KR102441143B1 - Simulation method of human respiratory system - Google Patents

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KR102441143B1
KR102441143B1 KR1020220071834A KR20220071834A KR102441143B1 KR 102441143 B1 KR102441143 B1 KR 102441143B1 KR 1020220071834 A KR1020220071834 A KR 1020220071834A KR 20220071834 A KR20220071834 A KR 20220071834A KR 102441143 B1 KR102441143 B1 KR 102441143B1
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김병준
이치승
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

According to the present invention, a method for simulating the human respiratory system comprises: a first step in which a computer system extracts a plurality of slices of an image of the human respiratory system at maximum inspiration and maximum expiration; a second step of generating 3D models, respectively, at maximum inspiration and maximum expiration by using the plurality of slices extracted in the first step; a third step of performing a hole filling operation on the 3D model at maximum inspiration, generated in the second step, by using a Gaussian technique; a fourth step of performing a smoothing operation on the 3D model that has undergone the third step by using the Gaussian technique; a fifth step of determining the density and size of elements for the 3D model that has undergone the fourth step; a sixth step of generating a FE model by performing a meshing operation on the 3D model that has undergone the fifth step; a seventh step of applying an Ogden N6 model, which is a superelastic material model, to the lung parenchyma in the FE model generated in the sixth step, and applying elasticity properties to the bronchi; an eighth step of setting numerical analysis conditions to the FE model that has undergone the seventh step; and a ninth step of simulating the FE model to which the numerical analysis conditions are set, for a first reference time set in advance. Therefore, the method can realize fast and accurate minimally invasive surgery.

Description

인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법{Simulation method of human respiratory system}Simulation method of human respiratory system

본 발명은 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 초탄성 구성 모델을 기반으로 유한요소해석을 통해 인체의 호흡기관을 시뮬레이션할 수 있는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for simulating the respiratory organs of a human body, and more particularly, to a method for simulating the respiratory organs of a human body through finite element analysis based on a hyperelastic configuration model.

최근들어, 노인 인구의 급격한 증가 및 환경의 악화로 인해 다양한 폐 질환이 발생하고 있으며, 영상기술의 발달 및 폐암 선별 검사에 따라 폐 질환의 조기 진단이 활발하게 수행되고 있다.Recently, various lung diseases are occurring due to the rapid increase of the elderly population and the deterioration of the environment, and the early diagnosis of lung diseases is being actively performed according to the development of imaging technology and lung cancer screening tests.

연구 결과에 따르면, 폐암 선별 검사 대상인 집단의 7.2%에서 불확정성(indeterminate) 폐 결절, 간유리(ground glass) 폐 결절 등과 같은 병변이 확인되었다. 통상적으로, 폐 결절은 크기 3cm 이하의 국소 폐 음영을 의미한다. 최근 들어, 폐 결절은 반고형(part-solid)의 형태로 발견되는 빈도가 증가하고 있다.According to the study results, lesions such as indeterminate lung nodules and ground glass lung nodules were identified in 7.2% of the lung cancer screening population. Typically, a pulmonary nodule refers to a localized lung shadow of 3 cm or less in size. Recently, pulmonary nodules are increasingly found in the form of a semi-solid (part-solid).

특히, 상기 반고형 결절이 폐암을 유발하는 종양인 경우, 그에 따른 병리학적 확진 및 치료를 위하여 필연적으로 수술을 통한 조직검사가 시행되어야 한다. 그러나, 폐 결절의 형태가 고형이 아니거나, 폐 결절의 크기가 작아서, 최소침습술을 통해 폐 결절을 노출시킬 수 없는 경우, 최소침습술이 아닌 개흉술로 전환하는 경우가 약 50%에 달하는 것으로 알려져 있다.In particular, when the semi-solid nodule is a tumor causing lung cancer, a biopsy through surgery is inevitably performed for pathological confirmation and treatment. However, if the lung nodule is not solid or the size of the lung nodule is small, so that the lung nodule cannot be exposed through minimally invasive surgery, the conversion to thoracotomy rather than minimally invasive surgery is estimated to reach 50%. is known

성공적인 최소침습술을 위하여 종양의 정확한 노출이 반드시 선행되어야 하며, 다음과 같은 방법이 적용되었으나, 각각의 방법에서 치명적인 한계가 있는 것으로 보고되고 있다.For successful minimally invasive surgery, accurate exposure of the tumor must be preceded, and the following methods have been applied, but it is reported that each method has fatal limitations.

기존의 경피적 의료기기 삽입 방법은 마취 과정이 없어, 환자의 심리적 불안과 고통을 유발할 뿐만 아니라, 삽입 깊이에 한계가 있어, 폐의 중심부 종양에 적용이 불가하다는 문제점이 있었다.The existing percutaneous medical device insertion method has a problem in that it does not have an anesthetic process, causing psychological anxiety and pain in the patient, and has a limitation in insertion depth, making it impossible to apply to central tumors of the lungs.

그리고, 방사능 화학물질 주입 방법은 물질 추적을 위한 환자 및 의료진에 대한 방사능 피폭이 과도하게 발생한다는 문제점이 있었다. In addition, the radioactive chemical injection method has a problem in that excessive radiation exposure to patients and medical staff for material tracking occurs.

그리고, 수용성 화학물질 주입 방법은 화학물질 자체의 높은 확산 속도로 인해 폐 종양 위치의 국소화가 불가능할 뿐만 아니라, 수술 횟수도 증가시킨다는 문제점이 있었다.In addition, the water-soluble chemical injection method has a problem in that localization of the lung tumor location is impossible due to the high diffusion rate of the chemical itself, as well as increasing the number of operations.

이는 최소침습술 시행술에 있어, 폐 결절을 표적화하는 것을 어렵게 한다.This makes it difficult to target lung nodules in minimally invasive procedures.

이를 극복하기 위해 규칙적이고 불규칙한 호흡주기 동안 3차원 폐변형을 예측하는 방법이 필요하다. To overcome this, a method for predicting three-dimensional lung deformation during regular and irregular breathing cycles is needed.

3차원 폐변형을 완벽하게 추정하기는 어렵다. 현재, 3차원 폐변형은 폐활량계, 복부압력 벨트, 외부 마커 또는 이미지와 같은 장치의 1차원 또는 다차원 신호에 의해 근사화되고 있는 실정이다.It is difficult to perfectly estimate the three-dimensional lung strain. Currently, three-dimensional lung deformation is approximated by a one-dimensional or multi-dimensional signal of a device such as a spirometer, an abdominal pressure belt, an external marker or an image.

따라서, 최소침습술로 폐 병변 부위만을 최소한으로 절개하기 위해서는 환자의 호흡에 따른 폐 거동 및 병변 부위의 정확한 모션을 평가/예측할 수 있어야 한다.Therefore, in order to minimize the incision of only the lung lesion area with minimally invasive surgery, it is necessary to evaluate/predict the lung behavior according to the patient's respiration and the accurate motion of the lesion site.

KRUS 10-2010-0096470 10-2010-0096470 AA

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초탄성 구성 모델을 기반으로 유한요소해석을 통해 인체의 호흡기관을 시뮬레이션할 수 있는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a simulation method of a human respiratory system capable of simulating the respiratory system of the human body through finite element analysis based on a hyperelastic configuration model. have.

또한, 본 발명의 목적은 개흉 또는 물질의 삽입 없이 인체의 호흡기관의 부피 및 압력 변화에 따라 인체의 호흡기관의 물리적인 거동을 수리모델에 기반한 유한요소해석을 통해 예측할 수 있는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법을 제공하는데 있다.In addition, it is an object of the present invention to simulate a human respiratory system that can predict the physical behavior of the respiratory organs of the human body through finite element analysis based on a mathematical model according to the volume and pressure changes of the respiratory organs of the human body without opening the chest or inserting a material is to provide a way.

상기와 같은 기술적인 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은 컴퓨터 시스템이 최대 흡기 및 최대 호기시, 인체 호흡기관의 이미지에 대한 다수의 슬라이스를 추출하는 제 1단계, 상기 제 1단계에서 추출된 다수의 슬라이스로 최대 흡기 및 최대 호기시의 3D 모델을 각각 생성시키는 제 2단계, 상기 제 2단계에서 생성된 최대 흡기시의 3D 모델에 대해 가우시안 기법으로 홀 필링 작업을 수행하는 제 3단계, 상기 제 3단계를 거친 3D 모델에 대해 가우시안 기법으로 스무싱 작업을 수행하는 제 4단계, 상기 제 4단계를 거친 3D 모델에 대해 요소의 밀도 및 크기를 결정하는 제 5단계, 상기 제 5단계를 거친 3D 모델에 대해 메시 작업을 수행하여, FE 모델을 생성시키는 제 6단계, 상기 제 6단계에서 생성된 FE 모델에서 폐 실질에 초탄성 재료 모델인 오그던 N6 모델을 적용하고, 기관지에 탄성 물성치를 적용하는 제 7단계, 상기 제 7단계를 거친 FE 모델에 대해 수치해석 조건을 설정하는 제 8단계 및 상기 수치해석 조건이 설정된 FE 모델을 사전에 설정된 제1 기준시간 동안 시뮬레이션하는 제 9단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problems, the method for simulating the human respiratory tract according to the present invention includes a first step of extracting a plurality of slices for an image of a human respiratory tract by a computer system during maximum inspiration and maximum expiration, the In the second step of generating 3D models of maximum inspiration and maximum expiration, respectively, with the plurality of slices extracted in the first step, hole filling is performed using the Gaussian technique on the 3D models of maximum inspiration generated in the second step a third step of performing a smoothing operation using a Gaussian technique on the 3D model that has undergone the third step, a fifth step of determining the density and size of elements with respect to the 3D model that has undergone the fourth step, In the sixth step of generating an FE model by performing meshing on the 3D model that has undergone the fifth step, the Ogden N6 model, which is a superelastic material model, is applied to the lung parenchyma in the FE model generated in the sixth step, and , a seventh step of applying elastic properties to the bronchus, an eighth step of setting numerical analysis conditions for the FE model that has passed through the seventh step, and simulating the FE model in which the numerical analysis conditions are set for a preset first reference time It is characterized in that it includes a ninth step.

