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문제 정의
- 이외에도 지금까지 많은 생리학적 측면의 연구가진 행되었으나, 혈액의 유동해석에 관한 연구는 수행되지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 한국형 인공심장의 혈액 유동에 대한 수치해석적 연구를 수행하고, 속도, 압력분포 및 전단응력 등과 같은 유동변수들에 대한 계산결과를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 혈액주머니의 설계과정에 제 시된 세가지 모델에 대한 수치적 해석을 수행하고 그 혈류역 학적 특성에 대하여 조사하였다. 먼저 모델 A는 가장 초기에 제시된 형상으로서 유동해석 결과 여러 혈류역학적 문제점들을 지니고 있었다.
- 본 연구에서는 한국형 인공심장 혈액주머니 내의 혈액 유동 에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 계산 모델에서는 혈액주머 니의 형상을 2차원으로 단순화하였으며, 혈액은 비압축성 점성 유체로 가정하였다.
- 이를 해석하기 위하여 상용 유한요소 해석코드인 ADINA를 사용하였다. 본 연구에서는 한국형 인공심장의 3가지 2차원 모델에 대하여 수치적 해석을 수행하고 그 혈류역학적 특성을 분석하였다. 수 치해석은 수축기와 이완기로 이루어지며, 수축기에는 출구로의 강한 유출이 발생하며, 이완시에는 출구가 닫혀있으며, 입구에서 혈류가 유입되어 혈액주머니를 채운다.
- 이를 풀기 위하여 고체-유체의 상호작용 문제 해석에 강점을 가지고 있는 것으로 알려진 유한요소 상용코드인 ADINA[6]를 사용한다. 본 연구에서는 혈액주머니 내 혈류의 정확한 해석을 위하여 강체와 고체의 접촉문제, 고체와 유체의 상호작용을 모두 고려하는 복합적인 문제로서 해석을 시도하였다. 실제 계산모 델로는 한국형 인공심장의 혈액주머니 설계와 관련하여 제시된 세가지 모델을 선택하였으며, 2차원 가정하에서 각 모델의 혈 류역학적 특성을 조사함으로서 상대적인 성능을 비교하였다.
- 이는 인공심장의 박동수가 176일 때를 기준으로 한 것으로서, 인공심장이 다소 격렬하 게 동작할 경우이다. 즉 본 연구에서는 혈전생성의 확률이 높 아지는 고박동수 상태에서의 혈류에 대한 해석을 수행하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 한국형 인공심장 혈액주머니 내의 혈액 유동 에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 계산 모델에서는 혈액주머 니의 형상을 2차원으로 단순화하였으며, 혈액은 비압축성 점성 유체로 가정하였다. 한국형 인공심장에서 발생하는 역학적 현 상들을 기술하기 위하여 액추에이터가 혈액주머니를 눌러주는 과정을 접촉문제로 가정하였으며, 혈액주머니와 혈류의 상호작 용은 유체-고체 상호작용 문제로서 모델링하였다.
- 실제 인공심장의 혈액주머니 입출구에는 역류를 방지하기 위한 인공판막이 부착되어 있다. 그러나 본 연구에서는 주로 혈액주머니 내의 혈류 현상에 대한 결과를 얻기 위하여, 판막 의 효과는 on/off 밸브로서 가정하여 단순화하였다. 즉 인공심 장의 수축기에는 입구가 닫혀있고 출구는 열려있는 상태이다.
- Om 등[5]의 실험적 관찰에 의하면 한국형 인공심장의 혈액주머니에서 발생하는 입구와 출구사이에서 발생하는 압력차는 약 10 mmHg인 것으로 관찰되었다. 따라서 여기에서는 출구에서의 압력을 기 준치로 하여 이완기 동안의 입구 경계조건을 최대 압력이 1332 Pa(10 mmHg)인 사인함수 형태로 가정하여 설정하였다. 혈액주머니의 수축/이완과 관련하여 수축 완료 시점에 액추에 이터는 최대 변위에 도달하고 밸브의 개폐도 이때 일어난다(시간 t=0.
- 수치해석에 사용된 혈액은 비압축성, 점성, 뉴턴 유체로 가정하였으며, 밀도와 점성계수는 각각 일정한 값 #= 1,000kg/m3, #= 0, 003kg/m . s을 가정하였다.
- 계산 모델에서는 혈액주머 니의 형상을 2차원으로 단순화하였으며, 혈액은 비압축성 점성 유체로 가정하였다. 한국형 인공심장에서 발생하는 역학적 현 상들을 기술하기 위하여 액추에이터가 혈액주머니를 눌러주는 과정을 접촉문제로 가정하였으며, 혈액주머니와 혈류의 상호작 용은 유체-고체 상호작용 문제로서 모델링하였다. 이를 해석하기 위하여 상용 유한요소 해석코드인 ADINA를 사용하였다.
- 혈액은 점성, 비압축성의 뉴턴 유체로 가정하였으며, 그 지 배방정식은 연속방정식과 운동량방정식으로서 벡터 표기를 사용하여 아래와 같이 쓸 수 있다.
- s을 가정하였다. 혈액주머니는 등방성 탄성 고 무재질로 가정하였으며, 탄성계수E=6.07x 106Pa, 포아송비 1/=0.49, 밀도 Q=1140kg/m3의 값을 사용하였다.
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