요관은 신장에서 방광을 연결하는 관으로 배뇨에 있어 중요한 역할을 한다. 만약 요관이 암이나 종양 같은 내부나 외부의 요인에 의해서 막히게 되면 비뇨기관의 상단부분에 압력이 증가한다. 이는 신장 또는 방광을 확장시켜 수신증을 유발시킬 수 있다. 요관 스텐트는 상부 요도에서 소변의 정체를 완화하기 위해 사용되는 의료 기구이다. DJS는 양끝이 이중 J 형태로 이루어진 대표적인 요관 스텐트이다. 본 연구의 목적은 ...
요관은 신장에서 방광을 연결하는 관으로 배뇨에 있어 중요한 역할을 한다. 만약 요관이 암이나 종양 같은 내부나 외부의 요인에 의해서 막히게 되면 비뇨기관의 상단부분에 압력이 증가한다. 이는 신장 또는 방광을 확장시켜 수신증을 유발시킬 수 있다. 요관 스텐트는 상부 요도에서 소변의 정체를 완화하기 위해 사용되는 의료 기구이다. DJS는 양끝이 이중 J 형태로 이루어진 대표적인 요관 스텐트이다. 본 연구의 목적은 유체역학과 의학의 다학제적인 접근법으로 DJS가 삽입된 요관 내 뇨흐름을 조사하고, DJS가 신장에서 방광으로 충분한 뇨가 흐르도록 하는 설계 방안을 찾는 것이다. DJS의 사용 목적은 요관에서 충분한 양의 뇨 흐름을 확보하는 것이다. DJS를 단기간 사용 시에도 환자에 따라 배뇨통, 절박뇨, 혈뇨와 같은 부작용을 유발하기도 한다. DJS에 의해 발생하는 주요한 문제는 역류와 침전물이다. 침전물은 DJS의 표면에 박테리아성 생체 필름이 쌓이게 되는 것을 말한다. 이는 스텐트의 폐쇄를 일으켜 DJS가 제 기능을 못하게 한다. DJS의 사용에 따라 나타나는 부작용을 방지할 수 있는 연구가 필요하다. 이를 위해 DJS의 설계 최적화를 시도하였다. 설계 변수는 임상적인 면과 제작 관점으로부터 정해졌다. 첫 번째 설계 변수는 요관의 형태이다. DJS가 삽입된 요관의 형상은 다른 곡관 모델 6개와 직관 모델 6개이다. 해석 결과, 요관 구조를 반영한 곡관 모델이 더 원활하였다. 두 번째 설계 변수는 DJS에 곁구멍이다. 직관 모델과 곡관 모델에서 겉구멍의 수가 많을수록 스텐트 내•외부의 총 유량이 증가하였다. 곁구멍을 통한 뇨의 흐름은 곡관이 직관보다 우수하였다. 세 번째 설계 변수는 협착의 유무이다. 요관 내에서 심각한 협착이 있을 때 곁구멍이 더 많은 스텐트일수록 유량이 증가함을 알 수 있었다. 그러나, 곁구멍의 위치는 유량에 영향을 주지 않았다. 네 번째 설계 변수는 요관의 단면 형상이다. 요관의 형상을 직경이 일정한 단순 곡관, 깔때기 모양의 곡관, 실제 인체 요관과 같이 단명이 불규칙하게 변하도록 제작하였다. 스텐트 내부로 흐르는 유량은 요관 형태에 영향을 받았다. DJS의 곁구멍은 요관 형태에 의존하면서 우회로로써 역할을 하였다. 마지막 설계 변수는 DJS의 직경이다. DJS의 직경은 5, 6, 7, 8 Fr에 대하여 검토하였다. 스텐트의 크기가 커질수록 유량은 줄어들었다. 스텐트의 크기뿐만 아니라 협착 정도가 증가하면 유량은 역시 줄어들었다. 하지만 스텐트 내의 유량은 이와 반대의 경향을 나타내었다. 먼저 전산유체역학 결과의 타당성 검증을 위해 19명의 임상자료를 이용해 만든 요관 모델로 생체 외 실험을 수행하였다. 실험에 사용할 DJS는 의료기기 제조회사에 의뢰하여 5Fr, 6 Fr, 7Fr, 8Fr의 크기로 제작하였다. 실험 결과는 수치해석 결과와 잘 일치하였다. 실험 중에 관찰한 바에 의하면 물이 흘러가면서 방광과 요관 연결부위에서 스텐트의 진동을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 연동운동을 저감시키는 요인과 관계가 있을 것으로 보인다. 위의 결과를 종합해보면, 양호한 정도나 심각한 정도의 협착이 발생하였을 경우, 0.5 cm, 5Fr, 곡관 형상의 DJS가 적절한 디자인이다. 양호한 협착과 심각한 협착에 따라 최적의 디자인과 최악의 디자인과 비교해 보면 58 ml/hr, 24 ml/hr에서 24 ml/hr, 16 ml/hr로 차이가 많이 나는 것을 알 수 있다. 완전히 막혔을 경우에는 스텐트 내부로 흐르는 유량이 클수록 유리하므로 8Fr의 스텐트가 적절한 디자인이다. 결론적으로 한국인 체형에 적합한 DJS에 대한 자료를 획득하였고, 충분한 뇨를 확보하기 위한 DJS 디자인에 대한 연구가 수행되었다. 위의 결과들로부터 새로운 DJS 개발에 필요한 정보를 획득하였다.
