코일을 동맥류에 삽입하여 동맥류 내부 유동 정체를 유발하므로 동맥류를 치료 방법이 최근 많이 사용되고있다. 동맥류의 내부를 코일로 완전히 채우지 못하고 부분 폐색할 경우가 발생하며, 동맥류의 부분 폐색 위치에 따라 혈류 유동이 변하므로 이는 동맥류 내부의 혈전 형성에 영향을 미필 수 있다. 또한 동맥류가 발생한 모혈관의 형상에 따라 동맥류로 유입되는 유동 특성이 변하므로, 모혈관의 형상에 따라 효율적인 동맥류 폐색을 위한 코일의 위치가 변할 수 있다. 효율적인 동맥류 폐색을 위한 코일 위치를 제시하기 위하여 내경 동맥에서 발생한 측방 동맥류의 부분 폐색위치와 내경 동맥의 형상에 따른 동맥류 내부 유동장을 수치해석을 이용하여 해석하였다. 3차원 맥동 유동장은 혈액의 비뉴톤성 점성 특성을 고려하여 계산되었다. 또한 동맥류 폐색에 영향을 미치는 유체역학적 인자인 동맥류 유입 유량 및 벽전단응력을 계산하였다. 코일은 동맥류 목에 삽입하였을 경우에는 천정부에 삽입한 경우에 비해 동맥류 내부로 혈류의 유입을 감소되었다. 임계 벽전단응력 이하의 저 전단응력지역은 곡선형 모혈관에 비해 직선형 모혈관에서 컸으며, 원위부 목 폐색 모델에서 가장 크게 나타났다. 따라서 동맥류 원위부 목은 동맥류 내부로의 혈류 유입이 감소하고, 저 전단응력 지역을 크게하는 코일 위치이므로, 이 위치는 동맥류 색전술시 혈전의 형성으로 인한 동맥류 폐색에 적합한 위치로 예상된다.
코일을 동맥류에 삽입하여 동맥류 내부 유동 정체를 유발하므로 동맥류를 치료 방법이 최근 많이 사용되고있다. 동맥류의 내부를 코일로 완전히 채우지 못하고 부분 폐색할 경우가 발생하며, 동맥류의 부분 폐색 위치에 따라 혈류 유동이 변하므로 이는 동맥류 내부의 혈전 형성에 영향을 미필 수 있다. 또한 동맥류가 발생한 모혈관의 형상에 따라 동맥류로 유입되는 유동 특성이 변하므로, 모혈관의 형상에 따라 효율적인 동맥류 폐색을 위한 코일의 위치가 변할 수 있다. 효율적인 동맥류 폐색을 위한 코일 위치를 제시하기 위하여 내경 동맥에서 발생한 측방 동맥류의 부분 폐색위치와 내경 동맥의 형상에 따른 동맥류 내부 유동장을 수치해석을 이용하여 해석하였다. 3차원 맥동 유동장은 혈액의 비뉴톤성 점성 특성을 고려하여 계산되었다. 또한 동맥류 폐색에 영향을 미치는 유체역학적 인자인 동맥류 유입 유량 및 벽전단응력을 계산하였다. 코일은 동맥류 목에 삽입하였을 경우에는 천정부에 삽입한 경우에 비해 동맥류 내부로 혈류의 유입을 감소되었다. 임계 벽전단응력 이하의 저 전단응력지역은 곡선형 모혈관에 비해 직선형 모혈관에서 컸으며, 원위부 목 폐색 모델에서 가장 크게 나타났다. 따라서 동맥류 원위부 목은 동맥류 내부로의 혈류 유입이 감소하고, 저 전단응력 지역을 크게하는 코일 위치이므로, 이 위치는 동맥류 색전술시 혈전의 형성으로 인한 동맥류 폐색에 적합한 위치로 예상된다.
Coil embolization technique has been used recently to treat cerebral aneurysms. When a giant or a multilobular aneurysm are treated by roils, filling an aneurysm sac completely with coils is difficult and partial blocking of an aneurysm sac is inevitable. Blood flow characteristics, which nay affect...
