향상된 흐름을 위해 직경이 확장된 도관 설계

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10201(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

도관은 일반적으로 동맥과 정맥의 병변을 치료하는 데 사용됩니다. 기존 스텐트는 원통형으로 길이에 따라 흐름 저항이 증가합니다. 이 연구는 흐름 분리를 피하면서 저항을 줄이기 위해 도관 구경을 점차적으로 확장하는 스텐트 및 도관의 설계를 제시합니다. 두 가지 다른 압력(즉, 10 및 25mmHg 압력)의 헤더 탱크에서 원통형 또는 확장 도관으로 유입이 제공되었습니다. 초기 도관 구경은 각각 2, 3, 4, 5mm와 160, 310, 620mm 길이였습니다. 확장 구경 도관의 유량(r4-6/cm의 속도, 여기서 r은 초기 도관 반경)을 일정한 반경의 기존 원통형 도관과 비교했습니다. 확장된 구경은 R4/L 확장의 경우 16~55%, R5/L 확장의 경우 9~44%, R6/L 확장의 경우 1~28%의 유량을 크게 증가시킵니다. 전산유체역학(CFD)을 사용하여 시뮬레이션된 흐름 모델을 사용하여 실험 결과를 검증하고 확장했습니다. 유동 경로선과 벽 전단 응력(WSS) 계산을 통해 특정 시뮬레이션에서 유동 분리가 감지되었습니다. 결과는 r6/cm의 구경 확장 속도가 흐름 분리를 최소화하고 저항을 낮추며 흐름을 증가시키는 대부분의 잠재적 응용 분야에 대한 최적의 확장 속도임을 보여주었습니다.

직경이 확장되는 도관을 디퓨저라고 하며 디퓨저의 길이를 따라 압축성 유체(예: 가스)의 압력을 증가시키는 역할을 합니다. 디퓨저는 제트 엔진의 노즐과 같은 응용 분야에서 난류가 있는 제트 엔진, 터보 엔진 및 공기 펌프의 가스를 응축하는 데 사용됩니다1. 인체에서 정맥은 다른 기능, 즉 흐름에 대한 저항을 최소화하기 위해 혈액(비압축성 유체)을 전달하는 디퓨저와 유사한 확장 구경을 가지고 있습니다. 정맥은 심장에서 생성된 대부분의 원동력 에너지가 소비되는 순환의 마지막 부분을 나타내기 때문에 이는 매우 중요합니다. 남은 잔여 에너지(< 5%)는 심장으로 다시 돌아가는 흐름 회로를 완성하기 위해 보존되어야 합니다2,3. 확장형 도관 디자인의 디퓨저 유형은 Poiseuille 흐름에서 더 나은 흐름과 더 낮은 에너지 소비로 기능면에서 전통적인 원통형 디자인보다 우수할 수 있습니다.

전통적인 원통형 디자인이 수천년 동안 사용되었다는 점을 고려하면 흐름을 증가시키기 위해 기본 도관 디자인을 개선하려는 시도는 놀라울 정도로 드물었습니다. 현재 흐름을 증가시키는 데 사용할 수 있는 방법에는 부스터 펌프, 저장 탱크(추가 에너지), 흐름을 최적화하고 과도 현상을 억제하는 밸브 및 서지 탱크와 같은 장치가 포함됩니다. 흐름 변환(압력 수두에서 속도로 또는 그 반대로)으로 인한 에너지 낭비를 최소화하기 위해 사이펀 및 바이패스와 같은 전략도 사용되었습니다. 표면이 연마된 도관은 마찰 손실을 최소화합니다. 구부러짐, 국지적 확장 및 수축이 없는 매끄러운 프로파일은 사소한 손실을 줄일 수 있습니다4,5.

여기에서는 구경이 점진적으로 확장되는 새로운 디자인이 제안되어 원통형 디자인에 비해 유동 저항이 크게 감소합니다. 전체 흐름 저항이 감소하도록 구경을 길이로 조절함으로써 흐름 개선이 가능해졌습니다. 문제는 구경을 확장하면 흐름 분리가 발생할 수 있다는 것입니다. 흐름 분리는 다양한 유체 시스템에서 발생하여 흐름을 방해하고 장치 성능을 저하시킵니다.

실험적 및 수치적 유체 역학의 최근 발전으로 인해 혈관 내벽(즉, 내피)에서 병리학적 현상이 더 잘 밝혀졌습니다. 그 핵심에는 주로 흐름 분리로 인해 발생하는 낮은 WSS가 공통 분모입니다6. 이러한 연구는 후속 수치 흐름 시뮬레이션 연구를 통해 동맥 세그먼트를 3차원으로 재구성하여 수행되었습니다. 의료 영상을 기반으로 한 3차원 혈관 재구성과 결합된 전산유체역학(CFD) 방법을 사용하면 고해상도6,7,8,9,10의 현실적인 경계 조건에서 원하는 혈역학적 매개변수를 계산할 수 있습니다. 동맥의 속도 프로파일에 대한 정확한 생체 내 측정이 불가능하기 때문에 수치 흐름 시뮬레이션이 사용되었습니다.