[논문]구강암 절제 및 재건 수술에 따른 기도 내 공기 유동 시뮬레이션

서희림; 송재민; 염은섭

doi:10.5407/jksv.2020.18.3.096

구강암 절제 및 재건 수술에 따른 기도 내 공기 유동 시뮬레이션
Numerical Simulation of Air Flows in Human Upper Airway for Free Flap Reconstruction Following Resection Surgery in Oral Cancer Patients 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.3, 2020년, pp.96 - 102

서희림 (School of Mechanical Engineering, PNU) , 송재민 (Department of Oral and Maxillofacial Surgery, School of Dentistry, PNU) , 염은섭 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University (PNU))

Abstract ▼ AI-Helper

Oral cancer surgery changes the morphologic characteristics of the human upper airway. These changes can affect the flow patterns. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulations with transient solver were performed to numerically investigate the air flows in the human upper airways depending oral cancer surgery. 3D reconstructed models were obtained from 2D CT images of one patient. For the boundary condition, the realistic breathing cycle of human was applied. The hydraulic diameters of cross-sections for post-surgical model are changed greatly along streamwise direction, so these variations can cause higher wall shear stress and flow disturbance compared to pre-surgical model. The recirculation flows observed in the protruding region result in the relatively large pressure drop. These results can be helpful to understand the flow variations after resection surgery of oral cancer.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) 3D reconstructed upper airways of pre-and post- surgical model from 2D CT images. (b) Cross-sectional hydraulic diameter of pre- and post-surgical modellings
그림 Fig. 2. Variations of the pressure drop of air flows in pre- and post-surgical models to ensure breathing cycle obtained by Scheinherr, et al (2015)⁽¹⁰⁾
그림 Fig. 3. (a) 3D upper airways with contour maps (x-z planes) of pressure distribution. (b) Contour maps (center x-y plane) of the y-directional velocity. Variations of (c) the area-averaged pressure, and (d) velocity along y-direction (streamwise direction).
표 Table 1. Maximum and minimum pressure drop of air flows in pre- and post-surgical modellings ay four phases. Phase1,3: the moment immediately after the change in the sign of the pressure difference. Phase2,4: the moment when the maximum pressure drop occurred during inhalation and exhalation, respectively.
그림 Fig. 4. Streamlines depicting absolute velocity at four phases.
그림 Fig. 5. 3D upper airways with contour maps (on the wall) of wall shear stress distribution at four phases.

AI 본문요약
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문제 정의

^{(8, 9)} 하지만 이때까지 기도의 형상을 3차원으로 재구축하여 공기 유동 시뮬레이션을 수행한 연구는 활발히 수행되지 않고있다. 따라서 본 연구에서는 구강암 절재 및 재건 수술을 겪은 한 환자의 2차원 CT 영상을 기반으로 상기도 형상을 3차원으로 재구축하고 이를 이용하여 전산 수치해석을 통해 수술 전후 유동을 기반으로 호흡의 원활성에 대한 비교를 하려한다.
이 연구는 구강암을 치료하기 위하여 구강 내 악성종양 절제 후 유리피판 (Free flap)을 이용한 재건술을 받은 한 명의 환자의 상부 기도에 대해서 진행되었다. 수술 전 (T1)과 수술 후 7개월 차 (T2)에 각각 콘빔씨티(CBCT) (KODAK 9500, Eastman Kodak Company in Rochester, NY, USA) 를 수행했다.

가설 설정

, USA)를 사용하였다. 상부 기도 내의 공기 유동의 Mach number는 압축 효과를 무시해도 될 정도로작으므로 (Mach<0.3) 비압축성 유동으로 가정하였다. 난류 모델로는 k-ωSST 모델을 사용했다.

제안 방법

이전 논문에서의 사람의 호흡 유량 데이터를 사용하여 연속 함수로의 근사 (Approximation)로 인한 오차를 줄였다.⁽¹⁰⁾ 고속 푸리에 변환 (Fast Fourier transform, FFT)을 적용해 불연속적인 유량 데이터를 curve-fitting 하여 유량 함수를 얻었고, 해당 함수를 속도 함수로 변환하여 출구의 경계 조건으로 적용하였다. 한 번의 들숨 (Inhalation)과 날숨 (Exhalation)이 한 주기에 해당되며, 들숨은 +y 방향으로의 유동이며 날숨은 -y 방향으로의 유동이다.
2는 시간에 따른 유량과 이를 확보하기 위해 필요한 T1, T2 모델에서의 압력 강하 값을 보여준다. 비압축성 유동으로 가정하였으므로 압력 강하는 출구와 입구의 질량-가중 평균 압력 (Mass- weighted average pressure) 차이로 계산하였다. 따라서 압력 강하는 대기압의 입구 조건에 대해 출구에서 필요로 하는 압력 조건을 의미한다.
진행되었다. 수술 전 (T1)과 수술 후 7개월 차 (T2)에 각각 콘빔씨티(CBCT) (KODAK 9500, Eastman Kodak Company in Rochester, NY, USA) 를 수행했다. 본 연구에 대한 윤리적 허가는 부산대학교병원 (H-2012-023-098)의 기관심사위원회 (IRB)에 의해 허가되었으며 헬싱키 선언의 규정을 따른다.
수술 전후 모델에 위상에 따른 벽면 전단응력 변화를 비교하였다 (Fig. 5). Phase1, 3은 유속이 거의 0 m/s에 가까워지면서 벽면 전단응력 또한 거의 발생하지 않았다.
수술 전후 모델에 위상에 따른 유선의 변화를 비교하였다 (Fig. 4). Phase1, 3은 유량 방향이 반전된 직후로 유동의 속력이 0 m/s에 가까워지면서 전체적으로 낮은 속도를 가진 재순환 유동이 형성되었다.
벽면에는 no-slip 조건을 적용하였다. 유동 안정화를 위해 총 5 주기 (1주기 당 4초로 총 20초)를 해석하였고, 다섯 번째 주기의 해석 결과를 사용하였다.
유동 해석을 위한 최적의 격자 크기를 선정하기 위하여 두 모델에 대해 격자 크기에 따른 해석을 수행하였다. 출구에서의 레이놀즈 수를 비교함으로써 수치 격자 독립성 검정 (Mesh independence test)을 진행하였다.
2(b)에 나타나 있다. 입구의 경계 조건으로는 대기압 (상대 압력 0 Pa) 을 적용하였다. 벽면에는 no-slip 조건을 적용하였다.
출구에서의 레이놀즈 수를 비교함으로써 수치 격자 독립성 검정 (Mesh independence test)을 진행하였다. 그 결과, 전체적으로 약 0.
, USA)를 이용하여 3차원 모델링 되었다. 환자의 CT 영상을 기반으로 x-z 평면과 평행하게 13개 (약 5-6 mm 간격)의 2차원 단면들을 그린 후, 이들을 로프트 (Loft) 하여 3차원 형상을 구현하였다. 입구 평면의 도심에 절대 원점이 위치하도록 하였으며, 입구 (y= 0 mm)에서 출구 (y= 74 mm)로 가는 방향이 +y 방향이다.