또한, 상기 제 5단계에서는 메시 작업 시, 메시요소로 사면체 요소가 적용되고, 상기 제 6단계에서는 기관지의 탄성계수 및 프와송비가 각각 5kPa 및 0.44인 것을 특징으로 한다.In addition, in the fifth step, a tetrahedral element is applied as a mesh element when working with the mesh, and in the sixth step, the elastic modulus and Poisson's ratio of the bronchus are 5 kPa and 0.44, respectively.

또한, 상기 제 8단계는 FE 모델의 기관지의 상단에 대해 X, Y, Z축의 세 방향의 회전 및 병진 운동을 각각 구속하는 제 8-1단계, 상기 제 8-1단계를 거친 FE 모델의 기관지의 중앙에 대해 Z축의 회전 및 병진 운동을 각각 허용하는 제 8-2단계, 상기 제 8-2단계를 거친 FE 모델의 기관지의 중앙에 대해 X, Y축의 회전 및 병진 운동을 각각 구속하는 제 8-3단계, 상기 제 8-3단계를 거친 FE 모델에 경폐압의 하중조건을 적용하는 제 8-4단계, 상기 제 8-4단계를 거친 FE 모델의 수치해석의 유형에 풀 뉴턴 정적해석을 적용하는 제 8-5단계, 상기 제 8-5단계를 거친 FE 모델의 폐에 비선형 대변형 모델을 적용하는 제 8-6단계, 상기 제 8-6단계를 거친 FE 모델의 폐 및 기관지의 접촉부위에 고정된 면대면 접촉조건을 적용하는 제 8-7단계 및 상기 제 8-7단계를 거친 FE 모델의 폐 및 기관지에 각각 마스터 서피스 및 슬레이브 서피스를 적용하는 제 8-8단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the eighth step, the bronchus of the FE model that has undergone the 8-1 step and the 8-1 step of restricting the rotational and translational motions in the three directions of the X, Y, and Z axes with respect to the upper end of the bronchi of the FE model, respectively. Step 8-2, which allows rotation and translation of the Z-axis with respect to the center of Step 3, Step 8-4, applying the transpulmonary pressure load condition to the FE model that has undergone Step 8-3, and Full Newtonian static analysis to the type of numerical analysis of the FE model that has gone through Step 8-4. Step 8-5 of applying, Step 8-6 of applying the nonlinear large deformation model to the lungs of the FE model that has undergone steps 8-5, Contact between the lungs and bronchi of the FE model that has undergone Steps 8-6 Steps 8-7 of applying a fixed face-to-face contact condition to the site and steps 8-8 of applying the master surface and slave surface to the lungs and bronchi of the FE model that have undergone the steps 8-7, respectively characterized.

또한, 상기 경폐압의 하중조건은 상기 경폐압이 상기 제1 기준시간 동안 0에서 사전에 설정된 최고 압력까지 증가하고, 사전에 설정된 제2 기준시간 동안 상기 최고 압력에서 0까지 감소하는 조건인 것을 특징으로 한다.In addition, the load condition of the transpulmonary pressure is a condition in which the transpulmonary pressure increases from 0 to a preset maximum pressure during the first reference time, and decreases from the maximum pressure to 0 during a second preset reference time. do it with

또한, 상기 제1 기준시간은 호흡기관이 최대 흡기에서 최대 호기로 전환되는 호기에 대한 시간간격이고, 상기 제2 기준시간은 호흡기관이 최대 호기에서 최대 흡기로 전환되는 흡기에 대한 시간간격이고, 상기 제2 기준시간은 상기 제1 기준시간보다 크게 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first reference time is a time interval for exhalation in which the respiratory tract is converted from maximum inspiration to maximum expiration, and the second reference time is a time interval for inspiration in which the respiratory tract is converted from maximum inspiration to maximum inspiration, The second reference time is set to be greater than the first reference time.

또한, 상기 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은 최대 호기시의 CT 모델 및 상기 CT 모델에 해당하는 최대 호기시의 FEM 모델을 검증하는 제 10단계를 더 포함하고, 상기 제 10단계는 최대 호기시의 CT 모델에 상기 CT 모델에 해당하는 최대 호기시의 FEM 모델을 오버랩하는 제 10-1단계, 상기 제 10-1단계에서 오버랩된 CT 및 FEM 모델을 호흡기관의 상부에서 하부까지 사전에 설정된 다수의 기준선분으로 절단하여, 다수의 기준단면을 취득하는 10-2단계, 상기 제 10-2단계에서 취득된 다수의 기준단면의 단면적을 랜드마크 플레인 슬라이스로 각각 산출하는 제 10-3단계, 상기 제 10-3단계에서 산출된 다수의 기준단면의 단면적으로부터 좌측 폐, 우측 폐 및 기관지 별로 상대오차를 각각 산출하여, 비교하는 제 10-4단계를 포함하는 특징으로 한다.In addition, the simulation method of the human respiratory system further comprises a tenth step of verifying the CT model at the time of maximum expiration and the FEM model at the time of the maximum expiration corresponding to the CT model, wherein the tenth step is the CT model at the time of the maximum expiration. Step 10-1 of overlapping the FEM model at the time of maximum expiration corresponding to the CT model on the model, and comparing the CT and FEM models overlapped in step 10-1 with a plurality of preset criteria from the upper part to the lower part of the respiratory tract. Step 10-2 of obtaining a plurality of reference cross-sections by cutting with a line segment, Step 10-3 of calculating the cross-sectional areas of the plurality of reference cross-sections obtained in Step 10-2 as landmark plane slices, respectively, the 10th It is characterized in that it includes a step 10-4 of calculating and comparing relative errors for each left lung, right lung, and bronchus from the cross-sectional areas of a plurality of reference sections calculated in step -3.

또한, 상기 CT 모델은 상기 제 2단계에서 생성된 대상자의 호흡기관에 관한 3D 모델이고, 상기 FEM 모델은 상기 경폐압의 하중조건으로 시뮬레이션이 수행된 FE 모델이고, 상기 다수의 기준선분은 수평 방향의 선분을 사전에 설정된 기준거리만큼 이격되게 다수 오프셋한 선분인 것을 특징으로 한다.In addition, the CT model is a 3D model of the subject's respiratory organs generated in the second step, the FEM model is an FE model simulated under the load condition of the transpulmonary pressure, and the plurality of reference line segments are in the horizontal direction. It is characterized in that it is a line segment in which a plurality of line segments are offset to be spaced apart by a preset reference distance.

또한, 상기 상대오차는 CT 모델의 기준단면의 단면적(Area_CT) 및 상기 CT 모델의 기준단면의 단면적에 해당하는 FEM 모델의 기준단면의 단면적(Area_FEM) 간의 상대적인 오차로써, (수학식) (Area_FEM-Area_CT)/(Area_CT)×100에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the relative error is a relative error between the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model (Area_CT) and the cross-sectional area of the reference cross-section of the FEM model (Area_FEM) corresponding to the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model, (Equation) (Area_FEM- It is characterized in that it is calculated by Area_CT)/(Area_CT)×100.

또한, 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법에서는 개흉 또는 물질의 삽입 없이 인체의 폐의 부피 및 압력 변화에 따라 인체의 폐의 물리적인 거동을 수리모델에 기반한 유한요소해석을 통해 예측하고, 이를 임상적으로 검증하여, 허탈 후 폐 종양의 위치를 추적할 수 있어, 신속·정확한 최소침습술을 실현할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the simulation method of the human respiratory system according to the present invention, the physical behavior of the lungs of the human body is predicted through finite element analysis based on a hydraulic model according to the volume and pressure changes of the lungs of the human body without opening the chest or inserting a material, and Clinically verified, it is possible to track the location of lung tumors after collapse, which has the effect of realizing rapid and accurate minimally invasive surgery.

또한, 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은 폐의 허탈과 같은 극도의 부피 변화에서도 폐의 종양 위치를 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.In addition, the simulation method of the human respiratory system according to the present invention has the effect of accurately predicting the location of a tumor in the lung even in an extreme volume change such as collapse of the lung.

