Effect of Left Ventricular Assist Device Pulsatility Mode and Cannula Angle on Aortic Blood Flow Characteristics, Blood Renewal Efficiency, Hemolysis, and Platelet Activation

심부전은 심장 근육이 몸의 나머지 부분으로 충분한 혈액을 펌프질할 만큼 약해지는 상태를 말합니다. 많은 진행성 질환 환자들에게 유일한 치료법은 심장 이식이지만, 기증 장치의 심각한 부족으로 인해 대부분은 다른 해결책을 기다려야 합니다. 여기서 좌심실 보조 장치, 즉 LVAD가 등장합니다. 이것을 심장의 주요 챔버(심실)가 하는 일을 대신하여 혈액을 몸 밖으로 밀어내는 기계적 펌프라고 생각하면 됩니다. 이러한 장치들이 수많은 생명을 구해왔지만, 완벽하지는 않습니다. 대부분의 현대적 버전은 지속적으로 회전하며 일정하고 끊김 없는 혈류를 만들어냅니다. 이는 리듬감 있는 맥박을 치는 자연스러운 심장과는 매우 다릅니다. 이 지속적이고 매끄러운 흐름은 인체의 주요 동맥인 대동맥 내부에서 문제를 일으킬 수 있습니다. 혈액이 마땅히 움직이고 섞여야 하는 방식대로 움직이지 않기 때문에, 이는 혈전 생성, 혈구 손상 및 기타 합병증을 유발할 수 있습니다.

베이항 대학교와 중국 의학 아카데미의 연구진은 이러한 펌프의 설계와 작동이 대동맥을 흐르는 혈액에 정확히 어떤 영향을 미치는지 이해하고자 했습니다. 그들은 세 가지 특정 요소에 집중했습니다: 펌프의 튜브가 동맥에 연결되는 각도, 펌프가 일정한 흐름으로 작동하는지 아니면 심장 박동을 모방하는지, 그리고 환자의 자신의 심장이 다시 강해지기 시작할 때 어떤 일이 일어나는지입니다. 실제 환자의 해부학적 구조를 바탕으로 구축된 정교한 컴퓨터 모델을 사용하여, 그들은 다양한 조건 하에서 혈액이 어떻게 움직이는지를 시뮬레이션했습니다. 그들의 목표는 이러한 요인들이 혈액이 동맥 벽에 닿는 방식, 오래된 혈액이 얼마나 잘 씻겨 나가는지, 그리고 혈구 세포가 얼마나 많은 손상을 입는지를 확인하는 것이었습니다.

연구는 펌프가 대동맥에 연결되는 튜브의 각도를 살펴보는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 완만한 경사부터 가파른 굴곡까지 다섯 가지 서로 다른 각도를 테스트했습니다. 그들은 이 각도가 펌프의 분출물이 동맥에 들어갔을 때 혈류의 거동을 결정하는 가장 중요한 요소라는 것을 발견했습니다. 튜브가 더 가파르게 기울어질수록, 혈류는 동맥 내벽을 더 강하게 때리며 혈관 아래쪽으로 더 멀리 이동합니다. 이는 혈액을 심장에서 몸의 각 기관으로 밀어내는 데 도움이 되는 강력한 흐름을 만들어냅니다. 그러나 이 강력한 충격은 혈액이 벽에 부딪히는 특정 지점에서 높은 압력을 발생시킵니다. 반면, 튜브가 더 완만하게 기울어져 있으면 혈액은 심장 상단 근처에서 느리고 원형을 그리는 회전 운동을 하며, 혈액이 너무 오래 머무는 정체 구역을 형성하게 됩니다. 이러한 정체는 위험한데, 왜냐하면 혈전 형성을 촉진하기 때문입니다.

연구진은 펌프를 작동시키는 두 가지 방식을 비교했습니다: 일정한 연속 흐름과 자연스러운 심장 박동을 모방하여 속도가 빨라졌다 느려졌다 하는 맥동 흐름입니다. 그들은 맥동 모드가 혈류에 있어 주기적인 '리셋 버튼' 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 연속 모드에서는 동맥 벽 근처의 느리고 소용돌이치는 혈액 주머니들이 그대로 남아 있어 혈관 표면의 세척이 제대로 이루어지지 않습니다. 맥동 모드는 속도를 계속 변화시킴으로써 이러한 정체된 주머니들을 깨뜨리고 혈액이 더 철저하게 섞이도록 강제합니다. 이는 결과적으로 신선한 혈액이 훨씬 더 효율적으로 교체되는, 훨씬 더 깨끗한 동맥을 만듭니다. 또한, 맥동 모드는 혈구 세포에 더 부드럽습니다. 속도가 변하기 때문에, 혈액은 연속 모드에서 발생하는 것과 같은 길고 끊김 없는 고마찰에 노로 노출되지 않습니다. 이는 혈구 세포의 손상을 줄이고 혈전 형성을 시작하는 세포인 혈소판의 활성화를 낮추었습니다.

마지막으로, 연구팀은 장치의 지원을 받는 동안 환자의 자신의 심장이 회복되기 시작할 때 어떤 일이 발생하는지를 시뮬레이션했습니다. 자연적인 심장이 다시 펌프질을 시작함에 따라, 심장은 기계와 힘을 합치게 됩니다. 이는 두 가지 혈류원인 기계와 심장이 서로 맞서 밀어내는 복잡한 상호작용을 만들어냅니다. 연구는 이러한 회복이 전반적인 혈액의 움직임을 개선하여, 기계 단독일 때보다 정체된 구역을 더 잘 씻어내는 데 도움을 준다는 것을 보여주었습니다. 하지만 이는 새로운 종류의 복잡성을 도입하기도 했습니다. 두 흐름이 만나는 지점은 심장 기저부 근처에서 더 많은 소용돌이와 변화하는 패턴을 만들어냈습니다. 전반적인 혈액의 건강 상태는 개선되었고, 혈액 손상은 줄어들었으며 혼합은 더 잘 이루어졌지만, 특정 지점에서의 흐름은 더 무질서해졌습니다.

결과에 따르면 모든 환자에게 적용되는 단 하나의 완벽한 설정은 존재하지 않습니다. 펌프 튜브의 각도를 가파르게 하면 혈액이 몸 전체로 이동하는 능력은 향상되지만 동맥 벽에 가해지는 충격은 커집니다. 맥동 모드는 혈액을 더 잘 세척하고 세포를 보호하지만, 혈액이 움직이는 방식에 더 많은 변화를 일으킵니다. 환자의 심장이 회복됨에 따라, 흐름은 기계와 인간의 힘이 섞인 형태가 되며, 이는 순환을 개선하지만 동맥 내의 움직임 패턴을 변화시킵니다. 연구진은 이러한 장치들을 최적화하려면 이러한 상충하는 효과들 사이의 균형을 맞추는 것이 필요하다고 결론지었습니다. 연결 각도와 펌프의 리듬을 신중하게 선택함으로써, 의사들은 잠재적으로 혈전 및 혈액 손상의 위험을 줄이고, 각 환자의 해부학적 구조와 회복 과정에 맞춘 개별화된 치료를 제공할 수 있을 것입니다.