KR101348109B1 - 체외 혈액 순환 장치, 및 심혈관 질환 연구 방법 - Google Patents

Abstract

체외 혈액 순환 장치는 생명체의 동맥에 연결된 제1 튜브, 상기 생명체의 정맥에 연결된 제2 튜브, 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브 각각과 연결된 혈액 저장 용기, 상기 혈액 저장 용기와 상기 제2 튜브의 일 부분 사이를 연결하는 제3 튜브, 및 상기 제3 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정하는 측정 유닛을 포함한다.

Description

체외 혈액 순환 장치, 및 심혈관 질환 연구 방법{APPARATUS FOR EXTRACORPOREAL BLOOD CIRCULATION, AND VASCULAR DISEASES DIAGNOSTIC METHOD}

본 발명은 체외 혈액 순환 장치, 및 심혈관 질환 연구 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생명체의 혈류역학적 특성(hemodynamical properties)을 측정하는 체외 혈액 순환 장치, 및 심혈관 질환 연구 방법에 관한 것이다.

선진국을 중심으로 심혈관 질환으로 사망하는 사례가 크게 증가함에 따라 이와 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 심혈관 질환과 혈액 유동의 연관성이 밝혀지고 있다. 이에 따라 심혈관에서 발생하는 순환기 질환을 진단하기 위한 지표를 구하기 위해, 이들 질환과 관련된 혈액 유동 현상을 해석하고자 하는 연구가 다양하게 진행되고 있었다.

종래의 연구들은 물 또는 적혈구를 주입한 생리 식염수 혼합액을 순환 장치에 흘려주고, 순환 펌프를 이용하여 혼합액의 유동 조건을 변화시켰다. 이러한 조건하에서 혼합액을 이용해 혈류의 유속 변화를 측정하고 이로부터 전단 응력을 유추하는 연구가 진행되고 있었다. 그러나, 혼합액과는 달리 실제 혈액은 유속 변화에 따라 점도가 변화하며, 이로 인하여 속도 분포가 달라져 물이나 혼합액으로 묘사한 흐름과 실제 혈액의 유동은 많은 차이를 보인다.

또한, 종래의 다른 연구를 살펴보면, 생명체로부터 혈액을 채취하고, 이 혈액에 혈액 응고를 방지하는 처리를 한 후, 혈액을 투명한 도관 내부에 흘려줘 혈액 흐름을 연구하는 방법이 있었다. 이 방법의 경우, 혈액의 유동 조건을 손쉽게 변화시킬 수 있으나, 혈액의 유변학적 특성(hemorheological properties) 변화가 문제가 된다. 상세하게, 혈액 응고를 방지하기 위해 혈액에 응고 방지 처리를 하여도 시간이 경과함에 따라 적혈구의 모양이 변하게 됨으로써, 적혈구 응집에 영향을 줘 혈액의 점도와 같은 유변학적 특성이 바뀌게 된다. 따라서 이처럼 전혈을 이용하여 생명체의 체외에서 얻은 지표는 체내 혈액 유동을 분석하여 검증을 하여야만 한다. 그러나, 체내 혈관 내부의 혈액 흐름은 불투명하여 초음파나 MRI 위상 영상법 등 임상용 영상 장치를 이용하여야만 측정이 가능하며, 아직까지 초음파의 투과 한계, 빠른 혈류 속도와 그리고 복잡한 3차원 혈관 형태 등에 기인하여 아직까지 정확하게 혈관 내의 벽면 전단 응력을 구할 수 있을 혈액 유동 정보를 얻지는 못하고 있다. 한편, 종래의 다른 연구는 피부 주위의 혈관을 흐르는 혈액의 경우에는 비교적 측정이 용이하나 혈액의 유속과 맥동 지수(pulsatility index)와 같은 유동 조건을 변화시키기 어려워 유동 조건 변화에 따른 혈류역학적 특성(hemodynamical properties)이나 지표에 대한 연구에는 한계를 가지고 있다.