요관은 신장에서 방광을 연결하는 관으로 배뇨에 있어 중요한 역할을 한다. 만약 요관이 암이나 종양 같은 내부나 외부의 요인에 의해서 막히게 되면 비뇨기관의 상단부분에 압력이 증가한다. 이는 신장 또는 방광을 확장시켜 수신증을 유발시킬 수 있다. 요관 스텐트는 상부 요도에서 소변의 정체를 완화하기 위해 사용되는 의료 기구이다. DJS는 양끝이 이중 J 형태로 이루어진 대표적인 요관 스텐트이다. 본 연구의 목적은 유체역학과 의학의 다학제적인 접근법으로 DJS가 삽입된 요관 내 뇨흐름을 조사하고, DJS가 신장에서 방광으로 충분한 뇨가 흐르도록 하는 설계 방안을 찾는 것이다. DJS의 사용 목적은 요관에서 충분한 양의 뇨 흐름을 확보하는 것이다. DJS를 단기간 사용 시에도 환자에 따라 배뇨통, 절박뇨, 혈뇨와 같은 부작용을 유발하기도 한다. DJS에 의해 발생하는 주요한 문제는 역류와 침전물이다. 침전물은 DJS의 표면에 박테리아성 생체 필름이 쌓이게 되는 것을 말한다. 이는 스텐트의 폐쇄를 일으켜 DJS가 제 기능을 못하게 한다. DJS의 사용에 따라 나타나는 부작용을 방지할 수 있는 연구가 필요하다. 이를 위해 DJS의 설계 최적화를 시도하였다. 설계 변수는 임상적인 면과 제작 관점으로부터 정해졌다. 첫 번째 설계 변수는 요관의 형태이다. DJS가 삽입된 요관의 형상은 다른 곡관 모델 6개와 직관 모델 6개이다. 해석 결과, 요관 구조를 반영한 곡관 모델이 더 원활하였다. 두 번째 설계 변수는 DJS에 곁구멍이다. 직관 모델과 곡관 모델에서 겉구멍의 수가 많을수록 스텐트 내•외부의 총 유량이 증가하였다. 곁구멍을 통한 뇨의 흐름은 곡관이 직관보다 우수하였다. 세 번째 설계 변수는 협착의 유무이다. 요관 내에서 심각한 협착이 있을 때 곁구멍이 더 많은 스텐트일수록 유량이 증가함을 알 수 있었다. 그러나, 곁구멍의 위치는 유량에 영향을 주지 않았다. 네 번째 설계 변수는 요관의 단면 형상이다. 요관의 형상을 직경이 일정한 단순 곡관, 깔때기 모양의 곡관, 실제 인체 요관과 같이 단명이 불규칙하게 변하도록 제작하였다. 스텐트 내부로 흐르는 유량은 요관 형태에 영향을 받았다. DJS의 곁구멍은 요관 형태에 의존하면서 우회로로써 역할을 하였다. 마지막 설계 변수는 DJS의 직경이다. DJS의 직경은 5, 6, 7, 8 Fr에 대하여 검토하였다. 스텐트의 크기가 커질수록 유량은 줄어들었다. 스텐트의 크기뿐만 아니라 협착 정도가 증가하면 유량은 역시 줄어들었다. 하지만 스텐트 내의 유량은 이와 반대의 경향을 나타내었다. 먼저 전산유체역학 결과의 타당성 검증을 위해 19명의 임상자료를 이용해 만든 요관 모델로 생체 외 실험을 수행하였다. 실험에 사용할 DJS는 의료기기 제조회사에 의뢰하여 5Fr, 6 Fr, 7Fr, 8Fr의 크기로 제작하였다. 실험 결과는 수치해석 결과와 잘 일치하였다. 실험 중에 관찰한 바에 의하면 물이 흘러가면서 방광과 요관 연결부위에서 스텐트의 진동을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 연동운동을 저감시키는 요인과 관계가 있을 것으로 보인다. 위의 결과를 종합해보면, 양호한 정도나 심각한 정도의 협착이 발생하였을 경우, 0.5 cm, 5Fr, 곡관 형상의 DJS가 적절한 디자인이다. 양호한 협착과 심각한 협착에 따라 최적의 디자인과 최악의 디자인과 비교해 보면 58 ml/hr, 24 ml/hr에서 24 ml/hr, 16 ml/hr로 차이가 많이 나는 것을 알 수 있다. 완전히 막혔을 경우에는 스텐트 내부로 흐르는 유량이 클수록 유리하므로 8Fr의 스텐트가 적절한 디자인이다. 결론적으로 한국인 체형에 적합한 DJS에 대한 자료를 획득하였고, 충분한 뇨를 확보하기 위한 DJS 디자인에 대한 연구가 수행되었다. 위의 결과들로부터 새로운 DJS 개발에 필요한 정보를 획득하였다.
Ureter plays an important role of drainage in the urinary system, connecting the renal pelvis to the bladder. If the ureter is obstructive owing to external or internal reasons, such as cancer or tumor, increased pressure in the upper urinary tract can lead to hydronephrosis, which enlarges the rena...
Ureter plays an important role of drainage in the urinary system, connecting the renal pelvis to the bladder. If the ureter is obstructive owing to external or internal reasons, such as cancer or tumor, increased pressure in the upper urinary tract can lead to hydronephrosis, which enlarges the renal pelvis and bladder. Ureteral stents are used to alleviate the congestion of urine in the upper urinary tract. Double J Stent (DJS), which has the shape of a double J, is a representative ureteral stent. DJS aims to secure sufficient urine flow in the urinary system, but finally acts as a foreign body in the urinary system, which is likely to cause side effects. In case of long-term usage, encrustation, dissipation of peristalsis, and reflux may occur on DJS. Therefore, it is necessary to improve the performance of the device and prevent the generation of complications. Until recently, many complications have occurred in patients using DJSs, reflux and encrustation being the major ones. Reflux can lead to life-threatening diseases due to infection from bacteria. If