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문제 정의
- 기존 연구는 비교적 단순화된 동맥류 모델의 내부 유동 을 측정하였으며, 혈관 내부의 주 유동 특성만이 해석되었다. 혈관의 형상은 혈류의 유동을 결정하는 중요한 요인이 돠므로 본 연구에서는 환자의 영상 자료를 이용하여 실제 동맥류가 발생한 혈관모델을 이용하여 동맥류 발생 위치에서의 혈관 내부의 주유동 및 부차적 유동 특성을 측정하여, 동맥류 발생에 영향을 미치는 혈류 역학적 요인을 규명하고자 한다.
제안 방법
- 따라서 모델에서의 두 무차 원 변수를 실제 혈관의 무차원 변수와 같게 함으로, 상사성의 법칙에 의해 실제 혈관 내 유동과 유사한 상황을 모델 실험에서 만들 수 있다. SLA로 제작된 내경 동맥뷰 모델을 이용하여 실리콘으로 암몰드를 제작하고, 이를 이용하여 수용성 왁스 로 숫몰드를 제작하였다. 이 몰드에 투명한 실리콘(Sylgard 184, Dow Coming, USA)을 무은 후 왁스를 녹여내어 모델을 제작하였다.
- 본 연구에서는 뇌동맥류가 자주 발생하는 뇌혈관 중 비교적 해부가 간결한 내경 동맥에서 발생한 동맥류 모델을 선정하였다. 내경동맥 동맥류가 발생한 환자의 전산화 단증 혈관 조영 사진을 이용하여, 각 단면의 혈관 무위를 resholding을 이용하여 혐관 부위를 밝혀내고 1 mm 간격으로 촬영된 자료를 의 학영상처리 소프트웨어 (Minics, Naterialise, Belligium)믈 이용하여 3차원 재구성하여 3차원 CAD 자료를 얻었다(그림 1).
- 이 몰드에 투명한 실리콘(Sylgard 184, Dow Coming, USA)을 무은 후 왁스를 녹여내어 모델을 제작하였다. 뇌동맥류가 발생하기 전 내경동맥 모델을 제작하기 위해 왁스 모델의 동맥류 주머니 무위를 제거하여 동맥류 발생 전의 내경 동맥 모델을 제작하고, 유동가시화 실험을 위해 이 모델을 이용하여 투명한 실리콘 모델을 제작하였다 그림 2).
- 뇌혈관에서 혈류 유동이 뇌동맥류 형성에 미치는 영향을 연 구하기 위하여 실제 환자에서 발생한 내경 동맥 모델을 제작 하여 내부 유동 특성을 측정하였다. 내경 동맥의 주유동 특성 은 휘어진 혈관의 바깥쪽에서 혈류의 혈관벽 부딪힘이 관찰되 었으며, 이 위치는 동맥류가 발생한 위치와 일치하였다.
- 동맥류 발생에 미치는 혈류역학적 요인을 연구하기 위해 내 경동맥류 모델에서 동맥류를 제거한 내경동맥 모델을 제작하였다. 동맥류 발생 부위의 유동 특성을 관찰하기 위해 동맥류 발생 위치에서 축 방향과 수평인 평면에서 유동장을 측정하였다. 맥동 유동시 심실수축기와 이완기에서 속도 및 선단변형률 분 포가 그림 6에 나타나있다.
- 동맥류 발생에 미치는 혈류역학적 요인을 연구하기 위해 내 경동맥류 모델에서 동맥류를 제거한 내경동맥 모델을 제작하였다. 동맥류 발생 부위의 유동 특성을 관찰하기 위해 동맥류 발생 위치에서 축 방향과 수평인 평면에서 유동장을 측정하였다.
- 레이놀즈수 300, 600, 1000의 정상류 유동장에 대하여 입자 영상속도계를 이용하여 동맥류 입구부 유동장을 측정하였다.
- 65 g/cc)를 사용하였다. 본 연구에서는 연속적으로 획득된 두 프레임의 화상을 이 용하여, 유동장을 미소한 먼적(interrogation area)을 나눈 후 각 면적의 입자 분포의 교차 상관 관계를 이용하여 속도를 계 산하는 방범을 사용하였다. 이 방밥의 정확성은 검증된 바 있 다〔9].
