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일주 양
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1 Otology online ML Comm Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2010;53:284-9 / DOI /kjorl-hns pissn / eissn Changes of Mastoid Gas Physiology in Virtual Mastoidectomy Model Dae Han Chung, Hoon Jung, Eun Woong Ryu, Cheol Eon Park, Jae Yong Byun, Seung Geun Yeo and Moon Suh Park Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, School of Medicine, Kyung Hee University, Seoul, Korea 가상유양동삭개술모델에서유양동기체생리의변화 정대한 정훈 류은웅 박철언 변재용 여승근 박문서 경희대학교의과대학이비인후과학교실 Received February 2, 2010 Revised April 8, 2010 Accepted April 19, 2010 Address for correspondence Moon Suh Park, MD Department of Otorhinolaryngology- Head and Neck Surgery, School of Medicine, Kyung Hee University, 149 Kangdong-gu, Sangil-dong Seoul , Korea Tel Fax pmsuh@yahoo.co.kr Background and ObjectivesZZIt is essential to understand gas physiology of mastoid cavity to study the pathophysiology of middle ear diseases, and the surface area and volume of mastoid mucosa are important parameters for evaluating gas physiology. However, the surface area and mastoid volume of the mastoid cavity have not been practically measured yet. Therefore, we measured and compared surface area and volume of the mastoid cavity before and after mastoidectomy using a virtual mastoidectomy model. Subjects and MethodZZWe performed a virtual mastoidectomy using 10 cases of temporal bone CT indicating pneumatic mastoid. First, we removed all air cells after outlining with irregular AOI function after loading axial CT images to Image-Pro Plus 4.0. Then we filled the removed area with equal planes using local equalization filter. Finally, we calculated and compared the total surface area, volume and area to volume (A/V) ratio by estimating their circumference and area. ResultsZZThe mean surface area of pneumatized mastoid cavity was cm 2 (range: cm 2 ), and the mean volume was 7.1 cm 3 (range: cm 3 ). The mean surface area and volume were altered to 42.8 cm 2 (range: cm 2 ) and 12.6 cm 3 (range: cm 3 ), respectively, after virtual mastoidectomy. As a result, the A/V ratio decreased from 18 to 3.4 after a virtual mastoidectomy in the pneumatic mastoid cavity. ConclusionZZWhen a complete mastoidectomy is performed in the pneumatic mastoid, the surface area is decreased by one third compared to a relatively minor increase in volume. Therefore, the surface area per unit volume is expected to greatly decrease after mastoidectomy. Some physiologic problems occurring after mastoidectomy could be more accurately explained using a virtual mastoidectomy model. Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2010;53:284-9 Key WordsZZMastoid Mastoidectomy Surface area Volume. 서론 유양동함기세포 (mastoid air cell system) 는무수한기낭으로이루어진구조물로유양동기체완충 (air buffer) 기능과기체생산기능을담당하여중이강의생리에중요한역할을하는것으로알려져있다. 1,2) 이러한기능을유지하기위해서는정상유양동함기세포는다중상호연결된기낭 (multiple interconnected air space) 으로구성되어높은표면적대비부피비 (surface area to volume ratio, A/V) 를가지는구조로이루어져있다. 3) 폐쇄형유양동삭개술은만성중이염환자에서합병증을예방하고청력을개선시키기위하여시행한다. 또한염증산물을배출시키고유양동의용적을증가시켜 4) 유양동의기체완충기능, 기체생산기능과같은정상기능을회복시키기 284 Copyright c 2010 Korean Society of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery

