이원섭 1, 손동훈 2, 정대한 2, 박세권 3, 김희은 4, 유희천 1, 유민지 5, 박춘식 5 1 포항공과대학교산업경영공학과 2 공군사관학교기계공학과 3 공군사관학교시스템공학과 4 경북대학교의류학과 5 공군군수사령부 1
Contents 2
Background MBU-20/P: F-15/F-16 전투기조종사가착용하는고성능산소마스크 1967 년측정된미공군안면측정 data 기반으로설계됨 상당수한국인조종사안면에적합하지않음 특히코부위에서과도한압박및산소누설발생 비행임무중높은불편도야기됨 한국인조종사안면에적합하도록마스크설계개선필요 excessive pressure oxygen leakage US Air Force face anthropometric data (1967) MBU-20/P oxygen mask (Gentex Corp., USA) 3
MBU-20/P Pilot Oxygen Mask 반면형호흡구 (half-face respirator) 고고도, 고중력가속도상황에서안정적인산소공급, 라디오통신지원 1967년측정된미공군남성안면측정 data 기반으로초기설계 미공군 3D 안면 scan data ( 남 30, 여 30) 기반으로형상수정 (Gross et al., 1997) 4
Components of MBU-20/P Facepiece: 산소누설방지역할 ( 재질 : silicone rubber) Hardshell: facepiece 의형상유지및주변부품결합 (material: carbide) facepiece hardshell strap microphone valve 5
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 6(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 7 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 8 Clay 의 3D scanning RMFs 를기반으로 3 가지치수설계
Respirator Fit Assessment 정성적평가방법 : 마스크외부에비산된 aerosol ( 예 : banana oil) 의마스크침투여부를주관적으로검출 정량적평가방법 : 장비를사용하여호흡구내부및외부의 aerosol 농도를측정 조종사산소마스크평가적용한계 기존방법은외부공기의호흡구내침투여부파악이주목적 조종사산소마스크의산소누설평가에부적절 기존 CAST 장비는마스크의기능적결함여부만평가 안면에가해지는압박감의객관적평가를위한실험적방법부재 Qualitative fit testing Quantitative fit testing system (PORTACOUNT PRO+, TSI Inc., USA) 9 Combined Aircrew Systems Tester (Gentex Corp,, USA)
Virtual Fit Assessment 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) 10 Evaluation of pressure Based on LS-DYNA, FEM software (Yang et al., 2009; Dai et al., 2011)
Research Objectives Development and Validation of a Virtual Fit Assessment Method for Pilot Oxygen Mask Design 1. 가상착의평가방법 (virtual fit assessment method) 기반산소마스크설계 조종사 3 차원안면 scan data 와산소마스크 CAD 를이용한가상착의평가방법개발 가상착의평가방법기반으로한국인조종사다수에적합한최적산소마스크형상설계 2. 설계된산소마스크형상의설계개선효과평가 가상착의방법기반평가 Prototype 제작및기존마스크와의비교평가 : 주관적착용감평가, 객관적압박도측정 11
52 P1. 코부위정점 Mask 착용각도 P2. 턱부위정점 L2. 코뿌리점 Mask- 코교차점 12 mm L19. 앞턱끝점 Approach S1 산소마스크 design factors 분석 마스크설계특성 한국인조종사안면특성 마스크착용특성 사용자선호도특성 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 6 mm 16 mm Mask Design Dimensions S2 산소마스크설계전략개발 마스크 design factor 간연관성분석 산소마스크설계개선전략개발 discomfort score at nasal side r = 0.34 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 nasal root breadth 1.8 nasal root breadth 3.0 2.5 2.5 1.8 2.1 2.1 2.4 2.1 S3 0 가상착의평가기반마스크설계 가상착의평가방법개발 산소마스크설계개선 infiltration distance (mm) 10 0-10 20 40 60 80 vertical location (mm) 100 S4 개선마스크평가 가상착의방법기반평가 시제품제작및착용성평가 12
