교신저자：강명구, 602-715 부산광역시 서구 동대신동 3-1  동아대학교 의과대학 이비인후과학교실
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서     론

   부비동염은 부비동 점막의 염증성 질환으로 상기도에 발생하는 가장 흔한 질환이다. 부비동의 정상적인 생리는 부비동의 자연개구부를 통한 환기, 점액섬모운동(mucociliary action), 점막을 통한 산소교환, 점막내의 혈액공급 등이 적절하게 유지되는 것을 말하며,¹⁾ 이러한 정상생리를 방해하는 다양한 원인으로 부비동염이 발생한다. 부비동의 환기는 자연개구부의 크기, 비강의 크기와 모양, 비강내 기류, 부비동의 크기, 점막의 병리적 상태 등과 같은 다양한 인자에 의해 영향을 받는다.^2)3)4)5) 부비동의 환기정도는 부비동의 생리를 평가하는 가장 좋은 기준이 되며, 치료결과를 평가할 수 있는 지표가 될 수 있다. 그러나 비강 및 부비동의 복잡한 해부학적 구조와 비점막의 지속적인 생리적 변화로 인해 부비동 환기에 대한 연구는 현재까지도 객관적이고 정량적인 방법이 확립되어 있지 않다.
   비강 및 부비동의 병변뿐 아니라 부비동 내시경수술 후의 비강 및 부비동의 구조적 변화, 그리고 아데노이드 비대증으로 인한 비인강의 구조적 변화 등은 비강의 기류 및 부비동 환기의 변화를 초래하며, 정상생리에 비해 과도하거나 부족한 환기는 부비동 병변을 유발하거나 악화시킬 수 있다. 본 연구에서는 부비동 환기연구를 위해 전산화단층촬영을 이용하여 비강 및 부비동의 복잡한 해부학적 구조를 반영한 실물크기의 비·부비동 모형을 제작하였다. 제작된 모형을 이용하여 아데노이드 비대증 모형, 사골동절제술을 시행한 모형, 사골동절제술 후 상악동 자연개구부를 확대한 모형, 사골동절제술 후 상악동 자연개구부를 확대하고 중비갑개를 절제한 모형을 만들었다. 그리고 이러한 비강 및 비인강의 구조적 변화가 호흡에 따른 비강 및 부비동의 압력변화폭 즉, 호기시 최고 양압과 흡기시 최저 음압의 차이와 상악동의 환기정도에 어떤 영향을 미치는지를 알아보고자 하였다.

재료 및 방법

비·부비동 모형의 제작
   비과적 증상이 없으며, 이학적 검사 및 방사선학적 소견에서 비·부비동 질환이 없는 키 172 cm, 체중 67 kg의 31세 성인 남자를 지원자로 하였다. 지원자의 전두동 상연에서부터 상악동 하연까지를 두께 1 mm, field 크기 14×14 cm, matrix 512×512로 하여 축상면으로 전산화단층촬영하여 얻어진 84개의 영상파일들을 컴퓨터에 입력하였다. 촬영시 window setting은 window level 150, window width 3000으로 하여 비점막이 균일한 두께로 보이고 부비동의 자연개구부들이 분명히 관찰되게 하였다. 영상에서 골조직을 포함한 연부조직음영과 공기음영 사이의 경계를 Adobe Photoshop(version 4.0.1 K, Adobe Systems Inc., California) 프로그램을 이용하여 표현한 후 Autocad R13(Autodesk Inc., California) 프로그램으로 선형정보를 위치정보로 변환시켜 컴퓨터에 연결된 레이저절단기 NHBM (Hankwang Inc., Korea)으로 1 mm 두께의 투명 아크릴판을 절단하였다. 이러한 과정을 거쳐 단층촬영상의 공기음영 부위가 절단 제거된 아크릴판들을 단층촬영 소견을 보면서 수작업을 통하여 상악동, 전두동, 접형동의 자연개구부를 정확히 확인하면서 차례로 아크릴 접착제로 부착시켜 모형을 완성하였다(Fig. 1). 상악동은 우측 15.3 mL, 좌측 17.6 mL, 전두동은 9.4 mL과 12.5 mL, 접형동은 2.2 mL과 5.7 mL의 크기였다. 모형을 완성한 후 모형의 전산화단층촬영을 시행하여 비강 및 부비동의 해부학적 구조를 잘 보여주고 있음을 확인하였다(Fig. 2).
   동일한 모형에서 비강 및 비인강의 구조가 변형된 모형들을 제작하기 위해 이러한 작업이 용이하도록 모형을 세 부분으로 분리하였다(Fig. 3). 각 부비동의 자연개구부를 막은 후 실리콘을 사용하여 모형의 세 부분을 일시적으로 밀착시키고, 모형의 비인강에 연결된 파형도관(corrugated tube)을 통해 지원자가 입으로 호흡하는 동안 부비동 내의 압력변화가 없는 것을 확인함으로써 아크릴판 사이를 통한 부비동으로의 공기누출이 없음을 알 수 있었다. 비인두 후벽에서 구개후연까지 길이(12.5 mm)의 80%를 폐쇄하는 아데노이드 비대증과 유사한 고무찰흙 덩어리를 모형의 비인두 후벽에 부착시켜 아데노이드 비대증 모형을 만들었다. 사골동절제술 모형은 먼저 구상돌기(uncinate process)를 제거한 후 해부학적 구조를 확인하고, 드릴 작업으로 중비갑개를 보존하면서 전사골동과 후사골동을 차례로 제거하여 완성되었다. 사골동절제술 모형에서 상악동 자연개구부(3×3.4 mm)의 확장은 드릴을 이용하여 직경 1 cm 크기로 만들었고, 중비갑개의 절제는 대부분의 수직부가 포함되도록 시행하였다(Fig. 4).