도 1은 인간의 호흡기관에서 흡기 및 호기 절차의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법의 순서도이다.
도 3은 3D 슬라이서에 의해 홀 필링 및 스무싱 작업이 완료된 (a) 기관지, (b) 폐 및 (c) 호흡기관의 3D 모델을 도시한 도면이다.
도 4는 하이퍼메시에 의해 생성된 호흡기관의 FE 모델을 도시한 도면이다.
도 5는 시험 데이터 및 4가지 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이다.
도 6은 시험 데이터 및 6가지 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이다.
도 7은 시험 데이터 및 5가지 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이다.
도 8은 시험 데이터 및 오그던 N6 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이다.
도 9는 FE 모델에 수치해석 조건을 설정하는 S800단계에 대한 순서도이다.
도 10은 FE 모델에 하중, 경계 및 접촉 조건을 정의한 도면이다.
도 11은 호흡 시 적용되는 폐포 및 늑막 간의 차압을 도시한 그래프이다.
도 12는 최대 호기시, CT 및 FEM 모델을 검증하는 S900단계에 대한 순서도이다.
도 13a는 최대 호기시, 사례 1의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위의 결과값을 도시한 도면이다.
도 13b는 최대 호기시, 사례 2의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위의 결과값을 도시한 도면이다.
도 13c는 최대 호기시, 사례 3의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위의 결과값을 도시한 도면이다.
도 14a는 최대 호기시, 사례 1의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 벡터장의 결과값을 도시한 도면이다.
도 14b는 최대 호기시, 사례 2의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 벡터장의 결과값을 도시한 도면이다.
도 14c는 최대 호기시, 사례 3의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 벡터장의 결과값을 도시한 도면이다.
도 15는 최대 호기시, 사례 1~3의 CT 및 FEM 모델을 오버랩한 도면이다.
도 16은 최대 호기시, 사례 1~3의 CT 및 FEM 모델을 각각 C1~C7 선분에 따라 절단한 단면도이다.
도 17은 사례 1의 CT 및 FEM 모델에서 C1~C7의 단면적 및 상대오차를 도시한 그래프이다.
도 18은 사례 2의 CT 및 FEM 모델에서 C1~C5의 단면적 및 상대오차를 도시한 그래프이다.
도 19는 사례 3의 CT 및 FEM 모델에서 C1~C5의 단면적 및 상대오차를 도시한 그래프이다.
1 is a schematic diagram of the inspiratory and exhalation procedures in the human respiratory tract.
2 is a flowchart of a method for simulating a human respiratory system according to the present invention.
3 is a view showing 3D models of (a) bronchi, (b) lungs, and (c) respiratory tract, in which hole filling and smoothing operations are completed by a 3D slicer.
4 is a diagram illustrating an FE model of a respiratory organ generated by HyperMesh.
5 is a graph comparing the strain energies of the test data and the four models.
6 is a graph comparing the strain energies of test data and six models.
7 is a graph comparing the strain energies of test data and five models.
8 is a graph comparing the strain energy of the test data and the Ogden N6 model.
9 is a flowchart for step S800 of setting numerical analysis conditions in the FE model.
10 is a diagram in which loads, boundaries, and contact conditions are defined in the FE model.
11 is a graph showing the differential pressure between the alveoli and the pleura applied during respiration.
12 is a flowchart for step S900 of verifying the CT and FEM models during maximum expiration.
13A is a diagram showing the displacement results in the FE model for the respiratory tract in Case 1 during maximum expiration.
13B is a diagram showing the displacement results in the FE model for the respiratory tract in Case 2 during maximum expiration.
13C is a diagram showing the displacement results in the FE model for the respiratory tract in Case 3 during maximum expiration.
14A is a diagram showing the result values of the vector field in the FE model for the respiratory tract of Case 1 during maximum expiration.
14B is a diagram illustrating the result values of the vector field in the FE model for the respiratory tract of Case 2 during maximum expiration.
14C is a diagram showing the result values of the vector field in the FE model for the respiratory tract in Case 3 at the time of maximum exhalation.
FIG. 15 is a diagram showing overlapping CT and FEM models of Cases 1 to 3 during maximum expiration.
16 is a cross-sectional view of the CT and FEM models of Cases 1 to 3 taken along the line C1 to C7, respectively, during maximum exhalation.
17 is a graph showing cross-sectional areas and relative errors of C1 to C7 in the CT and FEM models of Case 1. FIG.
18 is a graph showing the cross-sectional areas and relative errors of C1 to C5 in the CT and FEM models of Case 2;
19 is a graph showing cross-sectional areas and relative errors of C1 to C5 in the CT and FEM models of Case 3;

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings in order to describe in detail enough that a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention.

그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.However, the following examples are merely examples to help the understanding of the present invention, thereby not reducing or limiting the scope of the present invention. In addition, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

먼저, 폐 호흡의 해부학 및 생리학에 대해 설명하기로 한다.First, the anatomy and physiology of pulmonary respiration will be described.

폐 호흡의 역학적 운동은 횡경막 및 갈비뼈에 부착된 늑간근이라는 2개의 근육에 의해 제어된다.The mechanical movement of pulmonary respiration is controlled by two muscles: the diaphragm and the intercostal muscles attached to the ribs.

도 1은 인간의 호흡기관에서 흡기 및 호기 절차의 개략도이다.1 is a schematic diagram of the inspiratory and exhalation procedures in the human respiratory tract.

도 1을 참조하면, 횡경막(Diaphragm)은 복강에서 흉부를 분리하는 돔 모양의 근섬유 막을 의미하며, 중앙부의 힘줄 및 주변부의 근육 섬유로 구성된다. Referring to FIG. 1 , the diaphragm refers to a dome-shaped muscle fiber membrane that separates the chest from the abdominal cavity, and is composed of a central tendon and peripheral muscle fibers.

먼저, 횡경막은 흡기시, 하부로 이동하여, 흉강 주위에 음압을 생성하고, 폐 및 복부 기관의 압력을 감소시킨다. 그리고, 횡격막은 호기시, 상부로 이동하여, 폐 및 복부 기관의 압력을 증가시킨다.First, on inspiration, the diaphragm moves downward, creating negative pressure around the chest cavity and reducing the pressure in the lungs and abdominal organs. Then, the diaphragm moves upward during exhalation, increasing the pressure in the lungs and abdominal organs.

그리고, 폐는 횡경막 및 늑막을 통해 갈비뼈에 연결된다. 그리고, 흉막은 내장 흉막 및 체벽쪽 흉막으로 구성된다. 여기서, 내장 흉막은 폐에 부착되는 흉막이고, 체벽쪽 흉막은 횡경막 및 흉벽에 접촉되는 흉막을 의미한다. And, the lungs are connected to the ribs through the diaphragm and pleura. And, the pleura is composed of the visceral pleura and the body wall side pleura. Here, the visceral pleura refers to the pleura attached to the lung, and the body wall side pleura refers to the diaphragm and the pleura in contact with the chest wall.

이때, 비압축성 유체는 폐가 횡경막 및 갈비뼈의 움직임을 따라, 움직이는 동안, 상기 내장 흉막 및 체벽쪽 흉막의 사이에서 흐르게 된다.At this time, the incompressible fluid flows between the visceral pleura and the body wall side pleura while the lung moves along with the movement of the diaphragm and the ribs.

다음으로, 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법에 대해 설명하기로 한다.Next, a method for simulating a human respiratory system according to the present invention will be described.

도 2는 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법의 순서도이다. 2 is a flowchart of a method for simulating a human respiratory system according to the present invention.

도 2를 참조하면, 컴퓨터 시스템은 최대 흡기 및 최대 호기시, 인체 호흡기관의 이미지에 대한 다수의 슬라이스를 추출한다.(S100)Referring to FIG. 2 , the computer system extracts a plurality of slices for images of human respiratory organs during maximum inspiration and maximum expiration. (S100)

그 이후, S100단계에서 추출된 다수의 슬라이스로 최대 흡기 및 최대 호기시의 3D 모델을 각각 생성시킨다.(S200)After that, a 3D model of maximum inspiration and maximum expiration is generated using the plurality of slices extracted in step S100, respectively. (S200)

이때, 3D 모델 생성 프로그램은 3D 슬라이서인 것이 바람직하다. 예를 들어, 120장의 슬라이스로 최대 흡기 및 최대 호기시의 3D 모델을 추출할 수 있다.In this case, the 3D model generation program is preferably a 3D slicer. For example, a 3D model of maximum inspiration and maximum expiration can be extracted from 120 slices.

도 3은 3D 슬라이서에 의해 홀 필링 및 스무싱 작업이 완료된 (a) 기관지, (b) 폐 및 (c) 호흡기관의 3D 모델을 도시한 도면이다.3 is a view showing 3D models of (a) bronchi, (b) lungs, and (c) respiratory tract, in which hole filling and smoothing operations are completed by a 3D slicer.

도 3을 참조하면, S200단계에서 생성된 최대 흡기시의 3D 모델에 대해 상기 3D 모델의 표면에 형성된 다수의 홀이 메워질 수 있도록 가우시안 기법으로 홀 필링(hole filling) 작업을 수행한다.(S300)Referring to FIG. 3 , a hole filling operation is performed using a Gaussian technique so that a plurality of holes formed on the surface of the 3D model can be filled with respect to the 3D model at the time of maximum intake generated in step S200 ( S300 ). )

그 이후, S300단계를 거친 3D 모델에 대해 상기 3D 모델의 표면을 부드럽게 하기 위해 가우시안 기법으로 스무싱(smoothing) 작업을 수행한다.(S400)After that, a smoothing operation is performed using a Gaussian technique to smooth the surface of the 3D model for the 3D model that has undergone step S300 (S400).

이때, 가우시안 홀 필링 및 스무싱 작업 프로그램은 3D 슬라이서인 것이 바람직하다.In this case, the Gaussian hole filling and smoothing operation program is preferably a 3D slicer.

S200 단계에서 생성된 3D 모델의 표면에는 비정상적인 홀이 산발적으로 형성되어 있을 뿐만 아니라, 표면이 매우 거칠게 형성되어 있다. 상기와 같은 문제점을 보완하기 위해 홀 필링 및 스무싱 작업을 수행하게 된다.In the surface of the 3D model created in step S200, not only abnormal holes are sporadically formed, but also the surface is very rough. In order to compensate for the above problems, hole filling and smoothing are performed.

그 이후, S400 단계를 거친 3D 모델에 대해 요소의 밀도 및 크기를 결정한다.(S500)After that, the density and size of the elements are determined for the 3D model that has gone through the step S400 (S500).

이때, 요소의 밀도 및 크기를 결정하기 위한 프로그램은 디자인 X(Design X) 또는 하이퍼메시(Hypermesh)인 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the program for determining the density and size of the element is Design X or Hypermesh.

도 4는 하이퍼메시에 의해 생성된 호흡기관의 FE 모델을 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an FE model of a respiratory organ generated by HyperMesh.

도 4를 참조하면, S500단계를 거친 3D 모델에 대해 메시 작업을 수행하여, FE(Finite Element, 유한요소) 모델을 생성시킨다.(S600)Referring to FIG. 4 , a mesh operation is performed on the 3D model that has undergone step S500 to generate a finite element (FE) model (S600).

S600단계의 메시 작업 시, 메시요소는 사면체(tetrahedral) 요소인 C3D4 요소인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 호흡기관의 표면에는 다수의 굴곡이 형성되어 있으므로, 호흡기관을 실물과 유사하게 표현하기 위해서는 사면체 요소가 육면체(hexahedral) 요소보다 적합한 것으로 판단된다.In the mesh work of step S600, the mesh element is preferably a C3D4 element that is a tetrahedral element. Because a number of curves are formed on the surface of the respiratory tract, it is determined that a tetrahedral element is more suitable than a hexahedral element in order to express the respiratory tract similarly to the real thing.

그리고, FE 모델 생성 프로그램은 메시믹서(Meshmixer) 또는 하이퍼메시(Hypermesh)인 것이 바람직하다.And, the FE model generation program is preferably a mesh mixer (Meshmixer) or a hypermesh (Hypermesh).

