[논문]혈액모사유체의 미세협착 주변 맥동유동 시뮬레이션

송재민; 홍현지; 하이경; 염은섭

doi:10.5407/jksv.2019.17.2.010

혈액모사유체의 미세협착 주변 맥동유동 시뮬레이션
Numerical Simulation of Pulsatile Flows around Micro-Stenosis for Blood Analog Fluids 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.2, 2019년, pp.10 - 16

송재민 (Department of Oral and Maxillofacial Surgery, School of Dentistry, PNU) , 홍현지 (School of Mechanical Engineering, PNU) , 하이경 (College of Nursing, PNU) , 염은섭 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University (PNU))

Abstract ▼ AI-Helper

Considering the role of viscosity in the hemorheology, the characteristics of non-Newtonian fluid are important in the pulsatile blood flows. Stenosis, with an abnormal narrowing of the vessel, contributes to block blood flows to downstream tissue and lead to plaque rupture. Therefore, systematic analysis of blood flow around stenosed vessels is crucial. In this study, non-Newtonian behaviors of blood analog fluids around the micro-stenosis with 60 % severity in diameter of $500{\mu}m$ was examined by using CFX under the pulsatile flow conditions with the period of 10 s. Viscosity information of two non-Newtonian fluids were obtained by fitting the value of normal blood and highly viscous blood. As the Newtonian fluid, the water at room temperature was used. During the pulsatile phase, wall shear stress (WSS) is highly oscillated. In addition, high viscous solution gives rise to increases the variation in the WSS around the micro-stenosis. Highly oscillating WSS enhance increasing tendency of plaque instability or rupture and damage of the tissue layer. These results, related to the influence on the damage to the endothelium or stenotic lesion, may help clinicians understand relevant mechanisms.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Variation of mass flow rate for one cycle indicating inlet pulsatile flow condition applied to the numerical simulation and fitting function (FFT). Normalized phases at systolic (ϕ=0.2), moderate (ϕ=0.6), and diastolic (ϕ=1) instants were labelled.
표 Table 1. Constants for the Carreau-Yasuda model equation. μ_∞ (viscosity at infinite shear rate), μ₀ (viscosity at zero shear rate), λ (time constant), α (Yasuda exponent) and n (power law index).⁵⁾
그림 Fig. 2. 2D contoured velocity fields with stream lines for the water depending on the phases.
그림 Fig. 3. 2D distribution of the rate of shear strain for the water depending on the phases.
그림 Fig. 4. Simulation results of viscosity around the stenosis at systolic and diastolic phases (ϕ=0.2 and 1).
그림 Fig. 5. Simulation results representing WSS at systolic and diastolic phases (ϕ=0.2 and 1).
그림 Fig. 6. Pressure variation along the flow stream at systolic phases (ϕ=0.2).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구단의 사전연구에서는 실험을 통하여 미세 협착 내부 맥동 유동이 혈액의 특성에 따라 변하는 것을 체계적으로 분석하였지만,⁽⁵⁾ 3차원 벽면전단응력의 변화를 관측하지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 실험으로 통해 얻은 경계조건을 기반하여 유동 해석 시뮬레이션을 수행하고, 혈류역학 및 혈유변학적 인자들의 보다 체계적으로 파악하는 연구를 수행하려 한다.
본 연구에서는 맥동유동 조건에서 유체의 점도 특성에 따른 혈류역학적 인자들의 변화에 대하여 수치해석을 수행하였다. 맥동 유동의 주기에 따른 질량 유량의 변화는 전단변형률을 변형시킨다.

가설 설정

⁽³⁾ 비록 동맥경화가 주로 중대형 크기의 동맥혈관에서 크게 영향을 주나, 이러한 영향이 후류의 500μm 정도의 직경을 가진 소 동맥(관상동맥)에 동맥경화를 발생시키며 이는 심혈관 질환으로 인한 질병의 사망과 밀접하게 연관이 되어 있다.^(1,4) 이러한 관점에서 혈관의 직경이 작은 소동맥 혈관 내 유동 분포를 이해하는 것이 순환기 질환에 있어 혈류역학적 인자들의 역할을 이해하는데 도움이 될 것이다.
, USA)를 사용하였다. 유동 해석을 위해 연속 방정식 및 운동량 방정식이 적용되며 유동은 비정상 (unsteady), 층류 (laminar) 상태로 가정하였다. 해석에 사용된 협착 혈관은 SolidWorks (Dassault Systèmes SolidWorks Corp.

