[논문]뇌동맥류 모델에 대한 혈류역학 해석

서태원; 변준수

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.10.927

초록
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뇌동맥류모델은 CT 영상을 기반으로 추출하여, ANSYS-FLUENT를 사용해 전산 유체유동해석을 수행하였다. 본 연구를 통해 뇌동맥류에서 최소 벽전단응력은 동맥류가 발생한 영역에서 일어나는 것을 알 수 있다. 또한 뇌동맥류 모델에서 우측중뇌동맥 안쪽벽면에 작용하는 벽전단응력의 크기는 동맥류 전부와 후부의 벽면에 작용하는 벽전단응력의 크기에 비해 20 배 더 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나 동맥류 영역에서의 전단응력의 크기는 매우 작게 나타났다. 혈관 수축이 일어나는 동안 동맥류의 영역에서 매우 복잡한 이차유동이 발생하는 것을 볼 수 있다. 동맥류 내부에서의 혈류유동은 나선형 유동형태를 보이며, 본 연구의 혈류역학적 특성 분석을 통해 뇌동맥류의 파열을 예견할 수 있을 것으로 판단한다.

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The intracranial aneurysm model is extracted based on the Computed Tomography (CT) scan images. Computational fluid dynamics simulations were conducted under both steady and realistic flow conditions in ANSYS-FLUENT. The minimum wall shear stress in the intracranial aneurysm tended to occur in the a...

The intracranial aneurysm model is extracted based on the Computed Tomography (CT) scan images. Computational fluid dynamics simulations were conducted under both steady and realistic flow conditions in ANSYS-FLUENT. The minimum wall shear stress in the intracranial aneurysm tended to occur in the aneurysmal region. The magnitude of wall shear stress along inner wall of the curvature in the right M1 segment of middle cerebral artery is approximately 20 times higher than that along both the proximal and distal walls. However, the magnitudes of the wall shear stress at the aneurysm region were considerably low. The blood flow has the complex distribution in the aneurysmal region during the systolic period. Complex helical flow patterns are observed inside the aneurysm. Through an analysis of the hemodynamic characteristics, one may predict the rupture of the cerebral aneurysms.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 이유로 연구자들은^(5,7) 동맥류의 파열은 동맥류 주위 혈류역학적 특성에 의한 벽전단응력에 의해 일어나기 때문에, 동맥류 주위 혈류역학적 특성에 대한 이해는 동맥류 파열을 보다 더 잘 예측할 수 있다고 발표 하였다. 본 연구의 목적은 동맥류 주위 혈류역학적 특성을 이해하고 이를 통해 동맥류의 파열과 벽전단응력의 상관관계에 대해 조사하는 것이다.

가설 설정

본 연구에 사용된 유체는 균일, 비압축성, 등온뉴턴 유체로 가정하였다. 유체의 밀도, ρ, 는 1.
3 에 나타난 최대 속도 값과 최소 속도 값을 이용해 각각 계산하였다. 혈관 벽면은 강체로 가정하였고, No-slip 경계조건을 적용하였다.

제안 방법

3 과 같은 유동조건을 적용하였다.⁽⁸⁾ 출구에서의 경계조건으로 출구면에 전단응력 성분이 작용하지 않는 자유경계조건^(8,12)(Traction Free Boundary Condition)을 적용하였으나, 본 논문에서는 우측중뇌동맥과 상부중뇌동맥 출구로 빠져 나가는 혈류에 대한 정보가 없어 출구에서는 압력 경계조건을 적용하였다.입구에서 혈류의 평균유속은 0.
본 연구의 목적은 동맥류 주위 혈류역학적 특성을 이해하고 이를 통해 동맥류의 파열과 벽전단응력의 상관관계에 대해 조사하는 것이다. 이를 위해 뇌 동맥류 환자의 혈관 영상을 이용해 뇌 동맥류 형상을 생성하여 전산 수치해석을 수행하였다.
4 이고, 수축기 동안 최대 레이놀즈 수는 361 이며 이완기 동안 최소 레이놀즈 수는 204 이다. 평균 레이놀즈 수는 1 주기 동안 유속의 평균값을 이용해 계산하였으며, 최대 및 최소 레이놀즈 수는 Fig. 3 에 나타난 최대 속도 값과 최소 속도 값을 이용해 각각 계산하였다. 혈관 벽면은 강체로 가정하였고, No-slip 경계조건을 적용하였다.

대상 데이터

본 논문에서 계산에 적용된 격자는 사면체 격자이며, 총 1,325,788 개의 격자를 생성하여 계산을 수행하였다. 수치해석 방법은 비정상 유동해석에 효율적인 PISO(Pressure Implicit with Splitting of Operators) 연산법을 적용하였으며, 공간적 이산화방법으로 강한 2 차 유동과 구배가 일어나는 동맥류가 있는 형상에 대해 정확한 해를 얻기 위해 Quick 방식을 적용하였다.
본 연구의 해석에 사용된 컴퓨터는 인텔 Core™ i7-3770K CPU 3.5GHz 이며, RAM Memory 는 32GB 이다.
1 은 뇌 동맥류 환자의 뇌 혈관을 컴퓨터 단층 촬영한 영상이다. 영상은 0.23mm 간격으로 촬영하였으며, 영상의 개수는 101 개이며 Pixel 의 크기는 0.23mm 이다. 영상에서 빨간색으로 표시한 부분이 동맥류가 있는 부분이다.

