| A Model of Human Nose and Paranasal Sinuses for the Study of Sinus Ventilation. |
| Yong Soo Jeong, Sang Ryul Kim, Dong Hwan Kim, Dong Keun Jung, Sun Seop Choi, In Ho jung, Se Hoon Suh |
1Department of Otolaryngology and Head and Neck Surgery, College of Medicine, Dong-A University, Pusan, Korea. klsolkor@chollian.net
2Department of Physiology, College of Medicine, Dong-A University, Pusan, Korea.
3Department of Diagnostic Radiology, College of Medicine, Dong-A University, Pusan, Korea. |
| 부비동 환기의 연구를 위한 인체 비부비동 모형 |
| 정용수1 · 김상렬1 · 김동환1 · 정동근2 · 최순섭3 · 정인호1 · 서세훈1 |
| 동아대학교 의과대학 이비인후과학교실1;생리학교실2;진단방사선과학교실3; |
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| 주제어:
부비동ㆍ환기ㆍ모형. |
| ABSTRACT |
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
The pathogenesis of chronic paranasal sinusitis has been gradually clarified, but there have been conflicting arguments on the ventilation of paranasal sinus. The aim of the present study is to establish an objective, quantitative and reproducible method for the investigation of the ventilation of paranasal sinuses.
MATERIALS AND METHODS:
With the axial images of high resolution computed tomography, a fine model of human paranasal sinus was made. The model was fitted with pressure sensors, and the pressure changes in the nasal cavity, frontal, maxillary and sphenoid sinuses were measured by pressure sensors and digital physiograph during nasopharyngeal respiration.
RESULTS:
Results demonstrated negative pressures compared to the atmospheric pressure during inspiration and positive pressures during expiration in the sinonasal cavities, and the highest and lowest pressures were measured in the nasal cavity.
CONCLUSION:
This study introduces another method for the investigation on the sinus ventilation through a model study. And this study model has demonstrated that the ventilation of paranasal sinuses depends on nasal respiration. Furthermore, the method is useful to evaluate the results of nasal and sinus surgeries in the case of an obstructed ostium, deviated septum or hypertrophied turbinates. |
| Keywords:
Paranasal sinusㆍVentilationㆍModel |
서론
만성부비동염은 이비인후과 영역에서 흔히 볼 수 있는 질환으로 주로 중비도의 점막비후나 부비동개구연합(ostiomeatal unit) 의 폐쇄에 이은 환기장애로 인해 섬모운동의 장애와 비점액의 저류 및 세균의 이차적 감염이 초래되어 유발된다고 알려져 있다.1)2) 부비동의 환기에 대한 연구로는 1921년 Wessely 3)가 최초로 정상인에서 상악동 천자후 수압력계로 측정한 상악동의 압력 변화를 보고하였고, 1953년 P roetz4)는 흡기시에 부비동내에는 음압이, 호기시에는 양압이 각각 발생하여 자연공을 통해 공기의 흐름이 일어날 것이라고 주장했다. 1970년 Nagoshi 등3)은 사체를 이용한 연구에서 비호흡에 따른 부비동의 압력변화를 통하여 부비동의 환기를 확인한 바 있고, 1978년과 1979년 Msenbeck과 Rosenberg5)6)는 부비동경(sinuscopy)을 시행받는 환자들에서 상악동 내에 주목할 만한 기류가 비호흡에 의해 발생한다는 것을 밝혀냈다. 또한, 1969년 Kawakami7)는 상악동 근치수술 후 상악동의 기류 개선에 관한 연구를 하여 수술이 상악동의 환기에 영향을 준다는 것을 밝힌 바 있다. 그러나, 현재까지는 부비동의 환기에 대한 정량적이며 재현 가능한 연구방법은 확립되어 있지 않다. 이에 저자들은 부비동의 환기에 대한 연구를 위하여 연구 결과의 객관적, 정량적 평가가 가능하고, 진보된 비부비동(nose and paranasal sinuses) 수술의 개발을 도모할 수 있는 재료를 확보하고자 본 연구를 시행하였다.
대상 및 방법
대상
과거력과 이학적 소견, 그리고 방사선학적 소견에서 비부비동 질환이 없는 키 172 cm, 체중 67 kg의 31세 성인 남자를 지원자로 하였다.