그 이후, S600단계에서 생성된 FE 모델에서 폐 실질(lung parenchyma)에는 초탄성 재료 모델인 오그던(Ogden) N6 모델을 적용하고, 기관지에는 탄성 물성치를 적용한다.(S700)After that, in the FE model generated in step S600, the Ogden N6 model, which is a superelastic material model, is applied to the lung parenchyma, and elastic properties are applied to the bronchi. (S700)

상기 S700계에서 기관지의 탄성계수 및 프와송비는 각각 5kPa 및 0.44인 것이 바람직하다.In the S700 series, the bronchial modulus and Poisson's ratio are preferably 5 kPa and 0.44, respectively.

그 이후, S700단계를 거친 FE 모델에 대한 수치해석 조건을 설정한다.(S800)After that, numerical analysis conditions are set for the FE model that has undergone step S700 (S800).

그 이후, 수치해석 조건이 설정된 FE 모델을 사전에 설정된 제1 기준시간 동안 시뮬레이션한다.(S900)After that, the FE model in which the numerical analysis conditions are set is simulated for the first reference time set in advance. (S900)

다음으로, S700단계에서 생성된 FE 모델에서, 폐 실질에 초탄성 재료 모델인 오그던 N6 모델을 적용하는 이유에 대해 설명하기로 한다.Next, in the FE model generated in step S700, the reason for applying the Ogden N6 model, which is a superelastic material model, to the lung parenchyma will be described.

하중을 받는 대부분의 연조직은 유한 탄성을 적용한 비선형 응력-변형 관계를 나타낸다. Carter, Werner 등은 단순한 선형 응력-변형 관계를 설명하기 위해 선형 후크(Hooke)의 법칙을 적용하여, 폐의 변형을 모델링하였다.Most soft tissues under load exhibit a nonlinear stress-strain relationship with finite elasticity applied. Carter, Werner et al. modeled lung deformation by applying linear Hooke's law to explain a simple linear stress-strain relationship.

그러나, Pinart 등의 연구에 따르면 쥐의 폐는 폐 섬유증과 같은 특정 생리학적 조건에서 비선형 거동을 나타내고, Freed 등은 최근에 도입된 무니-리블린(Mooney-Rivlin) 모델이 폐의 탄성을 설명하는 데 적절하다고 한다. However, according to a study by Pinart et al., rat lungs exhibit nonlinear behavior under certain physiological conditions, such as pulmonary fibrosis, and Freed et al. is said to be suitable for

그리고, 14명의 폐암 환자를 대상으로 한 연구에 따르면, 흡기시 횡격막 운동을 하는 환자의 경우, 대부분의 변형은 폐의 하엽에 집중되고, 폐와 횡격막의 접촉부에서 짧은 거리 내에서 빠르게 변형하여, 폐의 상엽으로 변형이 진행된다. And, according to a study of 14 lung cancer patients, in the case of patients who exercise diaphragm during inspiration, most of the deformation is concentrated in the lower lobe of the lung and rapidly deforms within a short distance from the contact part of the lung and the diaphragm, transformation proceeds to the upper lobe of

또한, 152명의 폐암 환자를 대상으로 한 포괄적인 연구에서도 이와 유사한 행동이 관찰되었다.Similar behavior was also observed in a comprehensive study of 152 lung cancer patients.

본 발명에서는 최대 흡기시부터 최대 호기시까지, 즉, 폐가 최대로 팽창하여, 최대로 수축할 때까지, 폐의 호흡에 대한 시뮬레이션이 수행된다. 폐의 호흡이 흡기에서 호기로 변경되어, 폐가 수축하는 경우, 폐에서는 엄청나게 큰 변형이 발생한다. In the present invention, the simulation of the respiration of the lungs is performed from the time of maximum inspiration to the time of maximum expiration, that is, until the lungs expand to the maximum and contract to the maximum. When breathing in the lungs changes from inspiration to exhalation, and the lungs contract, enormous strain occurs in the lungs.

이때, 폐 조직의 물성치에는 Zeng, Gao 등에 의해 측정된 실험 데이터가 사용된다. 폐 조직은 이축 모드로 인장-압축 실험이 수행되었으며, 필요에 따라 일축 모드의 실험도 수행되었다.In this case, experimental data measured by Zeng, Gao, etc. are used for the physical properties of lung tissue. Lung tissue was subjected to tensile-compression experiments in biaxial mode, and experiments in uniaxial mode were also performed if necessary.

일반적으로, 초탄성 재료의 거동은 변형에너지의 포텐셜로 설명될 수 있다.이때, 변형에너지는 재료의 단위 부피에 저장된 에너지를 의미한다. In general, the behavior of a superelastic material can be described as a potential of strain energy. In this case, strain energy means energy stored in a unit volume of the material.

도 5는 시험 데이터 및 4가지 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이고, 도 6은 시험 데이터 및 6가지 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이고, 도 7은 시험 데이터 및 5가지 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이다.5 is a graph comparing the strain energies of the test data and 4 models, FIG. 6 is a graph comparing the strain energies of the test data and 6 models, and FIG. 7 is a comparison of the strain energies of the test data and 5 models. It is one graph.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 폐 실질에 적합한 초탄성 재료 모델을 선정하기 위해, 실험 데이터 및 다수의 모델을 변형 에너지로 평가하였다.5 to 7 , in order to select a superelastic material model suitable for the lung parenchyma, experimental data and multiple models were evaluated with strain energy.

이때, 변형 에너지 평가 프로그램은 아바쿠스(ABAQUS 2020, Dassault System, USA)인 것이 바람직하다.In this case, the strain energy evaluation program is preferably ABAQUS (ABAQUS 2020, Dassault System, USA).

이때, 다수의 모델은 1차 다항식(Polynomial N1), 2차 다항식, 오그던 N1, 오그던 N2, 오그던 N3, 오그던 N4, 오그던 N5, 오그던 N6, 1차 축소 다항식(Reduced Polynomial N1, Neo Hooke), 2차 축소 다항식, 3차 축소 다항식(Yeoh), 4차 축소 다항식, 5차 축소 다항식, 6차 축소 다항식, 반데르 발스를 포함하여 구성된다.At this time, the plurality of models are 1st polynomial (Polynomial N1), 2nd polynomial, Ogden N1, Ogden N2, Ogden N3, Ogden N4, Ogden N5, Ogden N6, Reduced Polynomial N1 , Neo Hooke), second-order reduced polynomial, third-order reduced polynomial (Yeoh), fourth-order reduced polynomial, fifth-order reduced polynomial, sixth-order reduced polynomial, and van der Waals.

변형 에너지 곡선에서 다수의 모델을 실험 데이터에 커브 피팅 시, 1차 다항식, 오그던 N1, N2 및 N6 모델이 가장 안정적이다. When curve fitting multiple models to experimental data in the strain energy curve, first-order polynomial, Ogden N1, N2, and N6 models are the most stable.

한편, 공칭 응력(norminal strain)이 0.5 이상인 변형 에너지 곡선에서는 비선형성이 크게 발생한다. 공칭 응력이 0.5 이상인 곡선에서 다수의 모델을 실험 데이터에 커브 피팅 시, 오그던 N3, N4, N5 및 N6 모델이 실험 데이터와 가장 일치한다.On the other hand, in a strain energy curve with a nominal strain of 0.5 or more, nonlinearity is largely generated. When curve fitting multiple models to experimental data on curves with nominal stress of 0.5 or more, Ogden N3, N4, N5, and N6 models match the experimental data best.

그리고, 다수의 모델에 최소제곱법 적용 시, 오그던 N6 모델에서 근사해와 실제해의 오차의 제곱의 합이 최소가 된다.And, when the least squares method is applied to multiple models, the sum of the squares of the error between the approximate solution and the actual solution in the Ogden N6 model becomes the minimum.

도 8은 시험 데이터 및 오그던 N6 모델의 변형 에너지를 비교한 그래프이다.8 is a graph comparing the strain energy of the test data and the Ogden N6 model.

도 8을 참조하면, 안정성 및 최소제곱법 고려 시, 폐 실질에는 오그던 N6 모델을 적용하는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , it can be seen that it is most preferable to apply the Ogden N6 model to the lung parenchyma in consideration of stability and least squares method.

다음으로, 호흡기관을 설명하기 위한 수치해석 모델 이론에 대해 설명하기로 한다.Next, the numerical analysis model theory for explaining the respiratory system will be described.

초탄성 재료의 변형 에너지 밀도는 단위부피 당 저장된 에너지이며, 응력-변형의 거동으로 설명할 수 있다. 변형 텐서의 세 가지 불변량(I1, I2, I3)을 기반으로 하는 변형 에너지 함수는 아래 식 (1)과 같다.The strain energy density of a superelastic material is the energy stored per unit volume and can be explained by the stress-strain behavior. The strain energy function based on the three invariants (I 1 , I 2 , I 3 ) of the strain tensor is shown in Equation (1) below.

Figure 112022061695027-pat00001
Figure 112022061695027-pat00001

여기서 W는 변형 에너지 밀도이고, I1, I2, I3는 아래와 같이 주어진 변형 텐서의 불변량이다.where W is the strain energy density, and I 1 , I 2 , I 3 are the invariants of the strain tensor given below.

??

Figure 112022061695027-pat00002
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Figure 112022061695027-pat00002

식 (2)의 λ1, λ2, λ3는 세 가지의 주신장률 비율(principal stretch ratio)을 나타내며, 호흡기관과 같은 비압축성 재료에서는 λ2λ3=1, λ1=λ이고, λ23-0.5이다.λ 1 , λ 2 , and λ 3 in Equation (2) represent three principal stretch ratios, and in incompressible materials such as respiratory organs, λ 2 λ 3 =1, λ 1 =λ, and λ 23-0.5 .

따라서, I3=1, k=0을 식 (1)에 대입하면, 식 (1)의 마지막 항은 사라지게 되어, 식 (3)이 된다.Therefore, if I 3 =1 and k=0 are substituted into Equation (1), the last term of Equation (1) disappears, resulting in Equation (3).