2 Virtual Mastoidectomy Model Chung DH, et al. 위하여시행한다. 그러나유양동삭개술을시행하게되면정상해부구조에변화를일으켜유양동의부피는증가하고표면적은감소하게되어원래의유양동의생리적기능이변하게된다. 4) 그러므로완전한유양동삭개술이유양동의생리적기능을충분히회복시킬수있는지또한함기화된유양동에서중이염증을조절하기위하여항상유양동함기세포를완전히제거하여야하는가에대하여는논란이있다. 5) 유양동과중이의기체생리에영향을미치는인자들은기체의성분, 이관기능, 유양동점막의두께, 유양동점막혈류량과유양동체적및표면적등이있다. 이중에서유양동의표면적을측정하는것은유양동부피와더불어기체의확산율 (diffusion rate) 을측정하는한근거가되므로유양동의기체생리를이해하고연구하는데중요한지표가되며, 이를측정하는방법은지금까지여러가지가보고되었다. 3,5,6) 본연구의목적은본교실에서개발한가상유양동삭개술 (virtual mastoidectomy) 모델을통하여유양동함기세포의유, 무상태에서표면적과부피변화및표면적대비부피비변화를측정해보고자하였다. 대상및방법 건강한성인 10명을대상으로연구를진행하였다. 대상자의평균나이는 35.9 세 (20~53 세 ) 로서, 250 Hz에서 8,000 Hz까지양측 20 db 미만의정상청력을가지며, 고실도검사에서 -100 에서 +50 dapa 사이에서정상적인첨부를형성하는것을확인하였다. 또한과거력에서중이염이나내이질환의병력을가진환자들은배제하였다 (Table 1). 대상자들은 1 mm의두께로횡축컴퓨터단층촬영 (GE Light speed 16, Milwaukee, USA) 을실시하였으며, 횡축은안외이도선 (orbitomeatal plane) 에평행하게촬영하였 다. Window의범위와수준은 3,200 에서 +400 으로조정하였으며, 유양동의표면적과부피는 Image-Pro Plus 4.0 software(media Cybernetics, MD, USA) 를이용하여계산하였다. Park 등 5) 의논문을참조하여먼저유양동함기세포의표면적을구하였는데그방법은다음과같다. 환자에따라 48 에서 64개의측두골컴퓨터단층촬영의축상면 (axial) 의영상을얻은후 Image-Pro Plus 4.0. software(media Cybernetics, Silver spring, MD, USA) 를이용하여유양동에해당하는부분을분리하였다. 각영상에서관찰되는모든함기세포를포함하는부분을 AOI(area of interest) 기법을이용하여 Fig. 1A와같이외부둘레를따라경계선을긋고분리했다. Mastoid antrum, central mastoid tract, peripheral mastoid air cell system 을포함하여측정하였으나중이강은포함하지않았다. 함기세포들을주변조직들과명확하게구별하기위하여음영의역치상한선 (upper threshold) 을 65에서 115 사이로조절하였다. 이 threshold level 은이들범위가실제둘레길이를나타낸다는예비실험결과에근거하여설정한수치였다. 즉예비실험으로함기화가양호한영상을대상으로하여 threshold level을변화시켜가장실제와가까운범위로함기세포들이분리되는지점을계산하였다. 다음단계로분리한모든함기세포의둘레를프로그램의 Counting and Measurement 도구를이용하여측정하였으며영상마다필요에따라다양한 edge detection tool을사용했다. 즉함기세포들의명확한분리가어려울때는 Gaussian curve 를사용하는 Higauss enhancement filter 를이용하여미세한함기세포벽의음영을강조했다. 이러한방법으로도측정되지않았던누락된함기세포들은직접둘레를측정하여포함시켰다. 그후해당 plane 에서의 Table 1. Characteristics of patients and pre and post mastoidectomy surface area, volume and area to volume ratio (A/V ratio) of mastoid cavity Age Premastoidectomy Postmastoidectomy Surface area (cm 2 ) Volume (cm 3 ) A/V ratio (cm - 1 ) Surface area (cm 2 ) Volume (cm 3 ) A/V ratio (cm - 1 )

Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2010;53:284-9 A B C Fig. 1. Process of virtual mastoidectomy.

함기세포둘레의측정치들을합산함으로써총함기세포의외곽선길이를구하였다. 이외곽선길이의총합에절편간격 1 mm를곱함으로써한 plane 에서의함기세포의내표면적을구했고이작업을반복하여전체를합산함으로써전유양돌기함기세포의내표면적을구했다. 유양동의부피는같은방법으로분리한모든함기세포의면적을 Counting and Measurement 도구를이용하여측정하였다.

1B와같이내부의함기세포부분을 Erasing 프로그램을이용하여지웠다. 이후에 Fig. 1C와같이 local equalization filter 를이용하여내부를균일한평면으로채우고, 각영상에서채워진평면의둘레와면적을같은방법으로구한후영상의두께인 1 mm를곱하여합산하는방법으로가상유양동삭개술이이루어진유양동의표면적과부피를구하였다.

