Structure of the Ventilation Tube.

Park, Moon Suh; Woo, Seung Yeob; Kim, Young Soo; Oh, Jae Kook

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 42(1); 1999 > Article

Original Article

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1999;42(1): 34-38.

Structure of the Ventilation Tube.

Moon Suh Park, Seung Yeob Woo, Young Soo Kim, Jae Kook Oh

Department of Otorhinolaryngology-Head & Neck Surgery, College of Medicine, Hallym University, Seoul, Korea. bpms0@channeli.net

중이환기관의 구조

박문서 · 우승엽 · 김영수 · 오재국

한림대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실

주제어: 중이환기관ㆍ컴퓨터 그래픽.

ABSTRACT

BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Ventilation tube is a percutaneous prosthesis which is exposed to external stimuli. The duration of retention and complication rate of ventilation tube partly depends on which type of tube is used. The purpose of this study is to classify ventilation tubes according to biofunctional characteristics and to design new ventilation tubes experimentally using computer graphics.
MATERIALS AND METHOD:
Two hundred and forty seven ventilation tubes were classified according to shape, size and material. Experimental design of a ventilation tube was performed with various graphic modellings.
RESULTS:
Grommet style was most common and most of flanges showed round type. Polymer has been a material of choice in making ventilation tubes. Length of the shaft ranged 1.5mm-15mm. Four kinds of models were created for designing a ventilation tube using computer graphics.
CONCLUSION:
Biofunctionality should be taken into account in designing ventilation tubes.