비강 및 부비동의 압력측정
   모형의 하부에서 좌측 하비도 중앙부와 좌측 상악동으로 연결되는 직경(2 mm)이 동일한 길이 13 mm와 7 mm의 압력검출구를 뚫었으며, 모형의 상부에서 좌측 전두동과 접형동으로 연결되는 동일한 직경(2 mm)의 3 mm와 12 mm 길이의 압력검출구를 만들었다. 호흡에 따른 비강의 압력변화측정시 상악동, 전두동, 접형동의 검출구를 막고, 비강과 연결되는 검출구를 압력감지장치 Deltran II Disposable Pressure Transducer(Utah medical products Inc., Utah)에 연결하여 압력변화를 측정하였다. 각 부비동의 압력변화측정도 동일한 방법으로 시행하였다. 지원자가 구강호흡시 1회 호흡용적이 약 700 mL이 되게 충분한 연습을 거친 후 정상 모형의 비인강에 연결된 길이 20 cm의 파형도관을 통해 신호에 따라 4초를 주기로 편안하게 호흡하면서, 호흡에 따른 비강 및 부비동의 압력변화를 압력감지장치를 이용하여 측정하였다(Fig. 5). 한번 검사시 10회 이상의 편안한 호흡이 가능하였고 휴식시간을 가지면서 5번 반복하여 측정하였다. 아데노이드 비대증 모형, 사골동절제술 모형에서도 동일한 방법으로 호흡에 따른 비강, 상악동, 전두동, 접형동의 압력변화를 측정하였다. 사골동절제술 모형에서 상악동의 자연개구부를 확장한 후 상악동의 압력변화를 측정하였고, 상악동의 자연개구부를 확장한 모형에서 추가로 중비갑개를 절제한 뒤 상악동의 압력변화를 중비갑개 절제 이전과 비교 관찰하였다. 압력신호는 Bridge-Amp(Sarotech inc., Korea)를 사용하여 측정하였으며 데이터획득 시스템 P400(Sarotech inc., Korea)으로 디지털화하여 개인용 컴퓨터에서 저장 및 분석하였다.

상악동 환기의 측정
   좌측 상악동과 연결되는 직경 15.8 mm의 나사구멍을 상악동 저부에 뚫어 산소농도측정기 MiniOX I oxygen analyzer(MSA medical products, Pittsburgh)의 탐지기 Class R-17Med(Teledyne Analytical Instruments, California)를 이 나사구멍에 밀폐되도록 연결하였다. 상악동의 압력감지를 위한 검출구를 통하여 100% 산소를 주입하여 산소농도가 99%에 이른 후, 30초간 더 관류시킨 다음 압력검출구를 막았다. 이후 상악동 자연개구부를 통하여 자연환기 되어 산소농도가 95%에 도달했을 때, 지원자가 모형의 비인강에 연결된 파형도관을 통해 흡기를 시작으로 입으로 호흡하게 하여 산소농도가 25%로 감소될 때까지 호흡횟수에 따른 산소농도를 기록하였다. 환기정도를 대변하는 산소농도의 반감기는 최초산소농도가 100%이고 최종농도가 21%에 수렴한다고 가정하고 계산하였다. 호흡횟수를 시간으로 환산한 다음, 21＋79(1/2)^t/τ식에서 τ를 1에서 100까지 0.1초 단위로 계산하여 최소오차점의 값을 반감기(T_1/2)로 하였다. 아데노이드 비대증, 사골동절제술 모형에서도 동일한 실험방법으로 10회씩 실험하였으며, 사골동절제술 후 상악동 자연개구부를 확장한 모형, 그리고 이 모형에서 다시 중비갑개의 대부분을 절제한 후에도 10회씩 동일한 실험을 하였다.

