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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 45(11); 2002 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 2002;45(11): 1063-1068.
Particle Image Velocimetry Measurements for the Study of Nasal Airflow.
Jin Kook Kim, Sung Kyun Kim, Tae Wook Nam, Chae Hyoung Lim, Young Rak Son, Chang Joon Han
1Department of Otolaryngology, College of Medicine, College of Engineering, Kon-Kuk University, Seoul, Korea. jkkimmd@konkuk.ac.kr
2Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, Kon-Kuk University, Seoul, Korea.
입자영상유속계를 이용한 비강 유동의 측정
김진국1 · 김성균2 · 남태욱1 · 임채형1 · 손영락2 · 한창준1
건국대학교 의과대학 이비인후과교실1;건국대학교 공과대학 기계공학과2;
주제어: 유체역학입자영상유속계비강모델비강.
ABSTRACT
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Several studies have utilized physical models or casts of the nasal cavity in an effort to understand the relationship between nasal anatomy and the distribution of inspired or expired airflow. This paper deals with the evaluation of nasal airflow characteristics during physiologic breathing in normal conditions.
MATERIALS AND METHOD:
The choana of a nasal model casting by a combination of rapid prototyping and solidification of clear silicone was connected to a pump that simulated physiological pressure in the upper airway system. Glycerin-water mixture was used as medium. The airstream was marked with polyvinyl spherical particles, and was observed through an solidificated clear silicone and analyzed with particle image velocimetry.
RESULTS:
Turbulence is clearly visible at the level of the head of the middle turbinate. The maximal velocity was recorded at the superior meatus. The flow rate was highest at the middle meatus.
CONCLUSION:
This model allows the investigation of airflow distribution and velocity under physiologic conditions. The main flow stream passes through the middle meatus.
Keywords: AerodynamicsParticle image velocimetryHuman modelNasal cavity

교신저자:김진국, 143-914 서울 광진구 화양동 1번지  건국대학교 의과대학 이비인후과교실
              전화:(02) 450-9697 · 전송:(02) 450-9798 · E-mail:jkkimmd@konkuk.ac.kr 

서     론


  
호흡기로서의 코는 적절한 공기양의 전달기능과, 흡입되어진 공기의 온도와 습도를 최적화시켜 주는 기능 및 후각을 담당하는 기능을 가진다. 점막으로 덮혀진 하비갑개와 중비갑개, 상비갑개 그리고 비중격은 넓은 면적을 이루어, 흡입된 공기와 많이 접촉함으로써 열의 공급, 습도 유지, 여과의 능력을 최대화시키고 아울러 후각기능도 최대화시킨다. 그러므로 비강 내를 지나는 공기유동해석은 이런 비강내의 기능을 최적화시키는데 중요하다. 따라서 코 내부의 공기 유동에 대한 이해는 생리적인 것뿐만 아니라 나아가 병리적인 상태를 설명하는데 기초가 된다. 그래서 많은 생리학 및 의공학 분야의 연구자들이 이를 연구해 왔다. 비강내의 공기유동에 관한 실질적인 연구는 20세기 초에 시작되었으며, 최근에 몇몇 연구자들은 비강을 모델화하여 정성적인 가시화 실험을 수행하거나, 열선 유속계 등으로 직접 속도를 계측하여 유용한 결과를 얻었으나, 코 자체의 복잡한 기하학적인 형상과 적절한 실험장치구성에 어려움을 겪어 왔다.1)2) 이러한 연구들은 대부분 단순화시킨 반쪽의 코모델을 통해 이루어져 왔으며 단순화시킨 정도와 측정방법에 따라 결과가 차이가 있고 난류 혹은 비정상 와류 등 열전달을 활성화 시킬수 있는 유동의 증거들을 보여주지 못하고 있다.
   최근에 Hopkins 등3)에 의해 CT촬영 결과를 이용한 급속모델형성(rapid prototyping)과 액체 투명 실리콘 경화에 의한 모델 캐스팅 방법이 개발되어 해부학적으로 복잡한 코의 내부를 직육면체 유로로 만들 수 있게 되었고, 이 유로에 미세 입자를 흐르게 한 뒤 이를 촬영하여 속도와 유동을 파악하는 입자영상유속계(PIV:Particle image velocimetry)를 이용하여 코내부의 유동을 관찰할 수 있었다. 본 연구는 이 방법에 의해 한국인의 코의 반쪽에 대한 모델을 만들어서, 호기와 흡기시의 평균, 유속, 및 RMS(Root mean square, 평균 속도장에 각 지점의 매순간 속도를 뺀 값의 제곱의 합의 제곱근)을 측정하였다. 그리고 각 비도를 지나는 유동의 비율을 측정하였고 이 때 유동의 형태를 파악하여 비교하였다.