Keywords: Ventilation tubeㆍComputer graphics

서론 중이환기관의 삽입은 삼출성 중이염의 치료 뿐 아니라 중이 수술 후 음압에 의한 고막 유착의 방지 등에 널리 쓰이고 있는 술식으로서 이비인후과 영역에서 가장 많이 시행하는 수술의 하나이다. 중이환기관은 중이 등 다른 부위의 이식용 물질과 비교할 때 다음과 같은 몇가지 특색을 지닌다고 할 수 있다. 첫째 대부분의 경우에 있어서 처음부터 일시적 삽입을 목적으로 하기 때문에 재료의 생체적합성 등의 문제에 있어 영구적 이식물질과는 다른 기준을 가질 수 있다는 점이고 둘째 중이환기관은 “percutaneous prosthesis”의 일종이라는 점이다. 그렇기 때문에 삽입 후 고막 상피층의 창상 치유라는 특수성을 가지게 된다.1) 셋째 고막의 진동이나 외부 공기, 이물질 등과의 접촉 등 외부 자극에 노출되어 있다는 점이다. 그러므로 감염이나 물리적 손상 등의 관점에 있어 다른 부위의 이식용 이물재료와는 다른 특수성을 가지고 있다. 중이환기관의 재료 선택이나 그 개발에 있어 중요한 점은 생체적합성(biocompatibility)과 더불어 생물역학적 공생(biomechanical symbiosis), 즉 생물리학적인(biophysical) 성질의 충족이라 할 수 있는데 이것은 생체 내에서 재료 물질의 이물반응 뿐 아니라 형태의 고안이 중요함을 의미한다고 하겠다. 1954년 Amstrong2)이 indwelling tympanostomy의 개념을 도입한 이래 현재 많은 종류의 중이환기관이 개발되어 있는데 그 재료나 형태에 있어 매우 다양한 반면 실제 사용되는 종류는 한정되어 있는 실정이다. 특히 그 형태의 설정은 손쉬운 삽입과 발거, 적절한 기간동안의 체류를 목적으로 하여 고안되었다 하겠는데 아직 이들에 관해 형태와 재료에 있어서 통계적 분류가 된 바는 없고 그들의 분석을 통한 중이환기관의 용도 및 역할이 정리된 적도 없다. 본 논문의 목적은 현재 사용되고 있는 중이환기관들을 재료 및 형태적 특징에 따라 분류하여 공통점과 상이점들을 나열, 비교해 봄으로써 형태 고안에 있어서 필요한 변수들을 찾아보려는데 있으며 나아가서 컴퓨터 그래픽을 이용한 중이환기관의 기초적 디자인을 논하려는데 있다. 재료 및 방법 현재 사용되고 있는 중이환기관 중 저자들이 그 형태에 관한 실측 자료와 용도를 구할 수 있었던 총 61종, 247개를 기본으로 하였는데 자료는 XOMED Co., Smith & Nephew Richards Co., ATOS Medical Co., Heins Kurz Co., Gordts F3) 등으로부터 입수하였다. 그들을 형태별, 재료별, 크기별 등으로 분류하였는데 형태별로는 그들의 전체 형태를 flange, shaft, tab 등으로 나눈 후 각각의 변수를 설정하였다. 즉 flange는 직경, beveling, shape(round, oval, T, notching, arrow, round edge 등), 두께를, tab은 위치, 각도, 넓이, 길이를, shaft는 길이, 직경, flange와의 각도 등을 고려하였다. 여기서 beveling은 flange의 원반이 shaft에 대해 경사를 이루고 붙어있는 경우를 의미한다. 작업에 기초가 되는 용어(nomenclature) 지정을 위해 Fig. 1과 같이 grommet형을 기본으로 하여 부위별로 나누어 명명하였고 별도로 flange와 shaft 사이의 각도, beveling을 그림을 통해 설명하였다(Fig. 2). 재료별 분류에 있어서는 크게 합성 중합체와 금속, 세라믹의 군으로 나누었고 크기별에 있어서는 중이환기관의 각 부위 사이의 길이에 있어 그 평균과 범위를 구했다. Computer aided design(CAD)은 Macintosh computer LC III상에서 CAD 2.0vl system을 이용하여 먼저 1 inch ruler를 지정하고 pattern 등 layout을 설정한 후 0.1 mm plain pen을 사용하여 화면상 flange의 inner surface와 shaft의 각도를 극단적으로 넓게 한 model을 1례 설정하였다. 다음 기본형태의 각 위치에서의 모양을 도안하면서 부분별 크기와 각도를 설정하였다. 그 후 Swivel 3DTM 1.00 system을 이용하여 object design상 draw grid로 설정한 상태에서 top, side, cross section에 CAD에서 고안한 물체의 각 부분 형태를 옮겼다. 다음 이를 기반으로 wireframe model, hiddenline model, surface model, contour model을 만들고 이들 형태를 전후 좌우로 조감하여 수정을 가한 후 완성하였다. 