[논문]폐쇄성 수면무호흡증 환자의 상하악 전진술 후 상기도 내 유동해석

김형호; 서상호; 최진영; 김태윤

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.5.443

폐쇄성 수면무호흡증 환자의 상하악 전진술 후 상기도 내 유동해석
Flow Analyses of Upper Airway Before and After Maxillomandibular Advancement Surgery for Obstructive Sleep Apnea Patient 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.5 = no.356, 2015년, pp.443 - 448

김형호 (숭실대학교 기계공학과) , 서상호 (숭실대학교 기계공학과) , 최진영 (서울대학교 치의학대학원 구강악안면외과) , 김태윤 (서울대학교 치의학대학원 구강악안면외과)

초록
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폐쇄성 수면무호흡증은 수면중 간헐적으로 반복되는 상기도 폐쇄 증상을 말한다. 상하악전진술은 폐쇄성 수면무호흡 치료에 가장 효과적인 외과적 수술 중 하나이다. 상하악 전진술을 통해 상기도의 부피가 증가되어 상기도의 막힘을 치료할 수 있다. 본 연구의 목적은 상하악전진술 전후의 상기도 내 유동해석을 수행하여 폐쇄성 수면무호흡증 환자의 흡기 및 호기 시의 유동현상을 분석하는 것이다. 생체내 CT 이미지로부터 상기도 모델링을 만들고, 상기도 내 상하악전진술 전 후 환자에 대한 단면적 변화 및 음압 효과에 대해 전산유체역학적 방법으로 연구하였다. 연구결과, 수술 후 SMA (section of minimum area)의 면적변화가 가장 컸으며 압력변화와 속도변화가 커진다는 것이 확인되었다. 수면무호흡증 환자에 대한 CFD 해석을 통한 연구는 치료효과에 대한 분석이 가능함을 임상적으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Obstructive sleep apnea (OSA) is a syndrome characterized by the repetitive episodic collapse of the upper airway. Maxillomandibular advancement surgery is one of the most effective surgical treatment methods in treating obstructive sleep apnea. The advancement of both maxill and mandible can enlarge the cross-sectional areas and volumes of the postero-superior airway. The purpose of this study is to analyze flow patterns in the upper airway before and after maxillomandibular advancement surgery. Here, we analyzed flow phenomena of inspiration and expiration to prevent obstructive sleep apnea patient from happening side effect. Modeling of the upper airway carried out from clinical CT scanned images. We used time-dependent values for boundary condition. CFD analyses were performed and evaluated section of minimum area (SMA), compared with patient inside upper airway before and after maxillomandibular advancement surgery in SMA, and negative pressure effects. The study showed the greatest enlargment of the section of minimum cross-sectional area. Moreover, the velocity and the negative airway pressure were decreased. According to the result of this study, the maxillomandibular advancement surgery stabilizes the airflow in the postero-superior airway of OSA patients.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(6) 본 연구에서는 수술 전·후 상기도 모델을 통해 기도의 해부학적 구조와의 관련성을 비교하고, 기도 폐쇄 원인을 찾아내 폐쇄성 수면무호흡증의 적절한 수술을 위한 방법을 알아내고자 한다.
본 연구에서는 폐쇄성 수면무호흡증의 치료 시 개선된 방법을 찾기 위해 환자의 CT를 사용하여 제작한 3차원 상기도 모델 내의 유동현상 분석을 수행하였다. 흡기 시에는 평면 1과 평면 2 사이의 압력변화가 크게 나는 것을 볼 수 있었고, 모델 1보다 모델 2에서 음압의 크기가 10배 정도 증가한 것을 볼 수 있다.

