1. 서 론
최근 외과적 수술의 많은 부분이 복강경 수술(Laparoscopic Surgery)로 진행되며, 이에 따라서 복강경(Laparoscopy) 관련 수술기구의 수요는 점차 증가하는 추세를 보인다. 복강경 수술 시에는 수술 부위에서 발생하는 체액이나 혈액 등의 오염수를 흡입하여 제거하거나, 복강 내부의 세척을 위하여 식염수를 살포하는 기능을 수행하는 복강경용 세척(Irrigation)/흡입(Suction) 기구를 사용한다. Fig. 1에 본 연구대상으로 사용한 시제품과 외국회사 및 국내회사의 기존 제품의 사진을 나타내었다. 기구의 왼쪽은 수술부에 삽입하는 probe 이고, 오른쪽에 조작 밸브가 부착된 손잡이가 있으며, 손잡이 아래쪽에는 튜브가 연결되어 있다. 위에서 두 번째에 위치한 gun type은 probe가 분리된 상태를 보여준다. 손잡이에는 세척용 식염수를 공급하고 복강내의 오염액은 흡입하여 외부로 배출하는 기능을 제어하는 밸브가 부착되어 있어서, 수술하는 의료진의 손가락으로 밸브를 개폐하여 작동하게 된다.
공업용으로 사용되는 일반적인 밸브에 대하여는 많은 연구[1,2,3,4,5,6,7]가 진행되고 있으나, 의료용으로 사용되는 밸브에 대해서는 원찬식 등[8]의 의료용 뇌척수액 제어 밸브에 대한 연구가 있으며, 본 연구 대상인 세척/흡입 기구에 사용되는 밸브는 기능적으로는 유압기기 제어에 사용되는 밸브와 오히려 유사한 기능을 가지고 있다.
현재 많이 사용되는 제품에는 실리콘 튜브를 눌러서 유동통로를 막는 압박식 밸브 구조로 되어 있으나, 이 구조는 누설되기 쉬우며, 누설을 방지하기 위해서는 강한 스프링을 사용해야 하고, 작동 시 손가락에 많은 힘이 필요하게 되어 장시간 수술시 조작감이 떨어지는 등의 불편함이 있어서 개선의 필요성이 있다. 본 연구에서는 작동을 편리하게 하고, 작동하기 위한 힘을 줄여서 손가락의 피로를 줄이는 밸브 구조를 새로이 구상하고, CFD를 사용한 유동해석 결과를 검토하여 설계 압력 조건에 대하여 설계 유량을 만족하는지 검토하고, 요구 조건을 만족하면서 성능이 좋아지는 방향으로 세부적인 형상을 개선하는 것을 목표로 한다.
2. 계산형상
본 연구에서는 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 튜브를 사용하지 않는 밸브(case 1)를 새로 고안하였다. 밸브의 작동은 손가락으로 누르면 열리고, 손가락을 놓으면 스프링의 힘으로 닫히는 방식이다. Fig. 2(a)는 평소 상태의 그림이며, 밸브 버튼이 눌리지 않은 상태로서 모든 밸브가 닫혀져 있는 경우다. 밸브의 왼쪽은 probe가 연결되며 세척의 경우는 세척액의 출구방향이고 흡입시에는 흡입액의 입구방향이다. 각 밸브 버튼의 오른쪽으로는 세척밸브의 입구와 흡입밸브의 출구가 위치한다. Fig. 2(b)는 왼쪽의 세척밸브가 눌려질 때의 그림이며, 파란 실선 방향으로 세척 식염수가 통과하게 된다. 흡입밸브에 의해 통로가 막혀서 파란 점선방향으로는 세척액이 흐르지 않게 된다. Fig. 2(c)는 오른쪽의 흡입밸브가 눌려질 때의 그림이며, 빨간색 실선 방향으로 흡입액이 지나가게 된다. 점선방향으로는 통로가 막혀서 흡입액이 흐르지 않는다.