- 실제 크기의 혈관 모델은 입자영상속도계를 이용하여 속도 를 측정하기에 공간 분해도가 충분하지 못하므로 SLAfstereo lithographic apparatus)를 이용하여 실제의 혈관보다 5배 확 대된 혈관 모델을 제작하였다. 모델 내무의 유동 특성은 관성 력과 점성력의 비인 레이놀즈수와 맥동 관성력과 점성력의 비 인 워모슬레이수에 의해 결정된다.
- SLA로 제작된 내경 동맥뷰 모델을 이용하여 실리콘으로 암몰드를 제작하고, 이를 이용하여 수용성 왁스 로 숫몰드를 제작하였다. 이 몰드에 투명한 실리콘(Sylgard 184, Dow Coming, USA)을 무은 후 왁스를 녹여내어 모델을 제작하였다. 뇌동맥류가 발생하기 전 내경동맥 모델을 제작하기 위해 왁스 모델의 동맥류 주머니 무위를 제거하여 동맥류 발생 전의 내경 동맥 모델을 제작하고, 유동가시화 실험을 위해 이 모델을 이용하여 투명한 실리콘 모델을 제작하였다 그림 2).
- 기존의 혈관 내부 유동의 연구는 단순화된 혈관 형상의 유동에만 집중되어 있으며, 부차적 유동 특성에 관한 연구는 미흡하다. 제작된 내경동맥의 부차적 유동 특성을 관찰 하기 위해 동맥류 발생부위를 기준으 중간(mide)무의 혈관 죽과 수직인 평면에서 부차적 유동장을 측정하였다. 심실수축 기에는 휘어진 혈관의 바깥쪽에서 안쪽으로 시계 방향의 와류 가 관찰되었으며, 가속기 동안 부차적 유동 속도가 증가하였다 (그림 7).
- 레이놀즈수가 증가함에 따라 와류가 성장하며, 이로 인해 유입되는 혈뮤가 동맥류 벽에 무딪히는 위치가 동 맥류 원위무 목(distal neck) 쪽으로 이동하였다. 측정된 속도 를 이용하여 전단변형률이 계산되었다. 그림에서 전단변형률 분푸는 회조도(grey scale)가 높은 곳(횐색)과 낮은 곳(검정색)에서 각각 전단변형률이 양 또는 음의 최대값을 갖는 지역을 나타낸다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 뇌동맥류가 자주 발생하는 뇌혈관 중 비교적 해부가 간결한 내경 동맥에서 발생한 동맥류 모델을 선정하였다. 내경동맥 동맥류가 발생한 환자의 전산화 단증 혈관 조영 사진을 이용하여, 각 단면의 혈관 무위를 resholding을 이용하여 혐관 부위를 밝혀내고 1 mm 간격으로 촬영된 자료를 의 학영상처리 소프트웨어 (Minics, Naterialise, Belligium)믈 이용하여 3차원 재구성하여 3차원 CAD 자료를 얻었다(그림 1).
- 입자영상속도계는 유동장에 미세한 입자를 섞고 레이저를 평면광으로 유동장 에 조사하여 빛을 반사하는 입자의 움직임을 카메라로 기록하여 유체의 유동 속도를 측정하는방법이다. 실험에는 금속이 코 팅된 구형 유리입자(직경 1m, 밀도 1.65 g/cc)를 사용하였다. 본 연구에서는 연속적으로 획득된 두 프레임의 화상을 이 용하여, 유동장을 미소한 먼적(interrogation area)을 나눈 후 각 면적의 입자 분포의 교차 상관 관계를 이용하여 속도를 계 산하는 방범을 사용하였다.
- 영상의 왜곡을 최 소화하기 우]해, 모델을 사각형 투명한 실리콘 상자로 체작하였으며, 작동유체의 굴절계수를 실리콘과 유사하게 조절하였다. 이를 위해 작동 유체로 sodium thiocynate 포화 용액(민도 : 1287 kg/m3, 접도 : 44x10-3 Ns/m2, 굴절계수 : L47)을 사용하였다.
이론/모형
- 혈관 모델 내부 유동장을 측정하기 위해 입자영상속도계 (PIV system, TSI Inc., USA)를 사용하였다. 입자영상속도계는 유동장에 미세한 입자를 섞고 레이저를 평면광으로 유동장 에 조사하여 빛을 반사하는 입자의 움직임을 카메라로 기록하여 유체의 유동 속도를 측정하는방법이다.
