이원섭 1, 정대한 2, 박세권 3, 김희은 4, 유희천 1 1 포항공과대학교산업경영공학과 2 공군사관학교기계공학과 3 공군사관학교시스템공학과 4 경북대학교의류학과 1
Contents 2
Facial Anthropometric Surveys 군장비및보호구개발을위해대규모인체치수조사가시작됨 ( 안면치수포함 ) 1967 년조사된미공군안면측정 data 는 MBU-12/P 와 MBU-20/P 산소마스크설계에적용되었으며, 2000 년대초반까지산업용호흡구개발에도활용되었음 2000 년대이후각국의일반인대상인체또는안면치수조사사업활성화및 3D scan 측정법사용 No. Survey period Population Sample size Measurement method Number of dimensions Face dimension Body dimension 1 1950 US Air Force male 4,063 DM 40 132 2 1967 ~ 1968 US Air Force male 2,420 DM 48 182 3 1987 ~ 1988 US Army 8,997 DM 16 132 4 2000 US civilians (CAESAR) 2,380 DM & SM 9 99 5 2003 US civilians (NIOSH) 3,997 DM 19-6 2006 Chinese civilians 3,000 DM 19-7 2004 ~ 2006 Japanese civilians 6,842 DM & SM 17 217 8 2010 Korean civilians DM: direct measurement SM: 3D scan measurement 14,016 DM 8 139 3 848 SM 45 156 9 2010 ~ 2011 US Army 13,000 DM & SM 14 97
Head & Facial Dimensions 안면측정및마스크설계관련기존연구 15 편에서 107 개안면측정항목파악 활용예 ) 반면형마스크설계관련 22 개측정항목파악 (length: 9, depth: 2, width: 7, circumference and arc: 4) 2 4 16 17 14 18 19 15 3 13 1 5 12 6 20 10 11 21 22 9 7 8 Face dimension 1 head height 2 head breadth 3 head length 4 head circumference 5 face length 6 lower face length 7 sellion-bottom lip length 8 bottom lip-menton length 9 nasal bridge-menton length 10 nasal bridge-chin length 11 chin-menton length 12 nose length 13 nose protrusion 14 face width 15 chin width 16 nasal root breadth 17 maximum nasal bridge breadth 18 nose width 19 lip width 20 bitragion-menton arc 21 bitragion-subnasal arc 22 bizygomatic-menton arc head dimensions (4) length (8) depth (1) width (6) Arc (3) facial dimensions (18) 4
Facial Landmarks Used for 3D Measurement 기존안면측정연구에서사용한관련측정참조점 (landmark) 파악 활용예 ) 18 개 face dimension 의 3D 측정을위해 21 개측정참조점선정 sellion sellion dacryon dacryon rhinion rhinion zygion alare zygion tragion nasal ala pronasale alare subnasale cheilion gonion supramentale promentale gonion supramentale promentale menton non-italic: surface landmarks italic: cranial landmarks 5
3D Face Scanning 3D scanning 예 Rexcan 560 (Solutionix, South Korea) 을이용한안면측정 안면 landmark 에 sticker 를부착후 3D scan Landmark 의 3 차원좌표가자동으로추출됨 5 개각도에서촬영 (60 left, 30 left, 0, 30 right, 60 right) 6
Post Processing & Automatic Facial Measurement Post processing: ezscan (Solutionix Inc., South Korea) 및 RapidForm 2006 (Inus Technology, South Korea) 이용 MATLAB 으로개발된 system 을이용하여안면치수자동측정 3D scanned images processing time: 60 min image alignment measurement extraction landmarking refinement 7 data editing merging
Another Scanning Techniques processing time: < 5 min Head 전용 3D scanner (Size China 에서활용, 2011) 8 Artec hand-held scanner
Comparison of Facial Dimensions 일반적으로동양인 ( 예 : 한국인, 중국인 ) 의얼굴이서양인 ( 예 : 미국인, 호주인 ) 보다평균적으로짧고넓음 설계대상인구 (target population) 에따라얼굴형상및크기특성이상이하므로마스크사용인구의안면특성에기반한마스크설계필요 Race References Mongoloid (Korean and Chinese) De at al. (2008) Han et al. (1997) Kim et al. (2003) Size China (2010) Size Korea (2004) Yang et al. (2007) Caucasian (American and Australian) Brazile et al. (1998) Churchill et al. (1977) CAESAR (2000) Gross & Horstman (1997) Hughes & Lomaev (1972) Oestenstad & Perkins (1992) Zhuang & Bradtmiller (1995) head length 177.0 ~ 188.0 < 197.3 ~ 200.1 head breadth 154.0 ~ 158.0 > 153.0 ~ 154.5 face width 134.1 ~ 147.5 > 142.7 ~ 143.5 face length 109.5 ~ 117.8 < 121.3 ~ 126.0 nose width 33.2 ~ 39.6 > 27.0 ~ 37.5 기존안면측정및안면비교연구들이제시한측정치평균값들의범위 9 face width head length Difference of facial shape between Chinese and Caucasian head (Ball et al., 2010)