Figure 112022061695027-pat00003
Figure 112022061695027-pat00003

본 발명에서는 압력 하중에 따른 폐의 비선형 응력-변형 거동을 분석하기 위해 15개의 초탄성 모델이 사용되었으며, 그 중 오그던 N6 모델을 사용하여, 수치해석하였다. In the present invention, 15 hyperelastic models were used to analyze the nonlinear stress-strain behavior of the lung according to the pressure load, and among them, the Ogden N6 model was used for numerical analysis.

오그던 모델에서는 λ1λ2λ3=1을 가정하여, 식 (4)를 통해 재료의 초탄성 거동을 나타내었다.In the Ogden model, it is assumed that λ 1 λ 2 λ 3 =1, and the superelastic behavior of the material is expressed through Equation (4).

Figure 112022061695027-pat00004
Figure 112022061695027-pat00004

여기서, μi와 ai는 전단력을 설명하는 재료 상수를 의미한다.Here, μ i and a i are material constants that describe the shear force.

본 발명에서는 N=6인 변형에너지 밀도 포텐셜(W)을 적용한 오그던 N6 모델이 사용되었다.In the present invention, the Ogden N6 model to which the strain energy density potential (W) of N=6 is applied was used.

다음으로, FE 모델에 수치해석 조건을 설정하는 S800단계에 대해 설명하기로 한다. Next, the step S800 of setting numerical analysis conditions in the FE model will be described.

도 9는 FE 모델에 수치해석 조건을 설정하는 S800단계에 대한 순서도이고, 도 10은 FE 모델에 하중, 경계 및 접촉 조건을 정의한 도면이다.9 is a flowchart for step S800 of setting numerical analysis conditions in the FE model, and FIG. 10 is a view in which the load, boundary and contact conditions are defined in the FE model.

먼저, 도 10에 도시된 바와 같이, FE 모델의 기관지의 상단(BC-1)에 대해 X, Y, Z축의 세 방향의 회전 및 병진 운동을 각각 구속한다.(S801)First, as shown in FIG. 10, rotation and translational motions in three directions of X, Y, and Z axes are constrained, respectively, with respect to the upper end (BC-1) of the bronchi of the FE model. (S801)

여기서, X, Y, Z축은 각각 좌측, 전방 및 중력의 반대 방향으로 형성된다.Here, the X, Y, and Z axes are formed in the left, forward, and opposite directions of gravity, respectively.

그 이후, FE 모델의 기관지의 중앙(BC-2)에 대해 Z축의 회전 및 병진 운동을 각각 허용한다.(S802)After that, rotation and translation of the Z-axis are allowed with respect to the center (BC-2) of the bronchi of the FE model, respectively. (S802)

그 이후, FE 모델의 기관지의 중앙(BC-2)에 대해 X, Y축의 회전 및 병진 운동을 각각 구속한다.(S803)After that, the rotation and translational motions of the X and Y axes are restricted to the center (BC-2) of the bronchi of the FE model, respectively. (S803)

S802 단계 및 S803 단계가 적용되는 이유는 기관지의 중앙은 호흡 시, 자바라와 같이 수축 및 이완하는 것이 CT 상에서 관찰되기 때문이다.The reason that steps S802 and S803 are applied is that the center of the bronchi is observed on CT to contract and relax like a bellows during respiration.

그 이후, FE 모델에 경폐압의 하중조건을 적용한다.(S804)After that, the load condition of transpulmonary pressure is applied to the FE model. (S804)

도 11은 호흡 시 적용되는 폐포 및 늑막 간의 차압을 도시한 그래프이다.11 is a graph showing the differential pressure between the alveoli and the pleura applied during respiration.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, FE 모델에 적용되는 경폐압의 하중조건은 경폐압이 사전에 설정된 제1 기준시간 동안, 0에서 사전에 설정된 최고 압력까지 증가하고, 사전에 설정된 제2 기준시간 동안 최고 압력에서 0까지 감소하는 조건을 의미한다. As shown in FIGS. 10 and 11 , the load condition of transpulmonary pressure applied to the FE model is that the transpulmonary pressure increases from 0 to the preset maximum pressure during the preset first reference time, and the preset second It means a condition that decreases from the maximum pressure to 0 during the reference time.

이때, 경폐압은 폐포의 내압에서 늑막의 내압을 차감한 압력값을 의미한다.In this case, the transpulmonary pressure means a pressure value obtained by subtracting the internal pressure of the pleura from the internal pressure of the alveoli.

그리고, 제1 기준시간은 호흡기관이 최대 흡기(최대 팽창)에서 최대 호기(최대 수축)로 전환되는 호기에 대한 시간간격을 의미한다. 그리고, 제2 기준시간은 호흡기관이 최대 호기(최대 수축)에서 최대 흡기(최대 팽창)로 전환되는 흡기에 대한 시간간격을 의미한다.In addition, the first reference time refers to a time interval for exhalation in which the respiratory tract is converted from maximum inspiration (maximum expansion) to maximum expiration (maximum contraction). In addition, the second reference time refers to a time interval for inspiration during which the respiratory tract is switched from maximum expiration (maximum contraction) to maximum inspiration (maximum expansion).

그리고, 제2 기준시간은 제1 기준시간보다 크게 설정된다. 이때, 제1 기준시간 및 제2 기준시간은 각각 2초 및 3초이고, 최고 압력은 10cmH2O(=0.98[kPa])인 것이 바람직하다. And, the second reference time is set to be greater than the first reference time. At this time, it is preferable that the first reference time and the second reference time are 2 seconds and 3 seconds, respectively, and the maximum pressure is 10 cmH 2 O (=0.98 [kPa]).

도 9를 참조하면, FE 모델의 수치해석의 유형에는 비선형 평형 방정식의 해를 구할 수 있도록 풀 뉴턴 정적해석을 적용한다.(S805) Referring to FIG. 9, full Newtonian static analysis is applied to the type of numerical analysis of the FE model to obtain a solution of the nonlinear equilibrium equation (S805).

그 이후, FE 모델의 폐에는 변형이 매우 큰 폐의 특성을 반영할 수 있도록 비선형 대변형 모델을 적용한다.(S806)After that, a nonlinear large deformation model is applied to the lungs of the FE model to reflect the characteristics of the lungs with very large deformation (S806).

그 이후, FE 모델의 폐 및 기관지의 접촉부위에는 고정된 면대면(tied surface to surface) 접촉조건을 적용한다.(S807)After that, fixed tie-to-surface contact conditions are applied to the contact areas of the lungs and bronchi of the FE model (S807).

그 이후, 폐 및 기관지에는 기관지의 요소의 수량이 폐의 요소의 수량보다 적으므로, 각각 마스터 서피스(master surface) 및 슬레이브 서피스(slave surface)를 적용한다.(S808)After that, since the quantity of bronchial elements is smaller than the quantity of lung elements in the lungs and bronchi, a master surface and a slave surface are applied respectively (S808).

다음으로, 임상 데이터인 CT 모델 및 시뮬레이션의 결과인 FEM 모델의 검증 방법에 대해 설명하기로 한다.Next, a method for verifying the CT model, which is clinical data, and the FEM model, which is the result of simulation, will be described.

본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은 최대 호기시의 CT 모델 및 상기 CT 모델에 해당하는 최대 호기시의 FEM 모델을 검증하는 S1000단계를 더 포함하여 구성된다.The simulation method of the human respiratory system according to the present invention is configured to further include a step S1000 of verifying the CT model at the time of the maximum expiration and the FEM model at the time of the maximum expiration corresponding to the CT model.

여기서, CT 모델은 S200단계에서 생성된 대상자의 호흡기관에 관한 3D 모델이고, FEM 모델은 경폐압의 하중조건으로 시뮬레이션이 수행된 FE 모델을 의미한다.Here, the CT model is a 3D model of the subject's respiratory organs generated in step S200, and the FEM model means an FE model simulated under the load condition of transpulmonary pressure.

도 12는 최대 호기시, CT 및 FEM 모델을 검증하는 S1000단계에 대한 순서도이다.12 is a flowchart for step S1000 of verifying the CT and FEM models during maximum expiration.

도 12를 참조하면, 먼저, 최대 호기시의 CT 모델에 상기 CT 모델에 해당하는 최대 호기시의 FEM 모델을 오버랩한다.(S1001)Referring to FIG. 12 , first, the CT model at the time of maximal expiration is overlapped with the FEM model at the time of maximal expiration corresponding to the CT model (S1001).

구체적으로, 최대 호기시의 CT 모델을 3D 슬라이서 상에 불러온다.(S1001-1)Specifically, the CT model at the time of maximum exhalation is loaded on the 3D slicer. (S1001-1)

그 이후, 시뮬레이션의 결과인 최대 호기시의 FEM 모델을 OBJ 파일로 추출한다.(S1001-2)After that, the FEM model at the time of maximum expiration, which is the result of the simulation, is extracted as an OBJ file (S1001-2).

이때, 최대 호기시의 FEM 모델은 아바쿠스 프로그램을 이용하여 추출될 수 있다.In this case, the FEM model at the time of maximum expiration may be extracted using the Abacus program.

그 이후, S1001-2단계에서 추출된 최대 호기시의 FEM 모델을 3D 슬라이서 상에 불러와서, 최대 호기시의 CT 및 FEM 모델을 오버랩할 수 있다.(S1001-3)After that, the FEM model at the time of maximal expiration extracted in step S1001-2 may be loaded on the 3D slicer, and the CT and FEM models at the time of maximal exhalation may be overlapped (S1001-3).

그 이후, S1001단계에서 오버랩된 CT 및 FEM 모델을 호흡기관의 상부에서 하부까지 사전에 설정된 다수의 기준선분으로 절단하여, 다수의 기준단면을 취득한다.(S1002)After that, in step S1001, the overlapping CT and FEM models are cut into a plurality of preset reference line segments from the upper part to the lower part of the respiratory tract to obtain a plurality of reference cross-sections. (S1002)

여기서, 다수의 기준선분은 수평 방향의 선분을 사전에 설정된 기준거리 만큼 이격되게 다수 오프셋한 선분이다.Here, the plurality of reference line segments are line segments in which a plurality of horizontal line segments are offset to be spaced apart by a preset reference distance.

