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비강내 주기유동장의 실험적 해석에 관한 연구
The Experimental Research on Periodic Airflow in Human Nasal Cavity 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.29 no.1 = no.232, 2005년, pp.103 - 109  

신석재 (건국대학교 대학원 기계공학과) ,  김성균 (건국대학교 기계공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Airflow in the nasal cavity of a normal Korean adult is investigated experimentally by tomographic PIV measurement. Knowledge of airflow characteristics in nasal cavities is essential to understand the physiology and pathology aspects of nasal breathing. Several studies have utilized physical models...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • USA)를 이 용 하여 유로 내부 유로의 고형 모델을 만들었다. (Cyber med Co.) 2개의 코 내부 통로는 목 부근에서 연결되며, 일반적으로 4-6 시간 간격으로 번갈 아 한쪽 통로가 호흡에 주로 사용되므로, 코 한쪽 의 2 배 모델을 제작하여 유동 해석 하였다. 재료 는 물에 녹을 수 있는 옥수수 녹말(corn starch)을 사용하였다.
  • 실리콘이 완전히 굳은 후 찬물을 이용하여 녹말 모형을 녹여내면 유로가 완성된다. (문헌 4,5 참조) 이렇게 완성된 유로의 굴절률 등 광학적 성 질은 물,공기와 다르기 때문에, 물과 글리세린을 섞어 동일한 굴절률을 갖는 비율(체적대비 52:48, 점도 6.55 *1 时 m2/sec, 비중은 약 1.2)을 찾아내어 이를 작동유체로 하여 실험을 수행하였다.
  • CT 사진을 이용하여 살아있는 사람의 비강 형 상을 얻고 RP 를 이용하여 모형을 만들고 이 모형 으로 정교한 비강 유로 모형을 제작하였고, 호흡 을 정확하게 모사하는 펌프를 만들었다. 사람의 호흡 데이터를 이용하여 캠을 제작하고 대형 피스 톤 펌프를 만들어 사람의 호흡을 정확 하게 모사 하였다.
  • PIV 실험수행은 33개의 Sagittal Plan 에 대해 1 주 기를 17 등분하여 20 주기에 대해 측정을 하여 위 상 평균한 속도장을 구하였다. 대부분의 위상에서 속도 분포는 일정 유량 하의 결과들과 상사성을 보이고 있으나 들숨과 날숨의 교체기에 복잡한 유 동 구조를 보였다.
  • 예를 들어, 비후성비염의 결과로 하비도가 폐쇄 된 경우나 외상에 의해 비 중격이 휜 경우는 아주 흔한 경우이다. 따라서 전 문의의 자문을 받아, 정상에 가까운 한국 성인의 코 CT 스캔 데이터를 골라 컴퓨터 모델에 수정을 가하여(부비 동 등 불필요한 부분 제외 ) 정 상 한국 인의 코 모델로 선정하였다
  • 이상의 모든 연구는 코의 반쪽모델에 일정한 유량 상태하에서 이루어져 왔었다. 본 연구에서는 인체의 생리학적 데이터로부터 호흡을 모사할 수 있는 왕복펌프를 제작하여 비강 모델에 연결하여 주기 유동 하에서의 비강내 유동을 위상(phase)별 속도장들을 PIV 기법을 이용하여 구하였다. PIV 해석 알고리즘으로는 전처리 과정을 거친 영상데이 터에 대해 Hart°)의 CBC 알고리즘을 적용하였고, 윈도옵셋(WindowOffset)을 한차례 수행하였다.
  • 비강 모형을 1mm 씩 서보모터로 제어되는 Linear guide 를 이용하여 이송하면서 총 33회 실험을 수행하였다. 비강 모형이 2 배의 모형이므로 실제 사 람의 비강에서는 0.
  • CT 사진을 이용하여 살아있는 사람의 비강 형 상을 얻고 RP 를 이용하여 모형을 만들고 이 모형 으로 정교한 비강 유로 모형을 제작하였고, 호흡 을 정확하게 모사하는 펌프를 만들었다. 사람의 호흡 데이터를 이용하여 캠을 제작하고 대형 피스 톤 펌프를 만들어 사람의 호흡을 정확 하게 모사 하였다. 이를 이용하여 생리적 주기를 갖는 비강 내 유동에 대한 결과를 획득하고 기존의 일정유량 하의 실험결과와 비교 분석하였다.
  • 이런 일련의 작업을 33회 반복 을 하여 각각의 주기 에 대한 Sagittal plane view 를 1mm 간격으로 얻는다. 이렇게 얻어진 data 로부터 3차원복원을 하여 Coronal view 로 만들었다 .
  • 코 내부 공동내의 유동해석에 있어 주된 요소는 정확한 유로의 모델을 형성하는데 있다. 이를 위해 먼저 정상인의 코에 대한 좁은 간격(0.6mm)의 CT(Computed Tomogram, Somatom plus 4, Siemens Co.) 촬영 데이터(Fig.5 참조)를 입력으로 하여 신속성 형 (rapid prototyping) 기 계 (Z Co. MA. USA)를 이 용 하여 유로 내부 유로의 고형 모델을 만들었다. (Cyber med Co.

