Introduction

이 연구에서는 국내에서 널리 사용되고 있는 두 종류의 원심형 혈액 펌프에 대한 성능을 측정하였다. 상용 혈액펌프 A(Capiox, Terumo)는 최대 유량이 낮지만 용혈량이 적은 특징을 갖고 있으며, 상용 혈액펌프 B(Rotaflow, Maquet)는 높은 유량을 얻을 수 있고, 회전자에 축을 사용하지 않고 피벗 베어링을 사용한 특징이 있다. 이러한 두 펌프의 개략적 형상을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 
Shape of (a) commercial blood pumps A and (b) B

펌프를 구동할 동력을 생성하기 위해 회전 속도의 제어가 가능한 교류 서보모터(HG-KR73, Mitsubishi)를 설치하였다. 이 서보모터는 최대 6000 RPM의 회전을 일으킬 수 있다. 정격 출력은 750 W이며, 최대토크는 8.4 N·m이다. 일반적으로 혈액펌프 헤드는 일회용이기 때문에 구동부와 연결이 쉽고, 회전축 주위에서 혈액이 새거나 변성되는 것을 막기 위하여 주로 자력을 이용해 동력을 전달시킨다. 회전자 내부에는 자석이 있어서 모터에 연결된 회전판과 자력으로 연결되어 있는데, 회전자 내부의 자석개수 및 배치는 제조사마다 다르다. 상용 혈액펌프 A는 구동장치와 회전체가 펌프 후방에서 자력으로 구동되지만, 상용 혈액펌프 B는 회전체의 측면에서 자력으로 동력이 전달된다. 이 연구에서는 회전자의 형상에 따라 적합한 모터헤드를 3D 프린터를 이용하여 제작하였다. 혈액 펌프의 자석 배치는 자석을 주변에 가져가면 쉽게 파악될 수 있기 때문에 펌프 별로 모터헤드를 제작해 두고, 필요에 따라 교체하여 펌프를 시험한다. 각각의 펌프를 장착한 모습을 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3 
Supporting plates and magnetic couplings constructed by 3D printing for commercial blood pump A (left) and B (right)

혈액펌프의 성능평가를 위하여 유량, 압력을 측정하는 센서를 부착하였다. 혈액펌프는 보통 1~10 L/min의 유량과 10~100 kPa의 후부하 조건에서 작동하는데, 실험범위에서 측정이 가능한 센서를 사용하여 측정하였다. 또한 토크를 측정하여 이를 액체의 수송에 사용된 동력과 비교하여 펌프의 효율을 평가하였다.

펌프의 압력 수두를 측정하기 위해 펌프의 입구와 출구에 압력 센서를 설치하였다. 펌프의 입구에는 대기압 보다 낮은 압력을 측정할 수 있는 센서(PSHC±001BAPG, 한국센서시스템)와 출구에는 대기압 보다 높은 압력을 측정할 수 있는 센서(PSHC0200RAPG, 한국센서시스템)를 설치하였다. 각각의 센서는 배관의 내경과 유체의 특성에 따라서 완전히 발달된 유동을 측정하기 위하여 약 30 cm의 간격을 두어 설치하였으며, 두 센서 간의 압력 차이가 계산되어 기록되도록 하였다.

유량의 측정을 위하여 회전자를 이용하는 터빈식 유량계(1010-VOS-O, Wintech process)를 사용하였다. 또한 압력차에 따라 무게추의 부유 정도가 달라지는 면적식 유량계를 별도로 설치하여 측정의 신뢰도를 확보하였다.

펌프의 효율을 측정하기 위하여 토크미터(CTCS-20KC, Caskorea)를 장착하였다. 펌프 작동 시 측정되는 토크와 회전수를 바탕으로 가해준 일을 알 수 있으며, 이를 펌프에서 토출되는 유량과 비교함으로서 효율 η를 측정하였다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

위의 식에서 ∆p는 펌프 전, 후의 압력 차이를 나타내며, Q는 유량, T는 회전축에 작용하는 돌림 힘, ω는 각속도를 나타낸다.

