[논문]관상동맥혈관용 스텐트의 수치해석 및 형상 설계

김대영; 이승열; 김헌영

doi:10.7736/kspe.2012.29.1.103

관상동맥혈관용 스텐트의 수치해석 및 형상 설계
Numerical Evaluation and Shape Design of Coronary Artery Stent 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.1, 2012년, pp.103 - 108

김대영 (강원대학교 기계의용공학과) , 이승열 (강원대학교 기계의용공학과) , 김헌영 (강원대학교 기계의용공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Restenosis symptom, which is well known as a problem of stents, is due to the recoil and expansion pressure depending on shapes of stent. In order to reduce the effect of recoil problem, study on pattern and shape for the stent is required and the expansion pressure and recoil should be evaluated. This paper aims at evaluating mechanical characteristics of stent used in surgery for vessel stenosis. The expansion process of coronary artery stent in vessel for two models including the Cypher$^{(R)}$ from Johnson & Johnson$^{TM}$ and a suggested model were simulated using the Finite Element Analysis. Comparison of the directional recoil simulation results was made. The issues in the deformed shape of vessel and recoil of Cypher$^{(R)}$ were partially resolved in the suggested model. Therefore, the shape design suggested in this paper was able to reduce the restenosis symptom.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

관상동맥용 스텐트인 Johnson & Johnson 사의 모델¹⁰ 을 선정하였으며, 혈관 및 스텐트 구성품에 대한 유한요소모델링을 수행하였다. 또한, 탄성회복 문제를 해결하기 위해 다양한 패턴의 단위모델을 연구하였으며, 성능이 가장 뛰어난 패턴을 선정하여 탄성 회복량과 팽창압력(expansion pressure)을 측정함으로서 스텐트 성능을 평가하고자 하였다.
본 논문에서는 스텐트의 형상 설계를 위해 혈관 내 스텐트의 확관 과정을 모사하였으며, 스텐트의 길이 방향 수축량 및 탄성 회복량을 평가하여 문제점을 분석하였다. 또한, 혈관 손상을 줄이기 위한 스텐트 형상 설계안을 제시하였으며, 확관해석을 통해 그 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 적용하여 혈관 내 스텐트의 확관 과정을 모사하고자 하였으며, 스텐트의 기계적 특성을 평가하여 탄성회복에 대한 문제점을 분석하였다. 관상동맥용 스텐트인 Johnson & Johnson 사의 모델¹⁰ 을 선정하였으며, 혈관 및 스텐트 구성품에 대한 유한요소모델링을 수행하였다.

가설 설정

573887MPa 이다. 대동맥 또한 초탄성 재료 모델로 가정하였으며, 공칭응력-공칭변형률 선도 (engineering stress-strain curve)는 Fig. 4 와 같다.¹⁴

