유체-구조 상호작용 기법을 이용한 일회용 약물주입기의 성능 예측 = Performance Prediction of Disposable Drug Infuser Using Fluid- Structure Interaction Techniques

국문 초록 (Abstract)

약물주입기는 현재 고가의 약물주입펌프가 지닌 일부 기능, 즉 약물을 일정하게 공급하는 기능을 갖추고 있으며, 약물주입펌프보다 저렴하고 작고 가벼운 특징을 지니고 있다. 또한, 일반 정맥주사기에 비해 향상된 기능을 갖고 있으며 정맥 주사기보다 사용이 용이하므로 약물주입펌프와 정맥주사기 시장을 일부 점유하거나 새로운 시장을 창출할 수 있는 제품이다.
가장 널리 사용되는 약물주입기들은 약물을 담는 주머니의 탄성력을 이용하여 주머니 속에 들어있는 약물의 압력을 높이고, 일정 시간동안 지속적으로 약물을 공급할 수 있도록 개발되었다. 이러한 약물주입기들은 주머니 내부에 들어있는 약물의 부피에 따라 약물 주입속도가 서로 다른 특징을 가졌고, 환자의 자세가 바뀌거나 운동을 하는 경우, 약물 주입속도가 크게 변하였다. 이러한 문제를 최소화하기위해 기존의 제품은 주머니의 탄성력을 높여서 압력을 높이고, 가능한 일정한 유속이 나타날 수 있도록 보조기구를 설치하였다. 이 제품은 약물주머니의 모양에 따라 내부의 압력이 어떻게 달라질 것인지에 대한 예측이 불가능하였기 때문에 대부분 장시간의 시행착오 끝에 제작되었으며, 제품 개발을 위해 상당한 비용과 시간이 소요되었다. 또한 제품의 질이 균일하지 못한 단점을 지니고 있다.
개발 비용을 줄이기 위한 방법으로 탄성체 또는 유체의 힘과 흐름을 해석할 수 있는 기존의 전산 모의실험 기법이 설계에 적용된 바 있으나, 실제 제품은 탄성체와 유체 그리고 기구부가 복합적으로 이루어져 있어서 모의 실험 결과는 실제 제품의 특징을 반영하지 못했다. 따라서 유체-구조 상호작용 기법을 활용하여 유체와 구조물(탄성체와 기구부)을 동시에 고려한 해석을 수행함으로서 위와 같은 문제점을 해결하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fluid-structure interaction (FSI) occurs when a fluid interacts with a solid structure, exerting pressure on it which may cause deformation in the structure and thus alter the flow of the fluid itself. Drug infuser’s silicone which behave large deformation are sensitive to the dynamic load. Drug is main factor for the drug infuser’s silicone behavior. Thus, it is adequate to consider fluid-structure interaction to analyze drug infuser. In this paper, I applied FSI analysis considering fluid - structure interaction on drug infuser. ADINA as finite element analysis program is used for dynamic analysis of structure and fluid analytical results. As compared with FSI and product’s performance, I find that methods of improvement in drug infuser’s performance.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구배경 = 1
• 2. 연구 목적 및 내용 = 3
• Ⅱ. 유체-구조 상호작용(Fluid-Structure Interaction) 기법 = 4
• 1. FSI coupling method = 4
• 1) Iterative FSI coupling method = 6
• 2) Direct FSI coupling method = 6
• 2. CFD code의 지배 방정식 = 9
• Ⅲ. 약물주입기 유동 해석 = 12
• 1. 제품 3차원 모델링 = 12
• 2. 유한요소모델 구성 = 15
• 1) 해석 프로세스 구축 모델 = 15
• 2) Benchmarking model #1 = 18
• 3) Benchmarking model #2 = 21
• 3. 유동해석결과 = 24
• 1) 해석 프로세스 구축 모델 = 24
• 2) Benchmarking model #1 = 28
• 3) Benchmarking model #2 = 30
• 4) Mock-up model #1 = 32
• 5) Mock-up model #2 = 36
• Ⅳ. 실험계획법을 이용한 설계 최적화 = 38
• 1. 실험계획법 = 38
• 2. 다구찌 방법 = 38
• 3. 변수설계 = 39
• 4. 인자수준 및 직교 배열표 = 41
• 5. 실험 방법 = 41
• 6. 실험 결과 분석 = 42
• Ⅴ. 결론 = 46
• 참고문헌 = 47
• Abstract = 48
• 감사의 글 = 49