본 발명의 일 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 심혈관 질환과 관련된 혈류역학적 특성 및 지표에 대한 연구를 용이하게 수행할 수 있는 체외 혈액 순환 장치, 및 심혈관 질환 연구 방법을 제공하고자 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은 생명체의 동맥에 연결된 제1 튜브, 상기 생명체의 정맥에 연결된 제2 튜브, 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브 각각과 연결된 혈액 저장 용기, 상기 혈액 저장 용기와 상기 제2 튜브의 일 부분 사이를 연결하는 제3 튜브, 및 상기 제3 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정하는 측정 유닛을 포함하는 체외 혈액 순환 장치를 제공한다.

상기 제1 튜브에 장착된 제1 밸브, 상기 제2 튜브에 장착되며 상기 혈액 저장 용기와 상기 제2 튜브의 상기 일 부분 사이에 위치하는 제2 밸브, 및 상기 제2 튜브에 장착되며, 상기 제2 튜브의 상기 일 부분과 상기 생명체의 정맥 사이에 위치하는 제3 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 측정 유닛은 광학 현미경과 상기 광학 현미경에 연결된 영상 획득용 카메라, 초음파를 이용한 영상 장비, 및 X선을 이용한 영상 장비 중 선택된 하나를 포함할 수 있다.

상기 측정 유닛은 상기 광학 현미경 및 상기 영상 획득용 카메라를 포함하며, 상기 제3 튜브는 투명한 에프이피(fluorinated ethylene propylene, FEP)로 이루어질 수 있다.

상기 측정 유닛은 상기 초음파를 이용한 영상 장비 및 상기 X선을 이용한 영상 장비 중 선택된 하나를 포함하며, 상기 제3 튜브는 불투명한 재료로 이루어질 수 있다.

상기 제3 튜브의 형상은 협착(stenosis), 동맥류(aneurysm), 또는 분지(bifurcation)와 동일한 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브 각각은 내부에 채워진 헤파린(heparin)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 측면은 상기 체외 혈액 순환 장치를 제공하는 단계, 및 상기 체외 혈액 순환 장치의 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브 각각을 이용해 상기 제3 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 제어하고, 상기 체외 혈액 순환 장치의 상기 측정 유닛을 이용해 상기 제3 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속을 측정하여 맥동 지수(pulsatility index)를 계산하는 단계를 포함하는 심혈관 질환 연구 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 제3 측면은 생명체의 동맥과 상기 생명체의 정맥 사이에 연결된 제4 튜브, 및 상기 제4 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정하는 측정 유닛을 포함하는 체외 혈액 순환 장치를 제공한다.

상기 제4 튜브에 장착된 제4 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제4 튜브의 일 단부에 장착된 제5 밸브, 및 상기 제4 튜브의 타 단부에 장착된 제6 밸브를 더 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 과제 해결 수단의 일부 실시예 중 하나에 의하면, 심혈관 질환과 관련된 혈류역학적 특성 및 지표에 대한 연구를 용이하게 수행할 수 있는 체외 혈액 순환 장치, 및 심혈관 질환 연구 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제3 튜브의 다양한 형상을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 측정 유닛의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 측정 유닛의 다른예를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 생쥐, 토끼, 또는 돼지 등의 생명체(10)의 체외에 위치하여 생명체(10)와 연결되는 장치이며, 제1 튜브(100), 제2 튜브(200), 혈액 저장 용기(300), 제3 튜브(400), 측정 유닛(500), 제1 밸브(600), 제2 밸브(700), 제3 밸브(800) 및 보호 튜브(900)를 포함한다.

