Natalia Trayanova 교수의 연구에서 심장의 물리적 특성, 생리적 특성을 적용하는 Step은 꽤 정밀하고 복잡한 과정으로 이루어져 있는데요. 이 과정은 심장이 수축하고 혈액을 펌핑하는지에 대한 과정을 기반으로 하며, 이를 위해 여러 수학적 모델과 방정식이 사용되고 있습니다. 아래는 이러한 과정의 실제 예시를 설명한 것입니다.
1. 심장의 근섬유 방향과 탄성
심장의 근육은 특정한 방향으로 정렬된 파이버라고 하는 근섬유(fibers)로 이루어져 있습니다. 이 섬유들은 심장이 수축할 때 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 심장벽의 근섬유는 나선형으로 배치되어 있고, 이는 심장이 혈액을 펌핑할 때 강력한 수축을 가능하게 합니다. 이러한 근섬유의 방향과 탄성은 심장의 수축력과 기능에 직접적인 영향을 미칩니다.
Trayanova 교수의 모델은 심장 근섬유의 방향과 탄성 특성을 반영하여 심장의 수축을 시뮬레이션합니다. MRI 데이터를 통해 각 환자의 심장 근섬유 방향을 파악하고, 이를 모델에 반영함으로써 개별화된 심장 수축 모델을 구축합니다. 예를 들어, 특정 환자의 심장 근육이 정상보다 덜 탄력적이라면, 그 환자의 심장이 어떻게 수축하고 혈액을 펌핑할지를 정확하게 예측할 수 있습니다.
2. 혈류 역학과 Navier-Stokes 방정식
심장 내부의 혈액 흐름, 즉 혈류 역학은 심장 기능에 매우 중요한 요소입니다. 심장이 수축할 때 혈액은 심장의 여러 방을 통과하며, 이 과정에서 혈액의 유속, 압력, 흐름 패턴 등이 결정됩니다. Trayanova 교수의 연구에서는 이러한 복잡한 혈류를 모델링하기 위해 Navier-Stokes 방정식이 사용됩니다.
Navier-Stokes 방정식은 유체의 움직임을 설명하는 기본적인 수학적 모델로, 유체의 속도, 압력, 밀도, 점성 등의 물리적 특성을 통합하여 유체 흐름을 예측합니다. 심장의 경우, 이 방정식은 심장 내에서 혈액이 어떻게 흐르는지, 예를 들어 좌심실에서 대동맥으로 혈액이 어떻게 펌핑되는지를 정확하게 모델링하는 데 사용됩니다.
3. 실제 적용 예시: 심부전 환자의 디지털 트윈 모델
심부전 환자의 경우, 심장 근육이 약해지거나 탄성이 저하되어 정상적인 펌핑 기능을 수행하지 못하는 경우가 많습니다. 이러한 환자에게서 Trayanova 교수의 디지털 트윈 모델을 적용하면, 심장이 어떻게 수축하고 혈액을 펌핑하는지를 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.
예를 들어, 심부전 환자의 디지털 트윈 모델은 그 환자의 심장이 어떤 식으로 수축하며, 혈액이 좌심실에서 대동맥으로 나가는 동안 혈류 패턴이 어떻게 변화하는지를 시뮬레이션합니다. Navier-Stokes 방정식을 사용하여 이러한 혈류를 모델링함으로써, 특정 치료가 환자의 심장 기능을 어떻게 개선할지를 사전에 평가할 수 있습니다. 만약 약물이나 수술이 필요하다면, 그 치료가 심장에 미치는 영향을 미리 예측할 수 있어, 치료 결과를 최적화할 수 있습니다.
4. 결론
이와 같은 수학적 모델링과 생체역학적 특성의 적용은 디지털 트윈 심장 모델을 더욱 정밀하고 유용하게 만들어 주는데요. 환자 맞춤형 치료가 가능해지고, 고위험 시술의 안전성을 높일 수 있게 되었습니다. Trayanova 교수의 연구는 이러한 첨단 기술을 통해 심장 질환 치료에 있어서 새로운 길을 열고 있습니다.