필요한 경우 shadow, lighting 등의 효과를 추가하였다. 결과 고실환기관의 전체적인 모양에 따라 분류했을 때 총247개 중 grommet형이 196개로 가장 많았고 shank형이 26개, T형이 25개였다. Flange의 모양을 기준으로 분류했을 때 medial flange는 round, T-shape, round-notch형의 순이었고 lateral flange는 round, flange가 없는 경우, oval형의 순이었다(Table 1). 247개의 고실환기관 중 43개의 flange가 bevel형이었으며 medial flange의 internal surface와 lumen의 outer surface 사이의 각도는 90도가 179개로 가장 많았고 다음으로 45도가 28개, 60도가 9개, 70도가 2개의 순이었다. Tab의 유무를 기준으로 했을 때outer tab이 달린 것이 41개, 달리지 않은 것이 169개였고 tail이나 wire형태의 손잡이가 있는 것도 37개에 달했다(Table 2). 재료물질에 따라 분류를 하면 실리콘이나 폴리에틸렌 등의 합성중합체가 200개로 대부분을 차지했고 다음으로 금속, 세라믹의 순이었는데 금속 중에는 티타늄이 가장 많았다(Table 3). 고실환기관의 크기에 있어서 전체 길이는 1.5 mm에서 15 mm에 이르기까지 다양했고 그 외 각 부분의 길이의 평균과 범위는 Table 4에서 보는 바와 같았다. Fig. 3은 CAD와 삼차원적 컴퓨터그래픽을 이용하여 가상적으로 고안한 고실환기관으로 방법에서 언급한 4종류의 modelling의 예를 보여준다. 즉 shaft와 medial flange와의 각도를 완만하게 함으로써 조기에 자연 발거가 될 수 있도록 한 예로 lumen의 내경을 가능하면 크게 하여 환기와 배액을 용이하도록 만든 예이다. Wireframe model의 경우 일정 간격으로 선이 그어져 각 부분의 계량적 수치를 눈으로 쉽게 확인할 수 있었으나 앞, 뒷 부분이 겹쳐 보여 형태 파악에 혼란이 있고 현실감이 없었다. Hiddenline model의 경우 이러한 겹침은 사라진 채로 wire간의 거리를 확인할 수 있었다. Surface model은 model의 입체적 표면처리에 중점을 두어 가장 현실감있는 입체상을 보여주었고 contour model은 표면의 결을 인위적으로 강조하였다. 고안 고식적 치료에 효과가 없는 삼출성 중이염에서 중이환기관의 삽입은 비교적 확실하고 마지막으로 선택할 수 있는 수술적 방법 중 하나라 하겠다. 생물리적인 관점에서 중이환기관의 조절 기능을 살펴보면 환기와 배액을 위한 기능은 shaft의 내경(inner diameter)에 달려 있으므로 비교적 조절이 간단하나 문제가 되는 것은 체류 기간으로서 대부분의 고실환기관은 이 기간의 조절에 중점을 두어 고안되었는데 Lindeman-Silverstein arrow tube4)는 그 중 극단적인 예로 삽입 후 회전시킴으로써 잠금 효과를 노린 디자인이라 할 수 있다. 또 간편한 제거 및 삽입을 위해 tab이 추가되거나 flange의 모양을 변형시키는 방법이 개발되어 parasol ventilation tube4) 등 특별한 모양을 가진 환기관도 고안되었다. 중이환기관의 자연 발거 원인에 관해서는 편평상피가 자라 flange 밑에서 환기관을 움직이거나5) 고막 표피의 각질층이 이주하여 환기관을 들어올린다는 설6) 외에 고막연에서의 만성 비후와 염증반응이 주된 원인7)이라는 등 많은 설이 있으나 모두 고막 표면에서의 물리적 힘에 의해 이루어진다는 점에서는 동일하므로 결국 중이환기관의 형태가 가장 중요한 역활을 할 것이라 추정할 수 있겠고 실제로 중이환기관 형태에 약간의 변형만을 가하는 것으로서도 체류 기간이 연장되는 것이 사실이다.8) 이런 의미에서 flange의 크기와 collar의 디자인이 체류 기간을 좌우한다는 Dingle 등9)의 보고도 같은 맥락에서 이해될 수 있다 하겠다. 즉 중이환기관의 체류기간은 형태적 관점에만 국한할 때 다음과 같은 요소에 달려있다고 할 수 있다. 첫째 flange의 넓이로서 넓이가 넓을수록 자연 발거가 힘들어 체류기간이 길어지게 된다. 둘째 flange와 shaft 사이의 각도이다. 이 각도가 크면 클수록 flange가 빠져나오기 용이하므로 체류기간은 짧아진다고 할 수 있다. 셋째 shaft의 길이가 길수록 오래 체류할 가능성이 크다. 이와 같은 기본 조건 외에도 환기관의 형태를 변경시킴으로써 임상적으로 다음과 같은 다양한 효과를 기대할 수 있다. 