12·공학교육

공학기술특집

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(전) Drexel University Ph. D.(현) 전북대학교 공과대학 기계설계공학부관심분야: 혈액유동, 생체유체

혈액점도와 심뇌혈관질환

정 진 무전북대학교 기계설계공학부 교수 jmjung@jbnu.ac.kr

심뇌혈관질환의 정의 및 발병 원인

최근 우리나라는 서구화된 식이패턴 변화 및 신체활동

저하 등의 생활습관으로 인하여 성인들의 심뇌혈관질환

발병률이 계속해서 증가하는 추세이다. 통계청 자료에 의

하면, 심장질환과 뇌혈관질환은 악성종양 다음으로 우리

나라 사망원인 2위, 3위를 각각 차지하고 있는 것으로 발

표되었다(그림 1). 특히, 남성은 50대 중반, 여성은 60대

중반을 지나면서 심뇌혈관질환에 의한 사망률이 크게 증

가한다고 보고되고 있다.

심뇌혈관질환은 심장, 뇌 및 이와 연결된 주요 동맥에

서 발생하는 질환을 통틀어서 일컫는데, 우리에게 많이

알려진 협심증, 심근경색증, 뇌졸중 등이 심뇌혈관질환에

속한다. 심뇌혈관질환은 심장에 산소와 영양분을 공급

해주는 통로인 관상동맥과 뇌로 가는 혈액의 주요 통로

가 되는 경동맥에서 주로 발생하는 것으로 알려져 있다.

어떠한 이유에서든 심장과 뇌에 적절한 산소와 영양분이

그림1.통계청2014년사망원인순위[1]

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공급되지 못하면, 기능 장애가 초래되어 생명유지와 직결

되는 위험한 상황을 만들 수 있다.

그렇다면, 어떤 경우에 심장이나 뇌에 산소와 영양분

이 충분히 공급되지 못할까? 가장 대표적으로 혈액의 통

로인 혈관 내부의 직경이 줄어드는 경우를 꼽을 수 있는

데, 이는 다음과 같은 메커니즘을 통해서 일어난다.

1) 우리에게 흔히 알려진 고혈압이 장기간 지속되면,

혈관 근육은 점점 두꺼워져 결국은 탄력을 잃고 딱딱해

지게 된다.

2) 탄력을 잃은 혈관은 수축기와 이완기 사이의 다이

나믹한 혈압 변화에 능동적으로 대처하지 못하게 되고,

결국 혈액 유동을 흐트러뜨리게 된다.

3) 흐트러진 혈액 유동에 영향을 받아 질량이 큰 LDL

콜레스테롤 (Low-density lipoprotein cholesterol)과

같은 기름 찌꺼기가 혈관벽에 쌓이기 시작한다.

4) LDL 콜레스테롤이 쌓이는 위치에서 염증 반응에

의한 세포 증식이 일어나게 되면, 마치 죽과 같이 물컹물

컹한 죽상 동맥경화반(Plaque)이 형성되면서, 결국 관상

동맥이나 경동맥의 내부 직경을 좁아지게 만드는 원인이

된다.

(그림 2)에서 보는 것처럼, 혈관벽에 생성된 동맥경화반

표면은 Thin cap이라 불리는 얇은 막에 의해 둘러 쌓여

져 있다. 갑작스런 운동이나 자극에 의해서 혈압이 높아

지거나 혈류량이 증가할 경우, Thin cap은 쉽게 파열될

수 있는 위험성을 항상 내포하고 있다. Thin cap의 파열

을 시작으로 동맥경화반이 터지게 되면, 우리 몸은 이를

상처로 인지하여 혈액응고기전이 즉시 발현된다. 아이러

니하게도, 상처 치유를 위한 혈액응고기전에 의해서 혈

관 안에 혈전(피가 굳어진 덩어리)이 생성되게 된다. 이처

럼 갑작스레 생성된 혈전은 결국 동맥을 막아 심장이나

뇌로 공급되는 혈류량을 급격히 감소시키거나 아예 혈액

유동을 불가능하게 만든다. 이러한 위험한 상황이 심장

에 혈액을 공급하는 관상동맥에서 발생하면 심근경색증,

뇌에 혈액을 공급하는 경동맥에서 발생하면 뇌졸중이라

부른다.

