Development of a Design Process for an Oxygen Mask based on 3D Face Scanning* Wonsup Lee 1, Jeongrim Jeong 1, Eunjin Jeon 1, Donghoon Son 2, Seikwon Park 2, Daehan Jung 2, Hee-Eun Kim 3, and Heecheon You 1 1 Department of Industrial Engineering, Pohang University of Science and Technology, Pohang, Gyeongbuk, 790-784 2 Department of Industrial Engineering, Air Force Academy, Cheongwon, Chungbuk, 363-849 3 Department of Clothing & Textiles, Kyungpook National University, Daegu, 702-701 ABSTRACT Objective: The present study developed the oxygen mask design method based on 3D face scanning and applied the proposed method to improve the current MBU-20/P oxygen mask design for better fit to Korean pilots. Background: A design method based on 3D scanning data is needed to develop an ergonomic oxygen mask design. Method: The present study developed a 5-step oxygen mask design process based on 3D face scanning: (1) scanning of 3D faces, (2) analysis of mask wearing characteristics, (3) virtual fit testing for the existing mask design, (4) determination of mask design directions, and (5) development of an improved oxygen mask design. Results: The effectiveness of the proposed mask design method was evaluated by a virtual fit test in terms of allowance (1 ~ 8 mm additional allowances), pressure (pressure angle: 25, pressure distance: 4 ~ 6 mm), and fit (fit angle: 20 ; fit distance: 6 ~ 10 mm). Conclusion: The proposed mask design method proposed in the study was found effective to produce an ergonomic oxygen mask design. Application: The mask design method based on 3D face scanning can be applied to various masks or face-wear products used in the industry and our daily life. Keywords: Oxygen mask, 3D scanning, Design method, Virtual fit evaluation, Korean pilots 1. Introduction 인체에착용되는제품 ( 예 : 산소마스크, 의복, 장갑 ) 은제품사용집단의인체특성 ( 예 : 크기, 형상 ) 에적합하게설계될필요가있다. 인체크기및형상에적합하게설계된의복은착용편의성 ( 예 : 맞음새, 여유성, 동작용이성 ) 과착용만족도측면에서선호된다 ( 조자영외, 2007; 2008). 인체특성에적합한의복설계와관련해서전은진외 (2009a, 2009b, 2010) 는한국인공군조종사의인체측정치를사용하여한국인조종사에적합한비행복치수체계를개발하고 23가지치수의비행복을제작및평가하였다. Han et al.(2004) 은한국인 600명을대상으로얼굴치수를측정하여치수체계를구분하고 3차원 scanning을통해한국인의얼굴체형에적합한산업용반면형마스크를개발하고자하였다. * 본논문은공군항공기술연구소위탁연구과제의지원을받아수행되었음. 인체크기및형상에적합한인간공학적제품설계를위해 3차원 scanning 기반의설계방법이연구되고있으나산소마스크설계로의적용성측면에서한계가있다. 3차원 scanning 기반설계에대해 Lee et al. (2004), Lee and Hong(2007), 그리고 Zheng et al.(2007) 은여성상체의 3차원 scan data의치수및형상분석을토대로착용감이향상된여성내의를설계하는방법을제안하였다. Liu et al.(2008) 은머리의 3차원 scan data를기반으로안전모를설계하는일련의방법을개발하고효율적인설계를위한안전모설계시스템을구축하였다. Lochner(2009) 와 Rout(2010) 는 3차원발 scan data를기반으로발치수및형상을추출하여신발제작에필요한 shoe last를설계하는일련의과정을개발하고시스템화하였다. 한편, 기존연구방법및시스템들은각신체부위 ( 예 : 상체, 머리, 발 ) 의 3차원 scan data에특화된설계방법을제안하고있으며, 산소마스크설계에직접적인적용은어렵다. 또한 3차원안면부 scanning 기반의마스크설계에대해서는연구가미흡하거나세부적인형상설계방법이제시되지않고있다. 따라서 3차원안면부