즉 beveled inner flange는 고막의 실제 각도에 환기관을 맞출 목적 혹은 삽입과 제거를 쉽게 할 목적으로, beveled external flange는 외부에서 관찰이나 흡입을 용이하게 할 목적으로 각각 고안될 수 있다. Flange에 notch를 만드는 경우 작은 절개를 통해서도 삽입이 용이해지고 얇은 flange는 일부를 재량에 따라 잘라내어 쓰도록 만들어질 수 있다. T flange는 넣기가 쉽고 고막의 해부학적 위치에 잘 맞게 부착된다. 또 lumen은 넓힐수록 환기 효과가 크고 저류액이나 혈액에 의한 응고가 적어지고 shaft가 길면 외부에서 물이 들어가는 것을 방지해 주는 효과가 있다. Tab은 일반적으로 삽입을 쉽게 해 주는 기능을 갖고 있는데 inner tab의 경우 자연 발거를 막는 역할도 한다. 체류기간을 중심으로 중이환기관을 분류하면 소형의 grommet이 6개월 이하, Shepard, Reuter-Bobbin, Donaldson tube 등이 6∼12개월이며 T-tube, Per Lee tube, Amstrong modified tube 등은 2년 이상 체류한다.3)10) 재료의 관점에서 볼 때 Silastic이나 Teflon 등 합성중합체는 제거 후 천공율이 낮고 폐쇄도 잘 되지 않으나 경우에 따라 육아조직의 형성은 가끔 볼 수 있는 반면 금은 조직반응의 면에서 우수하고 티타늄은 가벼워 고막에 하중을 주지 않는 점 등이 장점이다. 본 연구에서 컴퓨터그래픽을 이용하여 고실환기관을 디자인한 이유는 점차 정밀해지고 또 미세한 부분까지 정확한 수치를 요구하는 현대의 의공학적 설계 개념에 부응하기 위해서였다. 실제로 임상의가 기본 개념을 제시하면 이것이 의공학자들에 의해 공학적인 처리가 되어 다시 임상의에게 넘겨지고 이것은 다시 수정되어 반복과정을 거치는 수순으로 기존의 의공학적 개발이 이루어진 반면 임상의가 직접 이 작업을 수행할 수 있다면 보다 창의적이고 효율적인 설계가 가능하기 때문이다. 실제로 CAD의 사용은 의공학적 물체의 고안에 있어 많은 도움을 줄 수 있다. 우선 직선과 곡선 그리고 일정한 각도를 갖는 면이나 원호를 만듦에 있어 정밀한 수준까지 손쉽게 단시간에 시행할 수 있는데 특히 대칭의 모양을 고안할 때 자동화된 프로그램으로 인해 그 장점이 매우 크다고 하겠다. 본 연구에서는 이를 이용하여 재천공율이 낮고 짧은 체류기간을 선택적으로 요구하는 경우에 사용될 수 있는 고실환기관을 시험적으로 디자인하였다. 컴퓨터그래픽을 응용함에 있어 다양한 모델링 기법을 사용할 수 있는데 가장 초기 단계는 wireframe model을 만드는 일이다. 이 과정은 대상 물체를 격자 무늬의 grid상에 위치하게 하고 이때 읽히는 각 부위의 점을 X, Y, Z축의 각 수치 데이터로 환원되게 하여 삼차원 상을 만들게 되는 것인데 시점(視点)이 자유로우므로 어느 각도에서나 대상 물체를 볼 수 있다. 여기서 서로 겹치는 선 등을 지워 불필요하게 보이는 부분을 제거하면 hiddenline model이 완성되고 다음으로 smooth shading 기법을 통해 광원과 대상과의 위치 관계 등을 조절하면 입체감 있는 최종 이미지인 surface model이 완성된다. 부가적으로 contour model은 물체 표면의 결을 강조함으로써 그 물체의 입체적 특성을 일정 방향으로 강조할 수 있다. 고실환기관의 설계에 있어서도 화면상 여러가지의 모델을 만들어 각 방향에서 조망해 봄으로써 실제감을 극대화시킬 수 있었다. 최근 컴퓨터를 이용한 중이 모델의 설정은 그 응력해석(stress analysis) 등을 통한 중이의 simulation study11)가 중요시되고 있고 여기에는 기존 중이 형태의 모델링이나 삼차원적 좌표를 정하는 것이 주요 작업인 반면 본 연구는 거꾸로 좌표 설정을 통해서 새로운 형태를 창출하는 과정이므로 차이가 있다고 할 수 있다. 또 본 연구는 모양이 단순하고 대칭적이어서 비교적 컴퓨터상 형태 고안이 용이한 고실환기관을 대상으로 한 것인 반면 앞으로는 보다 복잡한 구조를 가진 형태의 컴퓨터상 고안도 가능하리라 생각된다. 또 이러한 CAD나 컴퓨터 그래픽의 의학적 응용은 차세대 컴퓨터 응용공학이라 할 수 있는 CGI(computer generated image)나 가상현실(virtual reality) 기법의 의학적 차용을 가능케 하는 발판 역할을 하리라 여겨진다. 결론 지금까지 고안된 중이환기관들을 생체기능적 특성에 따라 분류하여 그 형태 고안에 필수적인 지표들을 알아보았는데 수술 후 체류기간, 환기 능력 및 삽입과 제거시 용이함 등이 주요 기능적 목표였고 이들은 flange, shaft, tab 등 각 부분의 형태적 변화를 통해 실현되었다. 또 컴퓨터를 이용한 다양한 모델링 기법을 통하여 새로운 형태의 디자인을 실험적으로 시도하였다.
REFERENCES
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