제안 방법

9%), 그리고 잔탄검의 혼합액을 사용하였다.⁽⁶⁾ 전단변형률이 증가할수록 점도가 감소하는 전단희박유체의 특성을 조절하기 위해 잔탄검 혼합액의 농도를 0.21 g/L와 0.42 g/L 두가지로 조정하였다. 잔탄검의 농도가 증가할수록 높은 점도를 가지며, 전단변형률에 따른 점도 감소의 기울기는 더욱 심화된다.
16×10^-6 kg/s 이며 맥동 주기는 10 초이다. 그리고 맥동유동의 변화정도를 정량화 하기 위해 제안되는 아래의 맥동지수(pulsatility index) 값을 측정하였다.⁽⁷⁾
⁽⁵⁾ 맥동 순간에 따른 비교를 위해 무 차원화 된 위상 (ϕ)을 사용하였다. 맥동이 최대 유량이 되는 수축기(ϕ = 0.2)와 최소 유량이 되는 이완기(ϕ = 1)와 그 사이 감속이 일어나는 중인 순간 (ϕ = 0.6)를 비교를 위해 사용하였다.
2) 때 유동 방향에 따른 압력 변화를 보여 준다. 예상한 것과 같이 모든 샘플에서 협착 주변에서 급격한 압력 강하가 발생하는 것을 관측하였다. 그리고 높은 점도를 가지는 샘플 2에서 압력 강하 경향이 높으며 협착 주변에서도 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
맥동 유동 조건을 얻기 위해 선행 연구에서 얻은 질량 유량 정보에 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 적용하여 수식을 얻었다 (그림 1). 이 질량 유량 수식을 입구조건으로 적용하였다. 출구 조건은 대기압 (상대 압력 0 Pa)에 노출을 시켰다.
잔탄검의 농도가 증가할수록 높은 점도를 가지며, 전단변형률에 따른 점도 감소의 기울기는 더욱 심화된다. 이렇게 제작된 샘플의 점도는 기존의 실험실에서 제안한 미세 점도계를 이용하여 전단변형률에 따라 측정하였다.⁽⁵⁾ 얻어진 데이터를 기반으로 Carreau- Yasuda 모델을 이용하여 해석을 위해 필요한 값을 얻었다.
해석에 있어 경계조건으로 모든 벽에 점착 조건(no-slip condition)을 적용하였다. 초기 유동 조건의 불안정성의 영향을 줄이기 위해 3 주기 (0.1s 간격 30s 동안 해석) 동안 해석을 수행하고 마지막 해석 결과를 이용하였다.
출구 조건은 대기압 (상대 압력 0 Pa)에 노출을 시켰다. 해석에 있어 경계조건으로 모든 벽에 점착 조건(no-slip condition)을 적용하였다. 초기 유동 조건의 불안정성의 영향을 줄이기 위해 3 주기 (0.

대상 데이터

뉴턴유체로는 상온의 물의 물성치를 사용하였으며, 비뉴턴유체로는 물 (79.1%), 글리세롤 (20.9%), 그리고 잔탄검의 혼합액을 사용하였다.⁽⁶⁾ 전단변형률이 증가할수록 점도가 감소하는 전단희박유체의 특성을 조절하기 위해 잔탄검 혼합액의 농도를 0.
해석에 사용된 협착 혈관은 SolidWorks (Dassault Systèmes SolidWorks Corp., USA) 소프트웨어를 이용하여 모델링 하였으며, 500 μm 지름에 60% 협착도와 1260 μm 협착 길이를 가진 직선관이다.

이론/모형

이렇게 제작된 샘플의 점도는 기존의 실험실에서 제안한 미세 점도계를 이용하여 전단변형률에 따라 측정하였다.⁽⁵⁾ 얻어진 데이터를 기반으로 Carreau- Yasuda 모델을 이용하여 해석을 위해 필요한 값을 얻었다.
, USA) 소프트웨어를 이용하여 모델링 하였으며, 500 μm 지름에 60% 협착도와 1260 μm 협착 길이를 가진 직선관이다. 맥동 유동 조건을 얻기 위해 선행 연구에서 얻은 질량 유량 정보에 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 적용하여 수식을 얻었다 (그림 1). 이 질량 유량 수식을 입구조건으로 적용하였다.

