연질관에서의 생물학적 유체역학(Biofluid mechanics in flexible tubes)

전문가 제언

□ 기계공학의 한 장르인 유체역학을 인체에 적용하여 생리학적인 문제를 유체역학적으로 풀어내어 현상을 규명하고 결과를 예측하는 것은 의학과 유체역학의 만남이라고 할 수 있다. 인체의 거의 대부분에는 유체가 흐르고 이것의 흐름은 원론적으로 유체역학을 적용하여 풀 수 있다. 그러나 대부분의 인체 내에서의 유체 흐름은 복잡하고 미묘하게 되어 있어 규명되지 않은 부분이 거의 대부분이고 일부에 대해서만 베일을 벗고 있는 실정이다. 인체에 있어서의 유체 이송은 인체의 혈액을 운반하는 심혈관 시스템의 핏줄(동맥, 정맥)로 유체역학적인 측면에서 수축과 팽창이 가능하고 접힐 수도 있는 연질관으로 피가 흐른다.

□ 폐로 숨을 쉴 때에 공기가 출입하는 기도가 있고 음식을 이송하는 창자의 연동 운동 등이 있다. 유체의 이송과 함께 인체에서 나타나는 현상이 파동의 전달이다. 심장의 맥동에 따라 피가 전달되며 나타나는 주기적인 파동도 있고, 유체의 이송 시에 나타나는 진동도 있으면 인체의 후두에서 나타나는 것과 같이 공기의 흐름으로 성대를 진동시켜 나는 음성이 있다.

□ 심장혈관 시스템은 생물학적으로 중요하고 많은 해석 사례가 있다. 인체에서 나타나는 것으로 핏줄 외부의 압력에 의하여 핏줄이 눌리는 경우(접힘관이라 가정)가 있다. 이것을 스탈링 저항이라 하며 고전적인 모델이다. 대부분의 경우 동맥은 부푼 상태로 단단하게 유지되고 있으므로 눌림에 의한 관 벽의 변형은 아주 작으나 혈압 측정 시와 같이 팔 상단을 전체적으로 눌러 압력을 증가시키는 경우가 이것에 해당된다. 이 경우에 관로 단면적 축소로 인하여 유동 저항은 증가하게 되고 상류와 하류의 압력 차가 커지게 되는 결과를 불러일으킨다.

□ 정맥의 경우 관이 얇고 외부에 작용하는 압력이 작으므로 압력 변화에 비교적 민감하게 작용하여 파손될 수도 있다. 이러한 정맥의 파손은 심장으로 돌아오는 혈액의 흐름을 제한하는 문제를 일으킬 수 있다. 대표적인 예가 기린이다. 기린이 물을 마실 때에 고개를 숙이고 마시게 되므로 관의 외부 압력이 높아지게 되어 경정맥은 심하게 접히게 되어 큰 유동 저항을 일으킨다. 이렇게 많이 접힌 관에 의하여 심장으로 돌아가는 혈액의 양이 감소하면 탄성 점프를 통하여 임계 하한 유동 상태로 심장으로 되돌아가는 혈액 흐름이 생기기 시작한다. 반대로 물을 다 마시고 고개를 들 때에 경정맥 내부의 피는 빠르게 비워질 것이고 이로 인한 내부의 압력 감소로 인하여 접힘이 발생하게 되어 과도한 유량의 초과를 막게 된다.

□ 호흡기 계통에서 기도는 숨을 쉴 때에 공기가 들락날락 하는 통로이다. 공기의 유동에 따라 때로는 씩씩거리거나, 심한 경우는 상부 기도의 막힘까지 이를 수 있다. 그러나 후두에서 일어나는 제어된 소리의 발생은 성대에서의 진동으로 말할 수 있게 한다. 여기서 가장 중요한 인자는 관벽의 유연성으로 표면장력, 탄성력, 공기 유동 등의 영향을 받게 된다. 기도에서 일어나는 특이한 일 중의 하나는 기도를 통하여 액체가 흘러간다. 이 경우에 기도를 막아 가스의 교환이 일어나는 것을 방지하게 된다.

□ 최근 이러한 연구가 많이 이루어짐에도 아직도 많은 미제들이 남아 있다. 복잡성과 관련된 형상의 다양한 범위 그리고 생물학적인 타당성 등으로 인하여 유동-구조 상호작용의 집중적인 연구에도 불구하고 스탈링 저항과 같은 연질관을 지나는 단상 유동에서 불안정성의 발생은 아직도 완전하게 이해되지 못하고 있으므로, 일반적인 관계와 실험에 의한 현상 등을 다룬 좀더 시스템적인 연구가 필요하다.

저자

Grotberg, JB; Jensen, OE

자료유형

원문언어

영어

기업산업분류

정밀기계

연도

2004

권(호)

36

잡지명

ANNUAL REVIEW OF FLUID MECHANICS

과학기술
표준분류

정밀기계

페이지

121~147

분석자

임*생

분석물

• 연질관에서의 생물학적 유체역학.pdf [240,535 byte]

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