재료 및 방법

코 모델의 제작
  
코 내부의 정확한 공기 유동의 파악을 위해서는 정확한 유로의 제작에 있다. 이를 위해서 코질환을 앓은 적이 없고 비중격 만곡증이 없는 정상인에서 비점막 수축제를 사용하지 않은 상태에서 HRCT(high resolution computed tomography:1 mm thickness, 0.5 픽셀) 자료를 입력하여 급속모델형성(rapid prototyping)기계(Z corporation, Burlington, Massachusetts, USA)를 이용하여 비강내의 유로를 고형모델로 만들었다. 앞쪽으로는 비전정에서 뒤로는 비인강의 하연까지 제작하였고 2개의 유로중에 비주기에 해당되지 않은 쪽을 선택하였다(Fig. 1). 재료는 물에 쉽게 녹을 수 있는 옥수수 녹말을 사용하였다. 아크릴 상자에 이 모델을 넣고 투명한 액체 실리콘(Shin-Etsu Chemical Co., Tokyo, Japan)을 경화제(Shin-Etsu Chemical Co., Tokyo, Japan)와 섞어서 거품이 일지 않도록 조심해서 부어 넣어 굳힌다. 이때 녹말모델 표면에 물에 녹는 풀을 고르게 여러 차례 발라 실리콘이 스며들지 않도록 해야하며, 실리콘과 경화제는 제품에 따라 적절한 열을 가하여 경화시킨다. 실리콘이 완전히 굳은 후 찬물을 사용하여(실리콘에 따라 온수를 사용하면 안개처럼 뿌옇게 됨) 녹말 모형을 녹여 내면 유로가 완성된다. 이렇게 완성된 유로에 작동유체를 물로 사용하면 실리콘과 물의 굴절율이 달라 사진 촬영시 왜곡이 일어나므로 동일한 굴절율을 갖도록 물과 글리세린을 섞는다.

