동맥경화는 혈관 안에서 콜레스테롤의 침착 때문에 혈관이 좁아지거나, 딱딱해 지거나, 두꺼워 지게 되는데, 이런 현상이 심해지게 되면 동맥은 단단해져서 혈액이 원활히 통과하지 못하게 되고 심하면 사망 까지 이르게 되는 것이다. 본 연구에서는 복대동맥에서의 동맥경화가 진행되는 것을 탄성 혈관 일 때와 강성 혈관 일 때 각각 협착률이 혈관 직경의 20과 45%로 설정하고 속도와 압력 변화를 살펴보기 위하여 유한 요소 해석을 이용하여 모델링을 하였다. 혈관이 탄성 혈관일 때 속도와 압력 값은 협착률이 혈관 직경의 20%일 때 보다 45%일 때 더 높게 나타났으며, 강성 혈관에서 속도와 압력 값은 협착률이 혈관 직경의 20%일 때보다 45%에서 더 높았다. 협착률이 혈관 직경의 20과 45%인 탄성 혈관에서 재순환영역이 나타났다. 본 연구결과 혈관 협착에 따른 혈류역학적 특징을 이해하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
동맥경화는 혈관 안에서 콜레스테롤의 침착 때문에 혈관이 좁아지거나, 딱딱해 지거나, 두꺼워 지게 되는데, 이런 현상이 심해지게 되면 동맥은 단단해져서 혈액이 원활히 통과하지 못하게 되고 심하면 사망 까지 이르게 되는 것이다. 본 연구에서는 복대동맥에서의 동맥경화가 진행되는 것을 탄성 혈관 일 때와 강성 혈관 일 때 각각 협착률이 혈관 직경의 20과 45%로 설정하고 속도와 압력 변화를 살펴보기 위하여 유한 요소 해석을 이용하여 모델링을 하였다. 혈관이 탄성 혈관일 때 속도와 압력 값은 협착률이 혈관 직경의 20%일 때 보다 45%일 때 더 높게 나타났으며, 강성 혈관에서 속도와 압력 값은 협착률이 혈관 직경의 20%일 때보다 45%에서 더 높았다. 협착률이 혈관 직경의 20과 45%인 탄성 혈관에서 재순환영역이 나타났다. 본 연구결과 혈관 협착에 따른 혈류역학적 특징을 이해하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
This study is about atherosclerosis which occupies the highest rate in many diseases people have and we have studied about atherosclerosis for abdominal aorta. Atherosclerosis is the phenomenon which blood vessel gets narrower, harder and thicker due to the stenosis of colesterol in blood vessel. If...
This study is about atherosclerosis which occupies the highest rate in many diseases people have and we have studied about atherosclerosis for abdominal aorta. Atherosclerosis is the phenomenon which blood vessel gets narrower, harder and thicker due to the stenosis of colesterol in blood vessel. If it becomes worse, arteries will be hard and blood can't flow smoothly, and even it can reach to death. In this study, the geometric models of the considered stenotic blood flow are two different types of constriction of cross-sectional area of blood vessel; 20 and 45% of constriction in each elastic wall and rigid wall. We have modeled by using finite element method to observe the changes of velocity and pressure. In case of the diameter of blood vessel decreased 45% in elastic wall model, the values of velocity and pressure were higher than the case of 20% and in case of the diameter of blood vessel decreased 45% in rigid wall model, the values of velocity and pressure were higher than the case of 20%. In cases of elastic wall models of the diameters of blood vessels decreased each of 20% and 45%, recirculation zones appeared. This results show understanding of hemodynamic properties depending on stenosed blood vessels.
