[논문]혈관 내 폐 보조장치에서의 산소전달속도 예측에 관한 연구

김기범; 나도춘; 김성종; 정인수; 정경락; 권대규

혈관 내 폐 보조장치에서의 산소전달속도 예측에 관한 연구
A Study of Prediction of Gas Transfer rate in Intravascular Lung Assist Device 원문보기

본 연구의 목적은 정맥 내 폐 보조장치 설계에 있어서 기체전달을 예측하기 위하여 혈관 내 폐 보조장치를 정맥 내에 삽입하기 전, 여러 가지 설계조건에서 실험적 모델링을 통하여 예측식을 찾고자 시도하였다. 실험결과 중공사 충진율의 함수에 따라 기체전달을 예측할 수 있었다. 실험에 의하여 얻어진 기체전달은 예측식에 의한 기체전달과 유사하여, 식에 대한 신뢰성을 얻을 수 있었다. 그러므로, 중공사의 충진율의 함수에 따라 기체전달을 예측할 수 있으며, 혈관 내 폐 보조장치의 기체전달을 예측하는데 매우 유용하였다.

The purpose of this paper was to find out the proper equation to predict the gas transfer rate for designing intravenous artificial lung assist device. The prepared hollow fiber modules were examined under various experimental conditions through experimental modeling before inserted the artificial lung assist d $\varepsilon$ vice into as venous. As a result, we can estimate the gas transfer as a function of the packing density. The gas transfer obtained from the experiment was similar to that from the equation, confirming the usefulness equation. Therefore, we can conclude the gas transfer of the intravenous artificial lung assist device as a function of the packing density, and this functions are very useful for predicting the gas transfer of the intravenous artificial lung assist device.

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문제 정의

그 이유는 사람의 혈관은 사람의 나이와 건강상태에 따라 다르므로 사람의 혈관 내 대정맥의 길이가 매우 중요한 변수로 작용하기 때문이다. 그러므로 본 연구에서는 기존의 연구결과를 통해 산소전 달속도를 예측하여 최적의 혈관 내 폐 보조장치를 설계 하고자 시도하였다.
본 연구에서는 기존의 혈관 내 폐 보조장치들에서 문제점으로 지적되고 있는 산소전달에 대한 문제점에 있어서 효과적인 산소전달을 위한 새로운 진동형 혈관 내 폐 보조장치를 설계하고자 시도하였다. 본 연구의 실험 결과 다음과 같은, 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

1에서 나타낸 것과 같이 U자 형태의 중공사 가운데에 판을 연결하고 그 판에 가진 장치를 연결하였다. 또 가진 장치에서 발생하는 진동결과를 측정하기 위하여 압전 센서를 부착하여 Dspace 사의 1104보드로 신호를 얻어 컴퓨터상에서 실시간으로 신호처리를 하여 가진 정도 및 주파수 특성을 실시간으로 분석하였다. 중공사는 약 380 呻 OD와 50 pm 두께의 미세다공성 폴리프로필렌 막(Oxyphane, Enka, Germany)을 사용하였다.
그러므로 뉴우튼 유체인 증류수를 사용하여 비뉴우튼 유체인 혈액에서의 산소전달속도를 예측할 수 있었다. 또한 레이놀즈 수, 산소전달속도와 가진 주파수에 따른 상관관계식을 장치의 중공사 충진 율의 변화에 따라 유도되어진 관계식을 이용하여 가진 주파수의 변화에 따른 산소전달속도를 예측할 수 있으므로 관계식에 대한 신뢰성을 얻을 수 있었다.
2와 같이 구성하였다. 사용된 용액은 3차 증류수와 소의 혈액을 사용하였으며 용액의 온도는 37℃를 유지하였고 혈액에 대한 산소전달량을 측정하기 위하여 i-Stat Portable Blood Gas/Electrolyte Analyzer (i-Stat Co., East Windser, NJ, US A) 를 사용하여 측정하였다. 용액의 유량은 1~6 l/min으로 하였다.

대상 데이터

1에 나타내었다. 모듈은 3 cm의 아크릴관에 중공사 개수를 100, 300, 450, 675개를 사용하였으며, 중공사의 길이가 120 cm, U자 형태가 되도록 설계하였다. 가진 장치는 Fig.
또 가진 장치에서 발생하는 진동결과를 측정하기 위하여 압전 센서를 부착하여 Dspace 사의 1104보드로 신호를 얻어 컴퓨터상에서 실시간으로 신호처리를 하여 가진 정도 및 주파수 특성을 실시간으로 분석하였다. 중공사는 약 380 呻 OD와 50 pm 두께의 미세다공성 폴리프로필렌 막(Oxyphane, Enka, Germany)을 사용하였다.
그러나 비뉴우튼 유체인 혈액의 점성과 Schmidt 수를 멱수법칙에 의하여 변형하였을 때 앞에서 언급한 결과를 얻을 수 있으며 증류수를 사용하여 혈액에서의 산소전달특성을 예측할 수 있었다. 혈액은 비뉴우튼 액체인 반면에 물은 뉴우튼 유체이다. 뿐만 아니라 산소는 혈장으로 확산하고 헤모글로빈과 결합하는 반면 물에서 산소의 결합은 일어나지 않는다.