방법
모형의 제작
전두동 상연으로부터 상악동 하연까지를 두께 1 mm, field 크기 14×14 cm, matrix 512×512로 하여 축상면(axial plane)으로 전산화단층촬영(Somatoplus, Siemens, Erlangen)하여 얻어진 영상들의 이미지 파일들을 개인용 컴퓨터에 입력하였다(Fig. 1). 촬영시 window setting은 window level 150, window width 3000으로 하여 비점막이 균일한 두께로 보이고 부비동의 개구부들이 분명히 관찰되도록 하였다. 영상들의 골조직을 포함한 연부조직 음영과 공기 음영 사이의 경계를 Adobe Photoshop(version 4.0.1K, Adobe Systems Inc.) 프로그램을 이용하여 변연을 표현한 후 부비동 자연공을 추적 표시하였고(Fig. 2), Autocad R13(EMT Software Inc.) 프로그램으로 선형 정보를 위치 정보로 변환시킨 후 컴퓨터에 연결된 레이저 절단기(NHBM, Hankwang Inc., Seoul)로 1 mm 두께의 투명 아크릴 판을 절단하였다(Fig. 3). 부비동 단층면이 표현된 아크릴 판들을 차례로 접착시켜 모형을 완성하였고(Fig. 4), 모형의 양 측면을 지지대로 고정하였다(Fig. 5). 모형의 양측 비강의 하비도 중앙부, 그리고 자연공으로부터 먼 쪽의 각 부비동내에 직경 3 mm의 검출구를 뚫어 압력 감지장치(Deltran Ⅱ disposable pressure tr-ansducer, Utah medical products Inc.)를 설치하였다.
환기의 측정
양측 비강, 상악동, 전두동과 접형동에 만든 검출구를 모두 폐쇄한 후, 비인두에 연결된 파형도관(corrugated tube)을 통해 1회 호흡량이 600 ml인 지원자가 분당 18회로 호흡을 하게 하였고, 이때 좌측 비강, 상악동, 전두동과 접형동의 압력을 측정하였다(Fig. 6). 압력 감지장치에 연결된 Digital physiograph(동아대학교 임상의학연구소)에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시킨 다음, Biobench V1. 0(National Instruments Inc.) 프로그램으로 정량화하였다(Fig. 7).
좌측 비강, 상악동, 전두동과 접형동의 호흡에 따른 압력 변화를 그래프에서 확인하였고 매호흡시 비강 및 각 부비동의 최고 양압과 최저 음압의 평균과 표준편차를 구하여 비교하였다.
결과
고해상도 전산화단층촬영의 영상을 이용하여 인체 비부비동 모형을 제작하였고, 제작된 모형의 비인두를 통해 호흡을 하면서 비강과 각 부비동의 압력을 측정하였다. 각 부비동마다 흡기시에는 음압이, 호기시에는 양압이 측정되어 비호흡시 부비동의 환기가 일어나는 것을 확인하였다(Fig. 7). 8회의 호흡중에 측정한 압력중 최고 양압과 최저 음압의 평균은 각각 비강에서 4.61±0.54 mmH2O와 -4.51±0.72 mmH2O, 상악동에서 2.75±0.50 mmH2O와 -2.63±0.39 mmH2O, 접형동에서 1.92±0.62 mmH2O와 -2.33±0.23 mmH2O, 그리고 전두동에서 1.65±0.67 mmH2O와 -1.54 ±0.43 mmH2O로(Table 1), 매호흡시 최고 양압과 최저 음압의 압력차는 비강에서 가장 현저했으며, 상악동, 접형동, 전두동의 순이었다.
고찰
대부분의 만성부비동염의 병태생리에서 점액섬모운동의 장애, 세균감염과 함께 부비동의 환기장애는 핵심적인 요소이다. 그럼에도 점액섬모운동이나 세균감염 등에 비해 부비동의 환기능에 대한 연구는 활발하지 않은 상태로, 그 이유는 비부비동 구조의 복잡성과 다양성과 같은 제한요소 때문이라고 생각된다. Nagoshi 등 8)은 사체의 자연공 주변 비부비동 점막의 괴사된 부분에 고무를 입혀 조직결손을 보완한 비부비동 모형으로 비인강을 통해 1회 호흡량 500 ml, 분당 18회의 호흡시에 부비동의 압력변화를 측정하여 상악동의 최대 양압이 ＋6 mmH2O, 최대 음압이 -6mmH2O라고 하였다. 본 연구에서는 상악동의 최고 양압과 최저 음압이 각각 2.75±0.50 mmH2O와 -2.63±0.39 mmH2O로 측정되었는데, 이는 Nagoshi 등이 호흡기를 사용한데 반해 자연 호흡을 이용한 점, 자연공의 정확한 직경을 측정할 수는 없지만 4 mm보다 적다는 점 등의 이유 때문이라고 생각된다. Drettner8)는 자연공의 통기도에 대한 연구에서 하비도를 통해 1개의 관을 상악동 내부에 넣어 비호흡중에 상악동 압력변화의 측정을 시도한 적이 있다. 유사한 방법으로서 Aust 등9)은 fenylpropanolamin의 부비동 자연공의 크기 변화에 미치는 영향을 연구하던 중 부비동 자연공의 크기를 측정하기 위해 하비도를 통해 상악동내로 2개의 관을 넣어 한쪽으로는 공기를 주입하고 다른 한쪽으로는 압력변화를 감지하였다. Msenbeck과 Rosenberg5)6)는 부비동경을 시행받는 환자들에서 hot-film anenometry를 상악동 내에 삽입시켜 부비동 내에 주목할 만한 기류가 비호흡에 의해 발생한다는 것을 밝혀냈다. 1989년 Samuel 등10)은 비강 기류의 공기역학적 연구를 위한 비강 모형을 제작하기 위해 사체를 이용하여 액체 아크릴과 silicone rubber 주조물을 만들었고, 이 방법은 그후 부비동 모형을 만드는 데에도 응용되었다. Noboru11) 등 은 스프레이형 치료제의 부비동 내로의 입자 침착 효율에 대한 연구에서 사체를 이용한 플라스틱 주형으로 비강의 모형을 제작하고, 상악동은 속이 빈 구형으로 제작한 비부비동 모형을 이용하여 자연공의 크기에 따른 부비동 환기를 압력변화를 통해 측정하였다. 이 실험에서는 인체 부비동과 비부비동 모형에서 입자가 침착되는 양상이 크게 다르지 않다고 하였고, 부비동 내로의 입자 침착은 입자의 크기, 비강과 부비동간의 압력차, 자연공의 직경 등에 의해 영향을 받는다고 하였다. 1993년에는 비부비동 모형을 제작하는데 최초로 전산화단층촬영의 영상이 사용되었다. Inteak12) 등은 인체 비강의 20배 모형에서 hot film anenometer probe로 기류의 속도를 측정하여 속도 윤곽도를 구한 바 있다. 이 모형의 제작 과정에서 저자들은 정상 성인의 비강 부분을 2 mm 간격의 축상면(axial plane)으로 전산화단층촬영하여 비과 학자의 검증하에 경계선의 그림을 그렸고, 이를 20배 확대한 후 4 cm의 스티로폼(Styrofoam) 판에 절단 및 조각 과정을 거친 후 연속적으로 부착하여 모형을 완성하였다.