Fig. 2(b)에서 점선의 화살표가 있는 공간은 흡입 후에는 공기로 차 있게 되고, 세척 시에는 세척액이 채워지게 된다. 그리고 Fig. 2(c)에서 아래 부분의 오른쪽은 막혀있는 통로의 형태이므로 이 공간은 유체가 고여 있거나 재순환하는 영역이 된다. 따라서 비효율적일 것으로 예상되는 부분을 줄이고, 재순환할 것으로 예상되는 영역을 없애기 위하여 수정된 형상의 밸브(case 2)를 설계하였으며, 그 형상을 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 3(a)는 밸브의 아래쪽 내부의 모양을 나타낸 것으로 세척 밸브 실린더의 아래쪽에 흡입밸브 쪽으로 유동이 흐르지 않도록 막기 위한 형상을 추가 하였다. Fig. 3(b)도 같은 형상을 추가하여 구석의 빈 공간으로의 유동을 막도록 하였다. 이렇게 형상을 수정하면 Fig. 3(b), (c)에서 X표를 한 부분에는 유동이 생기지 않게 된다. 밸브 하부를 좀 더 유선형으로 설계를 다시하면 더 좋겠지만, 현재 설계의 틀을 유지하면서 성능을 개선하기 위한 최소한의 변경을 한 것이다.
또한 Fig. 3(a)에서 볼 수 있듯이 Case 2의 경우에 밸브 몸체 좌우로 돌출된 부분이 흡입유동의 경우에 유동을 방해할 수 있기 때문에 돌출부를 최소화하기 위해서 밸브 몸체의 폭을 양쪽으로 0.7 mm 씩 좁게 만든 모델을 Case 3 라하고 이에 대해서도 유동해석을 수행하였다.
Fig. 4에서 Fig. 7까지는 계산에 사용된 probe 부분의 형상을 나타내었다. Fig. 4에는 probe와 밸브가 결합된 형상을 나타내었다. Probe는 내경 3.4 mm, 길이 약 400 mm의 스텐레스 튜브로 제작되었으며, probe 끝부분의 굵기는 내경 4.2 mm이며, 구멍이 뚫려 있고, 또한 8개의 직경 1.6 mm의 작은 구멍이 원주방향으로도 90도 간격으로 뚫려있어서 세척수의 분출 또는 배출물의 흡입이 일어나게 된다(Fig. 5). 원주방향의 구멍은 흡입 시에 불순물이 probe의 끝 부분의 구멍을 막는 것을 방지하기 위한 것이다. Probe의 끝 부분은 직경이 다른 부분보다 약간 큰데, 이 안에는 전기소작 및 절개를 하기 위한 전극(Electrode)이 내장되어 있어서, 필요한 경우 사용할 수 있도록 되어 있다(Fig. 6). Probe는 밸브 몸체가 있는 손잡이 부분과 탈부착이 가능하도록 커플링으로 결합되는데, 유로는 단면적이 약간 큰 튜브로 연결한 것과 비슷한 모양이 된다(Fig. 7).
Fig. 8과 9에는 각각 Case 1, Case 2, Case 3에 대한 세척 및 흡입 밸브가 작동할 때의 밸브부분의 형상을 나타내었다. 밸브 하부의 직육면체 모양의 통로는 높이 4.2 mm, 폭 9 mm, 길이 29 mm 이며, 밸브 몸체와 수직으로 연결되어 있다. 그림에 나타내지는 않았지만, 세척밸브의 입구 쪽에는 직경 4 mm의 튜브가 세척수 공급펌프와 연결되어 있고, 흡입밸브의 출구 쪽에는 직경 6 mm의 튜브가 흡입펌프와 연결되어 있다. 튜브의 총 길이는 두 경우 모두 약 2.2 m 이며, 밸브로부터 약 20 cm는 플렉시블 튜브이고 그 이후는 직관으로 가정하여 격자를 생성하였다.
본 연구에서 개발한 밸브는 평상시에는 닫혀있고, 밸브 버튼을 누르면 완전히 열린 상태에서 사용하게 된다. 따라서 유동해석은 밸브가 완전히 열린 상태라고 가정하고 형상 및 격자를 생성하였다.
3. 해석조건 및 방법
본 연구에서 개발한 밸브는 Gun type과 Straight type 모두에서 사용이 가능하며, 손잡이 형태에 따라서 밸브와 probe가 연결되는 부위의 튜브 각도가 달라진다는 것 밖에는 차이가 없다. 여기에서는 Straight type 을 대상으로 유동해석을 수행하고 결과를 분석해 보도록 한다.