Application of Facial Anthropometry: Respirator Fit Testing Panel 미국산업안전보건연구원 (NIOSH, 1973, 2007) 에서산업용호흡구평가를위한얼굴크기별평가참여자수 (25 명 ) 를제시 한계 : 구체적인호흡구설계 guideline ( 예 : 크기, 형상, 치수체계 ) 은제시하지않음 face length (mm) 133.5 123.5 113.5 103.5 1F 3F 2F 2M 4M 1F 1M 3F 2F 93.5 34.5 43.5 52.5 61.5 lip width (mm) 2M 3M 1M Early NIOSH fit testing panels (Hack et al., 1973) second principal component 50 40 30 20 10 long-narrow (3) small (4) medium (3) large (3) (3) (3) short-wide 240 250 260 270 280 290 300 310 320 first principal component (3) (3) New NIOSH fit testing panels based on PCA (Zhuang et al., 2007) 10
Application of Facial Anthropometry: Representative Face Models 3D 안면 scan data 의 principal component analysis 를통해설계대상인구의대표안면크기및형상 (representative face model, RFM) 생성 RFMs 을기반으로호흡구를설계한연구는미비하며구체적인설계방법이제시되지못하였음 (Zhuang et al., 2010) Landmark 의 3 차원위치기반의대표형상파악 front view side view variation of face shape 미국일반인의안면크기및형상을대표하는 NIOSH 의 RFMs (Zhuang et al., 2010) variation of face shape 3D point data 를이용한대표형상파악연구예 (Luximon et al., 2012) PCA 기반대표형상분석연구 ( 첫번째 principal component 예 ) 11 파악된대표형상을이용한 headform 제작예 (Size China, 2008)
Respirator Design Approach Based on Facial Dimensions 초기연구들은안면측정항목기반호흡구형상설계 호흡구설계에연관된주요안면측정항목들이제시됨 No. Previous study Facial dimensions related respirator fit 1 Hack et al. (1973) face length, face width, lip width 2 Liau et al. (1982) face width, lip width 3 Gross and Horstman (1990) face length, nose length, lip width 4 Oestenstad et al. (1990) lower-face length, biocular breadth, nasal root breadth 5 Oestenstad and Perkins (1992) face length, lower-face length, biocular breadth, nasal root breadth 6 Brazile et al. (1998) nose width, nose protrusion 7 Han and Choi (2003) face width, nose protrusion, bitragion-menton arc 8 Zhuang et al. (2005) face length, face width, bigonial breadth, nose protrusion 기존연구한계 안면측정항목기반의호흡구형상설계에관한체계적인설계방법이제시되지못함 2 차원치수만으로 3 차원안면형상에적합한호흡구형상을설계하기에는한계가있음 (Cobb, 1972 ; Godil, 2009; Kim et al., 2003; Lovesey, 1974; Luximon et al., 2012; Piccus et al., 1993; Seeler, 1961; Song & Yang, 2010; Yang & Shen, 2008; Yatapanage and Post, 1992 Zhuang et al., 2010a, b) 3D 안면 data 기반의새로운호흡구설계방법에대한가능성및사례들이소개됨 (Godil, 2009; Han et al., 2004; Kim et al. 2003; Luximon et al., 2012; Song and Yang, 2010; Yang and Shen, 2008; Yatapanage and Post, 1992; Zhuang, et al., 2010a, 2010b) 12
Respirator Design Based on Average 3D Facial Shape 3D 안면 data 의평균형상을이용한호흡구설계 (Yatapanage and Post, 1992) Low-quality 3D scan data ( 안면형상구성 point 수 = 약 400 개 ) 안면구성 point 들의평균및분산을이용한호흡구형상설계 기존연구한계 다양한안면형상이아닌평균형상을사용 다양한안면에적합한지평가되지못함 호흡구설계특성을고려하지못하고안면특성 ( 평균, 분산 ) 으로만호흡구설계 호흡구형상이비합리적으로설계됨 ( 예 : 마스크폭 = 5.4 cm) 시제품제작및착용성평가를통한설계방법의타당성검증이필요함 pronasale sellion sellion subnasale lip promentale 평균안면형상예 (21 ~ 63 세남성 72 명 ) 안면형상을구성하는좌표중분산이적은부위를따라호흡구형상 13 (contour) 파악 plan view side view 호흡구형상의전개도예
