeat, an electric shock is applied to the patient using a ventricular defibrillator. At this time, the defibrillator generates a pulse-shaped electrical stimulus and transmits it to the patient, thereby serving to return the electrical distribution and heartbeat of the heart to a normal state.

이와 같은 심실 제세동기는 인체에 중요한 영향을 미치는 의료기기이기 때문에 개발 과정에서 임상실험을 거치는 것이 매우 중요하다.Since the ventricular defibrillator is a medical device having an important effect on the human body, it is very important to undergo clinical experiments during the development process.

일반적으로 이와 같은 심실 제세동기는 동물에 대해 여러가지 조건에서 실험을 하여 그 결과를 분석하는 방법으로 성능을 평가한다.In general, such a ventricular defibrillator evaluates performance by experimenting with animals under various conditions and analyzing the results.

그런데, 동물에 대해서 제세동기를 이용하여 전기적 자극을 가하고 동물에 설치된 심전도 장치를 이용하여 동물의 심장 박동을 평가하는 것은, 매우 번거롭고 많은 비용과 시간을 필요로 한다.However, it is very cumbersome and expensive and time-consuming to apply an electrical stimulus to an animal using a defibrillator and to evaluate the heart rate of the animal using an electrocardiogram device installed in the animal.

또한, 동물에 대한 임상 실험 결과를 인체에 그대로 적용하는 것도 많은 위험을 수반하게 되므로, 안전성이 떨어지는 문제점이 있다.In addition, the application of the clinical test results on the animal as it is to the human body is accompanied by a lot of risks, there is a problem of low safety.

또한, 동물이든 사람이든 비정상적인 심장 박동을 구현하여 그에 대한 심실 제세동기기의 성능을 확인해 보는 것은 매우 어려운 일이다. 특히, 인체에 대하여 세동과 같은 비정상적인 심장박동을 구현하는 것은 생명을 담보로 하는 위험한 실험이므로, 제세동기의 개발을 위하여 임상실험을 하는 것은 매우 어려운 일이다.In addition, it is very difficult to check the performance of the ventricular defibrillator by implementing an abnormal heart beat, whether animal or human. In particular, since the implementation of abnormal heartbeats such as fibrillation in the human body is a dangerous experiment that secures life, it is very difficult to conduct clinical experiments for the development of defibrillators.

또한, 종래의 임상 실험 방법을 이용하여 심실 제세동기를 개발하는 경우, 설계안에 따른 제세동기를 직접 제작하여 임상 실험을 수행한 후에야 그 성능을 평가할 수 있기 때문에, 각 설계안에 따른 심실 제세동기를 일일이 제작하는데 있어서, 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다.In addition, in the case of developing a ventricular defibrillator using a conventional clinical trial method, the performance of the ventricular defibrillator according to each design can be evaluated because the performance of the ventricular defibrillator according to the design can be evaluated only after the clinical trial is performed. There is a problem, which is time consuming and costly.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 심실 제세동기를 개발함에 있어서, 컴퓨터의 수치해석적 방법을 이용하여 심실 제세동기 및 심장의 거동을 구현함으로써 임상 실험을 가상적으로 수행하여 매우 적은 비용으로 단기간에 효과적인 임상 실험을 가능하게 하는 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, in the development of ventricular defibrillator, using a computer numerical method to implement the behavior of ventricular defibrillator and heart by virtually conducting clinical experiments very little It is an object of the present invention to provide a virtual clinical trial method for the development of ventricular defibrillator that enables cost effective short term clinical trials.

본 발명은, 심실 제세동기와 인체의 심장의 거동을 가상적으로 시뮬레이션하여 가상 임상 실험에 의해 심실 제세동기를 개발하기 위한 가상 임상 실험 방법에 있어서, (a) 유한요소법에 의해 심근세포 단위로 심장을 모델링하는 단계; (b) 상기 심장 모델을 내부에 수용하는 인체의 흉곽을 유한요소법으로 모델링하는 단계; (c) 심실 제세동기를 가상적으로 모델링하여 그 심실 제세동기에 의해 발생되는 전기적 자극의 사이클을 모델링하는 단계; (d) 상기 가상의 심실 제세동기에서 발생된 전기적 자극의 사이클을 상기 흉곽 모델에 인가하는 단계; (e) 상기 흉곽 모델을 거쳐 심장 모델로 인가된 전기적 자극에 따른 심장의 거동을 해석하는 단계; 및 (f) 상기 심장의 거동을 심전도로 표시하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.The present invention is a virtual clinical experimental method for developing a ventricular defibrillator by virtual clinical experiments by virtually simulating the behavior of the ventricle defibrillator and the human heart, (a) modeling the heart by cardiomyocyte units by the finite element method step; (b) modeling the rib cage of the human body receiving the heart model therein by the finite element method; (c) virtually modeling the ventricular defibrillator to model the cycle of electrical stimulation generated by the ventricular defibrillator; (d) applying a cycle of electrical stimulation generated in the virtual ventricular defibrillator to the rib cage model; (e) analyzing the behavior of the heart according to the electrical stimulation applied to the heart model via the rib cage model; And (f) displaying the behavior of the heart with an electrocardiogram.