scanning 기반의산소마스크설계에적합한체계적인설계방법이개발될필요가있다. 본연구는 3차원안면부 scanning 기반의산소마스크설계방법을개발하고, 한국인조종사에적용하였다. 3차원 scanning을통해 3차원안면부형상 data를입수하고, 마스크착용사진분석을통해산소마스크착용특성을파악하였다. 가상착의 (virtual fit) 평가를통해여유공간, 압박도, 그리고밀착도측면에서기존마스크의설계개선방향을파악하고설계를개선하였다. 본연구에서개발된 3차원안면부 scanning 기반의산소마스크설계방법은한국인공군조종사들이사용하는 MBU-20/P 산소마스크설계개선에적용되었으며, 개선된산소마스크의개선효과는가상착의평가를통해기존마스크와비교되었다. 2. Oxygen Mask Design Method based on 3D Face Scanning MathWorks, Inc., USA) 으로구현한 program을사용하여자동측정된다. 그림 2.b와같이 3차원 scan을통해파악된안면부의 3차원형상 data와치수들은마스크착용특성및마스크설계방향분석에활용된다. (a) face landmarks (b) 3D face scan Figure 2. 3D face scan (illustrated) 2.2 Analysis of Mask Wearing Characteristics 본연구는 3차원안면부 scanning 기반의산소마스크설계를위해산소마스크의설계방법으로그림 1과같이 5 단계설계과정 (3차원안면부 scan, 산소마스크착용특성분석, 현행산소마스크설계의가상착의평가, 설계개선항목별설계방향파악, 산소마스크형상설계 ) 을제안하였다. S1. 3D Scanning of Faces S2. Analysis of Mask Wearing Characteristics S3. Virtual Fit Evaluation for the Existing Mask Design 산소마스크착용특성 ( 착용각도, 착용위치 ) 은마스크착용사진을 3차원 scan data와비교함으로써분석된다. 마스크착용특성분석은그림 3.a와같이측면에서촬영된마스크착용사진과일치하도록 3차원안면부 data에 3차원마스크 data를 alignment하는방법으로이루어진다. 3차원상에서사진과일치하도록 align된마스크는착용각도와코및턱부위의마스크착용위치측면에서분석된다. 그림 3.b에예시된것과같이산소마스크착용각도는마스크전면부와콧대의각도를의미한다. 턱부위의마스크착용위치는앞턱끝점 (anterior chin projection) 과마스크의턱부위정점 (P2) 간의거리로파악될수있다 ( 그림 4 참조 ). Mask alignment position at nose S4. Analysis of Design Directions S5. Improvement of Oxygen Mask Figure 1. Oxygen mask design process Mask alignment angle 2.1 3D Scanning of Faces 안면부 3차원 data는측정참조점 (landmark) 이표시된안면부의 3차원 scan을통해생성된다. 안면부 3차원 scan과함께안면부치수 ( 예 : 얼굴길이, 코높이, 입너비등 ) 를측정하기위해서는안면부에측정참조점을표시한후 3차원 scan하는방법이사용될수있다 ( 그림 2.a 참조 ). 안면부에표시된측정참조점들은 3차원 scan 시자동으로인식되며, 안면부치수들은본연구에서 MATLAB (The Mask alignment position at chin (a) wearing a mask (b) measures Figure 3. Analysis of mask wearing characteristics 2.3 Virtual Fit Evaluation for the Existing Mask Design 현행산소마스크설계의가상착의평가는여유공간과코부위의압박도및밀착도측면에서마스크착용특성을
