소아 혈관외 흐름 증대 전략에 대한 통찰력을 밝히기 위한 비대칭 무밸브 펌프에 대한 실험적 연구

May 16, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22165(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

비대칭 펌핑은 유연한 튜브가 가로 대칭 평면에서 리드미컬하게 압축되는 밸브 없는 펌핑의 하위 범주입니다. 흡입 파이프와 토출 파이프 사이의 비대칭으로 인해 순 펌핑 헤드가 달성됩니다. 비대칭 펌핑은 임피던스 펌핑과 더불어 리바우 효과를 담당하는 주요 메커니즘 중 하나로 간주됩니다. 그러나 비대칭 펌핑의 지배적인 매개변수를 둘러싼 연구는 여전히 부족합니다. 여기서 우리는 혈관외 흐름 증가에 대한 잠재력을 평가하기 위한 목적으로 비대칭 펌프의 성능에 대한 실험적 연구를 수행했습니다. 이를 위해 맞춤형 유연한 라텍스 튜브와 실험 플랫폼이 개발되었습니다. 우리는 다양한 튜브 두께와 핀칭 빈도를 테스트했습니다. 우리의 결과는 성능이 소아 순환 장치의 생리학적 요구 사항 범위 내에 있음을 보여줍니다(~ 1 L/min 및 < 30 mmHg). 우리는 역류가 없고 기계적 단순성으로 인해 순수 비대칭 펌핑이 다른 밸브 없는 기술보다 덜 복잡하고 선택된 심혈관 응용 분야에 유망하다고 결론을 내렸습니다.

무밸브 펌핑 범주에는 밸브 없이 제어된 단방향 흐름을 생성할 수 있는 현상이 포함됩니다. 가장 널리 연구된 무밸브 펌핑 메커니즘 중 하나는 Liebau 효과입니다1. Liebau 펌프는 두 개의 차별화된 세그먼트, 즉 더 넓고 더 팽창 가능한 세그먼트와 좁고 단단한 세그먼트가 있는 직선형 탄성 튜브로 구성된 소형 장치입니다. 더 넓은 부분이 주기적으로 압축되면 더 좁은 부분을 향해 순 흐름이 달성됩니다. 리바우 효과는 임피던스 펌핑과 비대칭 펌핑이라는 두 가지 서로 다른 펌핑 메커니즘의 중첩으로 설명할 수 있습니다.

임피던스 펌핑은 규격 튜브가 견고한 파이프에 연결되어 임피던스에 급격한 차이가 발생하는 회로에서 발생합니다. 이로 인해 압력파는 호환되는 양쪽 튜브 끝에서 강하게 반사됩니다. 또한 핀처는 유연한 튜브 대칭 평면에 배치되지 않습니다. 꼬집음의 결과로 기계적 에너지가 주로 압력의 형태로 유체에 추가됩니다. 이러한 압력파는 핀칭 영역에서 컴플라이언트 튜브의 양쪽 끝을 향해 이동하여 반사됩니다. 핀처가 양쪽 끝에서 등거리에 있지 않기 때문에 반사된 압력파는 서로 상쇄되지 않고 펌핑 효과를 생성하는 압력장을 생성합니다3.

반대로, 비대칭 펌핑에서는 액츄에이터가 순응성 튜브 대칭 평면에 위치하므로 반사된 압력파가 서로 상쇄됩니다. 비대칭 펌핑의 주요 특징은 펌핑을 달성하기 위해 강성 파이프의 수력 저항의 비대칭이 필요하다는 것입니다. 이 분류를 설명하기 위해 그림 1은 길이를 유일한 비대칭 매개변수로 간주하고 펌핑을 달성하지 못하는 예를 포함합니다(그림 1d). 보다 광범위하게는 규격 튜브의 직경, 재질 또는 디자인을 변경하여 비대칭성을 달성할 수 있습니다. 모든 경우에 펌핑 효과는 시스템을 통해 이동하는 펄스 압력파에 의해 생성됩니다. 비대칭으로 인해 순 축 압력 구배가 발생합니다4.

규격 튜빙의 길이에 따른 비대칭성을 보여주는 임피던스 및 비대칭 펌핑. (a) 혼합(Liebau 효과), (b) 임피던스, (c) 비대칭 및 (d) 펌핑 시스템 없음. SP = 대칭 평면.

20세기 중반에 발견된 이후 수많은 연구에서 리바우 펌프(동적으로 복잡한 메커니즘을 갖춘 기계적으로 간단한 장치)의 메커니즘에 대해 설명했습니다. Liebau 펌프의 실제 응용 분야는 심혈관 보조 장치부터 전자 장치까지 다양합니다. 이 현상을 지배하는 기본 원리를 분석하기 위해 Hickerson et al. 5는 핀처 위치, 크기 및 압축 빈도, 경벽 압력, 전신 저항 및 폐쇄 루프의 재료 변화를 포함한 다양한 매개변수에 대한 Liebau 펌핑의 민감도를 실험적으로 입증했습니다. Hickerson과 Gharib6은 압력과 순 흐름의 형성에 필요한 파동 역학을 보여주기 위해 이러한 실험을 계속했습니다. 과도 및 공진 특성에 대한 초음파 측정을 사용하여 대량 응답을 펌프 역학과 연관시켰습니다. Wen 등7은 고성능 전자 시스템의 열 관리를 위한 Liebau 펌프에 대한 실험적 연구를 수행하여 전자 냉각에 대한 타당성을 보여주었습니다. 분석 및 계산 모델링 관점에서 여러 연구에서 운동량과 질량 균형을 해결하기 위해 1차원 접근 방식을 사용하고 실험 결과와 분석 결과를 비교하는 현상을 조사했습니다8,9,10,11. 특히 Avrahami와 Gahrib4는 Liebau 펌프의 완전한 유체 구조 상호 작용 시뮬레이션을 수행하여 파동 펌핑의 기본 물리적 현상을 포괄적으로 설명했습니다. 응용 관점에서 Pahlevan과 Gharib2는 인간 대동맥에서 잠재적인 파동 펌핑 효과에 대한 시험관 내 조사를 수행하여 비대칭 및 임피던스 펌핑의 차이를 보여주고 파동 전파 및 반사가 순응 대동맥에서 펌핑 메커니즘을 초래할 수 있다는 결론을 내렸습니다. . 최근 Davtyan과 Sarvazyan12은 해부학적 크기의 용기를 사용한 실험 설정에서 Liebau 기반 펌핑의 생리학적 타당성을 확인하여 비슷한 크기의 연동 펌프와 비슷한 펌핑 성능을 보여주었습니다.