예를 들어, 다수의 기준선분은 C1, C2, C3, C4, C5, C5, C7 등으로 명명될 수 있고, 기준거리는 28.6mm로 설정될 수 있다.For example, the plurality of reference line segments may be named C1, C2, C3, C4, C5, C5, C7, and the like, and the reference distance may be set to 28.6 mm.

그 이후, S1002단계에서 취득된 다수의 기준단면의 단면적을 랜드마크 플레인 슬라이스(Landmark Plane Slice)로 각각 산출한다.(S1003) After that, the cross-sectional areas of the plurality of reference cross-sections obtained in step S1002 are respectively calculated as landmark plane slices. (S1003)

구체적으로, 랜드마크 플레인 슬라이스에 포함된 마크업스 모듈(Markups Module)은 다수의 리샘플드 포인트(Resampled points)를 이용하여, 기준단면의 가장자리에 다수의 랜드마크 포인트를 생성한다.Specifically, the markups module included in the landmark plane slice uses a plurality of resampled points to generate a plurality of landmark points at the edge of the reference section.

그 이후, 마크업스 모듈은 기준단면의 둘레, 최대 곡률, 최소 곡률 및 단면적을 순차적으로 산출한다.After that, the markups module sequentially calculates the perimeter, maximum curvature, minimum curvature, and cross-sectional area of the reference cross-section.

그 이후, S1003단계에서 산출된 다수의 기준단면의 단면적으로부터 좌측 폐, 우측 폐 및 기관지 별로 상대오차를 각각 산출하여, 비교한다.(S1004)After that, the relative errors are calculated for each left lung, right lung, and bronchus from the cross-sectional areas of the plurality of reference cross-sections calculated in step S1003, respectively, and compared (S1004).

여기서, 상대오차는 CT 모델의 기준단면의 단면적(Area_CT) 및 상기 CT 모델의 기준단면의 단면적에 해당하는 FEM 모델의 기준단면의 단면적(Area_FEM) 간의 상대적인 오차로써, (수학식) (Area_FEM-Area_CT)/(Area_CT)×100에 의해 산출된다.Here, the relative error is a relative error between the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model (Area_CT) and the cross-sectional area of the reference cross-section of the FEM model (Area_FEM) corresponding to the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model, (Equation) (Area_FEM-Area_CT) )/(Area_CT)×100.

한편, 시뮬레이션의 결과는 유한요소 이산화방정식에서 얻은 해석 결과로 변위벡터(U)로 나타낼 수 있다.Meanwhile, the simulation result is the analysis result obtained from the finite element discretization equation and can be expressed as a displacement vector (U).

도 13a는 최대 호기시, 사례 1의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위의 결과값을 도시한 도면이고, 도 13b는 최대 호기시, 사례 2의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위의 결과값을 도시한 도면이고, 도 13c는 최대 호기시, 사례 3의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위의 결과값을 도시한 도면이다. 13A is a diagram showing the displacement result value in the FE model for the respiratory tract of Case 1 during maximum expiration, and FIG. 13B shows the displacement result value in the FE model for the respiratory tract of Case 2 during maximum expiration. It is a diagram, and FIG. 13C is a diagram showing the displacement result value in the FE model for the respiratory tract of Case 3 during maximum exhalation.

도 14a는 최대 호기시, 사례 1의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 벡터장의 결과값을 도시한 도면이고, 도 14b는 최대 호기시, 사례 2의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 벡터장의 결과값을 도시한 도면이고, 도 14c는 최대 호기시, 사례 3의 호흡기관에 대한 FE 모델에서 벡터장의 결과값을 도시한 도면이다.14A is a diagram showing the result values of the vector field in the FE model for the respiratory tract of Case 1 at the time of maximum expiration, and FIG. It is a diagram, and FIG. 14C is a diagram showing the result value of the vector field in the FE model for the respiratory tract of Case 3 at the time of maximum exhalation.

도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 호흡기관에 대한 FE 모델에서 변위벡터의 변위장을 정량적으로 확인할 수 있다. 그리고, 도 14a 내지 도 14c의 화살표는 시뮬레이션 완료 시, 유한요소들의 모든 노드의 최종 위치 및 방향을 의미하며, 화살표의 길이는 변위벡터의 계수에 비례한다.13A to 13C , the displacement field of the displacement vector can be quantitatively confirmed in the FE model for the respiratory tract. And, the arrows in FIGS. 14A to 14C mean the final positions and directions of all nodes of the finite elements when the simulation is completed, and the length of the arrow is proportional to the coefficient of the displacement vector.

도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 폐는 크게 상엽, 중엽 및 하엽의 세 부분으로 분류할 수 있다. 13A to 13C , the lung can be largely classified into three parts: an upper lobe, a middle lobe, and a lower lobe.

도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 최대 호기(완전 수축) 시, 폐의 상엽에는 거의 변형이 발생하지 않는 반면에, 횡격막이 있는 폐의 하엽에는 가장 큰 변형이 발생한다. 이때, 폐의 변위값은 U1(X축), U2(Y축) 및 U3(Z축) 방향의 변위값의 평균으로 산출된다.13A to 13C , during maximum exhalation (complete contraction), little deformation occurs in the upper lobe of the lung, whereas the greatest deformation occurs in the lower lobe of the lung with the diaphragm. At this time, the lung displacement value is calculated as an average of displacement values in the U1 (X-axis), U2 (Y-axis), and U3 (Z-axis) directions.

도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 상엽의 변위값은 각각 사례 1: 0~7.3mm, 사례 2: 0~16mm, 사례 3: 0mm~11mm로, 상엽에는 거의 변형이 발생하지 않는다. 반면에, 하엽의 변위값은 각각 사례 1: 40.4~55.1mm, 사례 2: 56~96 mm, 사례 3: 48~63mm로, 하엽에 가장 큰 변형이 발생한다. 이를 통해, U2(Y축) 방향의 끝부분인 인체의 등쪽 부위에 가장 큰 변형이 발생하는 것을 알 수 있다.13A to 13C , the displacement values of the upper lobe are, respectively, Case 1: 0 to 7.3 mm, Case 2: 0 to 16 mm, and Case 3: 0 mm to 11 mm, respectively, and almost no deformation occurs in the upper lobe. On the other hand, the displacement values of the lower lobe are Case 1: 40.4-55.1 mm, Case 2: 56-96 mm, and Case 3: 48-63 mm, respectively, and the largest deformation occurs in the lower lobe. Through this, it can be seen that the largest deformation occurs in the dorsal part of the human body, which is the end of the U2 (Y-axis) direction.

상기와 같은 방법으로 제안된 기법을 검증하기 위해 최대 호기시, 사례 1~3의 CT 및 FEM 모델을 비교 검증하였다. In order to verify the proposed technique in the same way as above, the CT and FEM models of Cases 1 to 3 were compared and verified during maximum exhalation.

이때, FEM 모델은 경폐압의 하중조건이 적용된 최대 호기시의 FE 모델을 의미한다. 그리고, 경폐압은 폐포의 내압에서 늑막의 내압을 차감한 압력값을 의미한다.At this time, the FEM model refers to the FE model at the time of maximum expiration to which the load condition of transpulmonary pressure is applied. And, the transpulmonary pressure means a pressure value obtained by subtracting the internal pressure of the pleura from the internal pressure of the alveoli.

도 15는 최대 호기시, 사례 1~3의 CT 및 FEM 모델을 각각 오버랩한 도면이고, 도 16은 최대 호기시, 사례 1~3의 CT 및 FEM 모델을 각각 기준선분 C1~C7에 따라 절단한 단면도이다. 15 is a diagram showing the overlapping CT and FEM models of Cases 1 to 3, respectively, during maximum expiration, and FIG. 16 is a view showing the CT and FEM models of Cases 1 to 3 during maximum expiration, respectively, cut along the baseline segments C1 to C7. It is a cross section.

이때, 기준선분 C1~C7은 호흡기관의 상부에서 하부까지 28.6mm씩 오프셋시킨 선분이다.In this case, the reference line segments C1 to C7 are line segments offset by 28.6 mm from the upper part to the lower part of the respiratory tract.

도 16에서 좌측 및 우측 단면은 각각 인체의 우측 및 좌측 폐이고, 좌측 및 우측 단면의 사이게 구비된 작은 원은 기관지를 의미한다. In FIG. 16 , the left and right cross-sections are the right and left lungs of the human body, respectively, and the small circle provided between the left and right cross-sections means the bronchus.

도 16의 사례 1에서 C1~C3 구간은 폐의 상엽으로 폐 및 기관지가 있는 구간이고, C4~C7 구간은 폐의 중엽 및 하엽으로 기관지가 없는 구간이다. 그리고, 사례 2 및 3에서 C1~C2 구간은 폐의 상엽으로 페 및 기관지가 있는 구간이고, C3~C5 구간은 폐의 중엽 및 하엽으로 기관지가 없는 구간이다. In case 1 of FIG. 16 , the section C1 to C3 is the upper lobe of the lung and includes the lungs and bronchi, and the section C4 to C7 is the middle and lower lobes of the lung without bronchus. And, in Cases 2 and 3, the section C1 to C2 is the upper lobe of the lung with lungs and bronchi, and the section C3 to C5 is the section without bronchus as the middle and lower lobes of the lung.

이때, 사례 2 및 3은 사례 1보다 세로의 길이가 짧으므로 C1~C5의 구간만 표시된다.In this case, since cases 2 and 3 have a shorter vertical length than case 1, only the sections C1 to C5 are displayed.

사례 1의 C1~C7, 사례 2 및 3의 기준선분 C1~C5의 기준단면에서 기준단면의 둘레, 최대 곡률, 최소 곡률 및 단면적을 순차적으로 산출한 후, 임상 데이터 및 시뮬레이션의 결과 간의 상대오차(relative 1error)를 산출하였다.After sequentially calculating the perimeter, maximum curvature, minimum curvature, and cross-sectional area of the reference section from the reference sections of C1 to C7 in Case 1 and C1 to C5 in baseline segments C1 to C5 in Cases 2 and 3, the relative error between clinical data and simulation results ( relative 1error) was calculated.