Oxygen Mask Design Based on Mask Contour Analysis 안면밀착형상분석기반의마스크형상개선 (Gross et al., 1997) 현행 MBU-20/P 산소마스크형상설계에관한연구 초기마스크형상을 3D 안면에가상착의후마스크의밀착형상분석 안면밀착형상과주관적착용감 ( 예 : 산소누설, 미끄러짐 ) 을기반으로마스크형상개선 기존연구한계 안면밀착형상과주관적착용감의마스크형상설계적용방법언급부재 무작위선별된미공군 60 명 ( 남 30 명, 여 30 명 ) 안면특성을활용하여 4 가지치수설계 전체산소마스크사용집단에대한고려가미흡 다양한크기와형상의사용자대상개선마스크에대한평가검증부재? 안면및초기마스크의 3D scan 예 마스크가상착의 14 3 차원안면밀착형상 (contour) 분석 개선마스크설계를위한설계 landmark
Respirator Design Based on Representative Models 대표안면모델기반의산업용호흡구형상설계 (Han et al., 2004) 50명 ( 남 25명, 여 25명 ) 의안면측정항목기반 3개치수 group 선정 ( 대, 중, 소 ) 치수별평균안면에근접한얼굴을 clay 제작한후, 측정항목평균이되도록 clay 수정 Clay model을 3D scan 후, 3D 형상 profile 기반호흡구형상설계 기존연구한계 50명 data 기반으로생성된대표모델이전체호흡구사용집단을대표하는지고려미흡 안면특성과호흡구설계특성을고려한세부적인형상설계방법이제시되지못함 호흡구사용집단내안면형상이다양한사용자대상착용성평가검증부재 안면측정항목예 (10 개항목 ) Clay 로제작된대표안면모델 15 Clay 의 3D scanning RMFs 를기반으로 3 가지치수설계
Oxygen Mask Design Based on Virtual Fit Assessment Method 다양한크기와형상의안면 3D scan data Virtual mask fit assessment 산소마스크최적형상설계 시제품착용성평가 16 시제품제작
Respirator Fit Assessment 정성적평가방법 : 마스크외부에비산된 aerosol ( 예 : banana oil) 의마스크침투여부를주관적으로검출 정량적평가방법 : 장비를사용하여호흡구내부및외부의 aerosol 농도를측정 추후연구 issues 기존방법은외부공기의호흡구내침투여부파악이주목적 산소마스크의산소누설평가방법고려 안면에가해지는압박감의객관적평가를위한실험적방법연구 Qualitative fit testing Quantitative fit testing system (PORTACOUNT PRO+, TSI Inc., USA) 17 Combined Aircrew Systems Tester (Gentex Corp,, USA)
FEM 기반 Virtual Fit Testing Method 3D 안면 scan data와호흡구 CAD를활용하여가상으로착용성평가 Finite element method (FEM) 기반으로밀착도, 압박도, 간섭 (interference), 공기의흐름, 산소누설등을 simulation 기존연구의한계 호흡구를안면에착용시키는방법 ( 예 : 착용위치, 착용특성 ) 에대한고려부재 안면크기와형상이다양한사용자들에대한평가부재 가상착의평가기반최적호흡구형상설계방법은제시되지못함 oxygen leak Evaluation of fitness for full-face gas filtering mask (Piccione and Moyer Jr., 1997) Evaluation of air flow and leakage based on CFD-ACE+ and CFD-GEOM FEM software (Butler, 2009) 18 Evaluation of pressure Based on LS-DYNA, FEM software (Yang et al., 2009; Dai et al., 2011)
Discussion (1/3) 3 차원안면 scan data 기반의안면착용제품설계적용을위한제품설계방법론개발이필요 다양한인체측정조사사업에서 3 차원머리 / 안면 scan data ( 예 : CAESAR, Size Korea, Size China 등 ) 수집 안면착용제품 ( 예 : 산소마스크, 필터마스크, 방독면, 보호안경, 귀마개, 헬멧등 ) 에다양하게활용되지못하고있음 안면, 제품, 그리고안면 - 제품간 interface 의종합적이해에기반한체계적인제품설계방법개발필요 2 4 17 15 18 19 16 21 20 Facial Anthropometric Characteristics 22 User Preferences OM Wearing Characteristics Wear position Wear angle Clearance Fitness Interface Discomfort Oxygen leaking Mic-lip clearance 52 P1. 코부위정점 L2. 코뿌리점 6 mm 16 mm Mask-코교차점 Mask 착용각도 P2. 턱부위정점 12 mm L19. 앞턱끝점 Face-Product Interface Model ( 예 ) 19 Mask Design Dimensions 3 차원안면크기및형상특성 제품설계특성 제품사용및착용특성 사용자선호도특성
Discussion (2/3) 설계대상인구다수의 3 차원안면 data 를이용한제품설계기법개발이필요 기존연구들은 3 차원 scan data 로부터대표안면모델선정한후, 대표안면모델의형상 profile 만을이용하여제품형상설계 다양한크기및형상의 3 차원 scan data 를모두적용하여제품을설계하기위한 digital 설계방법필요 표안면모델의 3D scan 형상 대표안면모델기반마스크형상설계 다양한크기와형상의안면 3D scan data Virtual mask fit assessment 20
Discussion (3/3) 제품사용집단다수에대해설계적합성평가필요 기존연구는개발된호흡구의형상이사용자집단다수에대해적합한지주관적및객관적측면에서의검증부족 Virtual fit assessment - 다양한크기와형상의 3D 안면 data 에제품을착의하며밀착도, 압박도등을 simulation - 제품 prototype 제작전호흡구의설계적합성을다양하게평가 설계문제예측및형상수정용이 제품 prototype 제작및착용성비교평가 - 주관적평가 : 착용감, 불편도, 기능사용용이성등 - 객관적측정평가 : 산소누설, 외부공기침투, 압박도 oxygen leak 21
Q & A Thank you for your attention! edt.postech.ac.kr mcury@postech.edu 22