입자영상유속계 알고리즘
  
입자영상유속계에 의한 유동 가시화의 기본원리는 유동장에 투입된 입자의 운동을 추적하여 이들 입자들의 위치를 미소 시간 간격을 두고 영상입력한 후 각각의 입자의 변위를 계산하여 전체 유동장 내의 속도벡터를 구하는 것이다. 입자영상유속계를 이용한 유동가시화는 LASER Doppler Velocimetry나 열선유속계와 같은 기존의 방법들과 비교하여 전체 유동장내의 유동특성을 정성적으로 쉽게 재현할 수 있고 동시다점계측이 가능한 장점을 가지고 있어 그 응용범위가 점점 확대되고 있는 중이다.4) 입자영상유속계는 디지털 영상 처리를 이용하기 때문에 일반적으로 영상 입출력장치, 영상처리장치, 영상처리를 위한 소프트웨어로 구성된다. 이중 영상입력장치는 스캐너, 고해상도 CCD(Charge Coupled Device)카메라 또는 캠코더가 사용되는데 저자들이 사용한 CCD카메라(Lavision Co., Gtingen, Germany)는 카메라에서 찍은 영상을 디지털 신호로 변환하여 영상처리장치에 공급하는 역할을 한다. 영상처리장치는 이미지 프로세서를 말하는데 입력된 영상을 이미지 보드에 기록, 저장하고 배경의 윤곽선을 결정하는 경계탐색, 영상 이분화 작업, 노이즈 제거를 수행한다. 영상처리장치로부터 얻어지는 유동장의 디지털 영상정보는 보통 2차원의 입자위치(x, y 픽셀) 및 각 픽셀에서의 밝기(계조치)의 값이다. 그리고 나서 속도를 계산하기 위한 유속측정 알고리즘은 입자추적법과 계조치 상관법으로 나눌 수 있다. 입자추적법은 각 입자들을 확인하여 입자의 도심을 구한 뒤 미소시간동안의 입자의 변위를 계산하여 속도벡터를 구하는 방법이다(Fig. 2). 입자추적법에서 각 입자들은 일련의 연속된 영상으로 인식된다. 즉, 입자의 속도는 연속된 영상내에서 짧은 순간동안 크게 변화하지 않는다는 유동특성을 이용하여 특정한 입자점을 선정하여 미소시간변화후 영상내 후보입자를 찾는다. 이같은 입자추적법은 계산시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 계조치(밝기) 상관법은 하나 또는 그 이상의 연속된 프레임내에 분포된 입자들의 계조치 강도를 바탕으로 자기상관계수 또는 상호상관계수가 최대값을 갖는 화소내의 입자를 후보입자로 간주하여 속도벡터를 구하는 방법이다. 이렇게 속도벡터 추적이 끝난 다음에는 오류벡터 제거 및 보정, 유동 가시화 등의 그래픽 처리 단계가 뒤따른다.4) 저자들은 광원으로 Nd-YAG 레이저를 사용하였고 영상입력 및 처리장치로는 Flowmaster 3(Lavision Co, Götingen, Germany)를 사용하였다. 

입자영상유속계 실험
  
비강 내부의 유동가시화 실험을 위한 장치의 계략도는 Fig. 3과 같다. 제원으로는 150 mJ/pulse의 2개의 광원, Nd:Yag Laser(Spectron, Warwickshire, U.K), 최대해상도 1280×1024 pixels 1 microsec 이상의 시간 간격의 2쌍의 영상들을 초당 4쌍까지 처리가능한 CCD 카메라(Lavision Co. Götingen, Germany), 카메라와 레이저를 동조시키기 위한 트리거 콘트롤러(Lavision Co. Götingen, Germany) 그리고 이를 작동하는 컴퓨터(Lavision Co. Götingen, Germany)로 구성되어 있다. 코의 유로 모델은 5개의 유량계로 이루어진 유량조절 벤치를 거쳐 탱크로 연결된 폐회로를 이루고 있다. 직경 80 micron정도의 폴리비닐 구형입자를 추적입자로 사용하였다. 흡기시의 유량은 125 ml/sec이고, 호기시도 같은 유량을 적용하였다.

결     과

흡기시 비강내 유동의 변화
  
비전정을 통해서 들어간 유동은 중비갑개의 전하단에서 부딪쳐서 상부로의 큰 와류를 일으킨다. 중비갑개의 전단에서 갈라진 유동은 중비도와 상비도로 나누어지고 상비도는 가장 빠른 속도장을 가지고 지나가고 중비도 하비도 순으로 지나가게 된다. RMS(Root mean square)분포도에서 중비갑개 전단과 상비도쪽이 가장 변화가 심하게 나타났다(Fig. 4). 각 비도를 지나는 유량은 상비도가 17.5 ml/s, 중비도가 63.0 ml/s, 하비도가 38.0 ml/s이어서 비율로 보면 전체 흡입된 공기중 상비도가 14.7%, 중비도가 53.2%, 그리고 하비도가 32.1%로 분포되어(Fig. 5) 주로 중비도로 유동변화가 있는 것으로 관찰되었다.