This study is about atherosclerosis which occupies the highest rate in many diseases people have and we have studied about atherosclerosis for abdominal aorta. Atherosclerosis is the phenomenon which blood vessel gets narrower, harder and thicker due to the stenosis of colesterol in blood vessel. If it becomes worse, arteries will be hard and blood can't flow smoothly, and even it can reach to death. In this study, the geometric models of the considered stenotic blood flow are two different types of constriction of cross-sectional area of blood vessel; 20 and 45% of constriction in each elastic wall and rigid wall. We have modeled by using finite element method to observe the changes of velocity and pressure. In case of the diameter of blood vessel decreased 45% in elastic wall model, the values of velocity and pressure were higher than the case of 20% and in case of the diameter of blood vessel decreased 45% in rigid wall model, the values of velocity and pressure were higher than the case of 20%. In cases of elastic wall models of the diameters of blood vessels decreased each of 20% and 45%, recirculation zones appeared. This results show understanding of hemodynamic properties depending on stenosed blood vessels.
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문제 정의
혈관 질환을 예방하기에 앞서 본 연구에서는 유한요소 방법(Finite Elements Method, FEM)과 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)해석을 통하여 동맥경화가 진행되었을 때, 혈관의 혈류 속도와 압력의 변화를 살펴보고 수치 해석적 연구를 수행하고자 하였다.
6 program을 이용하여 20과 45%의 협착율에서 탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델을 고체구조로 연관시킨 흐름을 연구하는 FSI를 사용하였다. 주목할 만 한 점은 생리학적 속도와 압력 특성을 비교한다는 가정 하에 혈관 벽의 종류와 협착율의 정도가 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
협착부에서 혈류 흐름의 길이(d)는 30 mm이다. 협착부에서 협착정도를 나타내기 위하여 t1, t2는 각각 15 mm의 혈관 직경에 대한 20과 45%의 협착비율로 가정하였다. 입구(inlet)의 속도부하(velocity loading)은 0.
협착부에서 협착정도를 나타내기 위하여 t1, t2는 각각 15 mm의 혈관 직경에 대한 20과 45%의 협착비율로 가정하였다. 입구(inlet)의 속도부하(velocity loading)은 0.39 m/s로 가정하였다. 관련 방정식은 Finite Element Commercial Computational Fluid Dynamic Software인 ADINA 8.
제안 방법
구조해석, 유체해석, 유체-구조연성 해석과 같은 유한 요소 해석을 위하여 ADINA 8.6(able MAX, U.S.A)를 사용하여 모델링하였다. 본 연구에서는 동맥경화로 인해 복대동맥의 혈관 직경이 20%와 45% 감소하였을 때, 강성혈관(rigid wall vessel)과 탄성 혈관(elastic wall vessel)에서의 혈류 속도와 압력, 그리고 전단응력 변화를 살펴보기 위하여 유한요소방법과 전산유체역학해석을 사용하였다.
A)를 사용하여 모델링하였다. 본 연구에서는 동맥경화로 인해 복대동맥의 혈관 직경이 20%와 45% 감소하였을 때, 강성혈관(rigid wall vessel)과 탄성 혈관(elastic wall vessel)에서의 혈류 속도와 압력, 그리고 전단응력 변화를 살펴보기 위하여 유한요소방법과 전산유체역학해석을 사용하였다.
본 연구에 사용된 협착혈관 모델은 그림 1과 같이 혈관 직경이 15 mm인 2차원 축 대칭 모델을 사용하였고, 협착 길이와 탄성 혈관과 강성 혈관에서 20과 45%의 협착률을 가지는 경우를 고려하였다. 협착부에서 출구까지 거리는 완전 발달 유동을 가지기 위해 충분한 거리인 70 mm로 설정 하였다.
이론/모형
본 연구에서는 유체의 점성에 의해 나타나는 압력과 마찰력을 고려하여 다음과 같은 유체운동 방정식을 이용 하였다[9].
39 m/s로 가정하였다. 관련 방정식은 Finite Element Commercial Computational Fluid Dynamic Software인 ADINA 8.6(ADINA, Watertown, MA)를 사용하여 해석하였다. 모든 계산은 Intel(R) Core(TM) 2 Duo CPU T9400 @ 2.