Table 1에 현재 시중에서 많이 사용되는 기존제품의 사양을 기준으로 만든 설계조건을 나타내었으며, 세척의 경우에는 300 mmHg의 차압이 가해졌을 때의 유량이 0.714 LPM 이상이어야 하며, 흡입의 경우에는 200 mmHg의 차압이 가해졌을 때의 유량이 1.227 LPM 이상이 되어야 한다.
Table 1.
Design conditions
| Unit | Irrigation valve | Suction valve | |
| Pressure difference | (mmHg) | 300 | 200 |
| (Pa) | 39,990 | 26,660 | |
| Volume flow rate | (LPM) | 0.714 | 1.227 |
| () | 1.190×10-5 | 2.045×10-5 |
해석에는 Fluent v.15를 사용하여, 정상상태 비압축성 점성 유동 해석을 하였다. 온도는 일정하다고 가정하였다. 레이놀즈 수는 세척 유동의 경우에는 직경 4 mm를 기준으로 했을 때 약 3,790이고, 흡입 유동의 경우 직경 6 mm를 기준으로 했을 때 약 4,340 정도이므로, 전체 유동을 난류유동으로 간주하고 유동해석을 하였으며, 난류 모델로는 Realizable model을 사용하였다[9]. 벽면 조건으로는 벽법칙(Standard wall function)을 사용하였다. 이 경우에 벽에서의 값이 11.63보다 커야 하는 제한으로 인하여 격자의 개수를 아주 많이는 넣지 못하였다. 벽 근처에서 Enhanced Wall Treatment[10]를 사용하는 것을 고려하기도 하였으나, 너무 많은 격자가 필요하였기에 본 연구에서는 사용하지 못하였다.
Probe, 밸브, 튜브를 모두 포함한 전체 형상에 대하여 압력경계조건을 주고 유동해석을 하여 설계유량을 만족하는지 검토하였다. 압력경계조건은 다음과 같이 주었다. 세척밸브 유동해석 시에는 입구인 튜브 끝에서의 압력을 39,990 Pa(300 mmHg)로 주었으며, 출구인 probe의 끝은 대기압(0 Pa)으로 주었다. 흡입밸브 유동해석의 경우에는 입구인 probe의 끝은 대기압(0 Pa)으로 주었고 출구인 튜브의 끝에서의 압력을 -26,660 Pa (-200 mmHg)로 주었다. 작동 유체는 원래 생리식염수를 사용해야 하지만 본 해석에서는 물로 가정하고 모든 해석을 진행하였다. Residual 이 1×10-4 보다 작으면 수렴하였다고 간주하였다.
또한 밸브만을 대상으로 유량을 변화해 가면서 계산하여 유량에 대한 압력강하의 관계를 구하여 비교하여, 세 가지 설계 중에 가장 좋은 것이 어떤 것인지 알아보았다.
4. 해석결과 및 검토
4.1 격자수의 영향
적절한 격자수를 파악하기 위하여 case 1의 경우에 세척유동의 경우에 대하여 격자수를 변화시켜가며 동일한 압력경계조건에 대하여 유량을 계산하였으며, Table 2에 그 결과를 나타내었다.
약 58만개의 격자부터 약 177만개의 격자까지 4가지의 격자에 대하여 유동해석을 수행하였다. 각 격자수에 대하여 밸브부분에서의 최대 종횡비와 체적유량, 밸브에서의 압력손실, 밸브출구 중앙에서의 속도크기를 나타내었으며, 가장 많은 격자수의 결과를 기준으로 체적유량, 밸브에서의 압력손실, 밸브출구 중앙에서의 속도크기에 대한 상대오차를 각각 나타내었다. 격자 생성 시 밸브 부분에서는 종횡비가 최대 4 정도 되도록 제한조건을 주고 격자를 생성하였다. 가장 격자수가 작은 경우를 제외하고는 4.5~4.8 정도의 값을 가지는 것을 볼 수 있으며, 이 종횡비가 계산결과에 큰 영향을 주지는 않을 것으로 판단된다. 두 번째로 작은 약 72만개의 격자의 결과가 가장 많은 약177만개의 격자의 결과와 비교하여 유량은 0.21%, 압력차는 1.94%, 특정지점 속도는 0.63% 정도의 오차를 보이며, 이 정도의 오차범위는 본 연구를 진행하는데 충분히 작다고 판단하였다. 또한 값이 11.63보다 큰 비율이 94.5%로 가장 큰 격자수 72만개가 계산을 수행하기에 충분할 것으로 판단하였다.
