윈드케셀 효과

윈드케셀 효과(Windkesel effect)는 뇌졸중 볼륨과 대동맥 및 큰 탄력동맥(Windkesel vessel)의 준수와 작은 동맥과 동맥의 저항 사이의 상호작용 측면에서 동맥 혈압 파형의 형상을 설명하기 위해 의학에서 사용되는 용어다.독일어에서 영어로 느슨하게 번역될 때 윈드케셀은 '공기실'^[1][2]을 의미하지만, 일반적으로 탄성 저장소를 암시하는 의미로 받아들여진다.^[3]큰 탄성 동맥의 벽(예: 대동맥, 공통 경동맥, 쇄골하 및 폐동맥과 그 큰 가지)은 엘라스틴으로 형성된 탄성섬유를 포함하고 있다.이 동맥들은 시스톨 중에 혈압이 상승할 때 팽창하고 디아스톨 중에 혈압이 떨어지면 후퇴한다.이러한 탄력동맥에 들어가는 혈액의 비율이 말초 저항을 통해 혈액을 남기는 속도를 초과하기 때문에 sysstole 동안 대동맥과 큰 동맥에 혈액이 순 저장되어 디아스톨중에 배출된다.그러므로 대동맥과 큰 탄력동맥의 적합성(또는 확연성)은 콘덴서와 유사하다. 다른 방법으로 말하면, 이러한 동맥들은 집합적으로 유압 축전지의 역할을 한다.

Windkesel 효과는 심장 주기에 걸친 혈압(펄스 압력)의 변동을 감쇠시키는 데 도움이 되며, 심장 유출을 중단했을 때 디아스톨 동안 장기 관류를 유지하는 데 도움이 된다.비록 스테판 할레스(Stephen Hales)가 그 개념을 더 명확하게 표현하고 18세기 소방차에 사용된 공기실과 유사하게 그려냈지만, 윈드케셀의 생각은 조반니 보렐리에 의해 암시되었다.^[4]독일의 영향력 있는 생리학자 오토 프랭크(생리학자)가 이 개념을 발전시켜 확고한 수학적 기초를 제공했다.^[2]프랭크의 모델은 좀 더 최신적이고 정교한 윈드케셀 모델(예: 3개 또는 4개 요소 및 비선형 윈드케셀 모델)과 구별하기 위해 2개 요소 윈드케셀이라고 부르기도 한다.^[5][6]

모델 종류

윈드케셀의 모델링

윈드케셀 생리학은 중요한 임상적 관심사에 대한 목적적합하면서도 오래된 설명으로 남아 있다.모델에서 시스톨과 디아스톨에 대한 역사적 수학적 정의는 분명히 새로운 것이 아니라 원소적으로 여기에 4도로 배열되어 있다.다섯에 도달하는 것은 독창적인 일이 될 것이다.^{[citation needed]}

투원소

부피 대비 압력의 비율은 일정하며 윈드케셀에서 유출되는 압력은 유체 압력에 비례한다고 가정한다.체적 유입은 용량성 요소에 저장된 체적과 저항성 소자를 통한 체적 유출의 합계와 같아야 한다.이 관계는 다음과 같은 미분 방정식으로 설명된다.^{[citation needed]}

${\displaystyle I(t)={P(t) \over R}+C{dP(t) \over dt}}}$

I(t)는 펌프(심장)에 의한 체적유입이며 단위시간당 부피로 측정되며, P(t)는 단위면적당 힘으로 측정된 시간에 대한 압력, C는 윈드케셀의 압력 대비 부피 비율, R은 유체압력과 관련된 저항이다.이 모델은 2-element Windkesel 모델과 동등한 전기 회로에서 전류 I(t)와 전위 P(t) 사이의 관계와 동일하다.^{[citation needed]}

혈액순환에서 회로의 수동적 원소는 심혈관계의 원소를 나타내는 것으로 가정한다.저항기 R은 총 주변 저항을 나타내고 콘덴서 C는 총 동맥 준수를 나타낸다.^[7]

디아스톨 중에는 대동맥(또는 폐판막)이 닫히기 때문에 혈액이 유입되지 않으므로 윈드케셀은 I(t) = 0:

${\displaystyle P(t)=P(t_{d}e^{-(t-t_{d}) \over(RC)}}$

여기서 t는_d 디아스톨이 시작되는 시간이고 P(t_d)는 디아스톨이 시작될 때의 혈압이다.이 모델은 동맥 순환의 대략적인 근사치에 불과하다; 보다 현실적인 모델은 더 많은 원소를 포함하고, 혈압 파형의 더 현실적인 추정치를 제공하며, 아래에 설명되어 있다.

