초음파 영상기법과 Microchip에 기반한 혈류역학 및 혈유변학적 특성 측정

Abstract

본 학위 논문에서는 초음파 영상 장치와 microchip을 이용하여 ex vivo 조건에서 혈류역학 및 혈유변학적 특성들을 보다 정확하게 측정하는 시스템을 개발하였다. 혈액이 체외의 환경에 노출이 되면 적혈구 응집이나 모양이 변경되어 혈유변학적 특성들이 바뀌며, 이는 혈유변학적 특성들의 측정을 부정확하게 만든다. 따라서 개발된 시스템은 쥐의 정맥과 동맥을 체외 도관으로 연결하는 모델에 초음파 영상 장치와 microchip을 적용하여 유동 조건에서 다양한 혈류역학 및 혈유변학적 특성들의 변화를 동시에 관측하였다. 먼저, 제 2장에서는 계측장치 중 초음파 영상 장치를 이용한 속도 측정 기법과 적혈구 응집 분석방법을 개선하고 구축하였다. 구체적으로, SIV 기법은 적혈구 응집체에 의해 산란된 초음파 영상을 이용하여 속도를 구하기 때문에 응집체의 분리에 영향을 받는다. 이러한 영향을 분석하고, 영상 처리 기법을 적용하여 SIV 기법의 정확도를 개선시키고, 기존의 Doppler 기법과 비교하였다. 그 후 사람의 정맥 내부의 유동을 측정하였다. 적혈구 응집 정도의 정량화를 위해, 대표 지표를 구하고 당뇨에 의한 지표의 증가를 확인하였다. 제 3장에서는 microchip을 이용한 적혈구 응집, 점도, 유동 속도, 및 압력 등을 측정하는 기법을 적용하여 다양한 조건에서 값들을 측정하였다. Microchip 내부에서 혈류의 속도가 감소함에 따라 발생하는 스페클의 크기를 normalized autocovariance function을 이용하여 측정하고, 이를 통해 적혈구 응집을 정량화 하는 기법을 개발하였다. 그리고 유동 조건을 관측하기 위해 micro PIV 기법을 적용하였다. 이외에도, H 형상을 가진 microchip을 이용하여 다양한 유변학적 상태의 혈액 점도를 전단변형률에 따라 측정하였다. 제 4장에서는 점도를 측정하는 microchip을 이용하여 점도와 속도분포를 동시에 측정하고, 서로의 연관성을 연구하였다. Microchip의 폭이 50μm로 매우 좁아, Fåhraeus-Lindqvist 영향으로 벽면에서도 적혈구의 움직임이 관측 되었다. 점도가 커질수록 속도분포가 뭉툭해지며 벽면에서 큰 속도가 관측되었다. 제 5장에서는 초음파 영상 시스템을 이용하여 맥동 조건에서의 속도분포와 적혈구 응집 정보 사이의 연관성을 연구하였다. Microchip에서의 결과와 같이, 적혈구 응집과 속도분포의 형상은 매우 큰 연관성이 관측되었다. 구체적으로 응집이 증가할수록 속도분포는 뭉툭한 형상을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 혈유변학적 특성들이 유동 분포에 영향을 미친다는 것을 알려준다. 마지막 제 6장에서 초음파 영상 장치와 microchip을 동시에 이용하여, 혈액 유동의 압력, 유량, 점도, 적혈구 응집 및 응집체 분리를 시간에 따라 측정 할 수 있었다. 그리고 dextran 주입에 의한, 급격한 변화를 즉각적으로 감지하였다. 따라서 본 측정 시스템을 이용하여 보다 정확하게 다양한 생물물리학적 인자를 측정할 수 있었으며, 혈액투석과 같은 체외로 흐르는 유동환경에 적용하여 환자의 상태를 관측하는데 정확한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

Hemodynamic and hemorheological abnormalities have been considered as crucial factors in determining the physiological and pathological features of cardiovascular diseases (CVDs), because these factors affect flow resistance and wall shear stress (WSS) in blood vessels. In addition, atherosclerotic lesions occur commonly at locations where blood flow is separated and WSS is highly variable. However, the hemorheological properties obtained under in vitro conditions are somewhat different from the results measured under in vivo conditions due to changes in aggregability and deformability of red blood cells (RBCs) caused by in vitro exposure of blood. Therefore, the accurate measurement of hemodynamic and hemorheological properties is essential for early detection of CVDs and microcirculation diseases. To measure blood flows under various conditions, ultrasound imaging has distinctive advantages such as ease of use, low cost and relatively good spatial resolution. In this regard, speckle image velocimetry (SIV) which applies a cross-correlation algorithm to ultrasound images scattered by RBCs and RBC aggregates was proposed and its measurement performance was improved using an image-enhancement technique (IET). Then, the measurement performance of the developed SIV technique was verified by comparing the centerline velocities obtained by the SIV technique coupled with IET and those measured by an ultrasound Doppler velocimetry. The comparison of centerline velocities exhibits reasonable agreement between the two measurement techniques. It signifies that the velocity information can be measured using the SIV technique with a reasonable accuracy. To check a clinical feasibility of the SIV technique, velocity fields in a human vein were measured successfully using the SIV technique. Since RBC aggregates increase the level of ultrasound backscattering signals (echogenicity), the brightness of ultrasound images represents the extent of RBC aggregation. To quantify RBC aggregation, the ultrasound analysis was conducted under various hemodynamic and hemorheological conditions. A representative index was proposed to detect the hyperaggregation of diabetic blood samples. Besides the ultrasound imaging system, microfluidic devices were adopted to measure hemodynamic and hemorheological properties. For measuring RBC aggregation in the microchannel, speckle analysis was conducted. To accurately monitor the hemodynamic condition, velocity fields of blood flows in the microchannel were measured consecutively using a micro PIV technique. Blood viscosity was measured by monitoring the hydrodynamic condition in microchannel which has two identical side channels connected by a bridge channel. By using these measurement systems, the relation between hemodynamic features and hemorheological properties (blood viscosity and RBC aggregation) was systematically investigated under steady and pulsatile conditions. The blood viscosity and RBC aggregation are highly correlated with the shape parameters of velocity profiles. It can be postulated that the variation of velocity profiles under various conditions may be associated with hemorheological properties at local position of the conduit. Lastly, the developed ultrasound imaging system and microfluidic devices were applied to a rat extracorporeal bypass model, which circulates blood through an extracorporeal loop, to monitor temporal variations of biophysical properties. Hemorheological properties such as the degree of RBC aggregation, and dissociation of RBC aggregates, and hemodynamic properties, including velocity profile and flow rate were measured using ultrasound imaging system. To measure blood viscosity and hydrodynamic balancing pressure with the microfluidic device, a hydrodynamic balancing state was induced in the microchannel by adjusting the injection flow rate of the PBS solution using a syringe pump. The rectal temperature and heart rate were continuously monitored to check the physiological conditions of the rat model. The feasibility and measurement accuracy of the proposed measurement techniques were demonstrated under various conditions. This measurement system would be utilized as a complementary diagnostic modality to monitor the variations in hemorheological and hemodynamic properties under ex vivo conditions such as blood dialysis.