reflux occurs in the ureter, the infected urine may break up the renal pelvis because it is much susceptible to bacterial infection. Encrustation is a phenomenon in which a bacterial biofilm accumulates on the surface of the DJS after insertion in the ureter, blocking the DJS and making it unable to function. Various research groups have attempted to prevent this phenomenon. Most studies, so far, have investigated the prevention of encrustation on DJS surface; however, there have been complications. Therefore, it is necessary to study the optimization of DJS design. Especially, it is important to secure enough urine flow in the urinary system. If urine flows fluently in the ureter, complications would be reduced. The purposes of this study are to thoroughly investigate the DJS-inserted urine flow, to determine why the DJS is not functioning, and to use it as a stent to maintain sufficient urine flow from the kidney to the bladder using the interdisciplinary approach of fluid dynamics and medical science. Design parameters were selected with clinical and manufacturing viewpoints. The first design variable is the ureter form. It was considered in 12 models—six curved models of a stented ureter and other six straight models. The second design variable is the side hole of the DJS. The third design variable is the ureteral stenosis of the DJS. Especially in severe ureteral stenosis, a stent with side holes had a positive effect on the luminal and total flow rates, compared to a stent without side holes. The fourth design variable is the cross-sectional shape of the ureter. The following three models were developed: curved isogeometric, funnel-shaped, and anisogeometric ureter models based on human anatomy. The final design variable is the DJS size. The various sizes were 5, 6, 7, and 8 Fr, reflecting four degrees of ureter stenosis (0%, 33%, 52%, and 74%). The current work investigates the performance characteristics on a urine flow through experimental and computational methods. To this end, an In vitro experimental setup was constructed to study performance of the DJS. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques were applied not only to analyze the urine flow, but also to find improved DJS design with and without stenosis as well. To validate the numerical results, in vitro ureter models were developed using clinical data collected from 19 men. The performance of the DJS was evaluated using this model. The experimental result was found to be in good agreement with the computer simulation results. During the experiment, the stent shook vigorously in the bladder as the water flowed. This phenomenon is likely to be related to factors that reduce peristaltic motion with a long-term insertion of the stent. The improved DJS design for securing sufficient urine flow varied depending on the stenosis severity. In mild and severe stenosis, curved DJS with an interval of 0.5 cm and size of 5 Fr, regardless of the angular position, was the optimized design. Comparison of the worst design, the total flow rates varied from 58 and 24 mL/h to 24 and 16 mL/h in mild and severe cases, respectively. When the ureter was fully stenosed, the optimized design involved an 8 Fr stent, as a larger flow rate into the stent is better.
