투석침 각도 및 유동 토출 여부에 따른 투석용 인조혈관 내 비뉴턴 유동 특성에 관한 수치해석 연구 : Numerical analysis for effects of needle angle and injection of blood on the non-Newtonian flow characteristics in the prosthetic graft arteriovenous fistula

국문 초록 (Abstract)

말기 신부전 환자들의 경우 신장 대체 요법이 필요하다. 혈액 투석은 신장 대체 요법 중 가장 널리 사용되는 방법으로, 몸 속의 노폐물을 제거하는 과정이다. 주로 혈액 투석용 동정맥루를 사용하여 투석을 하게 되는데 혈관의 종류에 따라 자가혈관을 사용하는 방법과 인조혈관을 사용하는 방법으로 나눌 수 있다. 효율적인 투석을 위해서는 동정맥루의 개존율을 높이는 것이 중요하며, 이에 따라 혈전 침착, 협착, 내막 증식 등의 합병증을 최소화하여야 한다. 이러한 합병증은 유동 형태와도 관계가 있어 동정맥루 내의 혈류 특성 파악을 통해 동정맥루의 개존율 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 인공 신장기로 흡인, 토출되는 유동의 경우 동정맥루 내 유동 특성의 변화를 유발하므로, 이에 대한 영향을 고려하여야 한다. 그러나 투석침 삽입 방법, 투석량 등 혈액 투석 방법에 대한 연구는 현재까지 후향적인 연구가 이루어져 왔다.
이에 따라 본 논문에서는 비뉴턴 유체 특성을 고려하여 투석침 각도, 혈액의 흡인 및 토출의 영향을 파악하고자 수치해석을 수행하였다. 모든 조건에 대하여 최대 시간 평균 전단응력이 동맥 측 문합부에 발생하는 것을 확인하였으며, 이에 따라 동맥 측 문합부는 유동 조건에 관계없이 합병증의 위험이 높은 것으로 판단된다. 또한 투석침 각도가 5도 이상일 경우, 정맥 측 인조혈관에서도 높은 전단응력이 발생함에 따라 백혈구 및 혈소판의 활성화가 유발될 수 있다. 투석침 각도가 5도 이하일 경우, 정맥 측 인조혈관 및 문합부에서 저 전단응력과 전단응력 방향의 변동이 심한 유동이 발생하므로 혈전 침착 등의 가능성이 높다고 할 수 있으며, 이에 따라 5도 이하의 투석침 각도는 투석 시 피해야 할 것으로 판단된다.
또한 혈액 투석 시 흡인과 토출이 동시에 이루어지는 경우, 정맥 측 인조혈관 내에 저 전단응력 및 높은 교번전단지수가 발생함에 따라 상대적으로 흡인만 이루어지는 경우, 투석을 수행하지 않는 경우에 비해 합병증 발생 가능성이 높은 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For patients with renal failure, renal replacement therapies are needed. Hemodialysis is a widely used renal replacement method to remove waste products. It is important to improve the patency rate of the vascular access for efficient dialysis. Since some complications such as an intimal hyperplasia are associated with the flow pattern, the hemodynamics in the vascular access must be considered to achieve a high patency rate. In addition, the blood flow from an artificial kidney affects the flow in the vascular access. Generally, the clinical techniques of hemodialysis such as the needle angle or dialysis dose have been set up empirically.
In this thesis, a numerical analysis is performed on the effect of the needle angle and injection on the blood flow in the graft. Blood is assumed to be a non-Newtonian fluid. The maximum time-averaged wall shear stress appears at the arterial heel, and a danger of the graft failure exists at the arterial anastomosis for all flow conditions. According to the high time-average wall shear stress value, the leucocytes and platelets can be activated at the bottom of the venous graft when the needle angle is not zero. For a needle angle less than five degrees, there is a low shear and high oscillatory shear index region that appears at the venous graft and the venous anastomosis. Thus, a needle angle less than five degrees should be avoided to prevent graft failure.
If the hemodialysis is performed with injection of the blood flow through the venous needle, the low shear zone with oscillating flow occurs in the graft. Therefore, it is shown that there is higher possibility of the graft failure when the suction and injection is performed simultaneously.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Previous research 4
• 1.3 Objectives and scope of present study 6
• 2. Theoretical background 10
• 2.1 Governing equations 10
• 2.2 Non-Newtonian characteristics of blood 11
• 2.3 Hemodynamic parameters 12
• 2.3.1 Wall shear stress 12
• 2.3.2 Oscillatory shear index 14
• 2.3.3 Relative residence time 15
• 3. Numerical methods 16
• 3.1 Modeling for vascular access and grid independence test 16
• 3.1.1 Modeling for vascular access 16
• 3.1.2 Grid independence test 17
• 3.2 Boundary conditions and simulation method 18
• 3.3 Validation 20
• 4. Results and discussion 29
• 4.1 Effect of needle angle 29
• 4.1.1 Pressure and velocity distribution 29
• 4.1.2 Distributions of wall shear stress 32
• 4.1.3 Distributions of oscillatory shear index and relative residence time 34
• 4.2 Effect of suction and injection of blood 36
• 4.2.1 Pressure and velocity distribution 36
• 4.2.2 Distributions of wall shear stress 38
• 4.2.3 Distributions of oscillatory shear index and relative residence time 40
• 5. Conclusions 58
• References 60
• 국문초록 65