흡입유동의 경우에도 비슷한 방법으로, 값이 11.63보다 큰 비율이 90% 이상이 되도록, 격자를 작성하여 계산하였으며, 이때의 격자수는 약 30만개 정도 되었다.
Table 2.
Grid Convergence Test for Irrigation valve of Case 1
4.2 세척 밸브 유동해석
Fig. 8 에 나타낸 세 가지 형상에 대하여 설계압력 조건에 대하여 세척밸브 유동해석을 하였다. Table 3에 유량 및 압력강하에 대하여 비교한 결과를 나타내었다. 유량에 대하여 살펴보면, Case 1의 경우에는 설계유량인 1.190×10-51.926×10-5() 보다 약 62.5% 크고, 그다음 Case 3가 약 62.4%, Case 2의 경우에는 약 61.0 % 큰 결과를 보인다. 따라서 세 경우 모두 큰 차이는 없이 모두 설계압력 조건에서 설계유량을 60%이상 크게 만족하는 것을 알 수 있다. 또한 전체 압력차 39,990 Pa (300 mmHg)에 대하여 밸브부분만의 압력손실을 구하여 표에 나타내었으며, 총 압력차의 약 10% 이내를 차지하고 있음을 알 수 있었다. 압력손실은 Case 1이 가장 크고, Case 3, Case 2의 순서로 작아진다. 세 경우 모두 계산된 유량은 오차가 1~1.5% 범위에 있고, 압력차는 0.4% 범위 내에 있기 때문에 계산 결과는 오차범위 내에 분포한다고 판단되며, 크게 어느 경우가 좋다고 이야기 하기는 어렵다고 판단된다.
전체적인 압력분포를 검토해 보면, 대략적으로 전체 압력강하의 60%는 튜브에서, 10%는 밸브에서, 30%는 probe에서 발생하는 것으로 파악된다.
Table 3.
Results for Flow analysis of Irrigation valve flow
Fig. 10과 11에 세 가지 경우의 세척밸브의 표면에서의 압력분포와 중심평면에서의 속도벡터를 나타내었다. 세 경우 모두 유로가 90도로 꺾이는 밸브 입구 부분에서 급격한 압력변화와 속도변화가 나타나는 것을 볼 수 있다. Case 1에서는 흡입밸브와의 사이 공간에서 속도가 0이 아닌 재순환 영역이 생기는데 이는 손실이라고 판단하였으며, 흡입 후 다시 세척을 할 때에 이 공간에 세척액이 다시 공급이 되기 때문에 Case 2에서는 이 부분을 막아서 유동이 흐르지 않도록 하였으나, 이로 인하여 유량이나 압력손실 면에서 큰 차이는 없는 것으로 보인다. Case 3의 경우는 압력분포와 속도분포가 Case 2와 크게 다르지 않은 것으로 보인다.
Fig. 12 에는 세척밸브에 대하여 유량과 압력강하의 관계를 그래프로 나타내었다. Case 3 의 경우에 유량에 대한 압력강하가 가장 작은 것을 볼 수 있다. 따라서 Case 3가 가장 좋은 형상이라고 하겠다.
4.3 흡입 밸브 유동해석
Fig. 9 에 나타낸 세 가지 형상에 대하여 설계압력 조건에 대하여 흡입밸브 유동해석을 하였다. Table 4에 유량과 압력강하를 비교하여 나타내었다. 유량은 세 경우 모두 설계 유량보다는 약 10% 이상 큰 것으로 나타났다. 형상의 차이에 의한 유량변화는 크지 않다. 그리고 압력 강하도 세 경우 모두 거의 비슷한 값을 나타내었다. 흡입밸브 유동의 경우에는 밸브에서의 압력강하가 전체의 약 23%를 차지하는 것을 알 수 있다.
Table 4.