성능/효과
- 동맥류가 발생한 모델의 실험에서 동맥류 목 원위부의 전단응력이 높게 나 타났으며, 동맥류 원위부에서 동맥류의 성장이 주로 발생하므 로, 높은 전단응력은 동맥류의 성장에 영향을 미치는 혈류역학 적 요인으로 의심된다. 내경동맥의 부차적 유동은 주유동의 반 정도의 속도를 갖는 강한 와류 유동 특성을 나타내었으며, 휘 역진 혈관의 바깥쪽에서 안쪽으로 시계방향의 와류에 의해 전 단응력이 혈관벽 바깥쪽에서 시계방향을 따라 크게 나타났다. 이 위치는 동맥류의 발생위치와 일치함으로, 부차적 유동에 의한 전단응력은 동맥류의 발생의 혈류역학적 요인으로 의심된다.
- 본 연구 결과 내경동맥에서 동맥류의 발생 위치는 혈류의 혈관벽 부딪힘이 발생하는 위치와 부차적 유동에 의한 혈관벽 전단응력이 높은 위치와 일치하였다. 기존 연구에서 혈류의 혈 관복 부딪힘이 동맥뮤 발생의 혈류역학적 요인으로 의심되어 왔으므로, 본 연구는 기존 연구결과를 확인하고 있다.
- 전단변형률은 뉴톤성 유체의 경우 친단응력과 비례 하므로, 전단변형률은 전단응력과 유사한 의미를 갖는다. 전단 변형률은 동맥류 원위부 목 주변과 동맥류 입구부 반대쪽 동 맥에서 크게 나타났다.
- 심실 이완기에는 감속에 의한 유동장의 붕괴로 복잡 하게 교란된 유동이 관찰되며, 혈류의 혈관벽 부딪힘(impingement) 은 혈관 바깥 쪽에서 유지되고 있다. 전단변형률은 심실 수축기에는 휘어진 내경 동맥의 안쪽 벽과 바깥쪽 벽에 높게 나타났으며, 심실이완기에서는 내경동맥 바깥쪽 벽의 전 단변형률은 높게 유지되나, 안쪽 벽에서는 낮게 나타났다.
- 따라서 혈류의 혈관벽 부딪힘은 동맥류 발생의 혈류역학적 기전으로 의심된다. 주유동에 의한 전단응력의 분포는 심실 수축기 동안 휘여 진 혈관의 안쪽 및 바깥쪽 혈관에 높게 나타났으며, 심실 이완 기 동안에는 휘어진 혈관의 바깥쪽 벽에 전단 응력이 높게 나타났다. 전단응력은 휘어진 혈관의 안쪽 및 바깥쪽 벽에 모두 높게 나타났으므로, 높은 전단웅력과 동맥류 발생의 긍정적 상 관관계틀 밝힐 수 없었다.
후속연구
- 본 연구는 동맥류가 자주 발생하는 뇌동맥 중 내경동맥에 관한 연구만이 수행되었으므로, 본 연구의 결과를 일반화하기 어렵다. 따라서 뇌동맥류가 자주 발생하는 기저동맥 분지부나 전, 후교통동맥 분지부의 혈류 유 동 특성연구가 수행되어 본 연구의 결과를 확인하여야 할 것이다. 또한 동맥류 발생의 혈류역학적 발생 기전을 명확히 밝 히기 위해서는 혈류유동에 따른 혈관벽세포의 분자생물학적 변화에 관한 연구가 병행하여 수행되어야 할 것이다.
- 따라서 뇌동맥류가 자주 발생하는 기저동맥 분지부나 전, 후교통동맥 분지부의 혈류 유 동 특성연구가 수행되어 본 연구의 결과를 확인하여야 할 것이다. 또한 동맥류 발생의 혈류역학적 발생 기전을 명확히 밝 히기 위해서는 혈류유동에 따른 혈관벽세포의 분자생물학적 변화에 관한 연구가 병행하여 수행되어야 할 것이다.
- 동맥류 발생의 부차적 유동의 영향은 기존에 연구된 바 없으나, 내경 동맥 내부 유동 측정 결과 무차적 유동으로 인한 전단응력은 동맥류 발생 기전으로 의심된다. 본 연구는 동맥류가 자주 발생하는 뇌동맥 중 내경동맥에 관한 연구만이 수행되었으므로, 본 연구의 결과를 일반화하기 어렵다. 따라서 뇌동맥류가 자주 발생하는 기저동맥 분지부나 전, 후교통동맥 분지부의 혈류 유 동 특성연구가 수행되어 본 연구의 결과를 확인하여야 할 것이다.
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