성능/효과

그리고 주기에 따라 급격히 변하는 WSS는 혈관내피세포의 형태를 변형 시켜 콜레스테롤이나 LDL(low-density lipoproteins)이 혈관에 쌓이는 위험성을 증가시키고,⁽¹⁰⁾ 질소 산화물의 교환에 영향을 미쳐 순환기 질환을 악화시킬 수 있다.⁽¹¹⁾ 샘플 2가 당뇨와 같이 고 점도 혈액을 가진 환자의 혈액을 모사한 것이 기에, 본 연구 결과로부터 높은 점도를 가지는 혈액은 순환기 질환의 발생과 진행을 촉진할 가능성이 더 높다는 것을 예측할 수 있다.
(3) 비록 동맥경화가 주로 중대형 크기의 동맥혈관에서 크게 영향을 주나, 이러한 영향이 후류의 500μm 정도의 직경을 가진 소 동맥(관상동맥)에 동맥경화를 발생시키며 이는 심혈관 질환으로 인한 질병의 사망과 밀접하게 연관이 되어 있다.
이러한 전단 변형률의 변화는 유동이 협착을 지나면서 심화되어 협착 주변에 점도는 주기와 위치에 따라 변한다. 샘플2의 강한 전단희박유체 특성으로 인해 샘플 1과 뉴턴 유체에 비하여 맥동 주기 내 WSS의 변화가 크게 관측 되었으며 이로 인한 압력 강하 또한 크게 보이는 것일 확인 하였다. 이러한 결과를 통해 높은 점도를 가지는 혈액은 순환기 질환의 발생과 진행을 촉진할 가능성이 더 높다는 것을 예측 할 수 있다.
5는 벽면에서의 전단 변형률과 점도를 곱하여 구한 3차원 WSS 분포를 보여준다. 예상한 것과 같이 상대적으로 높은 점도로 인해 물에 비해 샘플1, 2에서 높은 WSS 분포를 가지는 것을 확인할 수 있다. 비록 샘플 1,2의 전단희박유체 특성으로 인해 이완기(ϕ=1)에서 점도 값이 높지만 수축기(ϕ=0.

후속연구

이러한 결과를 통해 높은 점도를 가지는 혈액은 순환기 질환의 발생과 진행을 촉진할 가능성이 더 높다는 것을 예측 할 수 있다. 본 연구를 통하여 점도의 특성에 따른 맥동 조건 내 유동의 거동과 3차원적WSS의 분포가 순환기 질환에 어떠한 영향을 줄 수 있는지에 대한 이해를 도울 수 있을 것으로 기대된다.
⁽¹²⁾ 그러간 이러한 정도는 협착의 정도가 75% 이상인 경우 크게 나타나며 지금 해석과 같이 재 순환 영역이 없는 경우 벽을 강체로 해석하나 탄성체로 해석하나 큰 차이가 없을 것으로 여겨진다. 이러한 높은 점도에서의 유동 저항의 증가는 혈압을 증가시키거나 동맥경화를 유발할 수 있다고 알려져 있으며,⁽¹³⁾ 본 연구의 결과로 점도 특성이 순환기 질환의 진행에 미치는 영향을 이해할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고점도의 혈액의 특징은?	따라서 혈액유동을 해석하는데 혈유변학적 특성을 중요한 요소로 고려해야 된다. 그리고 고점도의 혈액은 혈관 내 유동 저항을 증가시키고, 심혈관 질환과 관련된 여러 생물학적 요소와 관련되어 있다고 알려져 있다.(1)
	맥동 유동의 주기에 따른 질량 유량의 변화는 무엇을 야기하는가?	본 연구에서는 맥동유동 조건에서 유체의 점도 특성에 따른 혈류역학적 인자들의 변화에 대하여 수치해석을 수행하였다. 맥동 유동의 주기에 따른 질량 유량의 변화는 전단변형률을 변형시킨다. 이러한 전단 변형률의 변화는 유동이 협착을 지나면서 심화되어 협착 주변에 점도는 주기와 위치에 따라 변한다.
	강한 전단희박유체 특성을 보인다면 어떤 결과를 예측할 수 있는가?	샘플2의 강한 전단희박유체 특성으로 인해 샘플 1과 뉴턴 유체에 비하여 맥동 주기 내 WSS의 변화가 크게 관측 되었으며 이로 인한 압력 강하 또한 크게 보이는 것일 확인 하였다. 이러한 결과를 통해 높은 점도를 가지는 혈액은 순환기 질환의 발생과 진행을 촉진할 가능성이 더 높다는 것을 예측 할 수 있다. 본 연구를 통하여 점도의 특성에 따른 맥동 조건 내 유동의 거동과 3차원적WSS의 분포가 순환기 질환에 어떠한 영향을 줄 수 있는지에 대한 이해를 도울 수 있을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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