3 Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2010;53:284-9 A B C Fig. 1. Process of virtual mastoidectomy. Outlining of perimeters of all the traced air cells (A), erasing designated mastoidectomy area of each image (B) and filling with homogenous plane using local equalization filter (C). 함기세포둘레의측정치들을합산함으로써총함기세포의외곽선길이를구하였다. 이외곽선길이의총합에절편간격 1 mm를곱함으로써한 plane 에서의함기세포의내표면적을구했고이작업을반복하여전체를합산함으로써전유양돌기함기세포의내표면적을구했다. 유양동의부피는같은방법으로분리한모든함기세포의면적을 Counting and Measurement 도구를이용하여측정하였다. 이러한방법으로각각의영상에서함기세포의면적을측정한후영상의두께인 1 mm를곱하여합산하는방법으로유양동부피를구하였다. 가상유양동삭개술은다음과같이시행하였다. 측두골컴퓨터단층촬영각각의영상에서 Fig. 1A와같이관찰되는모든함기세포를포함하는부분을 AOI(area of interest) 기법을이용하여외부둘레를따라경계선을긋고분리한후외부둘레를따라선을긋고 Fig. 1B와같이내부의함기세포부분을 Erasing 프로그램을이용하여지웠다. 이후에 Fig. 1C와같이 local equalization filter 를이용하여내부를균일한평면으로채우고, 각영상에서채워진평면의둘레와면적을같은방법으로구한후영상의두께인 1 mm를곱하여합산하는방법으로가상유양동삭개술이이루어진유양동의표면적과부피를구하였다. 마지막으로결과를가지고표면적대부피비 (A/V ratio) 를산출하였다. SPSS 윈도우버전 12.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 을이용하였고 2군을비교하는비모수적인방법인 Wilcoxon signed rank test로통계분석을실시하였고 p값이 0.05 미만일경우를통계적으로유의한차이가있는것으로하였다. 결과 정상적으로함기화된유양동에서가상유양동삭개술수술전평균유양동표면적은 cm 2 ±21.9(94.2~165.3 Table 2. Mean values and standard deviation of pre and postmastoidectomy surface area, volume and area to volume (A/V ratio) of mastoid cavity Premastoidectomy Postmastoidectomy Surface area (cm 2 ) 127.8± ±6.7 Volume (cm 3 ) 007.1± ±2.6 A/V ratio (cm - 1 ) 00.18± ±0.3 Surface area (cm 2 ) Fig. 2. Changes in surface area after virtual intact canal wall mastoidectomy (*p=0.005). Volume (cm 3 ) * Fig. 3. Changes in mastoid volume after virtual intact canal wall mastoidectomy (*p=0.005). * 286

Virtual Mastoidectomy Model Chung DH, et al. cm 2 ) 이었으며, 수술전평균유양동부피는 7.1 cm 3 ±1.7 (5.2~11.0 cm 3 ) 이었다. 가상유양동삭개술수술후평균유양동표면적은 127.8 cm 2 ±21.9(94.2~165.3 cm 2 ) 에서 42.8 cm 2 ±6.7(35.9~55.