통계 분석
   실험결과의 비교분석은 정상 모형과 아데노이드 비대증 모형에서의 결과를, 그리고 정상 모형과 사골동절제술을 시행한 모형에서의 결과를 각각 비교 분석하였다. 또한 사골동절제술을 시행한 모형에서 상악동 자연개구부를 확대하기 전·후를 비교하였고, 사골동절제술 후 상악동 자연공을 확대한 모형에서 중비갑개를 절제하기 전·후를 비교하였다. 호흡에 따른 압력변화폭은 student t-test를 이용하였고, 상악동의 환기 즉, 산소농도가 95%에서 25%로 감소하는 동안의 호흡횟수와 산소농도 반감기는 Mann-Whitney U test를 이용하였다. 모든 통계처리는 SPSS software(SPSS, Chicago, Illinois)를 이용하였고, p-value가 0.05 미만인 경우를 통계적으로 의미 있는 것으로 분석하였다.

결     과

   정상 모형의 비강과 부비동에서 흡기시에는 음압이, 호기시에는 양압이 측정되었다. 시간당 호흡횟수(15회/분)는 검사시 마다 차이가 없었고, 호흡에 따라 고른 압력곡선을 나타내었다(Fig. 6). 40회 이상의 측정에서 호흡에 따른 최고 양압과 최저 음압의 평균과 표준편차는 각각 비강에서 1.66±0.09 mmH₂O와 -1.67±0.11 mmH₂O, 상악동에서 1.72±0.08 mmH₂O와 -1.45±0.06 mmH₂O, 전두동에서 1.65±0.08 mmH₂O와 -1.46±0.10 mmH₂O, 그리고 접형동에서 1.65±0.09 mmH₂O와 -1.31±0.08 mmH₂O였으며, 호흡에 따른 압력변화폭은 비강, 상악동, 전두동, 접형동 순으로 나타났다. 상악동의 환기측정에서 산소농도가 95%에서 25%로 떨어질 때까지의 평균호흡횟수(RN_95-25)는 정상 모형에서 30.5±1.84회였으며, 산소농도의 반감기는 35.7±4.11초였다.
   아데노이드 비대증과 유사한 비인강의 부분폐쇄 모형에서 전두동과 접형동의 압력변화폭은 정상 모형에 비해 각각 의미 있는 차이를 보이지 않았으나(p=0.055, p=0.113), 상악동과 비강에서는 뚜렷하게 증가되었다(p<0.01)(Table 1). 그러나 상악동의 환기측정에서 RN_95-25는 38.5±1.58회, 산소농도 반감기는 52.1±5.44초로 증가되어 환기정도가 감소하였다(p<0.01)(Table 2). 사골동절제술 모형에서는 상악동과 비강의 압력변화폭이 유의하게 감소하였으며(p<0.01), 접형동에서는 증가를 보였다(p<0.01)(Table 1). 상악동의 환기측정에서 RN_95-25는 24.6±1.17회, 산소농도 반감기는 27.3±2.58초로 감소되어 환기정도가 증가하였다(p<0.01)(Table 2). 시간에 따른 상악동내 산소농도의 감소곡선에서 아데노이드 비대증 모형은 정상 모형보다 느린 감소를, 사골동절제술 모형은 빠른 감소를 보였다(Fig. 7).
   사골동절제술을 시행한 모형에서 상악동의 자연개구부 확대개방은 확대 이전에 비해 상악동의 압력변화폭을 증가시켰으나(p<0.01), 추가로 중비갑개를 절제한 경우에서는 압력변화폭이 절제 이전보다 감소하였다(p<0.01)(Table 3). 상악동의 환기측정에서 자연개구부를 확장한 경우 RN_95-25는 8.20±0.42회, 산소농도 반감기는 8.4±0.74초로 확장 이전보다 현저하게 감소되어 환기정도가 증가하였다(p<0.01). 그리고 자연개구부를 확장한 모형에서 중비갑개를 절제한 경우 RN_95-25는 10.60±0.70회, 산소농도 반감기는 10.1±0.83초로 증가되어 환기정도가 절제 이전보다 감소하였다(p<0.01)(Table 2). 시간에 따른 상악동내 산소농도는 사골동절제술 모형에서 상악동 자연개구부 확장은 확장 이전보다 빠른 감소를, 그리고 상악동 자연개구부 확장 후 중비갑개의 절제는 절제 이전보다 느린 감소를 보였다(Fig. 8).