본 발명은 매우 적은 비용으로 단기간에 다양한 조건에서 심실 제세동기의 인체에 대한 성능을 용이하게 임상 실험해 볼 수 있는 효과가 있다.The present invention has an effect that can be easily clinical trials of the performance of the ventricular defibrillator on the human body in a variety of conditions in a short period of time at a very low cost.

또한, 본 발명은 인체의 세동과 같은 부정맥을 수치해석적 모델로 용이하게 구현할 수 있으므로, 심실 제세동기의 성능을 용이하게 평가하여 효과적으로 심실 제세동기를 개발할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can be easily implemented in the numerical model of arrhythmia, such as the fibrillation of the human body, it is possible to easily evaluate the performance of the ventricular defibrillator has an effect that can effectively develop a ventricular defibrillator.

또한, 본 발명은 실제 심실 제세동기를 제작하지 않고도 설계된 제세동기의 특성에 따른 성능을 평가할 수 있으므로, 심실 제세동기의 개발 시간과 개발 비용을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can evaluate the performance according to the characteristics of the designed defibrillator without the actual ventricular defibrillator, there is an effect that can significantly reduce the development time and development cost of the ventricular defibrillator.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법의 일례를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating an example of a virtual clinical trial method for developing a ventricular defibrillator according to the present invention.

먼저, 유한요소법에 의해 심근세포 단위로 심장을 모델링하는 단계(S100)를 수행한다. 공지된 Ten Tusscher model 등을 이용하여 심근세포를 수치해석적으로 모델링한다. 이와 같은 심근 세포의 수학적 모델링에는 세포 내의 칼슘이온의 농도 등이 고려되어 시간에 따른 심근 세포의 전압 변화를 구현하게 된다.First, the step of modeling the heart by the cardiomyocyte unit by the finite element method (S100) is performed. Cardiomyocytes are numerically modeled using known Ten Tusscher model. In the mathematical modeling of the cardiomyocytes, the concentration of calcium ions in the cells is taken into consideration to implement the voltage change of the cardiomyocytes over time.

다음으로, 상기 심장 모델을 내부에 수용하는 인체의 흉곽을 유한요소법으로 모델링하는 단계(S200)를 수행한다. 심장은 인체의 가슴 골격 내부에 배치되고 심실 제세동기에서 발생된 전기적 자극은 인체의 가슴에 부착하는 전극을 통하여 인체로 전달되므로, 흉곽을 모델링하여 상기 심장 모델과 세부 유한 요소들이 서로 연결되도록 모델링한다.Next, a step (S200) of modeling the rib cage of the human body accommodating the heart model therein is performed. Since the heart is placed inside the body's chest skeleton and the electrical stimulation generated by the ventricular defibrillator is transmitted to the body through an electrode attached to the body's chest, the heart model and the finite elements are modeled so that they are connected to each other. .

이와 같이, 심장 모델링(S100)과 흉곽 모델링(200)이 완료된 상태에서, 상기 심장 모델에 심장의 이상 박동을 구현하는 단계(S300)를 수행한다. 즉, 심장의 서맥, 빈맥, 세동과 같은 부정맥 상태를 수치적으로 상기 심장 모델에 구현하여, 심장의 비정상적인 박동이 이뤄지도록 한다. 수치해석적 방법에 의해 가상의 심장 모델로 이와 같은 부정맥 상태를 용이하게 구현할 수 있기 때문에, 실제 임상 실험을 하는 경우에 비해 본 발명의 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법에 의하는 경우 적은 시간과 비용으로 매우 효율적인 임상 실험을 실시할 수 있게 된다.As such, in the state in which the heart modeling (S100) and the rib cage modeling (200) are completed, a step (S300) of implementing an abnormal heartbeat of the heart in the heart model is performed. That is, the arrhythmia such as bradycardia, tachycardia, and fibrillation of the heart is numerically embodied in the cardiac model so that abnormal heartbeat is achieved. Since it is possible to easily implement such arrhythmia with a virtual heart model by a numerical method, the time required by the virtual clinical trial method for the development of ventricular defibrillator of the present invention is less than that of the actual clinical trial. And very cost-effective clinical trials can be carried out.