호기시 비강내 유동 변화
  
비인강을 지나면서 유동이 비전정 부위로 바뀐다. 따라서 비인강 부위에 강한 와류를 형성한 뒤 상비도에 빠른 속도장을 이루면서 비전정쪽으로 나간다. RMS값은 비인강과 상비도, 비전정이 변화가 심한 것으로 관찰되었다(Fig. 6). 유량은 하비도가 50.4 ml/s, 중비도가 52.2 ml/s, 상비도가 16.5 ml/s로 비율로 보면 상비도가 13. 9%, 중비도가 43.8%, 하비도가 42.3%로 측정되었다(Fig. 7). 

고     찰

   앞에서 언급한 비강의 기능에 비추어 볼 때 비강 내를 흐르는 공기의 상태는 코 질환의 생리학적, 병리학적인 설명을 하는데 기초가 된다. 그러나 공기 역학적인 원리에 대한 이론적인 지식은 비강내의 일정한 지점에서의 흐름을 제한적으로 예측할 수 있었다. 이는 비강이 그만큼 복잡한 구조로 되어있어 전체적인 관점에서의 공기 역학적인 연구는 아주 미흡했었다. 
   이런 비강내의 공기흐름에 대한 연구는 20세기에 들어서 많이 연구되어져 왔다. Proctor5)는 비강을 하나의 원통으로 보고 비강내의 공기의 흐름이 일정한 층류를 형성한다면 단면적이 가장 좁은 곳이 공기의 속도가 가장 빠르다고 했으며 이런 층류는 비강내의 흡기속도가 초당 500 ml까지인 경우에는 층류가 비교적 유지되고 그이상의 속도에서는 와류가 형성된다고 했다. 그러나 이런 가정은 비강내의 여러 가지 변화 요인(해부학적 복잡성, 비강내의 분비물, 비주기)을 고려하면 기본적인 이해에는 도움이 되나 생리학적 또는 병리학적인 해석에는 다소의 무리가 따른다. 이 후 Scherer 등2)이 비강내의 공기 역학을 열선유속계로 측정하여 공기 흐름에 대한 모델을 제시하였다. 그리고 흡입된 공기의 최소 50%가 중비도와 하비도를 지나고, 후각역으로는 약 15%가 지나간다고 보고했다. 또 후각영역 하부의 유속은 중비도나 하비도의 그것에 비해 높으며 코 털은 평균 유속에 약간의 영향을 주고 이는 비강내 와류 형성에 영향을 준다고 결론지었다. 그러나 그들도 지적한바와 같이 비강내의 공기와 비강벽 사이에 일어나는 상호작용(흡입된 공기의 습도 및 온도 조절)은 고려되지 않아서 한계를 가지고 있다. 또 이 실험에서는 비강내 각 지점에서의 유속을 측정하여 연결함으로써 공기의 흐름을 정확히 반영하지는 못하였다. Hess 등1)은 사체로부터 석고로 주조물을 만들어 다시 실리콘을 입혀서 비강 모형을 만들었으며 비강 내에 염색용액을 흘림으로서 비강내의 유동을 파악할 수 있었다. 이들은 비강 내에서는 일정한 속도의 흐름이라면 거의 모든 영역에서 층류가 관찰되었고 주된 흐름은 하비도이고 다음은 중비도였다. 또 후각영역은 하비도에 비해 유동이 현저히 적었다고 보고하였다. 그러나 이들은 흐름의 추적자로 사용한 염색 물질이 공기내의 먼지나 다른 입자에 비해 현격히 분자량이 크므로 생리적으로 정확한 반영이라고 보기는 어렵다고 지적하였다. Simmen 등6)은 사체의 머리를 비중격부위에서 시상면으로 절단한 뒤 비중격을 대신하여 투명 아크릴판을 붙인 후 aerosolized water particle을 공기와 함께 비강내로 세 단계의 속도로 주입시켜서 이를 사진과 비디오로 녹화하여 분석하였다. 이들은 앞서의 보고자들과는 달리 낮은 속도의 공기 흐름에도 와류는 형성된다고 보고하였고 또한 모든 속도에서 주된 공기흐름은 하비갑개의 전하부의 위를 지나서 중비도로 지나간다고 보고하였다. 
  