제1 튜브(100)는 생명체(10)의 동맥(11)과 혈액 저장 용기(300) 사이를 연결하고 있다. 제1 튜브(100)는 실질적으로 580um의 내경을 가지고 있으며, 피이(polyethylene, PE)등의 수지로 이루어져 있다. 제1 튜브(100)는 내부에 채워진 헤파린(heparin)을 포함하며, 이로 인해 생명체(10)의 동맥(11)과 연결된 제1 튜브(100)의 연결 부분에서 발생할 수 있는 혈액 응고가 방지된다.

제2 튜브(200)는 생명체(10)의 정맥(12)과 혈액 저장 용기(300) 사이를 연결하고 있다. 제2 튜브(200)는 실질적으로 580um의 내경을 가지고 있으며, 피이(polyethylene, PE)등의 수지로 이루어져 있다. 제2 튜브(200)는 내부에 채워진 헤파린(heparin)을 포함하며, 이로 인해 생명체(10)의 정맥(12)과 연결된 제2 튜브(200)의 연결 부분에서 발생할 수 있는 혈액 응고가 방지된다.

혈액 저장 용기(300)는 제1 튜브(100), 제2 튜브(200) 및 제3 튜브(400) 각각과 연결되어 있다. 혈액 저장 용기(300)는 실질적으로 일정량 (예를 들면 100ul)의 혈액 저장 용량을 가지고 있으며, 수지로 이루어질 수 있다. 혈액 저장 용기는 혈전 생성을 억제 시키기 위한 것으로 이것 없이 순환 장치를 구성 할 수도 있다.

제3 튜브(400)는 혈액 저장 용기(300)와 제2 튜브(200)의 일 부분(210) 사이를 연결하고 있다. 제3 튜브(400)는 제1 튜브(100) 및 제2 튜브(200) 각각 대비 더 좁은 내경을 가지며, 실질적으로 100um의 내경을 가지고 있다. 제3 튜브(400)는 투명한 에프이피(fluorinated ethylene propylene, FEP)로 이루어질 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 제3 튜브의 다양한 형상을 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 협착(stenosis) 형상을 나타내고, 도 2의 (b)는 정맥류(varix) 및 동맥류(aneurysm) 형상을 나타내며, 도 2의 (c)는 분지(bifurcation) 형상을 나타낸다.

도 2의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 제3 튜브(400)의 형상은 협착(stenosis), 정맥류(varix) 및 동맥류(aneurysm), 또는 분지(bifurcation)와 동일한 형상을 가질 수 있는데, 제3 튜브(400)를 심혈관 질환이 많이 발생하는 부위와 동일하게 제작하여 심혈관 질환과 관련한 혈류역학적 특성을 분석할 수 있다. 제3 튜브(400)를 제조하는 일례로서, 도 2의 (a) 내지 (c)와 동일한 형상을 가진 튜브 주위에 젤(gel)을 부은 후 이 젤이 굳은 후 튜브를 제거하여 제3 튜브(400)를 제조하거나, micro 채널 제조에 자주 사용되는 PDMS 채널을 이용하여 제조하는데, PDMS 채널은 silicon wafer위에 원하는 형상을 patterning하고 그 위에 PDMS을 부어 micro 구조를 만드는 형식으로 원하는 크기와 형상으로 제조할 수 있다. 다시, 도 1을 참조하면, 측정 유닛(500)은 제3 튜브(400)를 통과하는 생명체(10)의 혈액의 흐름인 혈류(blood flow)의 평균 유속을 측정한다. 측정 유닛(500)은 안착판(510), 물방울(520), 현미경(530), 및 영상 획득용 카메라(540)를 포함한다.

안착판(510)은 제3 튜브(400)의 일 영역(410)이 안착되며, 유리(glass)로 이루어질 수 있다.

물방울(520)은 안착판(510) 상에 위치하며, 제3 튜브(400)의 일 영역(410)을 수용하고 있다. 물방울(520)에 수용된 제3 튜브(400)가 물의 굴절률과 유사한 투명한 에프이피로 이루어짐으로써, 제3 튜브(400)의 원형 단면의 관 형상의 왜곡이 억제된다.

