[유체역학] 인공심장의 유체역학적 해석

목차

1. 개요

2. 문제 정의
1) 구성 요소의 정의
(1) 심장의 구성요소
(2) 혈액의 구성요소
(3) 인공심장 제원
2) 공학적 문제 정의

3. 논리적 해결방안을 이용한 접근
1) 인공심장의 동력을 구한다.
2) 상황에 따른 서로 다른 조건 일 때에 동력을 구한다.

4. 최종 결과
1) 인공심장의 동력을 구한다.
2) 상황에 따른 서로 다른 조건 일 때에 동력을 구한다.

5. 토의

6. 참고 문헌

본문내용

량을 대상자의 전체 체표면적으로 나눈 수치이다.
심장지수(CI) = 심박출량(L/분) / 체표면적(㎡)
심장지수는 체표면적 1㎡에 대해 분당 심박출량을 표현한 것이다.
심장지수의 정상 범위는 2.4~4.0L/분이다. 심박출량은 좌심실에 의해 분출되어 전신순환으로 들어가는 혈액량을 기초로 한다.
정맥(veins)은 이 속을 지나가는 혈액의 압력이 낮고 흐름의 속도도 느리므로 벽은 동맥처럼 두껍지 않고 탄력성도 적으며 혈관 속공간의 지름은 같은 수준의 동맥보다 크다. 정맥도 굵기에 따라 대형정맥(large veins), 중형정맥(medium-sized veins), 소형정맥(small veins)으로 나누는데 동맥의 경우처럼 서로 사이에 뚜렷이 구별되는 구조를 지니고 있지는 않다. 대형정맥(large veins)에 속하는 것은 몸의 정맥혈이 다 돌고 나서 마지막에 심장으로 되돌아 들어가는 위대정맥(superior vena cava) 및 아래대정맥(inferior vena cava)과 여기로 모여드는 큰 정맥이고 중형정맥(medium-sized veins)은 그 다음으로 가늘어진 정맥인데 팔 다리에서 흔히 볼 수 있는 피부 밑의 정맥이 이 수준의 정맥에 속한다. 소형정맥(small veins)은 동맥의 경우처럼 모세혈관 바로 다음에 이어지는 정맥으로서 흔히 세정맥(venules)으로 불리운다.
비교적 큰 정맥 속에는 군데군데 정맥판막(venous valves)이 있어 피의 역류를 방지하고 있는데 이러한 판막은 특히 다리에 많고 일부 목에서도 관찰된다. 정맥은 때로 그 속공간이 매우 넓어져 정맥동굴(venous sinus)을 이루는 경우가 있는데 머리뼈 속에는 이러한 정맥동굴이 많이 있다.
(2) 혈액의 요소
정상 성인의 총 혈액량은 약 4~6L로서 체중의 6~8% 정도에 해당된다. 그 중에서 약 42~47%는 혈액의 공형성분인 적혈구, 백혈구, 혈소판으로 구성되어 있으며 혈액의 나머지 53~58%는 혈장이라 불리는 액체성분으로 되어 있다. 혈장이 90%가 물이며 7%단백질, 3%기타성분으로 구성되고 종합적으로 정상인의 혈액 평균 밀도는 1.060*10³ 이다.
(3)인공심장의 제원
한국형 인공심장 (AnyHeart)전기구동식, 일체형, 완전 이식형, 양심실 박동펌프로서 자기 심장을 보존하면서 복벽과 같은 이소성 이식 (heterotopic implantation)이 가능하도록 독특한 구조를 가지고 있다.
<대한해부학지와 제 36권 제 4호 2003>
구조적인 제원은 넓이 (width) 145.7 mm, 두께 (thickness)166.8 mm, 높이(height) 71.8 mm, 무게 800 gm, 전체 용적(volume) 600 cc , 최대박출량 (maximum stroke volume) 75 cc, 펌프구동량 8 L/min이다.
