Patient-specific coupled CFD–DEM modelling of LDL-surrogate deposition in a middle cerebral artery bifurcation

뇌졸중은 여전히 전 세계적으로 성인 장애와 사망의 가장 치명적인 원인 중 하나로 남아 있으며, 이는 종종 뇌 혈관 내부에 지방 침착물이 쌓이는 느리고 조용한 과정에서 비롯됩니다. 죽상경화증이라고 불리는 이 축적 현상은 저밀도 지질단백질, 즉 LDL 입자가 동맥의 내벽에 달라붙으면서 발생합니다. 수십 년 동안 의사들과 과학자들은 혈류가 어떻게 흐르는지를 관찰함으로써 이러한 위험한 침착물이 정확히 어디에 형성될지 예측하려고 노력해 왔습니다. 그들은 혈액이 혈관 벽에 가하는 마찰력, 혈액이 소용돌이치는 속도, 그리고 한 곳에 머무는 시간 등을 측정하는 도구들을 개발했습니다. 이러한 측정값들은 어떤 동맥 부위가 위험한지를 식 \계하는 표준적인 방법이 되었습니다. 그러나 이러한 도구들은 혈류를 복잡한 3차원 공간을 이동하는 개별 입자들의 집합체가 아니라, 매끄러운 물의 층으로 취급하며 혈관의 표면만을 바라본다는 한계가 있습니다.

리즈 대학교 연구진의 새로운 연구는 표면 측정만으로는 플라크가 형성되는 위치를 예측하기에 충분하다는 생각에 이의를 제기합니다. 연구팀은 단순히 흐름을 관찰하는 대신, 환자의 실제 뇌 동맥을 통과하는 수천 개의 개별 LDL 입자를 추적하는 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들은 유체 운동 모델과 각 입자를 튕겨 나가거나, 미끄러지거나, 벽에 달라붙을 수 있는 별개의 객체로 취급하는 방법을 결합했습니다. 이 접근 방식을 실제 환자의 중대뇌동맥에 적용함으로써, 연구진은 동맥의 형태 자체가 혈류만큼이나 입자가 안착하는 위치를 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이들의 연구 결과는 두 동맥 구역이 거의 동일한 혈류 조건을 가지고 있더라도, 입자를 포착하는 데 있어서는 매우 다르게 행동할 수 있다는 점을 시사하며, 이는 전통적인 방식으로는 완전히 놓칠 수 있는 세부 사항입니다.

연구진은 뇌의 동맥 네트워크 중 특정 분지, 즉 하나의 주요 혈관이 두 개의 작은 가지로 갈라지는 Y자형 접합부에 초점을 맞추었습니다. 현실 세계에서 이 구역은 흔히 폐쇄가 발생하는 지점이지만, 과학자들은 왜 혈류가 동일하게 보임에도 불구하고 어떤 가지는 다른 가지보다 더 많은 침착물을 모으는지 설명하는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 의료 스캔 데이터를 사용하여 환자의 동맥을 디지털 트윈으로 만들었습니다. 그런 다음 그들은 혈액이 물보다 걸쭉하고 다르게 행동한다는 점을 고려하여 혈액이 혈관을 통해 어떻게 움직이는지를 먼저 계산하는 복잡한 시뮬레이션을 실행했습니다. 흐름이 확립된 후, 그들은 혈류 속에 LDL을 나타내는 1만 개 이상의 아주 작은 컴퓨터 생성 입자들을 주입했습니다. 이 입자들은 단순히 수동적인 표식이 아니었습니다. 시뮬레이션은 입자들이 벽과 충돌하는 방식과 미세한 인력에 의해 벽에 달라붙는지 여부를 포함한 물리적 상호작용을 추적했습니다.