한편, 상기 심장 모델링 단계(S100) 와 흉곽 모델링 단계(S200) 및 심장 이상 박동 구현 단계(S300)와 별도로, 심실 제세동기를 가상적으로 모델링하여 그 심실 제세동기에 의해 발생되는 전기적 자극의 사이클을 모델링하는 단계(S400)를 수행한다.On the other hand, apart from the cardiac modeling step (S100), the rib cage modeling step (S200) and the heart abnormality heartbeat implementation step (S300), virtually modeling the ventricular defibrillator to model the cycle of electrical stimulation generated by the ventricular defibrillator Perform (S400).

개발된 심실 제세동기를 수치해석적으로 모델링하여 그 제세동기에서 발생되는 전기적 자극의 사이클을 수치 해석적 결과값으로 얻게 된다.The ventricular defibrillator is modeled numerically and the cycle of electrical stimulation generated by the defibrillator is obtained as a numerical result.

다음으로, 상기 가상의 심실 제세동기에서 발생된 전기적 자극의 사이클을 상기 흉곽 모델에 인가하는 단계(S500)를 수행한다. 이와 같은 전기적 자극의 사이클은 상기 흉곽 모델의 전극이 위치할 부분에 외부 조건 또는 경계 조건으로서 입력된다. 상술한 바와 같이, 비정상적인 박동 상태로 구현된 심장에 흉곽을 거쳐서 심실 제세동기의 전기적 자극을 인가함으로써 실제 임상 실험을 가상적으로 구현하게 되는 것이다.Next, the step of applying the cycle of the electrical stimulation generated in the virtual ventricular defibrillator to the rib cage model (S500). Such a cycle of electrical stimulation is input as an external condition or boundary condition to the portion where the electrode of the rib cage model is to be located. As described above, the actual clinical trials are virtually implemented by applying electrical stimulation of the ventricular defibrillator via the rib cage to the heart that is realized in an abnormal pulsation state.

다음으로, 상기 흉곽 모델을 거쳐 심장 모델로 인가된 전기적 자극에 따른 심장의 거동을 해석하는 단계(S600)를 수행한다. 상술한 바와 같이 비정상적인 박동을 하는 심장에 심실 제세동기의 전기적 자극이 전달되어 심장 박동에 변화가 생기는 과정을 유한요소해석법과 같은 수치해석적 방법에 의해 파악할 수 있다.Next, the step (S600) of analyzing the behavior of the heart according to the electrical stimulation applied to the heart model via the rib cage model is performed. As described above, the electrical stimulation of the ventricular defibrillator is delivered to the abnormally beating heart and the change in the heartbeat can be grasped by a numerical method such as finite element analysis.

이와 같은 심장 거동의 분석 결과는 다양한 방법으로 사용자에게 표시될 수 있으며, 그 일례로 가장 보편적으로 사용되는 심전도를 이용하여 상기 심장의 거동을 심전도로 표시하는 단계(S700)를 수행함으로써 표시할 수 있다. 심전도 외에도, 심장의 삼차원적 운동 동영상이나, 심장 내의 혈류의 흐름 등과 같은 다양한 분석 결과를 사용자에게 표시할 수 있다.The analysis result of the heart behavior can be displayed to the user in various ways. For example, the cardiac behavior can be displayed by performing the step (S700) of displaying the heart behavior as an electrocardiogram using an electrocardiogram most commonly used. . In addition to the electrocardiogram, various analysis results such as a three-dimensional motion video of the heart or a flow of blood flow in the heart may be displayed to the user.

상술한바와 같은 과정을 거쳐서 설계된 심실 제세동기의 성능을 다양한 방법으로 용이하게 평가할 수 있게 된다.It is possible to easily evaluate the performance of the ventricular defibrillator designed through the above process in a variety of ways.