고     찰

   부비동 환기에 대한 연구는 초기 부비동 내의 압력측정에서부터 시작되었다. 1877년 Braune와 Clasen⁶⁾은 사체의 상악동 내에서 공기압력을 측정하여 보고하였으며, 1921년 Wessely⁷⁾는 비호흡에 따른 상악동 내의 압력변화를 보고하였다. 1932년 Proetz⁸⁾는 비강과 상악동 내에서 동시에 압력을 측정하여, 호흡 중에 비강과 상악동 사이에 압력 차가 생기며, 이로 인해 상악동의 자연개구부를 통한 공기의 흐름이 일어난다고 하였다.
   부비동의 자연개구부를 통한 환기를 평가하기 위한 연구는 침습적인 방법과 비침습적인 방법으로 분류할 수 있다. 침습적인 방법에는 상악동이나 전두동을 천자한 후 호흡에 따른 부비동 내의 압력과 비강 내의 압력을 직접 측정하거나,⁷⁾⁸⁾ 133-xenon을 작은 도관을 통해 전두동이나 상악동에 주입한 후 호흡에 따른 방사능의 감소를 측정하여 환기정도를 평가하는 방법,⁹⁾ 그리고 상악동을 천자한 후 hot film anemometer로 자연공을 통한 기류의 속도를 평가하는 방법¹⁰⁾ 등이 있다. 또한 인위적으로 상악동 내에 공기를 주입하여 압력을 증가시킨 후 상악동의 압력감소속도를 측정하여 자연공의 환기능을 평가하는 침습적인 방법³⁾도 있다. 최근에는 사체를 이용한 주물제작방식¹¹⁾¹²⁾이나 전산화단층촬영의 영상을 기초로 모형을 제작¹³⁾하거나, xenon-enhanced CT를 이용하는 비침습적인 방법¹⁴⁾이 주로 이용되고 있다.
   1986년 Levine 등¹¹⁾은 사체를 이용하여 한쪽 비강내 silicone rubber를 주입하여 주물을 만든 후, 이를 다시 액체아크릴 속에 넣어 굳힌 다음 silicone rubber를 다시 제거하는 방법으로 편측 비강 모형을 제작하여 비강 내의 폐쇄 부위가 전체 비저항에 미치는 영향에 대한 연구에 이용하였다. Hyo 등¹²⁾은 사체를 이용한 플라스틱 주형으로 비강의 모형을 만들고 상악동과 비슷한 크기의 속이 빈 구형의 모형을 짧은 관으로 연결하여 비강 및 상악동 모형을 제작하였고, 제작된 모형을 이용하여 스프레이형 치료제의 상악동 내의 입자침착효율에 대한 실험을 하였다. Hahn 등¹³⁾은 정상 성인의 비강 부분을 2 mm 간격의 관상면(coronal plane)으로 전산화단층촬영하여 얻은 영상을 기초로 비과 학자의 검증을 통해 공기와 연조직 음영의 경계선을 그렸고, 이를 20배 확대한 후 4 cm 두께의 스티로폼(Styrofoam) 판에 투영한 후, 절단 및 조각 과정을 거쳐 스티로폼 판들을 연속적으로 부착하여 모형을 완성하였다. 그리고 제작된 모형에서 hot film anemometer probe로 기류의 속도를 측정하여 비강내 기류의 속도종단면도(velosity profile)를 구한 바 있다. 최근 Paulsson 등¹⁵⁾은 음향통기도 검사를 이용한 연속적인 비강의 단면적을 기초자료로 하여 비강 모형을 만들고, 20 mL 크기의 주사기로 상악동 모형을 만들어, 두 모형을 6 mm 길이로 연결하여 비강 및 상악동 모형을 만들었다. 그리고 133-xenon을 이용하여 상악동 자연개구부의 크기와 비폐색의 부위에 따른 상악동의 환기정도를 평가하였다. 이 실험에 사용된 모형에서 구상돌기는 만들어졌지만 다른 복잡한 비강 구조는 전혀 반영되지 않았다. Jeong 등¹⁶⁾은 CT 영상을 기초로 해부학적 구조를 잘 반영한 비·부비동 모형을 제작하여 정상 모형에서 호흡에 따른 부비동의 압력변화를 보고하였다.
   부비동 환기에 대한 본 연구의 특징은 1 mm 간격의 축상면의 전산화단층촬영 영상을 기초로 하여 실물크기의 모형을 제작하였으며, 이 모형은 비강 및 부비동의 복잡한 구조를 잘 반영하였다. 또한 부비동 내시경수술 후의 구조적 변화를 연구에 포함하였으며, 부비동의 압력변화폭과 상악동의 환기정도를 함께 평가하였다는 것이다.