삼원소

3소 윈드케셀은 다른 저항성 원소를 통합하여 대동맥(또는 폐동맥)의 특성 저항으로 인한 혈류 저항성을 시뮬레이션함으로써 2소 모델을 개선한다.3-element 모델의 미분 방정식은 다음과 같다.^{[citation needed]}

${\displaystyle(1+{R_{1}{1} \over R_{2}})I(t)+CR_{1}{dI(t) \over dt}={P(t) \over R_{2}}+C{dP(t) \over dt}}}}}$

여기서 R은₁ 특성 저항(이것은 특성 임피던스와 동등한 것으로 가정함),^[7] R은₂ 주변 저항을 나타낸다.이 모델은 수용 가능한 순환 모델로 널리 사용되고 있다.^[5]예를 들어, 병아리^[8] 배아 대동맥과 돼지의 폐동맥의 혈압과 흐름을 평가하고 고립된 심장의 실험 연구에 현실적인 하중을 제공하는 순환의 물리적 모델을 구축하기 위한 기초를 제공하기 위해 채택되었다.^[9]

사원소

3원 모델은 준수를 과대평가하고 순환의 특성 임피던스를 과소평가한다.^[7]4요소 모델에는 길이당 질량 단위가 ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{{인덕터\mathrm{}}^{}}{}}$L$(M$ l 4 ${\displaystyle$ {M $\$over l$^{4$})이 $$혈류 관성을 설명하기 위해 회로의 근위부 구성 요소에 포함된다.이것은 2-요소와 3-요소의 모델에서 무시된다.관련 방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle(1+{R_{1}{1} \over R_{2}})I(t)+(R_{1}C+{{1}L \over R_{2}}){dI(t) \over dt}++LC{d^{2}I(t) \overdt^{2}}={P(t) \over R_{2}}+C{dP(t) \overdt}}}$

적용들

이 모델들은 R, C의 파라미터를 통해 혈압에 대한 혈류(및 4요소 모델의 경우 L)와 관련이 있다.이러한 방정식은 주어진 흐름과 R, C, L 매개변수의 값을 찾거나 R, C, L의 주어진 흐름과 압력의 값을 찾기 위해 MATLAB와 그 보충물 SIMULINK을 채택하여 쉽게 풀 수 있다.아래에는 2요소 모델의 예가 나와 있으며, 여기서 I(t)는 systole과 diastole 동안 입력 신호로 표시된다.시스톨은 신함수로 표현되는 반면, 디아스톨 동안의 흐름은 0. s는 심장 주기의 지속시간을 나타내는 반면, Ts는 시스톨의 지속시간, Td는 디아스톨의 지속시간(예: 초)을 나타낸다.^{[citation needed]}

$[\displaystyle I(t)=]I_{o}\sin[{(\pi *{t \over s}) \over Ts}{\text{{{t \over s}}{{{t \text{ for }}}}{{{{t \over s}\leq Ts}$

${\displaystyle I(t)=0{\text{ for }}Ts<(Td+Ts)}$

생리학과 질병에 있어서

'윈크스셀 효과'는 탄력 있는 동맥이 덜 순응하고 동맥 경화증이나 동맥 경화증이라고 불리며 나이가 들면서 감소하게 되는데, 아마도 엘라스틴의 분쇄와 상실에 부수적인 것일 것이다.^[10]윈드케셀 효과의 감소는 주어진 스트로크 볼륨에 대한 펄스 압력을 증가시킨다.맥박 압력이 증가하면 수축기압(고혈압)이 상승하여 심근경색, 뇌졸중, 심부전, 기타 다양한 심혈관 질환의 위험이 증가한다.^[11]

제한 사항

윈드케셀은 단순하고 편리한 개념이지만, 주로 파동 전파와 반사 측면에서 동맥압과 유동 파형을 해석하는 보다 현대적인 접근법으로 대체되어 왔다.^[12]최근 저수지 개념을 통한 파도 전파와 윈드케셀 접근법을 통합하려는 시도는 비난 받아왔고^[14][15] 최근의 합의문서는 저수지 파도 같은 성격을 부각시켰다.^[13][16]

참고 항목

• 유압 어큐뮬레이터 – 오일 압력을 저장하고 안정화하기 위한 탱크

참조