결과는 놀라운 비대칭성을 드러냈습니다. 연구진은 동맥을 세 구역, 즉 분리가 일어나는 주요 접합부, 왼쪽 가지, 오른쪽 가지로 나누었습니다. 예상대로 주요 접합부는 입자 충돌이 가장 많이 발생했는데, 이는 해당 구역이 느리고 낮은 마찰력을 가진 넓은 면적을 가지고 있다는 사실과 일치합니다. 하지만 두 가지를 자세히 살펴보니 다른 이야기가 나타났습니다. 왼쪽과 오른쪽 가지는 거의 동일한 혈류 조건을 가지고 있었습니다. 혈액의 속도는 비슷했고, 벽에 가해지는 마찰력도 거의 같았습니다. 그럼에도 불구하고 오른쪽 가지가 왼쪽보다 훨씬 더 많은 입자를 포착했습니다. 실제로 오른쪽 가지는 혈류 지표상으로는 왼쪽만큼 안전해야 함에도 불구하고, 전체 시뮬레이션에서 발생한 모든 입자 충돌의 거의 절반을 차지했습니다.

이러한 불일치는 현재의 의학적 평가가 가진 결정적인 한계를 보여줍니다. 혈관 벽의 평균 마찰력이나 혈류 진동과 같은 표면 측정값에 의존하는 표준 도구들은 이 상황을 제대로 파악하지 못합니다. 이 시뮬레이션에서 그러한 도구들은 두 가지 모두 플라크가 생길 가능성이 동일하다고 예측했을 것입니다. 그러나 새로운 방법은 오른쪽 가지의 물리적 형태가 표면 측정으로는 감지할 수 없는 방식으로 입자들을 벽 쪽으로 밀어내고 있음을 보여주었습니다. 연구진은 혈관의 기하학적 구조가 입자들을 오른쪽 가지로 밀어 넣는 미묘한 3차원 전류를 만들어낸다는 것을 발견했는데, 이는 혈관 표면만을 볼 때는 보이지 않는 메커니즘입니다.

사용된 입자 크기 때문에 발생한 우연한 결과가 아님을 확인하기 위해, 연구팀은 입자 크기를 두 배로 키워 시뮬레이션을 반복했습니다. 결과는 동일했습니다. 오른쪽 가지가 입자 충돌을 계속해서 주도했고, 왼쪽 가지는 상대적으로 깨끗하게 유지되었습니다. 이러한 일관성은 이 패턴이 입자의 특정 크기가 아니라 동맥 자체의 기하학적 구조에 의해 유도된다는 것을 확인시켜 주었습니다. 또한 이 연구는 주요 접합부가 전반적으로 입자 축적에 있어 가장 활발한 구역임을 보여주었지만, 오른쪽 가지의 예상치 못한 우세함은 국소적인 형태가 표준적인 혈류 지표를 압도할 수 있음을 증명했습니다.

이 발견의 함의는 컴퓨터 모델을 넘어 확장됩니다. 연구진은 의사가 환자의 뇌졸중 위험을 평가할 때, 혈류 계산을 위한 배경이 아니라 혈관의 구체적인 기하학적 구조를 독립적인 요인으로 고려해야 한다고 제안합니다. 환자는 표준 보고서에서 안심할 만한 혈류 수치를 보일 수도 있지만, 만약 그 동맥에 급격한 곡선이나 특이한 분기점이 있다면, 그 혈관은 여전히 높은 비율로 입자를 가두고 있을 수 있습니다. 혈관의 물리적 형태를 위험 평가에 통합함으로써, 임상의들은 자칫 간과될 수 있는 고위험 환자들을 잠재적으로 식별할 수 있습니다. 이 접근 방식은 기존의 방법을 대체하는 것이 아니라, 혈류에 대한 2차원적 관점에서 인체 내부에서 입자가 실제로 어떻게 행동하는지에 대한 더 완전한 이해로 나아가는 중요한 세부 정보를 추가하는 것입니다. 연구는 표면 지표가 유용하기는 하지만 그것이 전부가 아니며, 차단이 어디에서 왜 발생하는지를 진정으로 이해하기 위해서는 숨겨진 혈관 형태의 영향력을 반드시 고려해야 한다고 결론짓습니다.