다중성분 혈전 형성 시뮬레이션 모델

초록

본 논문은 혈액을 유동성 유체와 고체 혈전 두 상으로 구성된 다중성분 혼합물로 모델링하고, 10가지 화학·생물학적 종의 전·반응·확산을 결합한 연속 방정식으로 혈전의 시작·전파·안정화 과정을 시뮬레이션한다. OpenFOAM 기반 CFD 구현을 통해 손상 혈관과 미세채널 두 실험 사례를 재현했으며, 시뮬레이션 결과가 실험과 높은 일치성을 보여 장치 설계에 활용 가능함을 입증한다.

상세 분석

이 연구는 혈전 형성을 물리·화학·생물학적 현상의 복합체로 바라보는 통합 접근법을 제시한다. 먼저 혈액을 연속적인 두 상, 즉 선형 점성 유체 상과 고체 혈전 상으로 분리하고, 각 상의 질량 보존식과 운동량 보존식을 다중성분 혼합물 이론에 따라 결합한다. 특히 혈전 상은 변형률-의존 점탄성 모델이 아닌 고체 부피 비율을 변수로 하는 간단한 연속 방정식으로 기술해 계산 효율성을 높였다.

화학·생물학적 종 10가지는 혈소판 활성화, 트롬빈 생성, 피브린 형성 등 핵심 경로를 대표한다. 각각은 대류‑확산‑반응(CRD) 방정식으로 기술되며, 반응 항은 Michaelis‑Menten 형태와 1차/2차 반응식을 혼합해 실제 혈액 내 효소·수용체 상호작용을 근사한다. 반응 속도 상수와 확산 계수는 문헌값과 실험 보정값을 사용했으며, 종 간 상호작용은 소스·소모 항을 통해 강하게 결합된다.

수치 해석은 오픈소스 CFD 플랫폼 OpenFOAM을 기반으로 구현되었다. 유체 흐름은 압축성 없는 Navier‑Stokes 방정식으로 풀고, 혈전 부피 비율은 보존형식의 레벨셋 혹은 VOF 방식이 아닌 별도 스칼라 방정식으로 직접 업데이트한다. 시간 적분은 2차 후진 차분법(BDF2)을, 공간 차분은 2차 중심 차분과 TVD 스키마를 조합해 수치 확산을 최소화한다. 경계 조건은 실제 실험 장치에 맞게 입구 속도 프로파일, 출구 압력, 벽면 무슬립·무확산 조건을 적용하였다.

검증 사례는 (1) 손상된 동맥 모델에서 혈관 내벽 손상 부위에 혈전이 서서히 성장하는 과정, (2) 마이크로채널 내부에 작은 홈(크레비지)이 존재하는 경우 혈전이 국소적으로 축적되는 현상을 다룬다. 두 경우 모두 시뮬레이션이 시간·공간적으로 실험 이미지와 거의 일치했으며, 특히 홈 내부에서 혈전이 급격히 성장하는 비선형 현상을 정확히 포착했다. 이는 다중성분 모델이 국소 흐름 변화와 화학 반응을 동시에 고려함으로써 얻어진 결과라 할 수 있다.

이 모델의 강점은 (가) 혈액 흐름과 혈전 형성을 하나의 연속 체계로 통합, (나) 10가지 종을 동시에 다루어 실제 혈액 응고 경로를 재현, (다) OpenFOAM 기반 구현으로 확장성과 재현성이 높다는 점이다. 반면 제한점으로는 (가) 혈전 물성(탄성·강도)을 단순화했기 때문에 장기적인 혈전 조직 변형을 예측하기 어려움, (나) 반응 파라미터가 실험에 크게 의존해 일반화에 한계가 있다는 점을 들 수 있다. 향후 연구에서는 혈전의 기계적 거동을 비선형 고체 모델로 보강하고, 환자별 혈액 성분 변이를 반영한 파라미터 최적화가 필요하다.