통계에 의하면, 심근경색증 환자 10명 중 2명 이상이

전혀 사전 통증을 느끼지 못한 채 질환이 발생한다고 알

려져 있다. 이처럼 심근경색증이나 뇌졸중 같은 심뇌혈

관질환의 경우, 별다른 통증이나 선행증상 없이 갑자기

발생하는 특성으로 인해서 생명에 위협이 될 수 있는 위

중한 상황을 야기할 수 있다. 현재 임상에서는 심뇌혈관

질환 발병 관련 주요 위험인자로 나이(고령화), 성별(남

성), 고혈압, 고지혈증, 당뇨, 비만, 흡연 등이 많이 알려

져 있다.

혈액점도의 개념

본 글에서는 심뇌혈관질환 위험인자에 대해 공학적인

측면에서 접근하여, 동맥경화반의 파열 가능성을 물리적

물성 값으로 설명할 수 있는 혈액점도의 개념을 소개하

고자 한다. 물리적으로 동맥경화반이 파열되는 직접적인

원인은 결국 혈관벽에 붙어있는 동맥경화반 혈액유동이

유발하는 힘에 의한 것으로 볼 수 있다. 좀 더 유체역학

적으로 이를 표현하면, 혈액의 유동에 의해 동맥경화반

에 작용하는 전단응력(Shear stress)이 파열의 주요 원

그림2.정상혈관(왼쪽),동맥경화반생성에의해혈관내경이축소된혈관(중간),동맥경화반파열에의해혈액유동이완전히막힌혈관(오른쪽)[2]

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인이 된다. 유체역학에서 다뤘던 전단응력 공식을 가장

간단한 형태로 써보면 다음과 같다.

여기서 τ는 전단응력, μ는 점도, 은 전단율을 의미

한다. 위 공식에서 보는 것처럼 전단응력은 점도와 전단

율에 비례하여 증가한다. 이를 혈관 안에서 흐르는 혈액

에 적용해보자. 전단율은 혈관의 내부 직경 대비 혈액 유

속 변화량으로 표현할 수 있으며, 성인 동맥의 경우 보통

이완기에서 수축기 간 유속변화에 대하여 대략 20~500

s-1 범위에서 전단율이 구현되는 것으로 알려져 있다. 결

국, 전단율을 제외하면, 혈관벽에 붙어있는 동맥경화반

에 작용하는 전단응력 크기에 영향을 미치는 유일한 변

수는 바로 점도임을 알 수 있다.

유체는 전단율 변화에 따른 점도 변화 여부를 기준으

로, 크게 뉴턴성 유체와 비뉴턴성 유체로 구분한다. 물

처럼 전단율 변화에 상관없이 항상 일정한 점도를 가지

는 유체를 뉴턴성 유체라고 부른다. 참고로, 물의 점도

(Dynamic viscosity) 값은 20℃에서 1.002 mPa.s이다.

이와 달리, 토마토 케첩, 페인트, 우유처럼 전단율이 변

함에 따라서 점도가 계속해서 달라지는 유체를 비뉴턴성

유체라고 부른다.

재미있는 사실은 혈액은 바로 비뉴턴성 유체라는 것이

다. 심장이 수축기와 이완기를 반복하는 동안 혈관을 흐

르는 혈액의 유동속도는 주기적으로 바뀌게 되고, 그에

따라 전단율이 계속해서 변화한다. 이러한 전단율 변화

에 따라 혈액의 점도도 일정하지 않고 계속해서 달라지

는 거동을 보인다 (그림 3). 표 1은 성인의 혈액점도 정상

범위를 일예로 보여주고 있다. 전단율에 상관없이 남성

그림3.전단율변화에따른물의점도변화(파란선)및혈액의점도변화(빨간선)그래프[3,4]

표1.혈액점도정상범위[5]

전단율 (s-1)혈액 점도 정상 범위 (Central 95% percentile) (mPa.s)

