[물리학-고전역학 2] 05. 혈류역학 1 | Hemodynamics (1)

 

 

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

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순환계 시스템

Circulatory System

 

그림 1. 순환계 시스템 [출처: Wikipedia]

 

 

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.

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순환계의 구성요소

 

그림 2. 순환계의 구성

 

 

 

 

인간의 순환계[그림 2]는 크게 아래와 같은 구성요소를 갖는다.

1. 심장: 온 몸으로 피를 뿜어내는 박동 지점, 기관
2. 피: 혈액, 동물의 몸 곳곳에 산소 등 각종 영양소를 운반하는 액체 상태의 물질로, 주로 순환계에서는 적혈구 집합(혈류)을 의미
3. 혈관: 혈액이 지나는 통로, 심장을 중심으로 흐르는 혈액의 방향 및 역할에 따라 (1)동맥(artery), (2)정맥(vein), (3)모세혈관(capillary) 등으로 혈관이 구분된다.

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그리고 인간의 혈액 순환은 (1)체순환과 (2)폐순환으로 나뉜다.

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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.

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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

 

그림 3. 모세혈관과 폐포-조직세포 간 기체 이동

 

 

• 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.

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혈관

Blood Vessels

 

그림 4. 혈관의 종류

 

 

 

혈관은 혈액이 흐르는 통로로, 혈류역학에서 혈류의 물리적 특성을 결정하는 중요한 요인이 된다. 혈관의 특징을 요약하면 아래와 같다.

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동맥

1. 심장에서 나오는 혈액이 흐르는 혈관으로 심실과 연결
2. 심장박동으로 인해 '밀려 나온' 혈액의 높은 압력을 견딜 수 있도록 혈관벽이 두껍고 탄력성 있게 구성
3. 체내의 깊숙한 곳에 위치함
4. 심실의 수축과 이완으로 인해 혈관 벽에서 파동이 발생하는데, 이것이 맥박임 ⇒ 맥박 수와 심장 박동 수는 서로 일치한다.

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정맥

1. 심장으로 들어가는 혈액이 흐르는 혈관으로 심방과 연결
2. 동맥보다 혈관벽이 얇고 탄력성이 떨어짐
3. 피부에서 보일 정도로 체내 외각에 분포함
4. 혈압이 매우 낮기 때문에, 혈액의 역류 방지를 위해 판막(valve)이 존재함

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모세혈관

1. 동맥과 정맥을 연결하는 혈관으로 조직세포와의 직접적 물질 교환이 발생함
2. 단일한 세포층으로 형성되어 혈관벽이 극도로 얇고 탄력성 또한 거의 없음 ⇒ 혈관의 지름은 약 10마이크로미터로 지름이 대략 8마이크로미터인 적혈구가 겨우 지나갈 수 있을 정도
3. 온 몸에 그물처럼 퍼져있어, 가장 넓은 단면적을 가짐
4. 동맥에서 시작된 높은 혈압은 정맥에서 가장 낮아지는데, 이들의 중간 지점에 위치함으로 모세혈관의 혈압은 오히려 정맥보다 높게 측정됨
5. 그러나 모세혈관의 탄력성은 매우 낮으므로, 모세혈관의 혈액 속도는 정맥보다 더 낮게 측정됨 ⇒ 모세혈관의 낮은 혈류 속도로 인해 적혈구의 물질 교환이 가장 활발하게 이루어진다.

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사람에서 혈관의 부위에 따른 단면적은 아래와 같은 표[표 1]로 정리할 수 있다.

 

표 1. 혈관의 총 단면적

 

혈액

Blood

 

그림 5. 혈액의 구성성분

 

 

혈액은 혈관을 흐르는 주요한 액체 상태의 구성 물질로 이를 구성하는 핵심성분[그림 5]은 아래와 같다.

1. 적혈구(red blood cell, erythrocytes): 산소와 이산화탄소의 운반
2. 백혈구(white blood cell, leukocytes): 면역 담당
3. 혈소판(platelets): 혈액 응고(clotting)
4. 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.

 

그림 6. 혈액의 응고 매커니즘

 

 

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.

 

그림 7. 혈액의 점도

 

 

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.

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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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