Approach S1 S2 산소마스크 design factors 분석 마스크설계특성 한국인조종사안면특성 마스크착용특성 사용자선호도특성 산소마스크설계전략개발 마스크 design factor 간연관성분석 산소마스크설계개선전략개발 S3 0 가상착의평가기반마스크설계 가상착의평가방법개발 산소마스크설계개선 infiltration distance (mm) 10 0-10 20 40 60 80 vertical location (mm) 100 S4 개선마스크평가 가상착의방법기반평가 시제품제작및착용성평가 13
Virtual Fit Assessment Method 다수의조종사 3 차원안면 scan data 와산소마스크 CAD 를이용 산소마스크착용특성 ( 이원섭외, 2012) 에따라마스크 CAD 를 3 차원안면에가상착용 ( 코부위착용위치, 턱부위착용위치, 착용각도, 밀착 / 압박도 ) Virtual fit assessment system 을이용하여다수의조종사안면에마스크자동착용및분석 14
Process of Virtual Fitting 마스크착용특성 ( 착용위치및착용각도의평균과범위 ) 기반으로여러조종사들의얼굴에마스크 CAD(hardshell 과 facepiece 형상 ) 를자동착용 facepiece hardshell location of microphone base S1. data loading S2. adjustment of vertical location S5. evaluation of fitting and minor adjustment S4. adjustment of angle S3. adjustment of horizontal location 15
Analysis of Fitness 마스크가안면내부로침투한정도를이용하여밀착 / 압박도 (fitness) 를분석 침투깊이 (mm) 10 5 0-5 -10 0 20 40 60 80 vertical location (mm) 100 밀착 / 압박도 (= facepiece 가얼굴내부로침투된깊이 ) 16
Analysis of Fitness (cont d) 침투깊이 (mm) -20-10 0-10 0 낮은침투또는침투되지않음 산소누설유발 10 nasal bridge area 깊은침투깊이 과도한압박유발 20 30 40 50 60 vertical location (mm) nasal side area zygomatic bone area 밀착 / 압박도분석예 17
OM Design Method S1. Evaluation of fitness based on various faces with virtual fit assessment method S2. Design refinement Iterative Design 안면침투깊이 infiltration distance (mm) -20 20-10 10 0 10-10 0 nasal bridge area 10 20 30 40 50 60 vertical location (mm) nasal side area zygomatic bone area infiltration distance 20 10-10 nasal bridge area infiltration distance 20 10-10 nasal side area zygomatic bone area cheek area chin area Fitness of current mask 18 optimal mask shape for Korean pilots based on virtual fit assessment method
Results of Virtual Fit Assessment (n = 121) 본연구에서정한적정밀착 / 압박기준에적합하게설계되도록 iterative design 밀착 / 압박도가설계기준에수용하는비율평균 27% 증가 55.3% 82.3% 20 10-10 20 10-10 56% nasal bridge area 75% 67% nasal side area 89% 21% zygomatic bone area 66% 48% cheek area 84% 89% Current mask chin area 19 92% Revised mask
Usability Testing 개선설계된형상대로 prototype 제작 ( 동일물성적용 ) 산소마스크비교평가 protocol 개발 Pilot test 수행 (n = 20) S1. Introduction S2. Mask Fitting S3. Evaluation for the current mask (counter-balanced) S4. Evaluation for the revised mask S5. Debriefing Mask prototype 20 Testing protocol