전체 남성 여성

1 18.36~35.68 23.15~36.45 18.20~27.36

50 4.32~6.79 4.96~6.97 4.22~5.60

100 3.87~5.96 4.29~6.16 3.77~4.97

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혈액점도와 심뇌혈관질환

혈액점도가 여성 혈액점도보다 항상 높게 나타나는 특징

을 보인다. 또한, 전단율이 커질수록 점점 혈액점도 값이

작아지는 비뉴턴성 유동 특성을 확인할 수 있다. 참고로,

혈액점도 정상범위는 나라, 성별, 나이, 혈액학, 혈액생화

학 등 여러 요인에 의해 조금씩 차이가 날 수 있다.

결과적으로, 동맥 내 형성된 동맥경화반의 파열 위험

을 예측하기 위해서는 연속적으로 변화하는 전단율에

대해 정확하게 혈액 점도 값을 측정하는 것이 주요 관

건이 된다. 비뉴턴성 유체의 점도를 측정할 수 있는 방

법으로는 Rotational type, oscillating type, falling

ball type, capillary type, MEMS-based type 등 여

러 가지 기술들이 알려져 있다. 그 중에서 점도 측정 원

리 및 기능적 특수성으로 인해 혈액 점도 측정에는 주로

Rotational type, capillary type, MEMS-based type

등이 사용되어 왔으며, 각각의 측정 원리를 소개하면 다

음과 같다.

혈액점도 측정 원리

회전식점도계(Rotationalviscometer)

회전식 점도계는 쿠엣 유동(Couette flow)을 측정원리

로 하는 점도 측정기술이다. 챔버 내에 점도를 측정하고

자 하는 혈액 샘플을 담고, 스핀들(Spindle)을 회전시키

면 스핀들에 연결된 스프링을 통해 회전 시 토크를 측정

할 수 있다. 측정된 토크는 물리적 공식을 이용하여 점도

(Viscosity)로 환산할 수 있다. 회전식 점도계는 지난 30

여년 동안 비뉴턴성 유체의 점도 연구를 위해 전 세계적

으로 많은 연구자들이 사용해 온 대표적인 점도계이다.

초창기에는 공업용 비뉴턴성 유체의 점도 측정에 사용되

었으나, 최근 혈액점도 측정의 중요성이 대두되면서 각종

심뇌혈관질환 연구에 활용되고 있다.

회전식 점도계는 측정 원리 상 한 번 측정 시, 단 하나

의 전단율 값에 대한 혈액점도 측정만이 가능하다. 따라

서, 관심 있는 여러 전단율 범위에서 대해 비뉴턴성 혈액

점도를 측정하기 위해서는 각속도 또는 회전수를 변화시

켜 수차례 반복적인 실험을 수행해야 한다. 또한, 회전식

점도계는 구조상 매 측정 마다 혈액이 묻은 챔버를 측정

자가 직접 손으로 세척해야하는 번거로움이 있다. 이는

임상에서 혈액에 의한 감염 위험이 있어 실제 환자를 진

단하는데 사용할 수 있는 의료기기로 승인을 받지는 못

하는 상황이다. 하지만, 장기간에 걸친 연구자 간 인지도

가 높아 연구목적으로 폭넓게 활용되고 있다.

그림4.회전식점도계[6]

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스캐닝모세관점도계(Scanningcapillaryviscometer)