대상 데이터

3 mm의 사면체 격자를 사용하면 해에 대한 충분한 격자의 독립성을 얻을 수 있었다. 최종적으로 T1 의 상부 기도에 대해서는 1047만 개, T2의 상부 기도에 대해서는 1286만 개의 격자를 사용하였다.

이론/모형

3) 비압축성 유동으로 가정하였다. 난류 모델로는 k-ωSST 모델을 사용했다. 속도와 압력의 커플링에 대해서는 SIMPLE(Semi- implicit method for pressure- linked equations) 알고리즘을 적용하였고, 2nd order Upwind로 지배 방정식을 공간 차분 (Spatial Discretization) 하였다.
난류 모델로는 k-ωSST 모델을 사용했다. 속도와 압력의 커플링에 대해서는 SIMPLE(Semi- implicit method for pressure- linked equations) 알고리즘을 적용하였고, 2nd order Upwind로 지배 방정식을 공간 차분 (Spatial Discretization) 하였다. 이전 논문에서의 사람의 호흡 유량 데이터를 사용하여 연속 함수로의 근사 (Approximation)로 인한 오차를 줄였다.
수술 전후 사람의 상부 기도 내의 공기 유동에 대한 전산 수치 해석을 진행하기 위해서 상용 CFD 소프트웨어인 FLUENT 2019 R2 (ANSYS, Inc., USA)를 사용하였다. 상부 기도 내의 공기 유동의 Mach number는 압축 효과를 무시해도 될 정도로작으므로 (Mach<0.
유동 해석에 사용된 모델들은 상용 소프트 웨어인 SolidWorks (Dassault Systèmes SolidWorks Corp., USA)를 이용하여 3차원 모델링 되었다. 환자의 CT 영상을 기반으로 x-z 평면과 평행하게 13개 (약 5-6 mm 간격)의 2차원 단면들을 그린 후, 이들을 로프트 (Loft) 하여 3차원 형상을 구현하였다.
유동 해석에 사용된 지배 방정식은 시간-평균개념을 기반으로 개발된 3차원 비압축성 Reynolds- Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식이며 아래식 (1)-(2)과 같다.

성능/효과

(1) 한국인을 대상으로 한 통계에 따르면, 전체 암 발생 자수 대비 구강암 발생자수는 2017년 기준 0.64 %으로 발생 빈도가 높지 않으나, 2019년 기준 암으로 인한 전체 사망자 대비 구강암으로 인한 사망자는 1.5 %으로 20년 전보다 0.6 %p 증가하였다.⁽²⁾ 그리고 5년 상대생존율(2013-2017 년)이 66.
큰 음압이 형성된 기도 내부와 기도 외부의 압력 차이는 기도의 폐쇄를 유발할 수 있다.⁽¹¹⁾ 날숨 (Phase4)일 때에 비해 들숨 (Phase2)일 때 압력 변화가 큰 것을 확인할 수 있으며, T1보다 T2일 때 압력 변화가 크다 (Fig. 3(c)).
출구에서의 레이놀즈 수를 비교함으로써 수치 격자 독립성 검정 (Mesh independence test)을 진행하였다. 그 결과, 전체적으로 약 0.3 mm의 사면체 격자를 사용하면 해에 대한 충분한 격자의 독립성을 얻을 수 있었다. 최종적으로 T1 의 상부 기도에 대해서는 1047만 개, T2의 상부 기도에 대해서는 1286만 개의 격자를 사용하였다.
⁽¹³⁾ 또한 돌출된 부분으로 인한 유동의 separatione 강한 재순환 구조와 reversed flow를 유발하고 이는 wall shear stress를 증가시키는데, ⁽¹⁴⁾ 본 연구에서도 이러한 경향성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 벽면 전단응력이 상기도의 형상 변화와 유동 간의 관계에 대한 중요한 인자이며, 수술 전후 유동 악화 정도를 정량화 할 수 있는 지표임을 확인하였다.

후속연구

이는 숨을 위해 폐의 팽창이 더 크게 이루어져야 하며, 심한 경우에는 원활할 호흡이 힘들어 생명을 위협하게 될 것이다. 이러한 기초 연구는 구강암 절제 및 재건 수술에 따른 위험성을 예측하는 도움이 될 것이다.

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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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