Disease Phenotypes of Cement Dust Exposed Subjects via Computational Fluid Dynamics and CT Imaging Data Analysis : 전산유체역학 및 CT영상 데이터 분석을 활용한 시멘트 분진 노출군의 특이성 분석원문보기
배경/목적 환경성 분진노출은 천식과 만성 폐쇄성 폐질환의 위험 인자로 알려지고 있다. 대부분의 이전 환경성 분진노출에 관련된 연구들은 폐 질환 환자를 포함시켰기 때문에 분진과 폐 질환 사이의 영향을 분리할 수 없었다. 또한 그 연구들은 주로 폐 기능 검사(Pulmonrat function tests, PFTs)와 세포학 분석을 활용했기 때문에 지역적인 기관지와 폐 기능 특징들을 조사하는데 한계가 있었다. 하지만 이번 연구는 진보된 정량적 CT 영상과 ...
배경/목적 환경성 분진노출은 천식과 만성 폐쇄성 폐질환의 위험 인자로 알려지고 있다. 대부분의 이전 환경성 분진노출에 관련된 연구들은 폐 질환 환자를 포함시켰기 때문에 분진과 폐 질환 사이의 영향을 분리할 수 없었다. 또한 그 연구들은 주로 폐 기능 검사(Pulmonrat function tests, PFTs)와 세포학 분석을 활용했기 때문에 지역적인 기관지와 폐 기능 특징들을 조사하는데 한계가 있었다. 하지만 이번 연구는 진보된 정량적 CT 영상과 전산유체역학(Computational fluid dynamics, CFD)을 활용하여 분진 노출 피험자의 지역적인 기관지 특성들을 조사하였다. 방법 이번 연구는 58의 분진 노출 대상자 [성별, 남:여=37:21; 나이, 71.5 (6.5)세; 키, 158.8 (10.1)cm]와 142명의 대조군 [성별, 남:여=36:106; 나이, 62.2 (7.8)세; 키, 157.4 (8.3)cm]을 사용했다. 이들은 현재 정상적인 폐 기능을 가지고 있으며, 폐 병력이 없고, 비 흡연자들이다. 분진노출 대상자들과 대조군의 CT영상들은 각각 강원대학병원과 전북대학병원에서 수집되었다. 이 연구는 영상분할(Image segmentation)과 영상정합(Image registration) 기법들을 활용해서 기관지의 수력학적 지름(Dh)과 벽 두께(WT), 분기 각도(θ), 흡기와 호기사이의 공기 변화량 (△Vair), Emphysema 비율(Emph%), 그리고 Functional small airway disease 비율(fSAD%)을 추출했다. 통계적으로는 분진 노출 대상자와 대조군을 비교하기 위해서 Mann-Whitne U 검정이 사용되었다. 전산유체역학에 관해서 이번 연구는 분진 노출 군집과 대조군집에서 각각 1명의 대표적인 대상자을 선택하였다. CFD 분석을 위한 기관지 형상은 CT 영상으로부터 재현되었다. 유량의 경계조건은 영상정합기법으로 얻었으며, 공기 흐름을 시뮬레이션 하기 위해 Large eddy simulation (LES) 모델이 사용되었다. 그리고 Lagrangian추적 알고리즘으로 입자 수송 시뮬레이션을 계산하였다. 결과 구조적인 변수에서 분진노출 대상자들은 대조군들에 비해서 2-5번째 분기점에서 기관지가 좁아지고(정규화된 Dh ↓, p<0.001) 벽이 두꺼워졌으며(정규화된 WT ↑, p<0.001), 주기관지의 θ가 증가하였다. 게다가 분진 노출 대상자들은 3-4번째 분기점에서 더 낮은 WT의 변형률을 보였다. 폐의 기능적인 관점에서 보면, △Vair는 두 그룹 사이에서 큰 차이가 없었다. 이는 폐기능검사의 1초간 강제 날숨량(Forced expiratorty volume in one second, FEV1)과 노력성폐활량(Forced vital capacity, FVC) 결과와 유사했다. 분진노출대상자들은 Emph%( p<0.01)가 증가되었지만 fSAD%는 두 그룹사이에 유의한 차이가 없었다. CFD분석에 관해서는, 우리는 감소된 정규화된 Dh 와 증가된 주기관지의 θ을 가진 대표적인 분진 노출대상자를 추출해서 CFD 분석을 수행하였다. 주기관지의 입자 증착 효율은 대조군에 비해서 분진 노출 대상자가 3배정도 더 크게 나타났다. 결론 이번 연구로 분진 노출 대상자는 실질 영역보다 기관지의 분절 영역에서 지름이 좁아짐, 벽 두꺼워짐, 분기 각도 변화, 그리고 높은 강성을 보였다. 특히 이러한 특성들은 담배 연기 입자보다 더 큰 입자 크기를 가진 시멘트 분진(5μm) 하고 관련이 있을 수 있다. 또한 이번 연구는 기관지 지름과 각도의 변화는 입자 증착과 관련이 있기 때문에 분진 노출대상자는 대조군과 서로 다른 입자 증착 특성을 가진 것을 보여 주었다.