Ureter plays an important role of drainage in the urinary system, connecting the renal pelvis to the bladder. If the ureter is obstructive owing to external or internal reasons, such as cancer or tumor, increased pressure in the upper urinary tract can lead to hydronephrosis, which enlarges the renal pelvis and bladder. Ureteral stents are used to alleviate the congestion of urine in the upper urinary tract. Double J Stent (DJS), which has the shape of a double J, is a representative ureteral stent. DJS aims to secure sufficient urine flow in the urinary system, but finally acts as a foreign body in the urinary system, which is likely to cause side effects. In case of long-term usage, encrustation, dissipation of peristalsis, and reflux may occur on DJS. Therefore, it is necessary to improve the performance of the device and prevent the generation of complications. Until recently, many complications have occurred in patients using DJSs, reflux and encrustation being the major ones. Reflux can lead to life-threatening diseases due to infection from bacteria. If reflux occurs in the ureter, the infected urine may break up the renal pelvis because it is much susceptible to bacterial infection. Encrustation is a phenomenon in which a bacterial biofilm accumulates on the surface of the DJS after insertion in the ureter, blocking the DJS and making it unable to function. Various research groups have attempted to prevent this phenomenon. Most studies, so far, have investigated the prevention of encrustation on DJS surface; however, there have been complications. Therefore, it is necessary to study the optimization of DJS design. Especially, it is important to secure enough urine flow in the urinary system. If urine flows fluently in the ureter, complications would be reduced. The purposes of this study are to thoroughly investigate the DJS-inserted urine flow, to determine why the DJS is not functioning, and to use it as a stent to maintain sufficient urine flow from the kidney to the bladder using the interdisciplinary approach of fluid dynamics and medical science. Design parameters were selected with clinical and manufacturing viewpoints. The first design variable is the ureter form. It was considered in 12 models—six curved models of a stented ureter and other six straight models. The second design variable is the side hole of the DJS. The third design variable is the ureteral stenosis of the DJS. Especially in severe ureteral stenosis, a stent with side holes had a positive effect on the luminal and total flow rates, compared to a stent without side holes. The fourth design variable is the cross-sectional shape of the ureter. The following three models were developed: curved isogeometric, funnel-shaped, and anisogeometric ureter models based on human anatomy. The final design variable is the DJS size. The various sizes were 5, 6, 7, and 8 Fr, reflecting four degrees of ureter stenosis (0%, 33%, 52%, and 74%). The current work investigates the performance characteristics on a urine flow through experimental and computational methods. To this end, an In vitro experimental setup was constructed to study performance of the DJS. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques were applied not only to analyze the urine flow, but also to find improved DJS design with and without stenosis as well. To validate the numerical results, in vitro ureter models were developed using clinical data collected from 19 men. The performance of the DJS was evaluated using this model. The experimental result was found to be in good agreement with the computer simulation results. During the experiment, the stent shook vigorously in the bladder as the water flowed. This phenomenon is likely to be related to factors that reduce peristaltic motion with a long-term insertion of the stent. The improved DJS design for securing sufficient urine flow varied depending on the stenosis severity. In mild and severe stenosis, curved DJS with an interval of 0.5 cm and size of 5 Fr, regardless of the angular position, was the optimized design. Comparison of the worst design, the total flow rates varied from 58 and 24 mL/h to 24 and 16 mL/h in mild and severe cases, respectively. When the ureter was fully stenosed, the optimized design involved an 8 Fr stent, as a larger flow rate into the stent is better.
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