여기서, 상대오차는 CT 모델의 기준단면의 단면적(Area_CT) 및 상기 CT 모델의 기준단면의 단면적에 해당하는 FEM 모델의 기준단면의 단면적(Area_FEM) 간의 상대적인 오차로써, (수학식) (Area_FEM-Area_CT)/(Area_CT)×100에 의해 산출된다.Here, the relative error is a relative error between the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model (Area_CT) and the cross-sectional area of the reference cross-section of the FEM model (Area_FEM) corresponding to the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model, (Equation) (Area_FEM-Area_CT) )/(Area_CT)×100.

도 17은 사례 1의 CT 및 FEM 모델에서 C1~C7의 단면적 및 상대오차를 도시한 그래프이다.17 is a graph showing the cross-sectional areas and relative errors of C1 to C7 in the CT and FEM models of Case 1. FIG.

도 17을 참조하면, 사례 1의 CT 및 FEM 모델의 총용적은 각각 3,072.93cm3, 3,318.05cm3로, 245.12cm3의 근소한 차를 보임을 알 수 있다.Referring to FIG. 17 , it can be seen that the total volumes of the CT and FEM models of Case 1 are 3,072.93 cm 3 and 3,318.05 cm 3 , respectively, showing a slight difference of 245.12 cm 3 .

도 17을 참조하면, 좌측 폐의 상엽인 C1~C3의 상대오차는 각각 46.2%, 6.8%, 7.1%이고, 중엽인 C4~C5의 상대오차는 각각 1.9%, 0.2%이고, 하엽인 C6~C7의 상대오차는 각각 29.2%, 98.9%이다. Referring to FIG. 17 , the relative errors of the upper lobe of the left lung, C1~C3, are 46.2%, 6.8%, and 7.1%, respectively, and the relative errors of the middle lobe, C4~C5, are 1.9%, 0.2%, respectively, and the lower lobe C6~ The relative errors of C7 are 29.2% and 98.9%, respectively.

그리고, 우측 폐의 상엽인 C1~C3의 상대오차는 각각 12.6%, 14.8, 17.6%이고, 중엽인 C4~C5의 상대오차는 각각 20.5%, 16.8%이고, 하엽인 C6~C7의 상대오차는 각각 108.9%, 66.8%이다.And, the relative errors of the upper lobe, C1~C3, of the right lung, are 12.6%, 14.8, and 17.6%, respectively, the relative errors of C4~C5, the middle lobe, are 20.5% and 16.8%, respectively, and the relative errors of the lower lobe, C6~C7, are 108.9% and 66.8%, respectively.

그리고, 기관지의 C1~C3의 상대오차는 각각 13%, 3%, 53%이다. 그리고, 우측 폐 및 좌측 폐의 총 평균 상대오차는 각각 36.8%, 27.1%이다.And, the relative errors of bronchial C1 to C3 are 13%, 3%, and 53%, respectively. And, the total mean relative errors of the right lung and the left lung are 36.8% and 27.1%, respectively.

도 18은 사례 2의 CT 및 FEM 모델에서 C1~C5의 단면적 및 상대오차를 도시한 그래프이다.18 is a graph showing the cross-sectional areas and relative errors of C1 to C5 in the CT and FEM models of Case 2;

도 18을 참조하면, 좌측 폐의 상엽인 C1~C2의 상대오차는 각각 46.2%, 18.3%이고, 중엽인 C3의 상대오차는 7.4%이고, 하엽인 C4~C5의 상대오차는 각각 6.8%, 5.9%이다. Referring to FIG. 18, the relative errors of the upper lobe C1 to C2 of the left lung are 46.2% and 18.3%, respectively, the relative error of C3, the middle lobe, is 7.4%, the relative errors of the lower lobe C4 to C5 are 6.8%, respectively, 5.9%.

그리고, 우측 폐의 상엽인 C1~C2의 상대오차는 각각 44.9%, 8.9%이고, 중엽인 C3의 상대오차는 8.3%이고, 하엽인 C4~C5의 상대오차는 각각 20.5%, 34.9%이다. And, the relative errors of the upper lobe C1~C2 of the right lung are 44.9% and 8.9%, respectively, the relative errors of the middle lobe C3 are 8.3%, and the relative errors of the lower lobe C4~C5 are 20.5% and 34.9%, respectively.

그리고, 우측 폐 및 좌측 폐의 총 평균 상대오차는 각각 23.5%, 16.9%이다.And, the total mean relative errors of the right lung and the left lung are 23.5% and 16.9%, respectively.

도 19는 사례 3의 CT 및 FEM 모델에서 C1~C5의 단면적 및 상대오차를 도시한 그래프이다.19 is a graph showing cross-sectional areas and relative errors of C1 to C5 in the CT and FEM models of Case 3;

도 19를 참조하면, 좌측 폐의 상엽인 C1~C2의 상대오차는 각각 68%, 17.6%이고, 중엽인 C3의 상대오차는 1.2%%이고, 하엽인 C4~C5의 상대오차는 각각 7.2%, 21.2%이다. Referring to FIG. 19 , the relative errors of the upper lobe C1 to C2 of the left lung are 68% and 17.6%, respectively, the relative errors of the middle lobe C3 are 1.2%%, and the relative errors of the lower lobe C4 to C5 are 7.2%, respectively. , 21.2%.

그리고, 우측 폐의 상엽인 C1~C2의 상대오차는 각각 38.8%, 5.1%이고, 중엽인 C3의 상대오차는 9.6%이고, 하엽인 C4~C5의 상대오차는 각각 16.1%, 80%이다. And, the relative errors of the upper lobe C1 to C2 of the right lung are 38.8% and 5.1%, respectively, the relative errors of the middle lobe C3 are 9.6%, and the relative errors of the lower lobe C4 to C5 are 16.1% and 80%, respectively.

그리고, 우측 폐 및 좌측 폐의 총 평균 상대오차는 각각 29.9%, 23%이다.And, the total mean relative errors of the right lung and the left lung are 29.9% and 23%, respectively.

도 17 내지 도 19를 참조하면, 우측 폐가 좌측 폐보다 상대오차가 더 크다는 것을 알 수 있다. 이는 폐 수축 시, 우측 폐가 심장 및 간 등에 의해 경계 및 지지를 받으므로, 우측 폐가 좌측 폐보다 변형이 크게 발생하기 때문이다.17 to 19 , it can be seen that the right lung has a larger relative error than the left lung. This is because, when the lung contracts, the right lung is bounded and supported by the heart and liver, so that the right lung deforms more than the left lung.

그리고, 폐의 하엽, 상엽, 중엽의 순으로 상대오차가 크다는 것을 알 수 있다.And, it can be seen that the relative error is large in the order of the lower lobe, the upper lobe, and the middle lobe of the lung.

추가로, 기관지의 형상은 폐의 호흡에 따라 변형되는데, 기관지가 자바라와 같이 팽창 및 수축하는 현상도 CT 및 FEM 모델에서 확인할 수 있다.In addition, the shape of the bronchi is deformed according to the respiration of the lungs, and the phenomenon that the bronchi expand and contract like a bellows can also be confirmed in CT and FEM models.

본 발명에서는 CT 모델로부터 3D 모델을 추출하고, 상기 3D 모델에 인체의 폐의 물성치를 적용하여, 유한요소해석을 수행하였다. 그리고, 본 발명에서는 상기 유한요소해석의 결과를 바탕으로, CT 및 FEM 모델 간의 단면적의 상대오차를 산출하여, CT 및 FEM 모델을 비교 검증하였다.In the present invention, a finite element analysis was performed by extracting a 3D model from the CT model and applying the physical properties of the human lung to the 3D model. And, in the present invention, based on the result of the finite element analysis, the relative error of the cross-sectional area between the CT and FEM models was calculated, and the CT and FEM models were compared and verified.

또한, 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법에서는 개흉 또는 물질의 삽입 없이 인체의 폐의 부피 및 압력 변화에 따라 인체의 폐의 물리적인 거동을 수리모델에 기반한 유한요소해석을 통해 예측하고, 이를 임상적으로 검증하여, 허탈 후 폐 종양의 위치 추적를 추적할 수 있어, 신속·정확한 최소침습술을 실현할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the simulation method of the human respiratory system according to the present invention, the physical behavior of the lungs of the human body is predicted through finite element analysis based on a hydraulic model according to the volume and pressure changes of the lungs of the human body without opening the chest or inserting a material, and Clinically verified, it is possible to track the location of lung tumors after collapse, which has the effect of realizing rapid and accurate minimally invasive surgery.

또한, 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은 폐의 허탈과 같은 극도의 부피 변화에서도 폐의 종양 위치를 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.In addition, the simulation method of the human respiratory system according to the present invention has the effect of accurately predicting the location of a tumor in the lung even in an extreme volume change such as collapse of the lung.

이상과 같이 본 발명은 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법을 제공하고자 하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시예는 단지 하나의 실시예에 불과하고, 본 발명의 진정한 권리 범위는 특허 청구범위를 기준으로 하되, 다양하게 존재할 수 있는 균등한 실시예에도 미친다 할 것이다.As described above, the present invention has a main technical idea to provide a simulation method of the human respiratory system, and the embodiment described above with reference to the drawings is only one embodiment, and the true scope of the present invention is the patent. However, based on the claims, it will also extend to equivalent embodiments that may exist in various ways.