현미경(530)은 제3 튜브(400)의 일 영역(410)에 대응하고 있으며, 영상 획득용 카메라(540)는 현미경(530)과 연결되어 제3 튜브(400)를 통과하는 혈액의 혈류를 촬영한다. 영상 획득용 카메라(540)를 이용해 제3 튜브(400)를 통과하는 혈액의 혈류를 관찰하여 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속을 측정할 수 있다. 상세하게, 영상 획득용 카메라(540)가 촬영한 영상에 입자영상유속계(particle image velocimetry, PIV) 알고리즘을 적용하면 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 측정 유닛의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 측정 유닛의 다른예를 나타낸 도면이다.

한편, 도 3 에 도시된 바와 같이 측정 유닛(500)은 X선을 이용한 영상 장비 이거나, 도 4에 도시된 바와 같이 초음파를 이용한 영상 장비중 선택된 하나를 포함할 수 있다. 이 경우 제3 튜브(400)의 크기에 제한을 받지 아니하며, 재질도 불투명하여도 무방하다. 상세하게, 도 3에 도시된 바와 같이, X-ray를 통하여 영상을 얻기 위해선 X-ray CCD camera가 필요하며 이것을 통하여 얻은 영상에 입자영상유속계(particle image velocimetry, PIV) 알고리즘을 적용하면 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정할 수 있다.

상세하게, 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 transducer에 의해 획득한 초음파 B-mode 영상을 이용하여 입자영상유속계(particle image velocimetry, PIV) 알고리즘을 적용하면 혈류의 평균 유속 혹은 속도 분포를 측정할 수 있다. 초음파로 일반 튜브를 측정하면 튜브에서 발생하는 반사로 인해 오류가 초래된다. 그래서 초음파 측정은 물과 임피던스(impedance)가 비슷한 agarose phantom을 제작하고 이 부분에서 측정을 하면 오류를 줄일 수 있다. 이것의 제작은 아크릴 박스에 구멍을 뚫어서 원하는 형상을 가진 튜브를 끼워둔다. 그리고 agarose powder를 물에 섞어준다. 그리고 agarose powder를 녹이기 위해 가열을 하여 agarose gel을 제작하고 이것을 아크릴 박스에 부어 준 후 굳어 질 때까지 식혀준다. gel이 굳은 후에 튜브를 제거 하면 채널을 가진 agarose phantom이 제작 된다. 그리고 아크릴 박스 바닥에서 반사되어 오는 초음파 신호를 제거하기 위해 바닥에 초음파 흡음체를 둔다. 초음파 측정을 위해서 agarose phantom 윗부분은 물로 채워져 있어야 된다.

다시, 도 1을 참조하면, 제1 밸브(600)는 제1 튜브(100)에 장착되어 있으며, 제1 튜브(100)의 내경의 크기를 조절하여 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속을 제어한다. 일례로, 제1 밸브(600)를 이용해 제1 튜브(100)의 내경을 좁히면 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속은 감소하고, 맥동 지수(pulsatility index)도 감소한다. 여기서 맥동 지수는 혈류의 평균 유속의 파형의 변화를 나타내는 지수이다.

제2 밸브(700)는 제2 튜브(200)에 장착되어 있으며, 혈액 저장 용기(300)와 제2 튜브(200)의 일 부분(210) 사이에 위치하고 있다. 제2 밸브(700)는 제2 밸브(700)가 위치하는 위치에 대응하는 제2 튜브(200)의 내경의 크기를 조절하여 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속을 제어한다. 일례로, 제2 밸브(700)를 이용해 혈액 저장 용기(300)와 제2 튜브(200)의 일 부분(210) 사이에 위치하는 제2 튜브(200)의 내경을 좁히면 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속은 증가하고, 맥동 지수는 지수 함수로 감소한다.