제안 방법

(1) 스텐트의 탄성 회복량에 대한 성능을 평가 하기 위해 스텐트 및 혈관, 풍선의 특성을 고려하여 유한요소모델을 구성하였으며, 확관해석 및 탄성 회복량 평가 방안을 제시하였다.
(3) 길이 방향 탄성 회복이 발생하는 원인을 링의 변형과 링을 연결시켜주는 링크의 유연성 때문인 것으로 판단하였으며, 폐곡선 형태의 새로운 형상안을 제안하였다.
(5) 제시한 스텐트 형상이 재협착 증상의 원인이 되는 혈관 손상을 줄일 수 있을 것으로 판단하였으며, 제시된 형상에 대한 시작품을 제작하였다.
관상동맥용 스텐트인 Johnson & Johnson 사의 모델 10 을 선정하였으며, 혈관 및 스텐트 구성품에 대한 유한요소모델링을 수행하였다.
구속조건(constraint condition)은 대칭면 상의 절점에 대칭 경계조건을 적용하고, 대동맥과 스텐트는 한쪽 끝을 고정하지 않고, 팽창 시 대칭면 방향으로 길이 축소가 발생하도록 하였다. 스텐트와 혈관, 스텐트와 풍선은 비선형 접촉을 고려하였으며, 팽창시 발생하는 응력, 변형률, 변형양상, 탄성 회복량 등을 측정하였다.
본 논문에서는 스텐트의 형상 설계를 위해 혈관 내 스텐트의 확관 과정을 모사하였으며, 스텐트의 길이 방향 수축량 및 탄성 회복량을 평가하여 문제점을 분석하였다. 또한, 혈관 손상을 줄이기 위한 스텐트 형상 설계안을 제시하였으며, 확관해석을 통해 그 성능을 검증하였다.
구속조건(constraint condition)은 대칭면 상의 절점에 대칭 경계조건을 적용하고, 대동맥과 스텐트는 한쪽 끝을 고정하지 않고, 팽창 시 대칭면 방향으로 길이 축소가 발생하도록 하였다. 스텐트와 혈관, 스텐트와 풍선은 비선형 접촉을 고려하였으며, 팽창시 발생하는 응력, 변형률, 변형양상, 탄성 회복량 등을 측정하였다. 반경방향 탄성 회복량, 길이방향 탄성 회복량 그리고 길이축소율은 다음 식으로 계산된다.
3, 탄성계수 (Elastic modulus) 201GPa 의 특성을 갖는다. 스텐트의 소성변형을 고려하기 위해 Fig. 3 과 같이 응력-변형률 선도(Stress-strain curve)를 단축인장시험 으로부터 측정하여 적용하였다.
앞서 기술한 해석 방법을 동일하게 적용하여 제안된 스텐트 형상의 길이 방향 수축량을 평가하 였다. 해석 결과, 길이 방향 수축량이 0.
이는 링과 링크가 연결되는 링 구조 형상만을 수정하여 타원형 형태로 수정한 형상이다. 지그 제그(zig zeg) 형태로 된 형상보다 폐곡선형태로 된 형상이 변형양을 줄일 수 있다는 것에착안하여 수정, 보완하였다.
하중조건(load condition)은 3 단계로 나누어 확관-유지-제거 순으로 진행하였다. 첫번째 단계에서는 혈관 팽창을 위해 0.9mm 의 변위를 반경 방향으로 풍선에 가하였고, 두번째 단계에서는 압력을 유지시키기 위해 첫번째 단계에서 부여한 0.9mm 변위를 동일하게 부여하였다. 마지막으로 탄성 회복량을 평가하기 위해 어떠한 하중도 부여하지 않은 상태를 유지하였다.
하중조건(load condition)은 3 단계로 나누어 확관-유지-제거 순으로 진행하였다. 첫번째 단계에서는 혈관 팽창을 위해 0.
확관된 이후 풍선에 가한 압력을 제거하면, 스텐트가 탄성회복을 하게 되는데, 이를 측정하기 위해 반경방향의 변위와 길이 방향의 변위를 추적 하였다. 이를 토대로 앞서 기술한 반경 방향 탄성 회복량과 길이 방향 탄성 회복량, 길이 축소율을 계산하여 Fig.

대상 데이터

링은 환부에 위치하여 반경 방향의 압력을 지탱하고, 링크는 링과 링 사이를 연결하여 유연성을 갖도록 해준다. cypher 모델의 총 길이는 8.4mm 이고, 외경 반지름 0.575mm, 내경 반지름 0.425mm, 두께 0.15mm 를 갖는다. 스텐트를 확관시키기 위해서는 풍선(balloon)이 필요 하며, 풍선에 대한 형상 및 재료데이터는 참고문헌 10 으로부터 확보하였다.
또한, 관상동맥에 대한 정보는 참고문헌 11 으로부터 확보하였다. 각 구성품은 Fig. 2 와 같이 8 절점 솔리드 요소(C3D8)를 사용한 3차원 모델로 구성하였다.
본 연구에서 선정된 Johnson & Johnson 사의 Cypher 스텐트 모델은 Fig. 1 과 같이 링(ring)과 링크(link)로 이루어져 있으며, 각 단위 모델이 모여 하나의 구조물을 이룬다.

이론/모형

혈관과 스텐트의 상호작용에 따른 스텐트의 확관 과정을 모사하기 위해서는 접촉문제 및 대변형 (large deformation) 문제 등의 비선형(nonlinear) 특성이 고려되어야 한다. 따라서, 스텐트는 탄소성 (elastic-plastic) 재료모델을 적용하였으며, 혈관은 초탄성(hyper-elastic) 재료모델을 적용하였다.¹¹스텐트는 SUS 316L 소재로서, 항복 응력(Yield stress) 330MPa, 푸아송 비(Poisson’s ratio) 0.
풍선의 경우, 다양한 초탄성 재료모델들 중 Mooney-Rivlin 모델을 적용하였으며, 구성식 (constitutive law)은 다음과 같다.¹²