기반으로착용된안면부의 3차원 scan data를대상으로수행된다. 가상착의는파악된마스크착용특성에따라 3차원안면부 data에 3차원마스크 data( 예 : 마스크 scan data, CAD data) 를착용하는방법으로진행된다. 예를들어, 본연구는마스크착용각도는평균 52 ( 범위 : 47 ~ 57 ) 이고턱부위착용위치는평균 12 mm ( 범위 : 9 ~ 14 mm) 가되도록가상으로착의하였다. 수작업으로진행되는가상착의는반복성 (inter-, intra-measurer reliability) 측면에서반복에따른오차가 2 mm 이내 (Weinberg et al., 2005) 로나타났다. 여유공간은안면부와마스크형상에정의된특정점들간의간격측정을통해파악된다. 안면부의특정점은 3차원측정시얼굴에부착된측정참조점중, 코부위와턱부위의측정참조점들 ( 예 : 코뿌리점, 코돌출뼈점, 코끝점, 입술밑함몰점 ) 이사용된다 ( 그림 4 참조 ). 마스크에는코및턱부위의설계참조점 (P1~P4) 이사용될수있다. L2. Sellion P1. Nose-related point L3. Nasal bridge L6. Pronasale P3. Valsalva-related point L7/8. Nasal ala P4. Mic assembly point UL. Upper lib L18. Bottom lip P2. Chin-related point L19. Anterior chin projection Figure 4. Face and mask landmarks 압박도와밀착도는가상착의된 3차원 data의코부위에 2 mm 간격으로단면을생성하여산소마스크가코에착용되는각도및마스크와얼굴면간의간격분석을통해파악된다. 코부위압박도와밀착도분석을위해그림 5.a에예시된것과같이가상착의후코부위에해당되는얼굴과마스크에단층곡선들을생성한다. 생성된곡선들은그림 5.b에서설명되는것과같이마스크-코각도와마스크- 코간격분석을위해사용되었다. 마스크-코각도분석으로코부위의압박과밀착관련마스크의형상특성이파악되었는데, 마스크-코각도가 0 에가까울수록마스크와코형상이유사하므로압박도가낮아지고밀착도가높아진다고할수있다. 한편, 마스크-코부위간격분석으로는마스크의코부위밀착정도가파악될수있는데, 간격이좁으면피부압박정도가증가하여조종사에게압박감을야기할수있고, 간격이넓으면밀착도감소로산소가누설될가능성이있다. Mask-nose Angle difference (a) cross section of 3D mask (b) measures and face Figure 5. Pressure and fit analysis (illustrated) 2.4 Analysis of Design Directions Face Mask-nose distance Mask 설계개선방향은가상착의평가에서파악된적정여유공간, 압박도, 그리고밀착도정보와설계대상인체크기선정으로통해수립된다. 예를들어, 입술부위의여유공간의설계방향은입이돌출된사람에게도여유공간이평균치이상확보되도록설계치가결정된다. 마스크의형상은안면부크기가상이한사람들전반에적합할수있도록평균크기의사람 ( 예 : 대표인체모델 ) 을대상으로설계방향이결정된다. 설계개선항목 ( 예 : 마스크밀착면형상, 코부위여유공간, 코부위마스크밀착형상 ) 은연구진들의협의나추가적인분석 ( 예 : 안면부치수특성분석, 마스크착용불편도분석 ) 을통해파악될수있다. 2.5 Improvement of Oxygen Mask 산소마스크의설계개선은 3차원 scan된기존산소마스크의형상을기본으로하여설계개선항목들에대한수치및형상을변경하는방법으로진행된다. 기존산소마스크형상은 3차원 scanning data를기반으로 CAD화되며, 설계개선은기존산소마스크의 CAD를개선방향이반영되도록수정하는방법으로진행된다. 예를들어, 마스크의코부위의크기와형상은코부위여유공간개선항목들의설계개선방향에따라수정된다. 3. Case Study: Korean Pilots Oxygen Mask 3.1 Method 본연구에서제안한 3차원안면부 scanning 기반의산소마스크설계방법은한국인조종사를위한산소마스크 ( 기종 : MBU-20/P) 설계개선에적용되었다. 3차원 scanning은한국인공군조종사 284명과공군사관학교여생도 52명에대해이루어졌다. 본연구는 medium narrow size를착용하는
No. Table 1. Design elements and design directions for an oxygen mask design improvement (illustrated) Design component Result of virtual fit Design improvement direction evaluation Min Average Max Design target Value 1 Mask-face contact shape - Fit to representative human model 2 Allowance Mask-lib (mm) 30 36 41 minimum nose height 36 3 Mask-nose angle difference ( ) 16 23 37 average 25 Pressure 4 Hardshell-nose distance (mm) 2 5 8 average 5 ~ 8 5 Mask-nose angle difference ( ) 2 17 30 average 20 Fit 6 Hardshell-nose distance (mm) 1 5 8 average 3 ~ 6 조종사를대상으로마스크착용특성분석 (5명) 과가상착의평가 (30명) 를수행하였다. 3차원 scan은 Rexcan 560(Solutionix Corp., 한국 ) 과 3차원 scan software인 ezscan(solutionix Corp., 한국 ) 을활용하여수행되었다. 