   본 연구결과에서 호흡에 따른 부비동의 압력변화가 인체에서의 이전 연구⁷⁾¹⁷⁾보다 낮은 것은 비강점막이 정상적으로 가지는 저항요소가 모두 배제되어 모형에서 전체 비저항이 인체보다 감소되었고, 2 mm 직경의 검출구를 통한 외부에서의 압력측정이 원인인 것으로 판단된다. 1989년 Luck 등¹⁸⁾은 아데노이드 비대증과 만성 부비동염의 연관관계를 상기도의 기계적 폐쇄, 비·부비동 분비물의 저류, 감염의 악순환, 아데노이드의 세균 저장소로의 역할 등으로 설명하였다. 아데노이드 비대증 모형에서 상악동의 환기저하는 공기역학적인 측면에서 아데노이드 비대증과 만성 부비동염의 관계를 이해하는데 도움이 될 것으로 생각된다. Paulsson 등¹⁵⁾은 구상돌기를 부착한 모형에서 구상돌기를 제거한 후 상악동의 환기증가와 만성 부비동염 환자에서 부비동 내시경수술 후 부비동의 환기가 호전되는 것을 보고하였다. 이는 본 연구의 사골동절제술 모형에서 상악동의 환기증가와 일치하는 결과이다. 1995년 Cook¹⁹⁾은 부비동 내시경수술시 유착을 방지하기 위해 부분적으로 중비갑개를 절제한 환자들을 추적관찰한 결과 중비갑개의 부분절제가 비강기능의 장애를 일으키지 않았다고 하였다. 그러나 본 실험에서 중비갑개의 대부분을 절제한 모형에서 절제 이전에 비해 상악동의 환기가 감소하는 결과를 보였다. 향후 중비갑개의 절제정도에 따른 상악동의 환기연구가 필요할 것으로 사료된다.
   아데노이드 비대증 모형 그리고 사골동절제술 모형에서는 상악동의 압력변화폭이 상악동의 환기와 상반되는 변화를 보였다. 즉, 전자에서는 압력변화폭의 증가에 반해 환기정도가 감소하였고, 후자에서는 압력변화폭의 감소에도 불구하고 환기정도가 증가하였다. 또한 사골동절제술 모형에서 중비갑개의 절제는 절제하기 전보다 상악동의 환기를 감소시켰다. 이러한 결과는 상악동 내의 압력변화보다 자연개구부를 경계로 한 비강과 상악동의 압력차이가 상악동의 환기와 직접적인 연관이 있으며, 이러한 압력차이 외에도 자연개구부의 크기나 비강내의 기류 및 부위별 저항 등이 중요한 요소임을 반영하는 것으로 생각된다.
   본 실험은 모형실험으로 비점막의 생리적 조건은 배제된 상태이다. 그리고 비강 및 부비동의 압력측정을 동시에 시행하지 않았기 때문에 호흡에 따른 양압 및 음압의 변화를 별도로 분석하지 않았으며, 정상 성인 한 명을 대상으로 한 모형에서의 실험으로 정상 비·부비동의 구조를 대표하는 모형실험으로 생각하기는 어렵다. 향후 동일한 모형제작법을 이용하여 비강 및 비인강의 구조적 변화에 따른 부비동의 환기변화를 세부적으로 연구할 필요가 있다. 그리고 호흡에 따른 비강 및 각 부비동의 압력변화와 부비동 환기정도를 동시에 측정하고, 사람의 흡·호기를 반영하는 호흡기를 사용함으로써 부비동의 압력변화폭과 부비동 환기정도의 연관관계도 보다 객관적이고 정확하게 알 수 있을 것이다.

결     론

   비·부비동 모형을 이용하여 비강 및 비인강의 구조적 변화가 부비동 압력과 상악동의 환기에 각기 다르게 영향을 미치는 것을 확인하였고, 이러한 실물크기의 정교한 비·부비동 모형은 부비동 환기의 객관적이고 정량적인 연구에 많이 이용될 것으로 생각된다. 그리고 본 연구결과는 생리적인 부비동의 환기에 필요한 비강 및 비인강의 구조적 조건을 이해하는데 도움이 되며, 부비동 내시경수술의 결과 및 장기적인 예후에 대한 평가를 위한 보다 정량적인 부비동 환기연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

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