Proceedings of the Korea Society for Simulation Conference
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2004.05a
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pp.109-117
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2004
In this paper, we consider the aortic sinus baroreceptor, which is the most representative baroreceptor sensing the variance of pressure in the cardiovascular system, and propose heart activity control model to observe the effect of delay time in heart period and stroke volume under the regulation of baroreflex in the aortic sinus. The proposed heart activity baroreflex regulation model contains electric circuit sub-model. We constituted the time delay sub-model to observe sensitivity of heart activity baroreflex regulation model by using the variable value to represent the control signal transmission time from the output of baroreflex regulation model to efferent nerve through central nervous system. The simulation object of this model is to observe variability of the cardiovascular system by variable value in time delay sub-model. As simulation results, we observe three patterns of the cardiovascular system variability by the time delay, First, if the time delay over 2.5 second, aortic pressure and stroke volume and heart rate is observed nonperiodically and observed. Finally, if time delay under 0.1 second, then heart rate and aortic pressure-heart rate trajectory is maintained in stable state.
A computational model representative of cardiovascular circulation was built using 12 standard lumped compartments. Especially, both the baroreceptor reflex and the cardiopulmonary reflex control model were implemented to explain the auto-regulation of cardiovascular system. Another important aspect of this model is to utilize the impulse-response curve of the nerve system in transferring the impulse error signals to autonomous nerve system. For the verification of this model, we have computed the normal hemodynamic conditions and compared those with the clinical data. Then. hemodynamic shock of 20% hemorrhage to cardiovascular system was simulated to test the effects of the control system model. The results of these two simulations were well matched with the experimental ones. The steady state LBNP simulation was also performed. The transient changes of hemodynamic variables due to ramp increase of bias pressure of LBNP showed good agreement with the physiological experiments. Numerical solution using only the baroreflex model showed relatively a larger deviation from the experimental data. compared with the one using the control model haying both the baroreflex and the cardiopulmonary reflex systems, which shows an important role of the cardiopulmonary reflex system for the simulation of the hemodynamic behavior of the cardiovascular system .
In this paper, we consider the aortic sinus baroreceptor, which is the most representative baroreceptors sensing the variance of pressure in the cardiovascular system(CVS), and propose heart activity control model to observe the effect of delay time in heart period and stroke volume under the regulation of baroreflex in arotic sinus. The proposed heart activity baroreflex regulation model contains CVS electric circuit sub-model, baroreflex regulation sub-model and time delay sub-model. In these models, applied electric circuit sub-model is researched by B.C.Choi and the baroreflex regulation sub-model transforms the input, the arotic pressure of CVS electric circuit sub-model, to outputs, heart period and stroke volume by mathematical nonlinear feedback. We constituted the time delay sub-model to observe sensitivity of heart activity baroreflex regulation model by using the variable value to represent the control signal transmission time from the output of baroreflex regulation model to efferent nerve through central nervous system. The simulation object of this model is to observe variability of the CVS by variable value in time delay sub-model. As simulation results, we observe three patterns of CVS variability by the time delay. First, if the time delay is over 2.5 sec, arotic pressure, stroke volume and heart rate is observed nonperiodically and irregularly. Second, if the time delay is from between 0.1 sec and 0.25 sec, the regular oscillation is observed. Finally, if time delay is under 0.1 sec, then heart rate and arotic pressure-heart rate trajectory is maintained in stable state.
Contribution of the vestibular end organ to regulation of arterial pressure was quantitatively compared with the role of baroreceptors in terms of baroreflex sensitivity and c-Fos protein expression in the rostral ventrolateral medulla (RVLM). Baroreflex sensitivity and c-Fos protein expression in the RVLM were measured in conscious rats that had undergone bilateral labyrinthectomy (BL) and/or baroreceptor unloading. BL attenuated baroreflex sensitivity during intravenous infusion of sodium nitroprusside (SNP), but did not significantly affect the sensitivity following infusion of phenylephrine (PE). Baroreflex sensitivity became positive following sinoaortic denervation (SAD) during infusion of PE and attenuated sensitivity during infusion of SNP. Baroreflex sensitivity also became positive following double ablation (BL+SAD) during infusion of PE, and attenuated sensitivity during infusion of SNP. c-Fos protein expression increased significantly in the RVLM in the sham group after SNP administration. However, the BL, SAD, and SAD+BL groups showed significant decreases in c-Fos protein expression compared with that in the sham group. The SAD group showed more reduced c-Fos protein expression than that in the BL group, and the SAD+BL group showed less expression than that in the SAD group. These results suggest that the vestibular system cooperates with baroreceptors to maintain arterial pressure during hypotension but that baroreceptors regulate arterial pressure during both hypotension and hypertension. Additionally, afferent signals for maintaining blood pressure from the vestibular end organs and the baroreceptors may be integrated in the RVLM.
In this paper, the method is proposed, which enables us to assess baroreflex sensitivity noninvasively through the closed-loop feedback model between RR fluctuation and arterial blood pressure fluctuation, which are obtained in blood low signals. The proposed indexes of baroreflex sensitivity, $BRS_{LF}$ and $BRS_{HF}$, are calculated by the modulus(or gain) of the transfer unction between two fluctuations above in LF band and HF band, where the coherence is more than 0.5. To evaluate the performance of the proposed method, it is applied to blood low signals obtained from subjects at tilt angles of $0^{\circ},\;45^{\circ},\;90^{\circ}$ and $0^{\circ}$ successively. In result, it is concluded that the proposed method enables us to assess baroreflex sensitivity noninvasively.