제3 밸브(800)는 제2 튜브(200)에 장착되어 있으며, 제2 튜브(200)의 일 부분(210)과 생명체(10)의 정맥(12) 사이에 위치하고 있다. 제3 밸브(800)는 제3 밸브(800)가 위치하는 위치에 대응하는 제2 튜브(200)의 내경의 크기를 조절하여 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속을 제어한다. 일례로, 제3 밸브(800)를 이용해 제2 튜브(200)의 일 부분(210)과 생명체(10)의 정맥(12) 사이에 위치하는 제2 튜브(200)의 내경을 좁히면 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속은 감소하고, 맥동 지수는 증가한다.

보호 튜브(900)는 제1 밸브(600)와 제1 튜브(100) 사이와 제2 밸브(700) 및 제3 밸브(800) 각각과 제2 튜브(200) 사이에 배치되며, 제1 밸브(600), 제2 밸브(700) 및 제3 밸브(800)의 조작에 의해 제1 튜브(100) 및 제2 튜브(200) 각각에 손상이 발생되는 것을 억제한다. 보호 튜브(900)는 실질적으로 800um의 내경을 가지고 있으며, 실리콘(silicone) 등의 수지로 이루어져 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 심혈관계 질환과 관련된 혈류의 유동 특성 연구에 사용하기 위하여 생명체 내부 혈액 측정과 외부 순환장치의 장점을 결합한 새로운 개념의 체외 혈액 순환 장치이며, 생명체(10) 내부를 순환하는 실제 혈액을 그대로 이용하기 때문에 혈액이 변성하지 않으며, 혈관의 형상을 임의로 변경 할 수 있는 체외 순환 루프(loop)에서 혈액 유동을 측정하기 때문에 체내에 비하여 혈류 측정이 용이하다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 제1 밸브(600), 제2 밸브(700) 및 제3 밸브(800) 각각을 이용하여 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수 변경이 용이함으로써, 혈관에 흐르는 혈액의 속도 분포, 맥동 지수 그리고 적혈구 응집과 같은 다양한 혈류역학적 특성(hemodynamic features of blood flow)과 혈액 유변학적(hemorheological) 변화를 손쉽게 측정 할 수 있다. 즉, 체외 혈액 순환 장치를 이용하여 혈액의 다양한 지표에 대한 연구를 수행할 수 있다.

이하, 도 1, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법에 대하여 설명한다.

우선, 도 1에 도시된 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 제공한다.

상세하게, 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 생명체(10)에 연결한다. 쥐 등의 생명체(10)의 경정맥과 같은 정맥(12)과 대퇴동맥과 같은 동맥(11) 각각에 제2 튜브(200) 및 제1 튜브(100) 각각을 연결하여 생명체(10)의 혈액을 제1 튜브(100), 제2 튜브(200) 및 제3 튜브(400)에 흐르게 하여 혈액의 변성을 방지하고, 생명체(10)의 심장에 의한 맥동성을 유지시킨다.

다음, 체외 혈액 순환 장치의 제1 밸브(600), 제2 밸브(700) 및 제3 밸브(800) 각각을 이용해 제3 튜브(400)를 통과하는 생명체(10)의 혈류의 평균 유속을 제어하고, 체외 혈액 순환 장치의 측정 유닛(500)을 이용해 제3 튜브(400)를 통과하는 생명체(10)의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정하여 맥동 지수(pulsatility index)를 계산한다.

상세하게, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 측정 유닛(500)을 이용해 측정한 연속한 두 개의 영상에 입자영상유속계(particle image velocimetry, PIV) 알고리즘을 적용하여 도 5의 (b)와 같은 속도장 정보를 구한다. 이때, 혈류의 유동의 단면이 변하지 않을 경우 속도 분포가 유동 방향에 따라 일정하기 때문에 보다 정확한 혈류의 속도 분포 정보를 얻기 위하여 유동 방향에 따라 평균을 내어 준다. 여기서, 도 5의 (a)의 영상은 60배 렌즈를 이용한 초고속 카메라를 이용하여 획득하였으며, 도 5의 (b)의 Y축은 제3 튜브(400)의 내경 방향이고 X축이 혈류의 유동 방향을 나타낸다.