10: 본 발명에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 장치10: Simulation device of the human respiratory system according to the present invention

Claims (8)

컴퓨터 시스템에 의한 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법에 있어서,
상기 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은
상기 컴퓨터 시스템이 최대 흡기 및 최대 호기시, 인체 호흡기관의 이미지에 대한 다수의 슬라이스를 추출하는 제 1단계;
상기 제 1단계에서 추출된 다수의 슬라이스로 최대 흡기 및 최대 호기시의 3D 모델을 각각 생성시키는 제 2단계;
상기 제 2단계에서 생성된 최대 흡기시의 3D 모델에 대해 가우시안 기법으로 홀 필링 작업을 수행하는 제 3단계;
상기 제 3단계를 거친 3D 모델에 대해 가우시안 기법으로 스무싱 작업을 수행하는 제 4단계;
상기 제 4단계를 거친 3D 모델에 대해 요소의 밀도 및 크기를 결정하는 제 5단계;
상기 제 5단계를 거친 3D 모델에 대해 메시 작업을 수행하여, FE 모델을 생성시키는 제 6단계;
상기 제 6단계에서 생성된 FE 모델에서 폐 실질에 초탄성 재료 모델인 오그던 N6 모델을 적용하고, 기관지에 탄성 물성치를 적용하는 제 7단계;
상기 제 7단계를 거친 FE 모델에 대해 수치해석 조건을 설정하는 제 8단계; 및
상기 수치해석 조건이 설정된 FE 모델을 사전에 설정된 제1 기준시간 동안 시뮬레이션하는 제 9단계;를 포함하고,
상기 제 8단계는
FE 모델의 기관지의 상단에 대해 X, Y, Z축의 세 방향의 회전 및 병진 운동을 각각 구속하는 제 8-1단계;
상기 제 8-1단계를 거친 FE 모델의 기관지의 중앙에 대해 Z축의 회전 및 병진 운동을 각각 허용하는 제 8-2단계;
상기 제 8-2단계를 거친 FE 모델의 기관지의 중앙에 대해 X, Y축의 회전 및 병진 운동을 각각 구속하는 제 8-3단계;
상기 제 8-3단계를 거친 FE 모델에 경폐압의 하중조건을 적용하는 제 8-4단계;
상기 제 8-4단계를 거친 FE 모델의 수치해석의 유형에 풀 뉴턴 정적해석을 적용하는 제 8-5단계;
상기 제 8-5단계를 거친 FE 모델의 폐에 비선형 대변형 모델을 적용하는 제 8-6단계;
상기 제 8-6단계를 거친 FE 모델의 폐 및 기관지의 접촉부위에 고정된 면대면 접촉조건을 적용하는 제 8-7단계; 및
상기 제 8-7단계를 거친 FE 모델의 폐 및 기관지에 각각 마스터 서피스 및 슬레이브 서피스를 적용하는 제 8-8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법.
A method for simulating a human respiratory system by a computer system, the method comprising:
The simulation method of the human respiratory system is
a first step of extracting, by the computer system, a plurality of slices for images of human respiratory organs during maximum inspiration and maximum expiration;
a second step of generating 3D models of maximum inspiration and maximum expiration, respectively, from the plurality of slices extracted in the first step;
a third step of performing a hole filling operation using a Gaussian technique on the 3D model at the time of maximum intake generated in the second step;
a fourth step of performing a smoothing operation using a Gaussian technique on the 3D model that has undergone the third step;
a fifth step of determining the density and size of elements with respect to the 3D model that has undergone the fourth step;
a sixth step of generating an FE model by performing a meshing operation on the 3D model that has undergone the fifth step;
a seventh step of applying the Ogden N6 model, which is a superelastic material model, to the lung parenchyma in the FE model generated in the sixth step, and applying elastic properties to the bronchi;
an eighth step of setting numerical analysis conditions for the FE model that has undergone the seventh step; and
A ninth step of simulating the FE model in which the numerical analysis conditions are set for a preset first reference time; includes;
The eighth step
Step 8-1 of constraining the rotational and translational motions in three directions of the X, Y, and Z axes with respect to the upper end of the bronchus of the FE model, respectively;
an 8-2 step of allowing rotation and translation of the Z-axis with respect to the center of the bronchus of the FE model that has undergone the step 8-1;
a step 8-3 of constraining the rotation and translation movements of the X and Y axes with respect to the center of the bronchus of the FE model that has undergone the step 8-2;
a step 8-4 of applying a load condition of transpulmonary pressure to the FE model that has undergone step 8-3;
an 8-5 step of applying a Full Newtonian static analysis to the type of numerical analysis of the FE model that has undergone the 8-4 step;
a step 8-6 of applying a nonlinear large deformation model to the lungs of the FE model that has undergone steps 8-5;
an 8-7 step of applying a fixed face-to-face contact condition to the contact area of the lung and bronchi of the FE model that has undergone steps 8-6; and
and an 8-8th step of applying a master surface and a slave surface to the lungs and bronchi of the FE model that have undergone the 8th-7th steps, respectively.
제 1항에 있어서,
상기 제 6단계에서는
메시 작업 시, 메시요소로 사면체 요소가 적용되고,
상기 제 7단계에서는
기관지의 탄성계수 및 프와송비가 각각 5kPa 및 0.44인 것을 특징으로 하는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법.
The method of claim 1,
In the sixth step,
When working with mesh, a tetrahedral element is applied as a mesh element,
In the seventh step,
A simulation method of the human respiratory system, characterized in that the elastic modulus and Poisson's ratio of the bronchi are 5 kPa and 0.44, respectively.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 경폐압의 하중조건은
상기 경폐압이 상기 제1 기준시간 동안 0에서 사전에 설정된 최고 압력까지 증가하고, 사전에 설정된 제2 기준시간 동안 상기 최고 압력에서 0까지 감소하는 조건인 것을 특징으로 하는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법.
The method of claim 1,
The load condition of the transpulmonary pressure is
The human respiratory system simulation method, characterized in that the transpulmonary pressure increases from 0 to a preset maximum pressure during the first reference time and decreases from the maximum pressure to 0 during a second preset reference time.
제 4항에 있어서,
상기 제1 기준시간은
호흡기관이 최대 흡기에서 최대 호기로 전환되는 호기에 대한 시간간격이고,
상기 제2 기준시간은
호흡기관이 최대 호기에서 최대 흡기로 전환되는 흡기에 대한 시간간격이고,
상기 제2 기준시간은
상기 제1 기준시간보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법.
5. The method of claim 4,
The first reference time is
The time interval between exhalation during which the respiratory tract transitions from maximal inspiratory to maximal exhalation,
The second reference time is
It is the time interval for inspiration during which the respiratory tract transitions from maximum expiration to maximum inspiration,
The second reference time is
A simulation method of a human respiratory system, characterized in that it is set to be greater than the first reference time.
제 1항에 있어서,
상기 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법은
최대 호기시의 CT 모델 및 상기 CT 모델에 해당하는 최대 호기시의 FEM 모델을 검증하는 제 10단계;를 더 포함하고,
상기 제 10단계는
최대 호기시의 CT 모델에 상기 CT 모델에 해당하는 최대 호기시의 FEM 모델을 오버랩하는 제 10-1단계;
상기 제 10-1단계에서 오버랩된 CT 및 FEM 모델을 호흡기관의 상부에서 하부까지 사전에 설정된 다수의 기준선분으로 절단하여, 다수의 기준단면을 취득하는 제 10-2단계;
상기 제 10-2단계에서 취득된 다수의 기준단면의 단면적을 랜드마크 플레인 슬라이스로 각각 산출하는 제 10-3단계;
상기 제 10-3단계에서 산출된 다수의 기준단면의 단면적으로부터 좌측 폐, 우측 폐 및 기관지 별로 상대오차를 각각 산출하여, 비교하는 제 10-4단계;를 포함하고,
상기 상대오차는
CT 모델의 기준단면의 단면적(Area_CT) 및 상기 CT 모델의 기준단면의 단면적에 해당하는 FEM 모델의 기준단면의 단면적(Area_FEM) 간의 상대적인 오차로써,
(수학식) (Area_FEM-Area_CT)/(Area_CT)×100에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법.
The method of claim 1,
The simulation method of the human respiratory system is
A 10th step of verifying the CT model during the maximum expiration and the FEM model during the maximum expiration corresponding to the CT model; further comprising,
The tenth step is
a step 10-1 of overlapping the CT model at the time of maximal expiration with the FEM model at the time of maximal expiration corresponding to the CT model;
a step 10-2 of obtaining a plurality of reference sections by cutting the CT and FEM models overlapped in step 10-1 into a plurality of preset reference line segments from the upper part to the lower part of the respiratory tract;
a 10-3 step of calculating the cross-sectional areas of the plurality of reference cross-sections obtained in the 10-2 step as landmark plane slices, respectively;
a step 10-4 of calculating and comparing the relative errors for each left lung, right lung, and bronchi from the cross-sectional areas of the plurality of reference cross-sections calculated in step 10-3; and
The relative error is
As a relative error between the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model (Area_CT) and the cross-sectional area of the reference cross-section of the FEM model (Area_FEM) corresponding to the cross-sectional area of the reference cross-section of the CT model,
(Equation) (Area_FEM-Area_CT)/(Area_CT)×100 A simulation method of a human respiratory system, characterized in that it is calculated.
제 6항에 있어서,
상기 CT 모델은
상기 제 2단계에서 생성된 대상자의 호흡기관에 관한 3D 모델이고,
상기 FEM 모델은
경폐압의 하중조건으로 시뮬레이션이 수행된 FE 모델이고,
상기 다수의 기준선분은
수평 방향의 선분을 사전에 설정된 기준거리만큼 이격되게 다수 오프셋한 선분인 것을 특징으로 하는 인체 호흡기관의 시뮬레이션 방법.
7. The method of claim 6,
The CT model is
It is a 3D model of the subject's respiratory organs generated in the second step,
The FEM model is
It is an FE model simulated under the load condition of transpulmonary pressure,
The plurality of baseline segments are
A simulation method of a human respiratory system, characterized in that the line segments in the horizontal direction are offset by a plurality of lines that are spaced apart by a preset reference distance.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100096470A (en) 2009-02-24 2010-09-02 강원대학교산학협력단 Method of 3d heart modeling using ct image

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ryan E. Amelon, DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF A FINITE ELEMENT MODEL OF LUNG MOTION(2012.06.) *
김병준 외 2인, 초탄성 구성 모델 기반 인체 폐의 호흡 시뮬레이션 및 이의 임상 검증(2021) *

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