4 Virtual Mastoidectomy Model Chung DH, et al. cm 2 ) 이었으며, 수술전평균유양동부피는 7.1 cm 3 ±1.7 (5.2~11.0 cm 3 ) 이었다. 가상유양동삭개술수술후평균유양동표면적은 cm 2 ±21.9(94.2~165.3 cm 2 ) 에서 42.8 cm 2 ±6.7(35.9~55.0 cm 2 ) 로통계적으로유의하게감소하였으며 (p=0.005), 수술후평균유양동부피는 7.1 cm 3 ±1.7(5.2~11.0 cm 3 ) 에서 12.6 cm 3 ±2.6(10.3 ~ 18.7 cm 3 ) 으로통계적으로유의하게증가하였다 (p=0.005) (Table 1 and 2)(Figs. 2 and 3). 그러나표면적대부피비의관점에서볼때, 정상적으로함기화된유양동에서가상유양동삭개술수술전 18±1.3 에서수술후 3.4±0.3 로통계적으로유의하게감소한결과를보였다 (p=0.005)(table 1 and 2)(Fig. 4). 고 찰 Fig. 5에는 3개의그림이있으며모두같은부피를가지지만우측으로갈수록표면적이증가하는구조로이루어져가장우측의도형이함기화된유양동과유사한구조를갖는다고할수있다 (Fig. 5). 유양동함기세포는과거기체저장소 (air reservoir) 로써기능이부각되어연구되었는데, 7) 즉보일의법칙 (Boyle s Law) 에따라유양동의기체저장은중이강의완만한압력조절을가능하게함이밝혀졌고이로관련하여유양동의부피를측정하는방법들이소개되었다. 8,9) 그러나기체생리학적인측면에서보았을때유양동함기세포는기체완충작용 (mastoid air buffer) 외에능동적 A/V ratio (cm -1 ) Fig. 4. Changes in area to volume ratio after virtual intact canal wall mastoidectomy (*p=0.005). * 인기체생산의역할을한다고볼수있다. 즉유양동은점막하모세혈관망을통하여기체의교환이능동적으로일어나는장소이다. 1,5) 조직학적으로사람의유양동점막하조직은폐나비강과같은구조로이루어져있으며, 유양동함기세포는혈관이매우풍부한상피층으로덮여있어기체의교환이나확산이용이한구조로이루어져있다. 10,11) 기체교환은확산에의해일어나는작용으로확산이일어나는정도는표면적에의하여어느정도좌우된다고할수있다. 12) 정상유양동함기세포는다중상호연결된기낭으로구성되어높은 A/V 를가지는구조로이루어져있으므로기체확산에유리하다. 3) 그러므로유양동의표면적을측정하는것은이러한유양동의기체생리를이해하고연구하는데중요한지표가되며, 이를측정하는방법도최근여러가지가보고되었다. 즉측두골단층촬영영상을이용하여각영상에서유양동함기세포들의모든둘레 (perimeter) 를측정한후여기에영상의두께를곱하는방법이처음제시되었고, 3,5) 부검한측두골을슬라이드로제작한후유양동함기세포의둘레를같은방법으로컴퓨터를이용하여측정한연구가이어졌다. 6) 단층촬영영상을이용한방법에비해측두골슬라이드를이용했을때더정확성을기할수있지만후자는사체의측두골절편에서만가능하다는점, 너무많은슬라이드를대상으로하므로시간이많이소비된다는점에서임상데이터를이용한연구방법으로의유용성은떨어진다고하겠다. 본연구에서는측두골단층촬영영상을기반으로한방법을응용하여가상유양동삭개술모델을만들었으며, 이를통하여유양동삭개술전후의표면적과부피변화및표면적대비부피비변화를측정하고그결과를분석해보고자하였다. 방법에있어기존의단층촬영을이용한방법과다른점은본모델은영상분석기의 Erasing 기능을이용하여각영상에서유양돌기삭개술시제거하는부분을각각지우고그지운부분만큼의새로운 plane 을가상으로그자리에채운후그둘레와면적을구하고그후영상의두께를곱하여표면적과부피를구했다는것이다. 술후함기세포가없어졌으므로측정자체는더쉬워졌으나가상으로새로운면을삽입했기때문에가능한오차는증가했을개연성이있다. 폐쇄형유양동삭개술의생리적역할은유양동함기세포 Fig. 5. Change of the surface area in geometric images with same volume