이상의 여러 연구에서 볼 수 있듯이 많은 저자들에 의해서 부비동의 환기에 대한 연구가 진행됐지만 비호흡이 부비동의 환기에 영향을 미치는 정도에 대해서 객관적, 정량적이면서 비침습적인 연구방법은 확립되어 있지 않은 상태이다. 저자들은 1 mm 간격의 축상면 고해상도 전산화단층촬영의 영상을 바탕으로 정교한 인체 비부비동 모형을 제작하였고, 이를 이용하여 각 부비동의 압력을 측정했을 때 흡기시에는 음압이, 호기시에는 양압이 측정되어 비호흡시 부비동의 환기가 일어나는 것을 확인하였다. 또 비호흡시 측정되는 최고 양압과 최저 음압은 비강에서 각각 최고치와 최저치가 측정되었고, 이는 각 부비동의 환기를 유발하는 요인이 될 것으로 추정되었다. 본 연구에서 사골동의 압력을 측정하지 않은 것은 사골세포의 수가 많고 각각의 사골세포에 압력 감지장치를 설치하기가 어려웠기 때문으로, 향후 방법적인 보완이 필요할 것으로 사료된다.
결론
1 mm 간격의 축상면 고해상도 전산화단층촬영의 영상을 기초로 정교한 인체 비부비동 모형을 제작하였고, 제작된 모형의 비인두를 통해 호흡을 하면서 측정한 비강과 각 부비동의 압력을 분석한 결과 각 부비동마다 흡기시에는 음압이, 호기시에는 양압이 발생하여 정상인의 경우 비호흡이 부비동의 환기에 영향을 미침을 확인하였다. 그리고, 비호흡시 측정되는 압력은 비강내에서 최고치와 최저치가 측정되었으며, 비강의 압력은 각 부비동의 환기를 유발하는 요인이 될 것으로 추정되었다.
본 연구는 인체 모형을 사용한 비침습적인 방법으로 시행되었고, 이러한 모형을 이용한 연구는 향후 비용종, 비중격 만곡증, 비갑개 비후증 등과 같은 병적 조건들과 비중격 성형술, 하비갑개 성형술, 부비동 내시경수술 등에 의한 부비동 및 주변 구조물들의 변화가 각각 부비동의 환기에 어떤 영향을 주는지에 대한 연구를 진행하는데 도움이 될 것이다. 그리고 본 실험은 부비동 환기의 연구를 위한 한가지 방법을 제시했다는 점에서 의의를 가지는 것으로 생각된다.
REFERENCES
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2) Pollei SR, Harnsberger HR. The radiologic evaluation of the sinonasal region. Postgrad Radiol 1989;9:242-64.
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4) Proetz AW. Applied physiology of the nose. 2nd ed. St. Louis: Annals Publishing Company;1953.
5) Msenbeck K, Rosenberg H. Measurement of air flow in the maxillary sinus by hot film technique. Rhinol 1978;16:11-8.
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7) Kawakami H. Air streams in the postoperative maxillary sinus. Nippon Jibiinkoka Gakkai Kaiho 1969;72:1997-2009.
8) Drettner B. The permeability of the maxillary ostium. Acta Otolaryngol (Stockh) 1965;60:304-14.
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10) Levine SC, Levine H, Jacobs G, Kasick J. A technique to model the nasal airway for aerodynamic study. Otolaryngol Head Neck Surg 1986;95:442-9.
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12) Hahn I, Scherer PW, Mozell MM. Velocity profiles measured for airflow through a large-scale model of the human nasal cavity. J Appl Physiol 1993;7 5:2273-87.
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