제안 방법

Lindemann의 데이터를 사용하였다. ⁽¹³⁾온도는 흡기와 호기 시 시간에 따른 비강 점막의 위치들에 대해 온도를 측정하였다.
현재 폐쇄성 수면무호흡증이 호기 시에 일어나는지 흡기 시에 일어나는지 명확히 밝혀진 것이 없고, 이를 분석하기 위한 유체역학적 자료가 충분하지 않다. 따라서 상기도 내의 유동현상을 파악하기 위해 Fig. 4의 경계조건에서 흡기 시와 호기 시, 유량이 없을 때로 나누어 각 시간대에 대해 수치 해석을 수행하였다.⁽¹⁴⁾상기도의 매우 좁은 부분은 1회 호흡량에 해당하는 공기를 흡입해야 하므로 유속이 빨라져 압력이 떨어지게 된다.
본 연구를 통해 수술 전·후 상기도 모델을 기도의 해부학적 구조와 유체역학적 인자에 대해 검토하였고, 폐쇄성 수면무호흡증과의 관련성을 분석하였다.
상하악 전진술 한달 전에 3D-CT로 상기도를 촬영하고, 수술 후 6개월 지나 다시 Somatom sensation 10(Siemens Forchheim, Germany)로 촬영하였다. CT 이미지 사이의 간격은 0.

대상 데이터

^(11,12) 상기도 벽면의 온도는 해석 시 있어 중요한 경계조건이다. 상기도의 온도는 J. Lindemann의 데이터를 사용하였다. ⁽¹³⁾온도는 흡기와 호기 시 시간에 따른 비강 점막의 위치들에 대해 온도를 측정하였다.
⁽⁷⁾ 본 논문에서는 상하악전진술 전의 모델을 모델 1, 수술 후의 모델을 모델 2로 표기하였다. 수치해석을 수행하기 위한 격자계는 ICEM CFD를 사용하여 Fig. 3과 같이 만들었고, 수술 전 모델의 경우 Nodes의 수를 2,752,913개, Elements 수를 10,730,259개로 만들었고, 수술 후의 모델은 Nodes수가 3,486,650개이고, Elements의 수는 15,612,675개인데 수술 후의 경우 면적이 더 넓어져서 똑같은 크기로 격자를 구성하였으나 개수는 더 증가하였다. Fig.

이론/모형

⁽²⁾ 하지만, 선행 연구들은 대부분 비강에 대한 연구들이었다.^(3~5)연구방법으로는 CFD 및 PIV를 활용하여 연구가 수행되었다.⁽⁶⁾ 본 연구에서는 수술 전·후 상기도 모델을 통해 기도의 해부학적 구조와의 관련성을 비교하고, 기도 폐쇄 원인을 찾아내 폐쇄성 수면무호흡증의 적절한 수술을 위한 방법을 알아내고자 한다.
k-ε 모델은 난류운동에너지 및 난류소산율에 대한 수송방정식으로 구성되어 있으며, 난류레이놀즈 응력과 변형률 사이의 선형관계를 사용하였다.
이러한 유동장을 잘 나타내기 위해 난류 모델로 k-ε모델을 식 (3)~(4)와 같이 적용하였다.