이렇게 속도장 정보를 이용하여 도 6의 (a)와 같은 속도 분포를 구할 수 있으며, 일정 시간 동안 획득한 영상 전체에 입자영상유속계 알고리즘을 적용하여 속도장을 측정하고, 데이터 처리를 통하여 시간에 따른 속도 분포를 구한다. 그리고 속도 분포의 중심 값인 최대 속도 값을 시간에 따라 추출하면 도 6의 (b)와 같은 제3 튜브(400)의 중심을 유동하는 혈류의 중심 속도의 변화를 구할 수 있으며 이를 이용하여 맥동 지수 등을 계산 할 수 있게 된다. 여기서, 도 6의 (a)의 X축은 제3 튜브(400)의 내경 방향이고 Y축은 혈류의 속도를 나타내며, 도 6의 (b)의 X축은 시간이고 Y축은 제3 튜브(400)의 중심을 유동하는 혈류의 속도를 나타낸다.

도 7은 상술한 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치에서 제2 밸브(700)를 이용하여 제2 튜브(200)의 내경을 줄였을 때, 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 이에 따른 맥동 지수의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8은 상술한 제1 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치에서 제2 밸브(700)를 이용하여 제2 튜브(200)의 내경을 줄이면서, 제1 밸브(600)를 이용해 제1 튜브(100)의 내경을 줄이거나, 제3 밸브(800)를 이용해 제2 튜브(200)의 내경을 줄였을 때, 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 이에 따른 맥동 지수의 변화를 나타낸 그래프이다.

상세하게, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 밸브(700)를 이용하여 제2 튜브(200)의 내경을 좁혀주면 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속이 빨라지고, 이에 따라 맥동 지수는 지수 함수로 감소하게 된다.

그리고 제1 밸브(600) 및 제3 밸브(800)를 이용하여 제1 튜브(100) 및 제2 튜브(200) 각각의 내경을 좁혀 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수를 제어한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 밸브(600)를 이용해 제1 튜브(100)의 내경을 좁히면 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수는 감소하고, 제3 밸브(800)를 이용해 제2 튜브(200)의 내경을 좁히면 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속은 감소하지만 맥동 지수는 증가한다.

이렇게, 제1 밸브(600), 제2 밸브(700) 및 제3 밸브(800) 각각을 이용하여 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수를 제어할 수 있으며, 이러한 체외 혈액 순환 장치를 이용하여 생체 내부 혈액의 혈류역학적 특성을 그대로 유지한 상태에서 혈류역학적 특성을 용이하게 측정할 수 있으며, 유동 조건을 손쉽게 조절하여 다양한 지표에 대한 혈류역학적 연구를 수행할 수 있다.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법은 체외 혈액 순환 장치에 포함된 제1 밸브(600), 제2 밸브(700), 및 제3 밸브(800) 각각을 적절히 조절함으로써, 제3 튜브(400)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수를 용이하게 변화시킬 수 있기 때문에, 이들 유동 조건 변화가 적혈구 응집이나 속도 분포 변화에 미치는 영향을 연구할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법은 제1 밸브(600), 제2 밸브(700), 및 제3 밸브(800)를 이용하는 동시에, 우회 도관인 제3 튜브(400)의 형상을 협착(stenosis), 동맥류(aneurysm), 정맥류(varix), 분지(bifurcation) 등 심혈관 질환이 많이 발생하는 부위로 형성함으로써, 이들 질환과 관련한 혈류역학적 특성을 자세히 분석할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법은 순환기 질환이나 혈액 유변학적 질환을 가진 동물 모델에 적용하면 관련 질환의 병인(pathology) 규명에 활용할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법은 실제 혈액을 이용하여 혈류 유동과 적혈구 응집 현상을 동시에 관측할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 심혈관 질환 연구 방법은 쥐, 토끼, 돼지 등의 포유류 이외에도 제1 튜브(100) 및 제2 튜브(200)를 연결할 수 있는 식물 또는 곤충에도 적용할 수 있다.