Usability Testing Methods 기존및개선마스크에대한평가 주관적만족도 ( 불편감, 산소누설감등 ) 및객관적압박도평가 Subjective evaluation Questionnaire Discomfortness by pressure, oxygen leakage, microphone-lip clearance, overall satisfaction Objective evaluation - Pressure Pressure by facial area Example of questionnaire 21 Prescale Pressure Indicating Film (Fujifilm, Japan)
Results: Subjective Evaluation 대부분항목에서통계적으로유의 (α = 0.05) 하게개선마스크선호됨 ( 광대뼈, 턱제외 ) 조종사의 80% 이상이개선마스크를선호 5.0 4.0 3.0 standard error 기존마스크 개선마스크 기존마스크 (10%) 중립 (10%) 2.0 1.0 0.0 1.8 1.5 1.6 1.4 0.9 0.6 0.80.7 0.5 0.8 0.9 0.6 * * * * 콧대코옆광대뼈뺨입술밑턱 개선마스크 (80%) *paired t-test 결과 p-value < 0.05 22
분석부위및분석지표 분석부위 : 콧대, 코옆 ( 좌 / 우 ), 뺨 ( 좌 / 우 ), 입술밑 분석지표 압박지수평균 (average of PI) 고압박면적 (highly pressed area) 220 px 콧대 (1200 px) 코옆 코옆 (2000 px) 마스크접촉부위예 고압박부위예 뺨 뺨 (4440 px) 220 px 입술밑부위 (2760 px) 분석부위 23 분석지표
압박도분석결과 : 압박지수평균 전반적으로평균압박지수및고압박면적감소 (pressure index) 콧대와입술밑고압박면적은상대적으로증가 (1.2 ~ 2.7 배 ) 하였으나주관적선호도에는영향을미치지않음 기존마스크개선마스크 15.0 10.0 5.0 콧대 산소누설방지를위해마스크가코에밀착되도록설계 콧대 : 1.3 배밀착증가 ( ) 100.0 콧대부위에80.0 밀착이잘되지않았음 60.0 콧대고압박면적 1.2배증가 ( ) 40.0 20.0 콧대 기존마스크는상대적으로 개선마스크에서콧대밀착도가증가하면서 입술밑턱 0.0 코옆 입술밑턱 0.0 코옆 입술밑 : 1.8 배증가 ( ) 코옆 : 0.7 배감소 ( ) 뺨 : 0.6 배압박감소 ( ) 뺨 : 0.4 배감소 ( ) 뺨 압박지수평균 24 뺨 고압박면적
Discussion (1/3) 가상착의평가 (virtual fit assessment) 기반마스크설계개선 기존한계 대표안면모델의 3차원안면형상정보만이용하여마스크형상설계 설계대상인구다수의다양한 3차원안면형상특성이고려되지못함 대표안면모델기반설계된마스크가설계대상인구다수에적합한지평가되지못함 다양한형상의 3차원안면 data들을활용하는 digital 설계및평가기술적용필요 본연구의의의 3차원안면 scan data 기반의마스크형상설계기법개발 다양한크기및형태의 3차원안면 data들에적합한최적설계안개발 설계안의가상착의평가를통한 시제품제작전설계개선효과가상평가 55.3% 82.3% facepiece hardshell infiltration distance (mm) 10 0-10 0 56% 20 10-10 75% 20 10-10 location of microphone base S1. data loading S2. adjustment of vertical location 20 40 60 80 vertical location (mm) 67% 21% 48% 89% 66% 84% 100 89% 92% S5. evaluation of fitting and minor adjustment S4. adjustment of angle S3. adjustment of horizontal location 25
Discussion (2/3) 개선안 prototype 의인간공학적평가및설계개선효과검증 (pilot test) 기존한계 설계된마스크의주관적및객관적착용성검증부재 산소마스크의압박도평가를위한실험적방법부재 마스크사용환경에서의적합성평가필요 본연구의의의 마스크사용집단대상인간공학적착용성평가 protocol 개발 평가내용 : 주관적만족도, 객관적압박특성 향후추진사항 마스크사용집단대상인간공학적착용성평가수행 ( 치수별 30 명 4 개치수 ) 군적합성평가수행 : 저압및가속도환경에서의산소마스크기능성평가 26
Discussion (3/3) 개선산소마스크형상특성 한국인의코부위특성 ( 미국인보다콧대가넓음 ) 을반영하여마스크코부위를 3~5 mm 넓게설계 크기와형상이다양한 3 차원안면 scan data 기반설계 최적마스크형상도출 current OM design OM design for Korean pilots current mask revised mask 27
Q & A Thank you for your attention! edt.postech.ac.kr mcury@postech.edu 28