혈류: 혈관 내에서 혈액의 이동
혈류역학(hemodynamics): 혈압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 혈류가 발생하는 물리학적 원리를 집중적으로 연구하는 세부 학문
- 혈류역학을 통해 혈액 순환의 흐름에 대해 고찰하고, 이를 물리적으로 조절할 수 있는 방법을 연구함
순환계 시스템
Circulatory System
인간의 순환계(circulatory system)는 인체 외부의 물질(영양) 공급, 제거 및 세포 간의 물질 교환 등을 위한 핵심적인 인체 시스템[그림 1]이다.
- 물질 공급: 영양소 및 산소의 공급
- 물질 제거: 신체의 대사산물(이산화탄소, 기타 배설물) 제거
- 물질 교환: 세포와 세포 간에는 물질의 직접적 이동이 불가능하다. 대신 순환계 시스템을 활용하여 세포들 간의 물질 교환이 이루어 진다.
순환계의 구성요소
인간의 순환계[그림 2]는 크게 아래와 같은 구성요소를 갖는다.
- 심장: 온 몸으로 피를 뿜어내는 박동 지점, 기관
- 피: 혈액, 동물의 몸 곳곳에 산소 등 각종 영양소를 운반하는 액체 상태의 물질로, 주로 순환계에서는 적혈구 집합(혈류)을 의미
- 혈관: 혈액이 지나는 통로, 심장을 중심으로 흐르는 혈액의 방향 및 역할에 따라 (1)동맥(artery), (2)정맥(vein), (3)모세혈관(capillary) 등으로 혈관이 구분된다.
그리고 인간의 혈액 순환은 (1)체순환과 (2)폐순환으로 나뉜다.
체순환
심장으로부터 산소를 공급받은 혈액의 온몸 순환 과정을 체순환이라 한다.
- 경로: 좌심실 → 대동맥 → 온몸 → 대정맥 → 우심방
- 동맥혈: 산소포화도가 높은 혈액, 약 100mmHg(밀리미터 수은주)의 산소분압을 갖는다.
- 정맥혈: 산소포화도가 낮은 혈액, 약 40mmHg의 산소분압을 갖는다.
폐순환
이산화탄소와 노폐물을 받은 혈액이 폐로 이동하여, 기체교환을 한 뒤 다시 산소를 공급받는 과정
- 경로: 우심실 → 폐동맥 → 폐(폐포와 모세혈관 사이의 기체교환)[그림 3] → 폐정맥 → 좌심방
- 기체교환의 기본 원리는 기체의 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다는 점 때문인데, 폐포의 평균 산소 압력(산소 분압, oxygen tension)은 100-110mmHg, 동맥혈은 100mmHg, 정맥혈은 40mmHg, 그리고 조직세포는 0-40mmHg인 수치를 통해 산소 기체의 이동 방향성을 예측할 수 있다.
혈관
Blood Vessels
혈관은 혈액이 흐르는 통로로, 혈류역학에서 혈류의 물리적 특성을 결정하는 중요한 요인이 된다. 혈관의 특징을 요약하면 아래와 같다.
동맥
- 심장에서 나오는 혈액이 흐르는 혈관으로 심실과 연결
- 심장박동으로 인해 '밀려 나온' 혈액의 높은 압력을 견딜 수 있도록 혈관벽이 두껍고 탄력성 있게 구성
- 체내의 깊숙한 곳에 위치함
- 심실의 수축과 이완으로 인해 혈관 벽에서 파동이 발생하는데, 이것이 맥박임 ⇒ 맥박 수와 심장 박동 수는 서로 일치한다.
정맥
- 심장으로 들어가는 혈액이 흐르는 혈관으로 심방과 연결
- 동맥보다 혈관벽이 얇고 탄력성이 떨어짐
- 피부에서 보일 정도로 체내 외각에 분포함
- 혈압이 매우 낮기 때문에, 혈액의 역류 방지를 위해 판막(valve)이 존재함
모세혈관
- 동맥과 정맥을 연결하는 혈관으로 조직세포와의 직접적 물질 교환이 발생함
- 단일한 세포층으로 형성되어 혈관벽이 극도로 얇고 탄력성 또한 거의 없음 ⇒ 혈관의 지름은 약 10마이크로미터로 지름이 대략 8마이크로미터인 적혈구가 겨우 지나갈 수 있을 정도
- 온 몸에 그물처럼 퍼져있어, 가장 넓은 단면적을 가짐
- 동맥에서 시작된 높은 혈압은 정맥에서 가장 낮아지는데, 이들의 중간 지점에 위치함으로 모세혈관의 혈압은 오히려 정맥보다 높게 측정됨
- 그러나 모세혈관의 탄력성은 매우 낮으므로, 모세혈관의 혈액 속도는 정맥보다 더 낮게 측정됨 ⇒ 모세혈관의 낮은 혈류 속도로 인해 적혈구의 물질 교환이 가장 활발하게 이루어진다.
사람에서 혈관의 부위에 따른 단면적은 아래와 같은 표[표 1]로 정리할 수 있다.
표 1. 혈관의 총 단면적
혈액
Blood
혈액은 혈관을 흐르는 주요한 액체 상태의 구성 물질로 이를 구성하는 핵심성분[그림 5]은 아래와 같다.
- 적혈구(red blood cell, erythrocytes): 산소와 이산화탄소의 운반
- 백혈구(white blood cell, leukocytes): 면역 담당
- 혈소판(platelets): 혈액 응고(clotting)
- 혈장(plasma): 혈구(cellular elements)인 적혈구, 백혈구, 혈소판 외 55%를 차지하는 액체성 물질로 (1)물, (2)이온, (3)혈장 단백질 등으로 다시 나뉜다. 특히 혈장 단백질의 프로트롬빈(prothrombin)과 피브리노겐(fibrinogen)은 혈소판과 화학작용을 통해 실제 혈액 응고 매커니즘[그림 6]에 결정적인 인자로 작용한다.
혈류역학에서 혈액에 관한 주요 관심사는 혈액의 점도에 있다.
- 혈액 점도(blood viscosity): 혈관벽에 대한 혈액의 내적 저항으로 겉보기로는 혈액의 끈적임으로 그 정도를 확인할 수 있다.
혈액의 점도는 혈액의 다양한 요소들로 인해 증가하는데, 특히 혈구의 비중이 커질수록 혈액 점도는 더욱 커진다.
- 혈구 중 적혈구의 비중이 클수록 혈액 점도가 특히 커졌고, 이를 반영하는 적혈구용적률(헤마토크릿, hematocrit)에 따라 혈액의 점도는 [그림 7]과 비선형적으로 나타난다.
- 적혈구용적률은 전체 피 성분 중 적혈구가 차지하는 비율로, hematocrit이 높으면 단순히 혈액의 점도만 증가하는 것 뿐만 아니라, 탈수, 모세혈관 누수 등을 의심할 수도 있는 중요한 수치로 활용된다.
순환계 시스템과 실질적인 혈액의 흐름처(處)인 혈관의 기본적 지식을 바탕으로 다음 챕터에서는 혈류(blood flow)의 실질적인 물리량들을 살펴보도록 한다.
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