성능/효과

(2) Cypher 스텐트의 확관해석 결과, 일반적인 스텐트에서 나타나는 길이 방향 탄성 회복이 발생하였으며, 스텐트와 혈관이 접촉하는 부위의 선단에서 응력이 집중되는 것을 확인하였다.
(4) 제안된 형상의 스텐트 확관해석 결과, 팽창 압력과 길이 방향의 탄성 회복량 모두 감소하는 것을 확인하였다.
Cypher 스텐트의 확관해석 결과, Fig. 6 과 같이 스텐트가 팽창되면서 길이 방향 수축이 발생하는것을 확인할 수 있었다. 스텐트 확관 후 VonMises 응력이 링 주변 곡률부에 집중되었으며, 최대 응력은 564MPa 로 SUS 316L 의 항복강도(330MPa)를 초과하였다.
12 와 같이 스텐트와 풍선 사이의 반력을 측정하였으며, 제안된 스텐트 형상의 반력이 더 작게 나타나는 것을확인하였다. 결과적으로, 재협착증의 원인으로 나타나는 스텐트의 탄성 회복량을 비교하였을 때, 제안된 스텐트 형상이 혈관 손상을 줄일 수 있는것으로 나타났다. Fig.
각각의 링 형상에서 발생하는 수축량은 작지만 링의 반복된 형상 때문에 수축량이 축적된다. 따라서 스텐트 설계에서 확관 시에는 변형이 쉽고, 하중제거 시에는 변형이 적은 방향으로 설계하는 것이 유리할 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 길이 방향 수축량을 줄이기 위해 다양한 패턴 형상을 고려하였지만, 가장 효과적인 것으로 판단되는 Fig.
11 에 나타내었다. 반경방향 탄성 회복량은 큰 차이가 없었지만, 길이 방향 탄성 회복 량이 약 5 배, 길이 축소율이 약 3 배 정도 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 또한, Fig.
9 에 변형양상 및 응력 분포를 나타내었다. 스텐트 팽창 후 Von-Mises 응력 분포가 Cypher 스텐트와 마찬가지로 링의 곡률부에 집중되는 것을 확인하였다. 하지만, 제안된 형상의 최대 응력이 약 130MPa 정도 더 낮은 것을 확인하였으며, 이는 기존 모델에 비해 구조적 안전성및 내구성이 뛰어나다는 것을 의미한다.
스텐트 팽창 후 Von-Mises 응력 분포가 Cypher 스텐트와 마찬가지로 링의 곡률부에 집중되는 것을 확인하였다. 하지만, 제안된 형상의 최대 응력이 약 130MPa 정도 더 낮은 것을 확인하였으며, 이는 기존 모델에 비해 구조적 안전성및 내구성이 뛰어나다는 것을 의미한다. 대동맥에서의 최대 Von-Mises 응력은 스텐트의 끝부분과 접촉하는 경계에서 1.
앞서 기술한 해석 방법을 동일하게 적용하여 제안된 스텐트 형상의 길이 방향 수축량을 평가하 였다. 해석 결과, 길이 방향 수축량이 0.59mm 로측정되었으며, Fig. 9 에 변형양상 및 응력 분포를 나타내었다. 스텐트 팽창 후 Von-Mises 응력 분포가 Cypher 스텐트와 마찬가지로 링의 곡률부에 집중되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 성인질환으로는 무엇이 있는가?	많은 양의 흡연, 음주, 스트레스 등으로 인해 성인질환 환자들이 늘어나고 있는 추세이다. 특히, 혈관협착증(vessel stenosis)은 대표적인 성인질환으로서, 콜레스테롤(cholesterol)과 지방질에 의한 플라그(plaque) 형성이 원인이며, 혈류의 흐름을 방해 한다. 혈관협착증을 치료하기 위한 방법으로는 복부 절개를 통한 직접적인 수술 방법이 있으나, 절개에 의한 수술 위험성 때문에 최근에는 스텐트(stent)를 이용한 수술방법이 많이 활용되고 있다.
	혈관협착증을 치료하기 위한 방법으로는 무엇이 있는가?	특히, 혈관협착증(vessel stenosis)은 대표적인 성인질환으로서, 콜레스테롤(cholesterol)과 지방질에 의한 플라그(plaque) 형성이 원인이며, 혈류의 흐름을 방해 한다. 혈관협착증을 치료하기 위한 방법으로는 복부 절개를 통한 직접적인 수술 방법이 있으나, 절개에 의한 수술 위험성 때문에 최근에는 스텐트(stent)를 이용한 수술방법이 많이 활용되고 있다. 1
	재협착 문제에서 스텐트의 길이 방향 수축은 어떤 영향을 주는가?	재협착 문제는 스텐트의 확관 이후에 발생하는 탄성회복(recoil)에 기인하며, 재료 및 구조물 형상에 따라 차이가 있다. 특히, 스텐트의 길이 방향 수축은 스텐트 표면과 혈관 내벽 사이에 과도한 압력을 유발시켜 혈관 조직에 손상을 준다. 손상된 혈관과 스텐트 사이에서는 혈전(thrombus)이 생기고, 성장하여 넓혀졌던 혈관이 다시 좁아지는 증상이 발생한다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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