제조사에서 혈액을 이용한 데이터를 제시하고 있는 것으로 알려져 있지만, 우리의 실험에서는 혈액 대신 물과 글리세린을 이용하여 혈액펌프의 성능을 측정하였다. 비록 혈액펌프는 혈액을 대상으로 작동하는 펌프이지만, 혈액은 응고와 변성 등의 시료에 따른 가변성이 있고, 혈액을 사용할 경우 실험을 위한 비용이 상승하기 때문에 대안적으로 물과 글리세린의 혼합액을 사용하여 실험하였다. 혈액은 비뉴턴유체로서 전단률에 따라 유효점성(effective viscosity)이 감소하는 shear thinning 특성을 보이며, 그 정도는 적혈구의 양에 따라 변하지만, 체내 순환 시 발생하는 일반적인 전단률(100 s-1)에서 약 3.5 mPa·s으로 물 보다 약 3~4배 정도 높다. 혈액의 밀도 역시 보통의 경우 1,060 kg/m ³으로 물보다 다소 높다. ⁽⁶⁾

이 연구에서는 혈액의 물성치에 따른 펌프 성능의 영향을 정량적으로 분석하고자 물에 글리세린을 섞어 점성과 밀도의 변화에 대한 성능 변화를 측정하였다. 일반적인 혈액과 동일한 점성을 가지는 유체로 질량비 40% 글리세린 수용액을 사용하였으며, 혈액과 동일한 밀도를 갖는 유체는 질량 26% 글리세린 수용액을 사용하였다. 글리세린 비율에 따른 물성치는 Table 1에 제시하였다.

임상에서 원활한 산소공급을 위해서는 심장의 기능을 완전히 대체할 경우 4~5 L/min의 혈류량을 유지할 수 있어야 한다. 따라서 안전하게 펌프를 사용하기 위하여 상용 혈액 펌프는 10~100 kPa의 후부하 조건에서 1~10 L/min의 유량을 만들어낼 수 있어야 한다. 이 실험에서는 펌프의 회전속도와 밸브의 개폐를 통한 관내 저항을 조절하여 생성되는 수두 및 유량을 제어하였다.

구성한 장치를 이용하여 두 가지 상용 혈액펌프의 성능을 시험하였다. 상용 혈액 펌프 A는 최대 3,000 RPM의 회전속도로 작동하며, 사용 혈액펌프 B는 최대 5,000 RPM의 속도로 작동한다. 모터와 펌프 회전체는 자력으로 동력을 주고받기 때문에, 모터와 펌프 로터 사이의 슬립이 발생하는지 확인하기 위해서, 초고속카메라를 이용하여 로터의 회전속도를 확인하였다. 두 펌프 모두 최대 회전 속도에서 모터헤드와 펌프 내 회전자의 회전수가 동일하다는 것을 관측하여 슬립이 없이 동력이 전달되는 것을 알 수 있었다.

혈액펌프장치의 저항을 밸브의 개폐를 통하여 조절함으로서 회전속도가 고정된 조건에서 유량을 조절하였다. 그 결과 펌프의 성능을 판단하기 위한 압력차-유량 데이터를 얻을 수 있었다. 또한 전달된 토크와 실제 토출되는 유량의 비교를 통하여 기계적 효율을 측정할 수 있었다.

구성된 장치를 이용하여 상용혈액펌프의 성능을 측정하였다. 실험 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 실험 중 혈액펌프의 각각의 펌프 형상에 따른 자력전달 방법을 제외한 유체가 출입하는 모든 부분을 동일하게 설계하여, 서로 다른 형상의 펌프에 대한 동일한 환경에서의 작동 성능을 파악하였다. 보다 정확한 비교를 위하여 해당 그래프를 유량계수와 압력계수를 이용하여 무차원화 하였으며, 이에 대한 결과를 Fig. 5에 표시하였다. 본 연구에서 구성한 혈액펌프 성능 평가 장치를 이용하여 동일한 조건에서 두 가지 다른 혈액펌프에 대한 성능 평가가 가능하였다.

Fig. 4 
Performance curves for (a) commercial blood pump A and (b) pump B

Fig. 5 
Dimensionless performance curves for (a) commercial blood pump A and (b) pump B

펌프 작동 시 혈액펌프의 입구는 대기보다 낮은 압력을 갖는다. 이 압력이 상온의 증기압 근처에 이르게 되면 상변화가 발생하여 기포가 생성된다. 이러한 기포는 펌프 성능을 저하시키고, 측정 정확도를 낮추게 된다. ⁽⁷⁾ 물속에 용존되어 있는 공기가 많은 경우 증기압 보다 높은 압력에서도 상변화가 시작될 수 있으며, 발생하는 기포의 양이 증가한다. 이러한 공동현상을 효과적으로 억제하기 위해서 본 연구에서는 작동 전 유체를 진공 챔버에 넣어 용존 공기를 충분히 제거하였고, 이러한 유체를 사용할 경우 공동 현상이 현격히 줄어드는 것을 확인하였다.