성능/효과

그러나 Wickramasinghe 등은 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체에서의 레이놀즈 수 와 표준 길이-평균 산소전달속도의 관계는 동일하다고 보고하였다[13]. 두 연구에서 결과와 본 연구에서의 결과를 비교하였을 때 Wickramasinghe 등의 실험에서는 유체들을 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체로만 구분하여 실험하였으며 비뉴우튼 유체를 멱수법칙에 의하여 유 체의 점도와 레이놀즈 수를 변형하여 표현하였다. 또한 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체에서의 확산계수(D)가 동 일하므로 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체들에서의 레이놀즈 수와 표준 길이-평균 산소전달속도의 관계가 동일 하게 나타났다.
두 연구에서 결과와 본 연구에서의 결과를 비교하였을 때 Wickramasinghe 등의 실험에서는 유체들을 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체로만 구분하여 실험하였으며 비뉴우튼 유체를 멱수법칙에 의하여 유 체의 점도와 레이놀즈 수를 변형하여 표현하였다. 또한 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체에서의 확산계수(D)가 동 일하므로 뉴우튼 유체와 비뉴우튼 유체들에서의 레이놀즈 수와 표준 길이-평균 산소전달속도의 관계가 동일 하게 나타났다. 그러나 Vaslef의 결과와 본 연구에서의 결과를 비교하였을 때, 증류수는 뉴우튼 유체이고, 혈액 은 비뉴우튼 유체이다[17].
그림에서 동일한 중공사 모듈에서 레이놀즈 수가 증가하면 표준 길이-평균 물질전달속도는 증가하는 경향을 보여주고 있다. 또한 동일한 레이놀즈 수에서 중공사 개수가 증가하면 표준 길이-평균 산소전 달속도는 감소하는 경향을 보여주고 있다. 플로팅은 1차 함수로 나타내었으며 기울기는 상수 a를 나타내며, 절편은 상수 β를 나타낸다.
이들 상수들은 삽입되는 중공사막의 수와 배열 삽입되어지는 관의 직경 등에 따라 변하는 변수들이다. 본 연구에서는 상수 a, β를 장치의 중공사 충진율과의 관계를 선형적으로 나타내어 상관관계를 유도할 수 있으며 임의의 중공사 충진율에서의 a, β를 결정할 수 있으며 용액에 전달되는 산소의 양을 예 측할 수 있다.
증류수 를 사용하였을 때 헤모글로빈의 농도는 '0'이 되어 산소전달속도는 증류수의 산소용해도(K), 용액의 흐름속도 (Qb)와 산소 분압차(△P)에 의하여 결정되어진다. 실험 결과 용액의 흐름속도가 증가하면 산소전달속도는 증가함을 확인할 수 있었으며, 중공사의 개수가 증가하면 산소전달속도는 증가함을 확인할 수 있었다. 증류수에 대한 산소전달은 증류수의 온도에 따라 크게 의존하므 로[14] 실험에서는 증류수의 온도를 사람의 체온과 유사한 37℃를 유지하였다.
4는 여러가지 중공사 모듈에서 혈액의 유속 변화에 따른 산소전달속도를 나타낸 그림이다. 실험결과 혈액의 유속이 증가하면 산소전달속도는 증가함을 확인할 수 있었으며, 산소전달속도는 유속의 변화에 따라 1차 함수의 형태로 증가함을 확인할 수 있었다. 그러나 혈액의 헤모글로빈의 농도와 산화헤모글로빈의 포화도 차이에 따라 산소전달속도는 다르게 나타날 수 있다.
그러므로 식 (16)과 (17)을 이용하여 임의의 중공사 충진율에서 표 준 길이-평균 물질전달속도를 예측할 수 있으며, 예측한 결과는 실험에 의한 결과와 유사한 경향을 보이므로 증류수에 대한 임의의 중공사 충진율에서 표준 길이-평균 물질전달속도를 식 (16)과 (17)를 이용하여 예측할 수 있다. 이와 같은 결과를 통하여 실험에 의하여 얻어진 관계식을 이용하여 임의의 중공사 수의 변화에 따라 신뢰성이 ±3% 이내를 갖는 산소전달을 예측할 수 있었다.

후속연구

뿐만 아니라 산소는 혈장으로 확산하고 헤모글로빈과 결합하는 반면 물에서 산소의 결합은 일어나지 않는다. 따라서, 좀 더 정교한 상호 관계가 기체 흐름에서 혈액으로의 실제 산소전달 속도를 예측하기에 필요한 반면에, 여기에서 개발된 무차원 의 물질전달 상호관계들은 혈관 내 폐 보조장치를 설계 할 때 사용될 수 있다.

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