Results for flow analysis of suction valve flow
흡입밸브 유동에서는 전체 압력강하의 약 62%가 probe에서 발생하고, 약 23%는 밸브에서, 약 15%는 튜브에서 발생한다. 흡입 튜브의 직경은 약 6 mm로서, 세척 튜브의 직경 4 mm보다 크기 때문에 흡입 튜브에서의 압력강하의 비율이 세척 튜브에 비해서 작아지는 것으로 생각된다. Probe의 경우에는 유동의 방향이 반대가 되기 때문에 압력강하가 달라지는 이유도 있지만, 흡입밸브 유동의 경우가 유량이 더 크기 때문에 압력강하가 더 크게 일어나는 것으로 생각된다.
Fig. 13과 14 에 세 가지 경우의 흡입밸브의 표면에서의 압력분포와 중심평면에서의 속도벡터를 나타내었다. 세 경우 모두 유로가 90도로 꺾이는 밸브 출구 부분에서 급격한 압력변화와 속도변화가 나타나는 것을 볼 수 있다. Case 2에서는 밸브 옆 부분의 돌출된 부분에서 다소간 압력변동이 있는 것을 볼 수 있으며 이 또한 손실의 원인이 된다고 생각한다. 그러나 유로 폭을 줄여서 돌출부 높이를 줄인 Case 3의 결과를 보면 Case 2와 크게 달라지지는 않는 것을 볼 수 있다.
Fig. 15 에는 흡입밸브에 대하여 유량과 압력강하의 관계를 그래프로 나타내었다. 모든 그래프가 거의 겹친것처럼 보이므로 큰 차이는 없으나, 데이터를 확인해 보면 압력강하의 크기는 Case 1 > Case 3 > Case 2 의 순이다. 따라서 Case 2 가 가장 좋은 형상이라 하겠다. 그러나 세척밸브와 흡입밸브는 하나의 부품이기 때문에, 전체적인 설계형상은 Case 3 가 가장 적절하다고 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 복강경 수술에 사용되는 세척/흡입 기구의 밸브를 개발하였으며, 세척 시와 흡입 시의 유동에 대하여 CFD해석을 하여, 밸브에서의 압력강하와 유량에 대하여 고찰하였다.
1.기본 설계된 밸브(Case 1)와 이를 수정하여 설계한 밸브(Case 2, Case 3) 모두 주어진 압력차에 대하여 유량은 설계유량보다 크게 예측되었으므로, 개발된 밸브는 설계조건을 잘 만족한다고 하겠다.
2.기본 설계에서 불필요하다고 생각되는 부분을 없애서 수정 설계를 하였으나 유량이나 압력강하 등의 차이는 1~2% 정도로 큰 차이가 없었으며, Case 3가 비교적 좋다고 할 수 있겠다.
3.유동측면에서 유로가 45도나 90도 꺽어지는 부분의 개수, 유로의 폭이 넓어졌다 좁아지는 부분 등의 형상을 바꾸면 개선의 여지가 있지만, 세척/흡입 기구의 손잡이 모양과 밸브의 작동 방향 등의 구조가 이미 결정되어 있어서, 형상을 많이 바꿀 수가 없었다. 수술기구의 용도와 형태에 따라 유로의 방향과 밸브가 움직이는 방향이 변하는 것과 유로의 모양과 단면적을 고려하여 수정설계가 이루어진다면 좀 더 개선된 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.
4.본 연구에서 대부분의 압력강하는 probe와 약 2 m 길이의 긴 튜브에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서 전체 시스템의 관점에서는 밸브의 최적설계보다 probe의 설계 개선이나 튜브에서의 압력강하를 줄이는 방향을 고려하는 것이 더 효율적일 수도 있겠다.
5.본 연구에서는 Gun-type과 Straight-.type에 공용으로 사용되는 밸브에 대하여 유동해석을 하였으며, 향후에는 여러 가지 형태의 세척/흡입 기구의 설계에 대한 유동해석을 계속하여 수행할 예정이다.
6.벽법칙을 사용하는 Realizable 난류모델을 사용하여 유동해석을 하였기에 격자를 충분히 많이 넣고 계산하지는 못하였다고 생각된다. 향후 격자를 더 많이 넣을 수 있는 난류모델을 사용하여 좀 더 정밀한 계산을 할 수 있기를 기대한다.