배경/목적 환경성 분진노출은 천식과 만성 폐쇄성 폐질환의 위험 인자로 알려지고 있다. 대부분의 이전 환경성 분진노출에 관련된 연구들은 폐 질환 환자를 포함시켰기 때문에 분진과 폐 질환 사이의 영향을 분리할 수 없었다. 또한 그 연구들은 주로 폐 기능 검사(Pulmonrat function tests, PFTs)와 세포학 분석을 활용했기 때문에 지역적인 기관지와 폐 기능 특징들을 조사하는데 한계가 있었다. 하지만 이번 연구는 진보된 정량적 CT 영상과 전산유체역학(Computational fluid dynamics, CFD)을 활용하여 분진 노출 피험자의 지역적인 기관지 특성들을 조사하였다. 방법 이번 연구는 58의 분진 노출 대상자 [성별, 남:여=37:21; 나이, 71.5 (6.5)세; 키, 158.8 (10.1)cm]와 142명의 대조군 [성별, 남:여=36:106; 나이, 62.2 (7.8)세; 키, 157.4 (8.3)cm]을 사용했다. 이들은 현재 정상적인 폐 기능을 가지고 있으며, 폐 병력이 없고, 비 흡연자들이다. 분진노출 대상자들과 대조군의 CT영상들은 각각 강원대학병원과 전북대학병원에서 수집되었다. 이 연구는 영상분할(Image segmentation)과 영상정합(Image registration) 기법들을 활용해서 기관지의 수력학적 지름(Dh)과 벽 두께(WT), 분기 각도(θ), 흡기와 호기사이의 공기 변화량 (△Vair), Emphysema 비율(Emph%), 그리고 Functional small airway disease 비율(fSAD%)을 추출했다. 통계적으로는 분진 노출 대상자와 대조군을 비교하기 위해서 Mann-Whitne U 검정이 사용되었다. 전산유체역학에 관해서 이번 연구는 분진 노출 군집과 대조군집에서 각각 1명의 대표적인 대상자을 선택하였다. CFD 분석을 위한 기관지 형상은 CT 영상으로부터 재현되었다. 유량의 경계조건은 영상정합기법으로 얻었으며, 공기 흐름을 시뮬레이션 하기 위해 Large eddy simulation (LES) 모델이 사용되었다. 그리고 Lagrangian 추적 알고리즘으로 입자 수송 시뮬레이션을 계산하였다. 결과 구조적인 변수에서 분진노출 대상자들은 대조군들에 비해서 2-5번째 분기점에서 기관지가 좁아지고(정규화된 Dh ↓, p<0.001) 벽이 두꺼워졌으며(정규화된 WT ↑, p<0.001), 주기관지의 θ가 증가하였다. 게다가 분진 노출 대상자들은 3-4번째 분기점에서 더 낮은 WT의 변형률을 보였다. 폐의 기능적인 관점에서 보면, △Vair는 두 그룹 사이에서 큰 차이가 없었다. 이는 폐기능검사의 1초간 강제 날숨량(Forced expiratorty volume in one second, FEV1)과 노력성폐활량(Forced vital capacity, FVC) 결과와 유사했다. 분진노출대상자들은 Emph%( p<0.01)가 증가되었지만 fSAD%는 두 그룹사이에 유의한 차이가 없었다. CFD분석에 관해서는, 우리는 감소된 정규화된 Dh 와 증가된 주기관지의 θ을 가진 대표적인 분진 노출대상자를 추출해서 CFD 분석을 수행하였다. 주기관지의 입자 증착 효율은 대조군에 비해서 분진 노출 대상자가 3배정도 더 크게 나타났다. 결론 이번 연구로 분진 노출 대상자는 실질 영역보다 기관지의 분절 영역에서 지름이 좁아짐, 벽 두꺼워짐, 분기 각도 변화, 그리고 높은 강성을 보였다. 특히 이러한 특성들은 담배 연기 입자보다 더 큰 입자 크기를 가진 시멘트 분진(5μm) 하고 관련이 있을 수 있다. 또한 이번 연구는 기관지 지름과 각도의 변화는 입자 증착과 관련이 있기 때문에 분진 노출대상자는 대조군과 서로 다른 입자 증착 특성을 가진 것을 보여 주었다.
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