Coil embolization technique has been used recently to treat cerebral aneurysms. When a giant or a multilobular aneurysm are treated by roils, filling an aneurysm sac completely with coils is difficult and partial blocking of an aneurysm sac is inevitable. Blood flow characteristics, which nay affect the embolization process of an aneurysm sac, are changed by the locations of coils for the Partially blocked aneurysms. Blood flow fields are also influenced by the geometry of a parent vessel. In order to suggest the coil locations effective for aneurysm embolization, the blood flow fields of lateral aneurysm models were analyzed for the different coil locations and parent vessel geometries. Three dimensional pulsatile flow fields are analyzed by numerical methods considering non-Newtonian viscosity characteristics of blood. Flow rate into the aneurysm sac (inflow rate) and wall shear stress, which are suspected as flow dynamic factors influencing aneurysm embolization, are also calculated. Inflow rates were smaller and the low wall shear stress zones were larger in the neck blocked models compared to the dome blocked models. Smaller inflow and larger low wall shear stress zones in the distal neck blocked model imply that the distal neck should be the effective coil locations for aneurysm embolization.
Coil embolization technique has been used recently to treat cerebral aneurysms. When a giant or a multilobular aneurysm are treated by roils, filling an aneurysm sac completely with coils is difficult and partial blocking of an aneurysm sac is inevitable. Blood flow characteristics, which nay affect the embolization process of an aneurysm sac, are changed by the locations of coils for the Partially blocked aneurysms. Blood flow fields are also influenced by the geometry of a parent vessel. In order to suggest the coil locations effective for aneurysm embolization, the blood flow fields of lateral aneurysm models were analyzed for the different coil locations and parent vessel geometries. Three dimensional pulsatile flow fields are analyzed by numerical methods considering non-Newtonian viscosity characteristics of blood. Flow rate into the aneurysm sac (inflow rate) and wall shear stress, which are suspected as flow dynamic factors influencing aneurysm embolization, are also calculated. Inflow rates were smaller and the low wall shear stress zones were larger in the neck blocked models compared to the dome blocked models. Smaller inflow and larger low wall shear stress zones in the distal neck blocked model imply that the distal neck should be the effective coil locations for aneurysm embolization.
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문제 정의
동맥류 폐색에 영향을 미치는 유체역학적 인자인 동맥류 유입 유량 및 벽전단응력 등을 계산하여 효율적인 동맥류 폐색을 위한 코일 위치를 제시하고자한다.
본 연구에서는 동맥류가 자주 발생하는 내경 동맥에서 발생한 측방 동맥류를 모델링하였다. 내경 동맥과 동맥류의 형상은 개인에 따라 모양과 크기가 다르므로, 환자의 혈관 조영술을 이용하여 측정한 동맥류의 크기의 자료를 이용 하예 13] 평균값을 갖는 측방 동맥류 모델을 제작하였다.
가설 설정
각 시간 구간마다 20번의 반복 계산을 수행하였으며, 세 주기까지의 계산 후 각 주기의 속도 분포의 차이가 거의 나타나지 않았으므로, 수렴을 확인할 수 있었다. 뇌혈관은 일반적으로 다른 혈관에 비해 탄성도가 적으므로[14] 혈관벽의 반경 방향 운동은 없다고 가정하였다. 혈액은 비뉴톤성 점성 특성을 나타내므로, Carreau의 모델을 이용하여 점성특성을 모델링하였다.
제안 방법
측방 동맥류를 모델링하였다. 내경 동맥과 동맥류의 형상은 개인에 따라 모양과 크기가 다르므로, 환자의 혈관 조영술을 이용하여 측정한 동맥류의 크기의 자료를 이용 하예 13] 평균값을 갖는 측방 동맥류 모델을 제작하였다. 동맥 류의 목너 비 는 3.
0을 사용하였다. 뇌혈관에서 발생하는 유동은 주기적인 맥동 유동이므로 비정상 유동장을 계산하였다. 맥동 유량 파형은 경동맥에서 발생하는 생리학적 유량 파형을 사용하였으며, 이는 그림 2에 나타나있다.
동맥류를 코일을 이용하여 부분 폐색하였을 경우 코일의 위치에 따른 유동장의 변화를 관찰하기 위하여 수치해석을 이용하여 유동장을 해석하였다. 코일을 동맥류 목에 삽입하였을 경우 천정부에 삽입한 경우에 비해 동맥류 내부로 혈류의 유입이 감소하였으며, 곡선형 모혈관의 경우에는 목 원위부의 폐색은 근위부의 폐색에 비해 효율적으로 혈류 유입을 차단할 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 내경 동맥에서 발생한 측방 동맥류에 코일로 인한 부분 폐색이 발생할 경우, 부분 폐색 위치에 따라 직선형 및 곡선형 내경동맥 모델에서 동맥류 내부 혈류 유동장을 수치해석을 이용하여 계산하였다. 동맥류 폐색에 영향을 미치는 유체역학적 인자인 동맥류 유입 유량 및 벽전단응력 등을 계산하여 효율적인 동맥류 폐색을 위한 코일 위치를 제시하고자한다.