스캐닝 모세관 점도계는 포이젤(Poiseuille) 유동의 원

리를 이용하여 모세관이 포함된 U-형태의 일회용 튜브

를 이용하여 점도를 측정하는 방법이다. 그림 5에서 보는

것처럼, 일회용 U-튜브는 왼쪽과 오른쪽에 각각 두 개의

수직관이 있으며, 가운데는 수평으로 놓여진 유리모세

관으로 연결되어 있다. 측정하고자 하는 혈액을 왼쪽 수

직관 내 지정된 높이까지 채운 후 밸브를 개방하게 되면,

왼쪽 수직관에 채워져 있던 혈액이 중력에 의해 유리모

세관을 거쳐 오른쪽 수직관으로 이동하기 시작한다. 초

기에는 두 수직관 사이에 혈액 높이차가 커서 혈액이 빠

르게 움직이다가 높이 차가 줄어들수록 점차 움직이는

속도가 느려지게 된다. 이 때, 두 수직관 사이에 혈액 높

이 변화를 광센서를 이용하여 실시간으로 측정하여 수치

적으로 좌우 수직관 사이에 유속변화 및 압력차이 값을

얻을 수 있다. 측정된 유속변화로부터 전단율을 산출하

고, 측정된 압력차이로부터 전단응력을 산출하면, 최종

적으로 점도 값을 얻을 수 있게 된다.

스캐닝 모세관을 이용한 점도 측정기술의 특징은 한

번의 측정으로 넓은 범위의 전단율(1~1,000 s-1)에 대한

혈액점도 프로파일을 얻을 수 있는 점이다. 또한, 혈액이

묻은 일회용 U-튜브는 점도 측정 후 폐기되기 때문에 임

상에서 안전하게 사용할 수 있는 검사기술로 인정받고 있

다. 해당 기술은 현재 한국식품의약품안전처(KFDA)로부

터 의료기기 허가를 획득하고, 보건복지부로부터 신의료

기술로 지정되어 환자의 진료 및 각종 심뇌혈관질환 연구

를 위해 임상에서 활용되고 있다.

MEMS기반점도계(MEMS-basedviscometer)

최근 마이크로 및 나노 제조 기술의 발달로 인하

여 마이크로리터 부피의 혈액만을 이용하여 혈액점도

를 측정하고자 하는 MEMS(Microelectromechanical

systems, 미세전자기계시스템) 기반 혈액 점도 측정 기

술들이 다양하게 소개되고 있다. MEMS 기반 점도계는

주로 마이크로 채널 내로 혈액을 흘려보내면서 전단율

변화에 따른 유속 및 압력 변화를 측정하여 점도로 환산

하는 원리를 적용하고 있다. 이 때, 혈액 유속을 측정하

는 방법으로 마이크로전극을 이용한 전기적 측정 방법,

레이저를 이용한 광학적 측정 방법 등 다양한 기술들이

활용되고 있다.

하지만, MEMS 기반 점도 측정 기술들은 아직까지

는 연구개발 단계에 있으며, 신뢰성 및 유효성 검증을 통

한 의료기기 허가를 획득하지 않은 상황이다. MEMS 기

반 혈액점도 측정기술은 향후 혈액점도의 현장현시진단

그림5.스캐닝모세관점도계[7]

제23권 제2호·17

혈액점도와 심뇌혈관질환

(Point-of-care, POC)을 가능케 할 수 있는 기술로 주

목 받고 있는 상황이다.

결론

본 글에서는 공학적인 측면에서 심뇌혈관질환의 위험

인자로써 혈액점도의 역할을 소개하였으며, 비뉴턴성 유

체인 혈액의 대표적인 점도 측정 기술에 대하여 살펴보았

다. 향후, 혈액점도 개념이 지속적으로 확산되어 임상에

서 환자를 진단하는데 있어 동맥경화반 파열 위험을 보

다 정확하게 예측함으로써 심뇌혈관질환 예방에 보탬이

될 수 있는 기술로 발전하기를 기대해본다. 나아가, 혈액

점도를 컴퓨터 단층촬영(Computed tomography, CT),

자기공명영상(Magnetic resonance imaging, MRI), 초

음파(Ultrasound) 등의 이미징 기술과 융합하여 심뇌혈

관질환에 대한 종합적인 분석 및 진단기술로 발전시킴으

로써 건강한 사회를 지향하는데 보탬이 되기를 바라면서

본 글을 마치는 바이다.

참고문헌

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8. M.A. Burns, N. Srivastava, R.D. Davenport, “Nanoliter

viscometer for analyzing blood plasma and other liquid

samples”, US Patent: 11/235,641, Issued on March 3, 2007.

9. http://www.rheosense.com

그림6.MEMS기반점도계[8,9]