비강내의 공기 흐름의 주된 경로에 관해서는 논란의 여지가 많은데, Elad 등7)과 Keyhani 등8)은 각기 다른 방법의 실험에서 공기의 주된 흐름은 비강내의 바닥 부분이며 이 지점에서 흐름의 속도와 양이 가장 많다고 보고하였다. 반면 Schreck 등9)은 중비도가 주된 흐름의 통로라고 하였다. Hornung 등10)133Xe 가스를 이용한 실험에서는 비강내의 중간 부위에서 동위원소를 가장 많이 측정할 수 있었다고 보고하였다. 
   저자들의 실험에서도 비강내의 주된 공기 흐름은 중비도를 통해서이고 주로 층류를 이루고 있었다. 비율로 보면 전체 흡입된 공기중 53.2%가 중비도로 지나가므로 Scherer 등2)의 보고와 일치하고 있다. 한편 낮은 속도의 흐름에도 와류의 형성을 관찰할 수 있었는데 이는 Simmen 등6)의 연구 결과와 같았다. 비전정을 지난 공기가 비판구역을 지나면서 후방으로 회전하여 중비갑개의 전방부에서 회전한 공기와 만나 와류를 형성함을 알 수 있었다. 이런 와류의 형성은 비강이 열교환기로서의 역할을 극대화시키는 것이라고 생각된다. 또 이런 와류는 상대적으로 좁고 빠른 속도를 가진 상비도와 후각영역에 더 많은 공기를 주입하므로 후각을 더 잘 인지할 수 있도록 하는데 도움이 되리라 생각한다. 호기시의 공기 흐름은 비인강 부분에서 비전정 쪽으로 방향을 바꾸면서 심한 와류를 형성하게 되며 상비도에서 가장 높은 속도장을 가지고 비전정으로 유동하게되고 유량은 하비도가 42.3%, 중비도가 43.8%로 측정되었다. 비인강 주위의 이관 입구나 인두와와 같은 불규칙한 구조물에 의해 이 부분에 와류가 심해진다고 생각되어진다. 흡기시보다 호기시에 하비도의 유량 비율이 높아지는 것은 비인강에서 형성된 와류 때문으로 사료된다. 일단 비인강을 지난 유동은 대부분 층류를 이루어서 비전정을 빠져 나온 것을 관찰할수 있었다. 이는 기존에 알려진 모식도와는 차이가 있었다.5) RMS값은 흡기시에는 하비갑개 및 중비갑개의 전방부에서, 호기시에는 비인강에서 크게 나타났는데 이는 이 부위에서 유속의 변이가 크다는 것을 뜻한다. 이런 실험 결과로 미루어서 내시경 부비동 수술은 주된 수술 부위가 중비도이므로 수술이 비강내의 공기 흐름에 많은 호전을 가져오리라고 생각된다. 앞으로 각 지점에서의 유량과 병리학적인 변화에 따른 공기 흐름의 연구가 필요하며, 각종 비과적 수술이 비강내의 공기 흐름에 어떤 변화를 가져올 지에 관한 연구가 필요할 것으로 생각한다. 또한 비대된 조직이 압력에 미치는 영향, 조직의 절제시 유동학적으로 최적의 절제범위를 결정하는데 도움이 되리라 생각한다.

결     론

   저자들은 기존의 비강내 공기 흐름의 실험에서 급속모델형성에 의해 사체를 이용하지 않고 비강의 유로 모형을 만들었고, 규명하기 힘들었던 흐름의 양상, 각 지점에서의 속도, 와류의 존재유무를 입자영상유속계를 이용하여 가시화시키고 다음과 같은 결론을 얻었다.
   비강내의 공기 흐름은 주로 중비도를 통한 것이며, 속도는 상비도가 가장 빨랐으며 대체적으로 층류를 이루고 있다. 그리고 생리적인 속도에서도 와류는 발견되고 이는 비강의 기능의 하나인 온도와 습도조절, 후각기능의 강화에 필요할 것으로 사료된다.


REFERENCES

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