6 mm인 내경 동맥의 측방에 발생한 동맥류 모델이다. 모혈관의 형상에 따른 동맥류 내부 유동 특성을 관찰하기 위하여, 휘어진 모혈관의 측방에 동맥류가 발생한 모델과 직선형 모혈관의 측방에 발생한 동맥류를 각각 모델링하였다. 내경동맥의 형상을 혈관 조영술로 측정한 자료에서, 휘어짐이 큰 부분의 곡률반경의 평균값을 이용하예 13] 혈관과 곡률 반경의 비를 0.
17로 정하였다. 삽입된 코일은 동맥류 직경의 0.75배인 구로 모델링하였고, 삽입된 위치는 목 근위부, 목 원위부, 천정 근위부, 천정 원위부이다. 목 위치에서는 코일이 모혈관으로 돌출하지 않도록 동맥류 목 근위부 및 원위부에서 접하도록 모델을 설정하였고, 천정부 위치에서는 천정부 근위부 및 원위부에 각각 접하도록 코일의 위치를 결정하였다.
유동장은 3차원 비압축성 층류 유동장을 가정하고, 연속방정식과 모멘텀 방정식을 수치해석적 방법으로 계산하였다. 수치해석은 유한체적법을 이용한 상용 전산 유체해석프로그램 Fluent 6.
혈류 유입 특성을 정량화하기 위하여 동맥류 목에서 주머니로 유입되는 유량을 계산하였다. 유입 유량은 각 시간에서 동맥류 목 평면에 수직한 속도를 목 면적에 대해 적분하여 계산하였고, 이를 한 주기동안 적분하여 유입된 혈류량(부피)를 계산하였다 (그림 5). 직선형 모혈관의 경우에는 유입 혈류량이 천정부 폐색에 비해 목 폐색에서 적었으며, 곡선형 모델에서는 목 원위부를 폐색할 경우 가장 적었다.
맥동 유량 파형은 경동맥에서 발생하는 생리학적 유량 파형을 사용하였으며, 이는 그림 2에 나타나있다. 한 주기의 유량 파형을 33개의 구간으로 나누어 각 시간마다 입구에서 완전 발달된 속도 분포를 입구조건으로 주었으며 출구는 압력경계조건을 주었다. 각 시간 구간마다 20번의 반복 계산을 수행하였으며, 세 주기까지의 계산 후 각 주기의 속도 분포의 차이가 거의 나타나지 않았으므로, 수렴을 확인할 수 있었다.
동맥류 내부의 혈류 유입은 혈전의 형성 및 동맥류 색전에 영향을 미치는 중요한 혈류역학적 인자이다. 혈류 유입 특성을 정량화하기 위하여 동맥류 목에서 주머니로 유입되는 유량을 계산하였다. 유입 유량은 각 시간에서 동맥류 목 평면에 수직한 속도를 목 면적에 대해 적분하여 계산하였고, 이를 한 주기동안 적분하여 유입된 혈류량(부피)를 계산하였다 (그림 5).
대상 데이터
계수는 Ho=O.O56 Pa-sz 11^=0.00345 Pa-sz X-3.313 sf q=0.356 를 사용하였다. 이 모델의 유효성은 검증된 바 있다[15].
데이터처리
수치해석은 유한체적법을 이용한 상용 전산 유체해석프로그램 Fluent 6.0을 사용하였다. 뇌혈관에서 발생하는 유동은 주기적인 맥동 유동이므로 비정상 유동장을 계산하였다.
이론/모형
뇌혈관에서 발생하는 유동은 주기적인 맥동 유동이므로 비정상 유동장을 계산하였다. 맥동 유량 파형은 경동맥에서 발생하는 생리학적 유량 파형을 사용하였으며, 이는 그림 2에 나타나있다. 한 주기의 유량 파형을 33개의 구간으로 나누어 각 시간마다 입구에서 완전 발달된 속도 분포를 입구조건으로 주었으며 출구는 압력경계조건을 주었다.