본 연구에서 사용프로그램인 ADINA 8.6 program을 이용하여 20과 45%의 협착율에서 탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델을 고체구조로 연관시킨 흐름을 연구하는 FSI를 사용하였다. 주목할 만 한 점은 생리학적 속도와 압력 특성을 비교한다는 가정 하에 혈관 벽의 종류와 협착율의 정도가 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
성능/효과
따라서 협착부 입구에서 압력이 높아지는 것을 확인하였다. 협착율이 혈관직경의 20%일 때보다 45%일 때 협착부의 혈관 직경이 더욱더 좁아지게 되므로 협착부 입구에서 압력이 더 큰 것을 관찰할 수 있었고, 협착율이 높을수록 혈관이 파열될 가능성이 높다는 것을 예측할 수 있었다. 탄성 혈관(elastic wall vessel)은 혈관 벽에 탄성력이 있기 때문에 갑자기 좁아지는 협착부를 빠져나가지 못하는 혈액이 축적되어 혈관이 팽창되는 것으로 나타났다.
강성혈관은 탄성 혈관과 달리 혈관이 팽창되면서 압력을 감쇄시켜주지 못하기 때문에 협착부 입구에서 더 많은 압력을 받게 된다. 따라서 탄성 혈관보다 강성 혈관에서의 압력이 더 높은 것을 확인할 수 있었고 이에 따라 탄성 혈관에서보다 강성 혈관에서 파열 가능성이 더 높은 것을 예측할 수 있었다.
혈관의 직경이 협착부에서 좁아지기 때문에 압력이 높아지고 그에 따라 속도가 빨라지게 되는 것을 확인할 수 있었다. 협착율이 혈관 직경의 20%일 때보다 45%일 때 혈관 직경이 더욱더 좁아지게 되므로 압력이 더 높아져 20%일 때보다 45%일 때 혈류 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있었다. 탄성 혈관에서는 혈류가 유입되면서 팽창하는 혈관의 탄성에 의해 다시 좁아지면서 생기는 압력의 변화가 있은 후 속도가 빨라지게 된다.
그러나 강성 혈관에서는 혈관에 탄성이 없기 때문에 혈류가 유입되는 압력 그대로 속도가 빨라지게 되고, 협착부를 빠져 나간 직후의 혈류 속도와 이미 빠져나간 혈류 속도 차에 의해 재순환 영역이 발생하게 된다. 탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델 각각의 경우에 압력이 주어짐에 따라 혈류의 속도 변화가 생기는데 협착율이 20%일 때에는 혈관 직경이 좁긴 하지만 일반 혈관 직경과 크게 차이가 없어서 압력을 받는 것이 혈액 유입 시부터 일정하지만, 45%일 때에는 혈관 직경이 작아지는 곳에서부터는 유입 시 받은 압력이 제대로 전달이 되지 않는 것을 볼 수 있고, 그 압력이 제대로 작용하지 못해서 혈액이 재순환하는 현상이 나타났다
모델링 결과는 혈액 흐름에 있어서 탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델, 협착율이 혈관 직경의 20과 45%일 경우 발생하는 좁은 통로에서 정도의 차이는 있지만, 재순환 영역으로 인한 혈액흐름의 이상을 가져올 수 있다는 것을 보여준다. 만약 재순환영역이 협착부 하류에서 발생한다면 혈액의 소량은 협착 이후 부분에서 정체층이 발생될 것으로 예상된다.
만약 재순환영역이 협착부 하류에서 발생한다면 혈액의 소량은 협착 이후 부분에서 정체층이 발생될 것으로 예상된다. 결과적으로 혈관은 혈액순환의 비정상적인 결과로 혈류 흐름의 속도가 일정하지 못하거나, 심한 경우 관의 파열까지 이어질 수 있을 것으로 예상된다.
탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델의 실험결과 협착 지역에서의 속도와 압력의 변화가 있는 것으로 나타났다. 또한 탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델의 경우 협착율이 20과 45%일 때 속도와 압력의 변화 정도가 다른 것으로 나타났다.
탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델의 실험결과 협착 지역에서의 속도와 압력의 변화가 있는 것으로 나타났다. 또한 탄성 혈관 모델과 강성 혈관 모델의 경우 협착율이 20과 45%일 때 속도와 압력의 변화 정도가 다른 것으로 나타났다. 탄성 혈관 모델에서는 혈류가 유입될 때 혈관 입구가 팽창한 뒤에 수축하면서 압력이 증가한 뒤 협착부로 혈류가 흐르게 되고 협착부는 압력을 받아 혈류속도가 빠르고 공간도 좁아서 압력이 더 커지게 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동맥혈관의 벽을 구성하는 조직은 3중 구조로 되어있는데 이 중 내막과 중막의 특징은 무엇인가?
혈관의 굵기에 따라서 각층의 두께와 구조가 각각 다르다. 내막은 탄성에 강한 구조로 이루어져 있고, 중막은 매우 두꺼우며, 고리 모양으로 이어진 민무늬근섬유와 탄성섬유로 되어 있다. 동맥은 단순히 혈액을 공급하는 관이 아니라 탄력성을 가지고 있어 간헐적으로 뿜어 나오는 심장의 혈액을 꾸준히 말초 혈관까지 전달하는 역할을 담당하며 이를 통하여 혈압을 유지하는 완충 작용을 하고 관상동맥에 원활한 혈류를 공급한다.
혈관은 어떤 기관인가?
혈관은 혈액을 체내의 각 부분에 수송해주는 기관으로, 사람의 혈관을 일직선으로 연결한다고 하면 약 10만 km에 달하며, 지구를 두 바퀴 반 정도 도는 거리에 해당 한다[1]. 혈관 중 동맥은 심장의 혈액을 온몸으로 보내주는 역할을 한다.
동맥경화란?
이 지방물질이 증가되면 동맥은 단단해져 탄력성을 잃게 될 뿐 아니라 좁아져서 혈액이 원활히 통과하지 못하게 된다. 이렇게 혈액공급이 저해되거나 압력이 높아져 동맥이 파열, 박리 등이 일어나는 과정을 동맥경화(atherosclerosis)라고 한다. 동맥경화는 관동맥 질환, 뇌혈관 질환, 폐쇄성 말초질환 등으로 발현되는 서구사회의 가장 흔한 사망원인중 하나이며, 최근 우리나라에서도 혈관질환으로 인한 유병율이 급속한 증가 추세를 보이고 있다.
참고문헌 (9)
H. S. Kim, "A intelligible story of hypertension and heart disease", Koonja, pp.3-90, 2010.
N. B. Lee, et al., "Development of a Pulse Wave Velocity Measurement System and Assessment of the System Reproducibility for the Diagnosis of Arteriosclerosis", Korean J. Institute of Oriental Medical Diagnostics, 9(1), pp.112-124, 2005.
L. Jiang, et al., "On the blow up criterion for the 2-D compressible Navier-Stokes equations", Czechoslovak Math. J, 60(1), pp.195-209, 2010.
S. H. Suh, et al., "Correlation between atherosclerosis and geometrical characteristic changes of blood vessels", Biomedical Engineering Society for Circulatory Disorders Semiannual 5th conference, 2005.
M. S. Park, et, al., "Numerical analysis of the blood flow in the korean artificial heart using two dimensional model", Korean J. Biomedical and biological engineering, 24(4), pp.301-307, 2003.
H. K. Kim, et. al., "The relationship between aortic distensibility and serologic markers of atherosclerosis", J. Internal medicine, 77(1), pp.68-75, 2009.
S. D. Jung, et. al., "A Numerical Analysis on the Hemodynamic Characteristics in Elastic Blood Vessel with Stenosis", J. Biomed. Eng, 23(4), pp.281-286, 2002.
G. H. Kwon, et. al., "Insulin Sensitivty is Associated with the Presence and Extent of Coronary Artery Disease", Korea circulation Journal, 32(7), pp.566-572, 2002.
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