2) 공학적 문제 정의
심장은 1분에 72회를 뛰며 1회 움직일 때 70 cc를 방출한다. 1분엔 5,040 mL/min (약 5L)를 방출하며 1초엔 84 mL/s 를 방출한다. 혈액의 밀도는 1.060*10³ 이며, 질량유량은 나가는 것과 들어오는 것이 같다 즉, 혈액이 심장에서 대동맥으로 나갔으니 신체 순환을 한 후 대정맥으로 같은 양이 들어오는 것 이다. 심장의 일, 동력을 구하려면 시스템의 정한 뒤 정상유동에 대한 1차원 에너지 방식을 이용하여 동력을 구한다.
<자체 제작>
심장을 시스템 전체로 정하고 대동맥, 대정맥의 단면적, 유량(혈액)의 속도를 구한다.
3. 논리적 해결방안의 이용한 접근
1) 인공심장의 동력을 구한다.
심박수의 1회 혈액의 속도
1초 = 84 mL/s
유량 (Q)
대동맥 단면적 (지름 3 cm 평균적 수치)
대정맥 단면적 (지름 4.5 cm 평균적 수치)
대동맥, 대정맥의 압력
정상유동에 대한 에너지 방식을 적용하여 문제를 해결한다.
2) 상황에 따른 서로 다른 조건 일 때에 동력을 구한다.
인공심장의 동력을 정의 할 때는 혈압의 수치, 심박수를 평균적으로 분포하여 동력을 구하였으나, 사람에 따라 혈압의 수치, 심박수를 달리 구성하여 Excel 로 계산하였다.
4. 최종 결과
1) 인공심장의 동력을 구한다.
정상유동 에너지 방식에서 삭제되는 구성요소를 미리 제거 한 뒤
신체내부이기 때문에 내부에너지 u(온도), 높이z, 단열이기 때문에 는
제거 된다.
단위를 W로 하기 위해서
, 이므로
위에 식을 계산하면
∴ 이다.
2) 상황에 따른 서로 다른 조건 일 때에 동력을 구한다.
Excel 로 계산한 인공심장의 동력
인간의 신체온도는 36℃ ~ 40℃ 까지 계산하여, 신체온도가 1℃ 증가 할 때 마다 심박수는 약 8회 증가하는 걸로 하여 계산 하였다.
5. 토의
처음 설계 과제를 받았을 때 주제를 무엇으로 정할 것인가를 많이 고민 하였다. 조원끼리 많은 토의를 한 결과 인공심장의 유체역학적인 해석을 주제로 정하게되었다. 우선 구성요소와 제원 등을 인터넷과 책, 논문 등을 통해 자료를 얻었지만 설정한 계의 범위가 너무 작아서 구하는 것이 쉽지 않았고, 유체역학적 문제를 만드는 것도 그리 쉬운 일은 아니었다. 그리고 인공심장이 피를 온 몸에 순환시키기 위해 필요한 일은 유체역학의 식들을 사용하여 구하였다.
일반적인 주제가 아니라서 자료수집에 어려움이 많았다. 인체는 너무 수치적으로 표기하기에 힘든 대상이었기 때문이다. 나이에 따라 환경, 그때의 기분이나 건강상태에 따라 변동수치가 컸다. 그래서 평균적인 수치로 구하였다. 하지만 수치의 크기가 너무 작아 조금만 변하여도 상대적인 변화가 너무 커져 조금 힘든 점이 있었다.
6. 참고문헌
ㆍ 기계 유체역학: 문제해설/ 국가기술시험연구회[편]/ 일진사
ㆍ http://bme.snu.ac.kr/hospital/reserch/R%26D/2_2_1.htm 인공심장 구성요소
ㆍ http://kref.naver.com/doc.naver?docid=3554730 인공심장 제원
ㆍ 유체역학/ Munson, Okiishi, Young/ 제5장 유동해석/ 교보문고
ㆍ (기초) 유체역학/ 박이동/ 보성각
ㆍ 유체역학: 이론요약, 문제해설/ 한현수/ 크라운 출판사

키워드

인공심장,   심장,   혈액,   유체역학,   유체,   혈류동역학,   혈류역학,   혈류