대상 데이터

  • 본 연구에서는 실제 비강의 2 배 모델을 만들어 실험을 하였다. 그리고 작동유체로는 공기 대신 물과 글리세린의 혼합물을 사용하여 실험을 하였다. 그래서 두 유동의 무차원수로 일치시킴으로써 동적 상사가 필요하다.
  • 본 연구에서는 실제 비강의 2 배 모델을 만들어 실험을 하였다. 그리고 작동유체로는 공기 대신 물과 글리세린의 혼합물을 사용하여 실험을 하였다.
  • 인체의 호흡을 모사하기 위해서는 호흡의 특성을 알아야 하고 어떤 상태의 호흡을 모사할 것인 지 결정을 하여야 한다. 본 연구에서는 한국의 평 균적인 성인의 편안한 상태에서 호흡을 대상으로 하였다. 삼성의료원에서 구한 생리 데이터(Fig.
  • 본 연구에서는 한국의 평 균적인 성인의 편안한 상태에서 호흡을 대상으로 하였다. 삼성의료원에서 구한 생리 데이터(Fig. 1)의 주기를 선택하여 유량 곡선을 이산화 하고, 이를 구현할 수 있는 캠의 형상을 구했다(Fig. 2). 이 캠을 이용하여 주기적인 유량을 생성하는 왕 복 펌프 시스템을 Fig.
  • ) 2개의 코 내부 통로는 목 부근에서 연결되며, 일반적으로 4-6 시간 간격으로 번갈 아 한쪽 통로가 호흡에 주로 사용되므로, 코 한쪽 의 2 배 모델을 제작하여 유동 해석 하였다. 재료 는 물에 녹을 수 있는 옥수수 녹말(corn starch)을 사용하였다. 직사각형 아크릴 상자에 이 모델을 넣고 투명한 액체실리콘(clear silicone)을 경화제와 섞어서 거품이 일지 않도록 조심해서 부어넣어 굳 힌다.
  • 코 내부 유로 모델은 5개의 유량계로 이루어진 유량 조절 벤치를 거쳐 탱크로 연결된 페 회로론 이 루고 있다. 직경 80〃m 정도의 폴리비닐 구형 입자 (밀도 1.02)를 추적입자로 사용하였으며, 2*200ccm m 의 모델을 택하여 약 0.15mm/pixeI 의 공간 해상도른 갖게 하였다.

데이터처리

  • 사람의 호흡 데이터를 이용하여 캠을 제작하고 대형 피스 톤 펌프를 만들어 사람의 호흡을 정확 하게 모사 하였다. 이를 이용하여 생리적 주기를 갖는 비강 내 유동에 대한 결과를 획득하고 기존의 일정유량 하의 실험결과와 비교 분석하였다. 평균 속도장에 있어서는 호기 흡기 교체 시를 제외하면 대체로 상사성을 보이고 있으나 RMS 값이나 국소적인 유 동장의 특성에 대해서는 보다 면밀한 검토와 비교 분석이 필요하다.
  • 하나의 Sagittal 단면에 대해서 호흡의 주기 20 번 을 실험하였고 이 측정한 결과를 계산하고, 계산 된 결과를 다시 주기 별로 분류를 하여 평균과 RMS 를 구한다. 이런 일련의 작업을 33회 반복 을 하여 각각의 주기 에 대한 Sagittal plane view 를 1mm 간격으로 얻는다.

이론/모형

  • 본 연구에서는 인체의 생리학적 데이터로부터 호흡을 모사할 수 있는 왕복펌프를 제작하여 비강 모델에 연결하여 주기 유동 하에서의 비강내 유동을 위상(phase)별 속도장들을 PIV 기법을 이용하여 구하였다. PIV 해석 알고리즘으로는 전처리 과정을 거친 영상데이 터에 대해 Hart°)의 CBC 알고리즘을 적용하였고, 윈도옵셋(WindowOffset)을 한차례 수행하였다.
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참고문헌 (7)

  1. Scherer, P.W., Hahn, I.I. and Mozell, M.M., 1989, 'The Biophysics of Nasal Airflow,' Otol. Clinics N. Ame. Vol. 22, No.2, April, pp. 265-278 

  2. Hess, M.M., Lampercht, J. and Horlitz, S. 1992, 'Experimentelle Untersuchung der Strombahnen in der Nasenhaupthoehle des Menschen am Nasen-Modell,' Laryngo-Rhino-Otol. 71, pp. 468-471 

  3. Hopkins, L.M., Kelly, J.T., Wexler, A.S. and Prasad, A.K. 2000, 'Particle Image Velocimetry Measurements in Complex Geometries,' Exp. Fluids 29, pp. 91-95 

  4. Kim, S.K. and Son, Y.R., 2002 'Particle Image Velocimetry Measurements in Nasal Airflow,' Trans. of the KSME B, Vol. 26, No.6, pp. 566-569 

  5. Kim, S.K. and Son, Y.R., 2003 'PIV Measurements on Airflows in the Abnormal Nasal Cavity with Adenoid Vegetation,' Trans. of the KSME B, Vol. 27, No.4, pp. 566-569 

  6. Kim, S.K. and Jung, S.K., 2004 'An Investigation on Airflow in Disordered Nasal Cavity and It's Corrected Models by Tomographic PIV,' Meas. Sci. Technol. Vol. 15, pp. 1090-1096 

  7. Hart, D.P., 2000, 'PIV Error Correction,' Exp. Fluids 29, pp. 13-22 

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