5 Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2010;53:284-9 를모두제거함으로써만성중이염환자에서염증산물을배출시키고유양동의용적을증가시켜중이통기를향상시키는것이다. 또한통기상태의유양동은중이강압력을조절하고중이에서기체완충기능과기체생산및교환기능을가능하게해준다. 4,5) 그러나유양동삭개술을시행하게되면유양동자체의부피는증가되나유양동표면적은크게감소되어기체확산이나교환에필요한유양동면적의감소로유양동의기능은변화하게된다. 4) 본연구에서사용한가상유양동삭개술모델을통하여보았을때에도수술전평균유양동부피가 7.1 cm 3 에서 12.6 cm 3 로증가하였으나평균유양동표면적은수술전평균 cm 2 에서 42.8 cm 2 로 1/3 로크게감소하였다. 이러한기하학적인관점에서보았을때, 만성중이염환자에서정상함기세포를포함하여모든함기세포를제거하는유양동삭개술이필요한가에대하여는논란이있다. 더구나함기화가잘된유양동을가진환자에서완전한유양동삭개술을시행하는것은정상유양동생리를저해할수있는개연성이있다. 10) 또유양동삭개술후삭개술을시행한공간이모두함기화가되지는않는다는사실도중요하다. 또한 Okura 등 13) 의보고에따르면, 유양동삭개술후유양동표면은모세혈관이거의없는두꺼운섬유조직으로덮이기때문에유양동의기체교환기능이매우감소하였다고하였다. 이와연계하여 Takahashi 등 4) 은유양동점막이보존된부위에서는수술후통기가가능하였다고보고하였다. 그러므로완전한유양동삭개술이유양동의생리적기능을충분히회복시킬수있는지또한함기화된유양동에서중이염증을조절하기위하여항상유양동함기세포를완전히제거하여야하는가에대하여는앞으로많은연구가필요하다. 5) A/V 는유양동의기체생리를평가하기위한척도중의하나로유양동의압력조절에결정적인역할을한다. 높은 A/ V를가지는점막은빠른기체교환이가능하며, 유양동점막은이와같은구조로이루어져상대적으로신속한기체교환이가능하다. Magnuson 등 3) 은유양동과중이의압력을조절하는데 A/V 가가장중요한인자라고보고했고 Doyle 등 14) 은중이기체생리에있어서중요한인자가단위부피당표면적과단위표면적당혈류량 (blood flow to surface area ratio) 이라고보고하였다. 그러므로정상적으로함기화된유양동에서가상유양동삭개술전 A/V 가 18에서수술후 3.4 로, 80% 가감소하는결과를보인것은술후유양동함기세포의단위부피당유효표면적량이크게감소한것을의미하고이것은유양동의단위부피당기체교환기능이유양동삭개술후감소하리라는것을간접적으로추측할수있게하 는결과다. 그러나유양동점막의기체생리는 A/V 외에도여러가지지표에의해좌우되므로전체적인기체생리의건전성은별개로평가되어야할것이다. 함기화된유양동의표면적을측정함에있어서매우얇은함기세포벽을정확하게측정하여배경이미지로부터분리하여측정하는것은간단한작업이아니다. 본연구에서는여러 Edge filter 중에서 Higauss filter 를이용하여측정하여오차를줄이고자하였다. 또한과거에인화된방사선필름을스캔하여측정하던방법에서컴퓨터상의이미지로직접작업이가능하여오차를더줄일수있었다. 가상유양동삭개술의장점은우선순수하게기하학적인면만고려한유양동삭개술이가능하다는것이다. 즉유양동삭개술후발생하는신생골혹은섬유조직형성을고려하지않아도되고항상모든유양동함기세포를완전히제거하는것이가능하다는점이다. 반면실제유양동삭개술에서제거하는피질골부분을고려하지않은것은단점으로간주될수있다. 앞으로측두골컴퓨터촬영의단층을더얇게한다면오차를조금더줄일수있을것으로생각된다. 또한함기화가잘이루어진정상유양동뿐만아니라만성중이염으로인한판장형 (diploic) 혹은경화형 (sclerotic) 유양동에도본가상유양동삭개술모델을적용하여연구한다면, 본모델이유양동기체생리에대한더많은연구를가능하게하는도구가될것으로생각된다. 또술후발생하는유양동내변화, 즉섬유조직이나골조직의형성, 나아가서는진주종재발등에관한시뮬레이션연구에도이용될수있을것으로생각된다. 그리고궁극적으로는 3D 모델을구축하여자동으로표면적과부피가연산될수있는시스템을갖추는것이바람직할것이다. REFERENCES 1) Ikarashi F, Nakano Y, Okura T. Pneumatization of the tympanic bulla after blockage of the ventilation route through the eustachian tube in the pig. Ann Otol Rhinol Laryngol 1996;105(10): ) Sadé J. The correlation of middle ear aeration with mastoid pneumatization. The mastoid as a pressure buffer. Eur Arch Otorhinolaryngol 1992;249(6): ) Magnuson B. Functions of the mastoid cell system: auto-regulation of temperature and gas pressure. J Laryngol Otol 2003;117(2): ) Takahashi H, Honjo I, Naito Y, Miura M, Tanabe M, Hasebe S, et al. Gas exchange function through the mastoid mucosa in ears after surgery. Laryngoscope 1997;107(8): ) Park MS, Yoo SH, Lee DH. Measurement of surface area in human mastoid air cell system. J Laryngol Otol 2000;114(2): ) Oishi T, Ogawa H, Ohtani I. [Computer-aided surface area measurement of temporal bone pneumatization: histological sections.] Nippon Jibiinkoka Gakkai Kaiho 2003;106(3): ) Austin DF. On the function of the mastoid. Otolaryngol Clin North Am 1977;10(3): ) Frisberg K, Zsigmond M. The size of mastoid air cell system. Planim- 288

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이철희 외 고실 골판의 형태를 분류하고 정상인에서의 분포 및 만성 중 평선에서 두위를 30 숙인 축상면에서 관찰하였고 1 mm 간 이염군 사이의 분포를 알아 봄으로써 전 상고실 골판의 형태 격으로 촬영하였으며 전형적인 supratubal recess가 잘 관찰 와 특징

이철희 외 고실 골판의 형태를 분류하고 정상인에서의 분포 및 만성 중 평선에서 두위를 30 숙인 축상면에서 관찰하였고 1 mm 간 이염군 사이의 분포를 알아 봄으로써 전 상고실 골판의 형태 격으로 촬영하였으며 전형적인 supratubal recess가 잘 관찰 와 특징 KISEP Otology Korean J Otolaryngol 2002;45:122-6 측두골전산화단층촬영에의한전상고실골판의형태학적분류와임상적의의 이철희 이지은 상동민 김현우 이정래 조태환 이상흔 The Classification and Clinical Importance of the Anterior Attic ony Plate on Temporal one