또한, 그 평가 결과에 따라 심실 제세동기의 설계를 변경하는 경우, 그 변경된 설계안에 따른 전기적 자극의 사이클을 다시 수치해석적으로 모델링하여 위와 같은 과정을 반복함으로써, 새로운 설계안에 대한 평가도 반복적으로 용이하게 실시할 수 있게 된다.In addition, when the design of the ventricular defibrillator is changed according to the evaluation result, it is possible to repeatedly evaluate the new design by repeating the above process by numerically modeling the electrical stimulation cycle according to the changed design. It becomes possible to carry out.

따라서, 매번 새로운 설계안에 대한 실제 제작 및 실제 임상 실험을 실시하지 않고, 모든 과정을 수치해석적 방법에 의해 가상적으로 수행하여 최종적인 결론을 얻은 후 그 결과에 따라 실제 심실 제세동기를 제작하면 막대한 비용과 시간을 절약할 수 있게 된다.Therefore, without actually making a new design every time and conducting an actual clinical trial, virtually all the processes are performed by numerical method to obtain the final conclusions, and accordingly, the actual ventricular defibrillator can be manufactured with huge cost and You can save time.

결과적으로, 본 발명에 따른 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법에 의하면, 심실 제세동기의 개발을 위해 가상의 임상 실험 방법을 사용함으로 써, 심실 제세동기의 개발을 매우 효율적으로 수행할 수 있게 된다.As a result, according to the virtual clinical experimental method for the development of ventricular defibrillator according to the present invention, by using a virtual clinical trial method for the development of ventricular defibrillator, the development of ventricular defibrillator can be performed very efficiently. do.

도 1은 심장의 거동을 설명하기 위한 심전도의 일례이다. 1 is an example of an electrocardiogram for explaining the behavior of the heart.

도 2는 본 발명에 따른 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법의 일례를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating an example of a virtual clinical trial method for developing a ventricular defibrillator according to the present invention.

Claims (3)

심실 제세동기와 인체의 심장의 거동을 가상적으로 시뮬레이션하여 가상 임상 실험에 의해 심실 제세동기를 개발하기 위한 가상 임상 실험 방법에 있어서,In a virtual clinical trial method for developing a ventricular defibrillator by a virtual clinical trial by virtually simulating the behavior of the ventricle defibrillator and the human heart, (a) 유한요소법에 의해 심근세포 단위로 심장을 모델링하는 단계;(a) modeling the heart on a cardiomyocyte basis by finite element method; (b) 상기 심장 모델을 내부에 수용하는 인체의 흉곽을 유한요소법으로 모델링하는 단계;(b) modeling the rib cage of the human body receiving the heart model therein by the finite element method; (c) 심실 제세동기를 가상적으로 모델링하여 그 심실 제세동기에 의해 발생되는 전기적 자극의 사이클을 모델링하는 단계;(c) virtually modeling the ventricular defibrillator to model the cycle of electrical stimulation generated by the ventricular defibrillator; (d) 상기 가상의 심실 제세동기에서 발생된 전기적 자극의 사이클을 상기 흉곽 모델에 인가하는 단계;(d) applying a cycle of electrical stimulation generated in the virtual ventricular defibrillator to the rib cage model; (e) 상기 흉곽 모델을 거쳐 심장 모델로 인가된 전기적 자극에 따른 심장의 거동을 해석하는 단계; 및(e) analyzing the behavior of the heart according to the electrical stimulation applied to the heart model via the rib cage model; And (f) 상기 심장의 거동을 심전도로 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법.(f) displaying the behavior of the heart as an electrocardiogram; virtual clinical trial method for the development of a ventricular defibrillator comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, (g) 상기 심장 모델에 심장의 이상 박동을 구현하는 단계;를 더 포함하고,(g) implementing abnormal heartbeats in the heart model; 상기 (a), (b), (c) 단계를 수행한 후, 상기 (g) 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법.After performing the steps (a), (b), (c), the virtual clinical trial method for the development of ventricular defibrillator, characterized in that performing the step (g). 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 단계의 심장의 이상 박동은 심실세동인 것을 특징으로 하는 심실 제세동기 개발을 위한 가상 임상 실험 방법.The virtual heartbeat method for the development of ventricular defibrillator, characterized in that the abnormal heartbeat of the heart is ventricular fibrillation.
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