설계개선항목과개선방향은본연구에서사전수행된안면부치수특성분석과마스크착용불편도분석을통해표 1에예시된것과같이여유공간 (allowance), 압박도 (pressure), 그리고밀착도 (fit) 측면에서파악되었다. 설계개선은기존의 MBU-20/P mask(size: medium narrow) 의 hardshell과 facepiece( 그림 6 참조 ) 의 3차원 scan data를기반으로설계개선항목들의치수를설계방향에맞게수정하는방법으로진행되었다. CAD software는 Rhino 3D 4.0(McNeel North America, USA) 가사용되었다. 설계개선된산소마스크는가상착의평가를통해여유공간, 압박도, 그리고밀착도측면에서기존마스크와비교되었다. 여유공간 ( 예 : 입술여유공간, 코여유공간 ) 은설계기준치보다 1 ~ 8 mm 추가확보되었다. 콧등부위의압박도는그림 7에예시된것과같이마스크압박각도측면에서설계기준 ( 25 ) 을만족하는것으로나타났다. 코옆부위의밀착도는그림 8에예시된것과같이마스크 (hardshell) 의밀착간격측면에서설계기준 ( 밀착간격 : 3 mm) 을만족하였다. (a) existing mask Figure 6. Design components of MBU-20/P oxygen mask 3.2 Result 본연구에서설계개선된산소마스크는기존마스크에비해여유공간, 압박도, 그리고밀착도측면에서설계기준을만족하여개선효과가있는것으로나타났다. 예를들어, (b) improved mask Figure 7. Pressure evaluation: mask-nose angle difference
(a) existing mask (b) improved mask Figure 8. Fit evaluation: hardshell-nose distance 4. Discussion 본연구는 3차원 scan data 기반의인간공학적산소마스크설계절차를개발하고한국인조종사에적용하여개선효과가있음을파악하였다. 본연구는 3차원 scan data를토대로마스크착용특성분석및가상착의평가를수행하여설계방향을파악하는일련의산소마스크설계방법을수립하였다. 본연구는개발된마스크설계방법을한국인조종사가착용하는 MBU-20/P 산소마스크설계개선에적용하였다. MBU-20/P 산소마스크는미국인의얼굴측정 data를기반으로설계되었으며, 본연구의사전단계에서한국인조종사를대상으로수행된사용자설문조사를통해코및입술부위의여유공간과코부위의압박도및밀착도측면에서한국인의얼굴에적합하게개선될필요가있음이파악되었다. 본연구는제안된산소마스크설계방법을통해한국인조종사의얼굴크기및형상에적합하도록설계개선을수행하였으며, 개선마스크에대한가상착의평가를통해개선효과를검증하였다. 본연구는산소마스크착용사진에 3차원 scan data를일치시키는방법을사용하여가상환경에서산소마스크착용특성을파악할수있었다. 산소마스크착용이이루어진상태에서는마스크내부에서의착용특성을파악하기어렵기때문에세부적인착용특성분석에는 3차원 scan data가요긴하게사용될수있다. 본연구는동일한사람의마스크착용사진과 3차원 scan data( 안면부, 마스크 ) 를일치시키는방법으로 3차원의마스크착용특성 ( 예 : 여유공간크기, 밀착각도, 밀착형상 ) 을분석하였다. 착용사진과 3차원 scan data를일치시키는과정은시각적인분석방법으로이루어지기때문에본연구는인간공학전문가 3명의반복평가를통해신뢰도 (reliability) 를분석하였다. 신뢰도에대해서는평가자내변동 (intra-measurer variability) 과평가자간변동 (inter-measurer variability) 이 Weinberg et al.(2005) 이제안한 2 mm 미만으로나타나본연구에서사용된사진과 3차원 scan data의일치작업에대한신뢰도가높은것으로파악되었다. 본연구는가상착의평가를통해여유공간, 압박도, 그리고밀착도측면에서기존마스크의설계개선방향및개선된효과를정량적으로파악하고기존마스크와비교하였다. 본연구는 3차원상에서안면부 scan data에마스크 CAD를가상으로착의하고착용부위에대해 2 mm의등간격단면을추출하여마스크의압박도및밀착도를정량적으로분석하는방법을제안하였다. 3차원안면부에마스크를가상착의하는과정은시각적인분석방법으로이루어지기때문에본연구는인간공학인간공학전문가 3명의반복평가를통해신뢰도를분석하였다. 분석결과, 평가자내및평가자간변동이 2 mm 미만으로가상착의에대한신뢰도가높은것으로파악되었다. 또한동일한가상착의평가 protocol을통해기존마스크에대비하여설계개선된마스크의개선효과를정량적으로분석할수있었다. 본연구에서제안된산소마스크개선안에대해시제품설계를위한지속적인연구및세부적인설계보완필요하다. 설계개선된 CAD는시제품과동일한소재의 prototype 으로제작될예정이다. 본연구는가상착의평가에서분석되지못할수있는세부적인설계문제를파악하기위해 prototype과밀착도및산소누설측정장비를사용한인간공학적마스크착용성평가실험을계획중에있다. 또한현재까지설계개선된마스크설계개선안은마스크착용성실험결과가반영된세부적인수정과정을반복하며지속적으로보완될것이다. 마지막으로, 본연구는 3차원안면부 scanning 기반의산소마스크설계방법의효율적이고간편한활용을위해가상착의평가및설계방향분석과정을시스템화할예정이다.
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