Choi Byeong Cheol;Jeong Do Un;Shon Jung Man;Yae Su Yung;Kim Ho Jong;Lee Hyun Cheol;Kim Yun Jin;Jung Dong keun;Yi Sang Hun;Jeon Gye Rok
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.25
no.6
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pp.565-573
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2004
In this paper, we proposed a heart activity control model for simulation of the aortic sinus baroreceptor, which was the most representative baroreceptor sensing the variance of pressure in the cardiovascular system. And then, the heart activity control model composed electric circuit model of the cardiovascular system with baroreflex control and time delay sub-model to observe the effect of time delay in heart period and stroke volume under the regulation of baroreflex in the aortic sinus. The mechanism of time delay in the heart activity baroreflex control model is as follows. A control function is conduct sensing pressure information in the aortic sinus baroreceptor to transmit the efferent nerve through central nervous system. As simulation results of the proposed model, we observed three patterns of the cardiovascular system variability by the time delay. First of all, if the time delay over 2.5 second, aortic pressure and stroke volume and heart rate was observed non-periodically and irregularly. However, if the time delay from 0.1 second to 0.25 second, the regular oscillation was observed. And then, if time delay under 0.1 second, then heart rate and aortic pressure-heart rate trajectory were maintained in stable state.
Baroreflex sensitivity (BRS) is a parameter of the cardiovascular system that is reflected in changes in pulse interval (PD and systolic blood pressure (SBP). BRS contains information about how the autonomic nervous system regulates hemodynamic homeostasis. Normally the beat-to-beat SBP measurement and the pulse interval measured from the electrocardiogram (ECG) are required to estimate the BRS. We investigated the possibility of measuring BRS in the absence of a beat-to-beat SBP measurement device. Pulse arrival time (PAT), defined as the time between the R-peak of the ECG and a single characteristic point on the pulse wave recorded from any arterial location was measured by photoplethysmography. By comparing the BRS obtained from conventional measurements with our method during controlled breathing, we confirmed again that PAT and SBP are closely correlated, with a correlation coefficient of -0.82 to -0.95. The coherence between SBP and PI at a respiration frequency of 0.07-0.12 Hz was similar to the coherence between PAT and PI. Although the ranges and units of measurement are different (ms/mmHg vs. ms/ms) for BRS measured conventionally and by our method, the correlation is very strong. Following further investigation under various conditions, BRS can be reliably estimated without the inconvenient and expensive beat-to-beat SBP measurement.
Blood in congenital or acquired AY fistula(arteriovenous fistula) flows from arteries directly to veins. detouring peripheral micro-circulation. This makes a great effect on the hemodynamics of human cardiovascular system. In this study, a computational method using lumped parameter mode) was proposed to simulate the cardiovascular hemodynamics of patients with acute AV fistula The cardiovascular system model with a fistula compartment in left lower limb was built using 17 standard lumped compartments. Using fourth order Runge-Kutta method. we solved numerically the unsteady linear set of the ordinary differential equations resulting from application of Kirchhoff's law to the lumped parameter hemodynamic model. The baroreceptor reflex system was implemented to explain the auto-regulation effect of the cardiovascular system with acute AV fistula.
Shim E. B.;Ko H. J.;Heldt T.;Kamm R. D.;Mark R. G.
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2000.10a
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pp.123-128
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2000
Orthostatic stress in human cardiovascular system following spaceflight remains a critical problem in the current lifercience space program. The study presented in this paper is part of an ongoing effort to use mathematical models to investigate the effects of gravitational stresses on the cardiovascular system of normals and microgravity adapted individuals. We employ a twelve compartment lumped parameter representation of the hemodynamic system coupled to set-point models of the arterial baroreflex and the cardiopulmonary reflex to investigate the transient response of heart rate to orthostatic stress. We simulate current hypotheses concerning the mechanisms underlying postspaceflight orthostatic intolerance over a range of physiologically reasonable values and compare the simulations to astronaut stand-test data pre-and postflight.
Kim, Yoo-Seok;Park, Seong-Min;Shim, Eun-Bo;Choi, Seong-Wook
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.31
no.5
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pp.395-400
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2010
Hypertension is the chronic disease that the 16% of total population are suffering, and it needs to be studied to find alternative treatment because of the tolerance and side effect of medications that may bother some patients. in this paper, we verified practicality of implantable electrical stimulator that can readily change stimulus magnitude and frequency. And this device is possible to stimulate baroreflex or parasympathetic nerve. Therefore we performed in vitro tests and animal experiment for device's operating conditions. This device consist of implantable electrical stimulator and extracorporeal control/monitoring system. Stimulator was designed to make 1Hz~100Hz pulses and it can change continuous or periodic pulse train type. And this device can control stimulator's function and monitor stimulator's status and patients' blood pressure at exterior of body using ZigBee module as wireless telecommunication. We verified that stimulator have error rate under 5% at 50mm depth of organs and, stimulator makes high-efficiency energy with closer position of two electrodes. Also we can confirm the performance of device that decreasing blood pressure and heart rate of a rat by electrical stimulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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