뇌혈관은 일반적으로 다른 혈관에 비해 탄성도가 적으므로[14] 혈관벽의 반경 방향 운동은 없다고 가정하였다. 혈액은 비뉴톤성 점성 특성을 나타내므로, Carreau의 모델을 이용하여 점성특성을 모델링하였다.
성능/효과
한 주기의 유량 파형을 33개의 구간으로 나누어 각 시간마다 입구에서 완전 발달된 속도 분포를 입구조건으로 주었으며 출구는 압력경계조건을 주었다. 각 시간 구간마다 20번의 반복 계산을 수행하였으며, 세 주기까지의 계산 후 각 주기의 속도 분포의 차이가 거의 나타나지 않았으므로, 수렴을 확인할 수 있었다. 뇌혈관은 일반적으로 다른 혈관에 비해 탄성도가 적으므로[14] 혈관벽의 반경 방향 운동은 없다고 가정하였다.
천정부 폐색 모델의 경우 직선형 모 동맥 모델의 경우와 유사하게 목원위부에서 유입된 혈류가 동맥류 내부에서 와류를 형성하며, 일부 혈류는 코일 측면으로 돌아 목 근위부로 유출되었다(그림 4). 감속기에는 목 근위부 폐색 모델에서 목원위부에서 유입되는 혈류가 관찰되었으며, 직선형 모혈관 모델에 비해 유입속도가 더욱 컸다. 목원위부 폐색의 경우 목 입구에서 약한 혈류의 유입이 관찰되었고 원위부 코일 측면으로 일부 유입된 혈류가 근위부 목으로 유출되었다.
평균 벽전단응력은 직선형 모혈관의 경우 코일 위치에 큰 영향을 받지 않았다. 곡선형 모혈관의 경우 평균 전단응력은 직선형 모혈관의 경우에 비해 컸으며, 목근 위부 폐색 모델에서 가장 크게 나타났다. 혈전 형성의 초기에는 혈관벽의 혈구와의 반응도가 혈소판 부착에 큰 영향을 미치며, 혈관벽 반응도는 임계 혈관벽 전단응력 이하에서 증가한다고 알려져있다[16].
임계 벽전단응력 값 이하 지역의 면적이 클수록 혈전이 형성에 의한 동맥류 폐색 가능성이 크다. 벽 전단응력이 임계 전단응력보다 적은 지역의 면적은 목 폐색 모델에서 크게 나타났으며, 곡선형 모혈관의 경우 목 원위부 폐색 모델에서 가장 크게 나타났다.
천정부 폐색의 경우는 근위부에서 유입된 혈액은 대부분 원위부 쪽으로 유출되며, 일부는 근위부 목으로 유출되며 재순환 지역을 형성하였다. 유량이 증가함에 따라 목근위부 폐색 모델에서는 목 원위부로부터의 유입이 증가하나 목원위부 폐색 모델에는 코일 측면으로 일부 유입된 혈류가 근위부 목 쪽으로 약하게 유출되었다. 천정부 폐색 모델에서는 목원위부에서 유입된 혈류가 동맥류 내부에서 와류를 형성하며, 일부 혈류는 코일 측면으로 돌아 목 근위부로 유출되었다(그림 3).
곡선형 모혈관의 경우 평균 벽전단응력은 직선형 모혈관에 비해 컸으며, 이는 혈전이 형성되기 어려움을 나타낸다. 임계 벽전단응력 이하의 저 전단응력 지역은 곡선형 모혈관에 비해 직선형 모 혈관에서 컸으며, 직선형 및 곡선형 모혈관 모델의 원위부목 폐색 모델에서 가장 크게 나타났다. 따라서 동맥류 원위부 목은 동맥류 내부로의 혈류 유입이 적고, 저 전단응력 지역이 큰 코일의 위치이므로, 동맥류 색전술시 혈전의 형성으로 인한 동맥류 폐색에 적합한 위치로 예상된다.
이용하여 유동장을 해석하였다. 코일을 동맥류 목에 삽입하였을 경우 천정부에 삽입한 경우에 비해 동맥류 내부로 혈류의 유입이 감소하였으며, 곡선형 모혈관의 경우에는 목 원위부의 폐색은 근위부의 폐색에 비해 효율적으로 혈류 유입을 차단할 수 있었다. 곡선형 모혈관의 경우 평균 벽전단응력은 직선형 모혈관에 비해 컸으며, 이는 혈전이 형성되기 어려움을 나타낸다.
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