이론/모형

본 논문에서 계산에 적용된 격자는 사면체 격자이며, 총 1,325,788 개의 격자를 생성하여 계산을 수행하였다. 수치해석 방법은 비정상 유동해석에 효율적인 PISO(Pressure Implicit with Splitting of Operators) 연산법을 적용하였으며, 공간적 이산화방법으로 강한 2 차 유동과 구배가 일어나는 동맥류가 있는 형상에 대해 정확한 해를 얻기 위해 Quick 방식을 적용하였다. 본 연구의 해석에 사용된 컴퓨터는 인텔 Core™ i7-3770K CPU 3.
영상에서 빨간색으로 표시한 부분이 동맥류가 있는 부분이다. 이 영역을 의료 영상상용프로그램인 MIMICS Ver. 15(Materialise, Belgium)를 사용하여 Fig. 2 와 같이 혈관 모델을 생성하였다. Fig.

성능/효과

(3) 뇌 동맥류 유동에서 동맥류 내에서 최대 전단응력은 동맥류 후부 흐름충돌이 있는 내벽에서 발생한다. 또한 혈관 모델에서 우측중뇌동맥 안쪽 벽면을 따라 벽전단응력의 크기는 동맥류 전부와 후부의 벽면을 따라 벽전단응력의 크기에 비해 20배 더 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
(4) 본 연구에서 동맥류의 비율은 2.41 로, 이처럼 동맥류의 비율이 클수록 Fig. 5 와 7 에서 보는 바와 같이 동맥류 Dome 부위 전단응력이 작아지고 내피세포의 손상과 혈전 그리고 동맥류 벽에 염증을 초래해 동맥류 파열을 일으킬 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
(3) 뇌 동맥류 유동에서 동맥류 내에서 최대 전단응력은 동맥류 후부 흐름충돌이 있는 내벽에서 발생한다. 또한 혈관 모델에서 우측중뇌동맥 안쪽 벽면을 따라 벽전단응력의 크기는 동맥류 전부와 후부의 벽면을 따라 벽전단응력의 크기에 비해 20배 더 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
7 에서 보는 바와 같이 동맥류의 벽면에 작용하는 전단응력은 우측중뇌동맥 혈관에 작용하는 전단응력보다 낮은 값을 가지는 것을 볼 수 있다. 또한 혈류의 속도가 감소함에 따라 동맥류 내 전단응력의 크기는 감소하고 작은 전단응력을 가지는 영역이 더 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 혈류역학적 현상은 Xiang 등⁽¹²⁾의 결과와 일치한다.
본 연구에서 동맥류의 비율은 2.41 로 Weir 등⁽²⁾이 제안한 출혈의 위험이 높은 동맥류의 비율에 비해 50% 정도 더 비율이 크다. 이처럼 동맥류의 비율이 클수록 동맥류의 Dome 부위의 전단응력이 작아지고 이것이 내피표면을 따라 적혈구, 백혈구와 혈소판을 포함한 혈액 세포를 응집시키고 이에 따라 내피세포의 기능 장애와 세포소실을 초래한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뇌동맥류란?	뇌동맥류는 일반적으로 읠리스환(Circle of Willis)의 분기혈관에 빈번히 일어나는 병변이다. 일반적으로 뇌동맥류의 발병기전은 평활근세포의 손실과 함께 벽내 탄력소의 균열 및 붕괴에 기인하는 것으로 알려져 있다.
	뇌동맥류의 가장 심각한 결과는?	일반적으로 뇌동맥류의 발병기전은 평활근세포의 손실과 함께 벽내 탄력소의 균열 및 붕괴에 기인하는 것으로 알려져 있다. 뇌동맥류의 가장 심각한 결과는 뇌동맥류의 파열과 거미막밑출혈(Subarachnoid Hemorrhage)이나, 뇌동맥류는 일상생활에서 특별한 증상이 나타나지 않기 때문에 예방과 치료에 어려움을 겪고 있다. 머리속 출혈에 대한 예후는 CT 와 MRI 등 영상진단시스템기술의 향상으로 파열되기 전에 발견이 용이해져 동맥류에 대한 수술은 증가하고 있다.
	뇌 동맥류 형상을 생성하여 전산 수치해석을 수행하여 얻은 결론은?	(1) 동맥류로 유입된 혈류는 동맥류 후부 벽면에 충돌한 후 동맥류 내부에서 반 시계방향으로 와류를 발생시키면서 우측중뇌 동맥으로 빠져 나간다. (2) 우측중뇌동맥을 흐르는 혈류는 뇌 동맥류 목을 통해 우측중뇌동맥으로 빠져 나오려는 혈류를 뇌 동맥류 내에 가두어 그 안에 정체시킨다. (3) 뇌 동맥류 유동에서 동맥류 내에서 최대 전단응력은 동맥류 후부 흐름충돌이 있는 내벽에서 발생한다. 또한 혈관 모델에서 우측중뇌동맥 안쪽 벽면을 따라 벽전단응력의 크기는 동맥류 전부와 후부의 벽면을 따라 벽전단응력의 크기에 비해 20배 더 크게 발생하는 것을 알 수 있다. (4) 본 연구에서 동맥류의 비율은 2.41 로, 이처럼 동맥류의 비율이 클수록 Fig. 5 와 7 에서 보는 바와 같이 동맥류 Dome 부위 전단응력이 작아지고 내피세포의 손상과 혈전 그리고 동맥류 벽에 염증을 초래해 동맥류 파열을 일으킬 수 있다는 것을 예측할 수 있다.

참고문헌 (13)

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