이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제3 실시예 내지 제5 실시예 각각에 따른 체외 혈액 순환 장치를 설명한다.

이하, 제1 실시예와 구별되는 특징적인 부분만 발췌하여 설명하며, 설명이 생략된 부분은 제1 실시예에 따른다. 그리고, 본 발명의 제3 실시예, 제4 실시예, 제5 실시예 각각에서는 설명의 편의를 위하여 동일한 구성요소에 대하여는 본 발명의 제1 실시예와 동일한 참조번호를 사용하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 생쥐, 토끼, 또는 돼지 등의 생명체(10)의 체외에 위치하여 생명체(10)와 연결되는 장치이며, 제4 튜브(403) 및 측정 유닛(500)을 포함한다.

제4 튜브(403)는 생명체(10)의 동맥(11)과 정맥(12) 사이를 연결하고 있다. 제4 튜브(403)는 투명한 에프이피(fluorinated ethylene propylene, FEP)로 이루어지거나, 불투명한 재질로 이루어질 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 심혈관계 질환과 관련된 혈류의 유동 특성 연구에 사용하기 위하여 생명체 내부 혈액 측정과 외부 순환장치의 장점을 결합한 새로운 개념의 체외 혈액 순환 장치이며, 생명체(10) 내부를 순환하는 실제 혈액을 그대로 이용하기 때문에 혈액이 변성하지 않으며, 혈관의 형상을 임의로 변경 할 수 있는 체외 순환 루프(loop)에서 혈액 유동을 측정하기 때문에 체내에 비하여 혈류 측정이 용이하다.

도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 생쥐, 토끼, 또는 돼지 등의 생명체(10)의 체외에 위치하여 생명체(10)와 연결되는 장치이며, 제4 튜브(403), 측정 유닛(500) 및 제4 밸브(704)를 포함한다.

제4 튜브(403)는 생명체(10)의 동맥(11)과 정맥(12) 사이를 연결하고 있다. 제4 튜브(403)는 투명한 에프이피(fluorinated ethylene propylene, FEP)로 이루어지거나, 불투명한 재질로 이루어질 수 있다.

제4 밸브(704)는 제4 튜브(403)에 장착되어 있으며, 제4 튜브(403)의 내경을 조절하는 역할을 한다.

이상과 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 제4 밸브(704)를 이용하여 제4 튜브(403)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수 변경이 용이함으로써, 혈관에 흐르는 혈액의 속도 분포, 맥동 지수 그리고 적혈구 응집과 같은 다양한 혈류역학적 특성(hemodynamic features of blood flow)과 혈액 유변학적(hemorheological) 변화를 손쉽게 측정 할 수 있다. 즉, 체외 혈액 순환 장치를 이용하여 혈액의 다양한 지표에 대한 연구를 수행할 수 있다.

도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치를 나타낸 도면이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 생쥐, 토끼, 또는 돼지 등의 생명체(10)의 체외에 위치하여 생명체(10)와 연결되는 장치이며, 제4 튜브(403), 측정 유닛(500), 제5 밸브(705) 및 제6 밸브(706)를 포함한다.

제4 튜브(403)는 생명체(10)의 동맥(11)과 정맥(12) 사이를 연결하고 있다. 제4 튜브(403)는 투명한 에프이피(fluorinated ethylene propylene, FEP)로 이루어지거나, 불투명한 재질로 이루어질 수 있다.