성능/효과

6의 (a)와 (b)는 흡기 시 수술 전·후의 압력분포를 나타내고 있다. 두 모델 모두 음압을 나타내고 있고, 평면 1과 평면 2사이의 압력변화가 크게 나는 것을 볼 수 있으며, 모델 1보다 모델 2에서 음압의 크기가 10배 정도 증가한 것을 볼 수 있다. 이를 정량적으로 평가하기 위해 Table 2과 같이 최대, 최소, 평균 압력을 정리하여 분석하였다.
모델 2에서 평균압력은 SMA에서 조금 증가 후 평면 2에서 감소 후 평면 3부터는 증가하였다. 두 모델을 비교하면, 다른 평면에서는 큰 차이가 없는 반면, 평면 1과 SMA에서 큰 차이가 났다. 위에서 분석했던 2 가지의 경우 모두 평면 1과 SMA에서 모델 1과 모델 2의 압력 차이가 크게 나타난 것으로 보아 이 부분이 수면무호흡증에 관계가 있음을 확인하였다.
각 평면의 압력을 정량적으로 정리한 값을 Table 3에 나타내었다. 모델 1에서 평균 압력은 SMA에서 잠시 감소 후 평면 2부터 일정하게 증가하였다. 모델 2에서 평균압력은 SMA부터 계속 증가하였다.
모델 2에서 평균압력은 SMA에서 잠시 감소 후 평면 2부터 일정하게 증가하였다. 최대 압력은 SMA에서 감소 후 평면 2에서부터 계속 증가하였다.
모델 1에서 평균압력은 SMA에서 조금감소 후 평면 2부터 증가하는데 평면 3에서 한번 크게 압력이 증가 한 후 그 다음부터는 조금씩 일정하게 증가한다. 모델 2에서 평균압력은 SMA에서 조금 증가 후 평면 2에서 감소 후 평면 3부터는 증가하였다. 두 모델을 비교하면, 다른 평면에서는 큰 차이가 없는 반면, 평면 1과 SMA에서 큰 차이가 났다.
첫째는 기도주변의 비만으로 인해 기도가 막히는 것이고, 둘째는 기도의 길이가 길고 단면적이 작을 때이다. 셋째는 하악턱뼈와 기도 부위가 연결되는 근육의 길이가 짧아 긴장도가 높은 경우이다. 폐쇄성 수면무호흡증은 한국인 인구의 3.
호기 시에 두 모델의 유동특성을 비교하면 다른 평면에서는 큰 차이가 없는 반면에 평면 1과 SMA에서 큰 차이가 났다. 위에서 분석했던 2 가지의 경우 모두 평면 1과 SMA에서 모델 1과 모델 2의 압력 차이가 크게 나타난 것으로 보아 이 부분이 수면무호흡증과 관계가 있음을 확인할 수 있다. 폐쇄성이 강한 SMA에서 속도가 빨라지면 음압이 발생하고 음압에 의하여 더 좁아지는 악순환이 일어남을 예측할 수 있었다.
두 모델을 비교하면, 다른 평면에서는 큰 차이가 없는 반면, 평면 1과 SMA에서 큰 차이가 났다. 위에서 분석했던 2 가지의 경우 모두 평면 1과 SMA에서 모델 1과 모델 2의 압력 차이가 크게 나타난 것으로 보아 이 부분이 수면무호흡증에 관계가 있음을 확인하였다. 단순히 모델 1보다 모델 2에서 면적이 증가하였기 때문이라고 이런 결과가 나왔다고 평가할 수 있지만 평면 2와 3 또한 면적이 SMA만큼 증가하였지만 그러한 경향은 나타나지 않았다.
측정 결과 앞쪽 비갑개의 흡기 시와 호기 시의 평균온도는 30와 32C° 였고, 비인두의 흡기 시와 호기 시의 평균온도는 33와 34C° 였다.
위에서 분석했던 2 가지의 경우 모두 평면 1과 SMA에서 모델 1과 모델 2의 압력 차이가 크게 나타난 것으로 보아 이 부분이 수면무호흡증과 관계가 있음을 확인할 수 있다. 폐쇄성이 강한 SMA에서 속도가 빨라지면 음압이 발생하고 음압에 의하여 더 좁아지는 악순환이 일어남을 예측할 수 있었다. 본 연구를 통해 수술 전·후 상기도 모델을 기도의 해부학적 구조와 유체역학적 인자에 대해 검토하였고, 폐쇄성 수면무호흡증과의 관련성을 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상기도의 주요 기능은 무엇인가?	상기도는 비강, 인두, 후두, 기관지가 있는 부위를 개괄적으로 지칭하는 것이다. 상기도의 주요 기능은 발음, 삼키기, 호흡 등이다. 수면무호흡증이 발생하는 원인은 중추신경계에서 호흡 조절을 못하는 경우이거나 상기도가 막히는 경우이다.
	폐쇄성 수면무호흡증의 치료방법 중 비수술적 방법으로는 어떤 것들이 있는가?	폐쇄성 수면무호흡증의 치료방법으로는 수술적 방법과 비수술적 방법이 있다. 비수술적 방법으로는 양압기나 구강 내 장치를 통한 방법이 있다. 비수술적 방법은 가격도 비싸고, 편하게 숙면을 취해야 하는 잠자리에서 양압기를 착용하고 잠자리에 들어야 하는 단점이 있다.
	수면무호흡증이 발생하는 원인은 무엇인가?	상기도의 주요 기능은 발음, 삼키기, 호흡 등이다. 수면무호흡증이 발생하는 원인은 중추신경계에서 호흡 조절을 못하는 경우이거나 상기도가 막히는 경우이다. 폐쇄성 수면무호흡증은 수면 시 상기도가 좁아져 Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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