제5 밸브(705)는 제4 튜브(403)의 일 단부에 장착되어 있으며, 제6 밸브(706)는 제4 튜브(403)의 타 단부에 장착되어 있다. 제5 밸브(705) 및 제6 밸브(706) 각각은 제4 튜브(403)의 내경을 조절하는 역할을 한다.

이상과 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 체외 혈액 순환 장치는 제5 밸브(705) 및 제6 밸브(706) 각각을 이용하여 제4 튜브(403)를 통과하는 혈류의 평균 유속과 맥동 지수 변경이 용이함으로써, 혈관에 흐르는 혈액의 속도 분포, 맥동 지수 그리고 적혈구 응집과 같은 다양한 혈류역학적 특성(hemodynamic features of blood flow)과 혈액 유변학적(hemorheological) 변화를 손쉽게 측정 할 수 있다. 즉, 체외 혈액 순환 장치를 이용하여 혈액의 다양한 지표에 대한 연구를 수행할 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

제1 튜브(100), 제2 튜브(200), 혈액 저장 용기(300), 제3 튜브(400), 측정 유닛(500)

Claims (11)

1. 생명체의 동맥에 연결된 제1 튜브;
   상기 생명체의 정맥에 연결된 제2 튜브;
   상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브 각각과 연결된 혈액 저장 용기;
   상기 혈액 저장 용기와 상기 제2 튜브의 일 부분 사이를 연결하는 제3 튜브; 및
   상기 제3 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정하는 측정 유닛을 포함하는 체외 혈액 순환 장치.
2. 제1항에서,
   상기 제1 튜브에 장착된 제1 밸브;
   상기 제2 튜브에 장착되며, 상기 혈액 저장 용기와 상기 제2 튜브의 상기 일 부분 사이에 위치하는 제2 밸브; 및
   상기 제2 튜브에 장착되며, 상기 제2 튜브의 상기 일 부분과 상기 생명체의 정맥 사이에 위치하는 제3 밸브를 더 포함하는 체외 혈액 순환 장치.
3. 제2항에서,
   상기 측정 유닛은 광학 현미경과 상기 광학 현미경에 연결된 영상 획득용 카메라, 초음파를 이용한 영상 장비, X선을 이용한 영상 장비 중 선택된 하나를 포함하는 체외 혈액 순환 장치.
4. 제3항에서,
   상기 측정 유닛은 상기 광학 현미경 및 상기 영상 획득용 카메라를 포함하며,
   상기 제3 튜브는 투명한 에프이피(fluorinated ethylene propylene, FEP)로 이루어진 체외 혈액 순환 장치.
5. 제3항에서,
   상기 측정 유닛은 상기 초음파를 이용한 영상 장비 및 상기 X선을 이용한 영상 장비 중 선택된 하나를 포함하며,
   상기 제3 튜브는 불투명한 재료로 이루어진 체외 혈액 순환 장치.
6. 제3항에서,
   상기 제3 튜브의 형상은 협착(stenosis), 정맥류(varix) 및 동맥류(aneurysm), 또는 분지(bifurcation)와 동일한 형상을 가지는 체외 혈액 순환 장치.
7. 제2항에서,
   상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브 각각은 내부에 채워진 헤파린(heparin)을 포함하는 체외 혈액 순환 장치.
8. 삭제
9. 생명체의 동맥과 상기 생명체의정맥 사이를 연결하는 제4 튜브; 및
   상기 제4 튜브를 통과하는 상기 생명체의 혈류의 평균 유속 및 속도 분포 중 하나 이상을 측정하는 측정 유닛
   을 포함하는 체외 혈액 순환 장치.
10. 제9항에서,
    상기 제4 튜브에 장착된 제4 밸브를 더 포함하는 체외 혈액 순환 장치.
11. 제9항에서,
    상기 제4 튜브의 일 단부에 장착된 제5 밸브; 및
    상기 제4 튜브의 타 단부에 장착된 제6 밸브
    를 더 포함하는 체외 혈액 순환 장치.

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