비강 관개의 흐름 시각화가 새로운 압축 병 디자인으로 이어짐

비강 식염수 관개는 액체 용액을 사용해 비강을 세척하는 치료 기술입니다. 이 방법은 식염수를 비강을 통해 강제로 흘려 보내어 두껍거나 마른 점액, 꽃가루, 먼지 입자와 같은 오염 물질을 씻어내어 충혈과 부비동 자극을 완화하는 데 사용됩니다.

압축 병은 액체 제트를 비강에 전달하는 방식으로, 이는 알레르기 비염 증상을 줄이는 데 효과적이며, 환자들이 좋은 순응도를 보이고 부작용이 적은 방법으로 사용될 수 있습니다. 그러나 압축 병이 비강 관개에 효과적인 이유는 엔지니어링 관점에서 잘 알려져 있지 않았습니다.

Kiao Inthavong 교수와 그의 CFD 연구팀(RMIT 대학)은 액체 제트 관개의 흐름 동역학을 더 잘 이해하고자 했습니다. 실제 인간 환자들의 CT 스캔 이미지를 활용해 비이비과(ENT) 의사들로부터 받은 데이터를 바탕으로 비강의 계산 모델을 재구성하고, 비강 내 식염수 관개에서 액체-공기 경계를 추적하기 위해 다상(多相) Volume of Fluid(VOF) 기법을 적용했습니다.

이 시뮬레이션은 본질적으로 시간 의존적인 전이 과정을 다루며, 작은 시간 간격을 적용하고 다상 유동(multiphase flow)을 포함하고 있어, 이 과정에서 더블 프리시전(double precision)을 사용했습니다. 이로 인해 각 연구마다 매우 큰 데이터셋이 생성되었습니다. Tecplot 360은 대용량 데이터셋을 처리할 수 있는 능력을 갖추고 있어, 전체 결과 세트를 로드하고 시간 의존적인 데이터를 효율적으로 처리할 수 있었습니다.

CFD 모델링과 VOF 방법을 통한 흐름 시각화는 인간 비강 내에서 액체 제트의 행동을 드러냈습니다. 넘침과 홍수 효과는 비강 점막 표면의 피복 범위, 점막 표면을 가로지르는 체류 시간, 그리고 관개에 의한 전단력을 증가시키는 데 도움을 주었습니다.

이 연구 프로젝트의 산업 관련 결과는 두 개의 주요 학술지에 발표되었습니다:
International Forum of Allergy and Rhinology [2]와 Journal of Biomechanics [3]. 이후 ENT Technologies와의 협업을 통해 이 결과들이 회사의 압축 병 디자인을 재설계하는 데 사용되었습니다. 새로운 더 큰 용량의 병과 인체공학적으로 설계된 모델은 환자들 사이에서 큰 성공을 거두었으며, 새로운 병들이 곧 시장에 출시될 것으로 예상됩니다.

CFDResearch 그룹은 호주 RMIT 대학에 위치한 협업 연구 공간으로, Dr. Kiao Inthavong가 이끌고 있습니다. 이 그룹은 CFD(전산유체역학)와 실험적 흐름 시각화 기법을 사용하여 호흡기 시스템의 다상 유동, 실내 공기 흐름 행동, 유체-입자 동역학을 조사합니다. 우리는 CFD 시뮬레이션에서 복잡한 데이터를 분석하기 위한 주요 후처리 도구로 Tecplot 360을 사용하고 있습니다. 우리가 사용하는 주요 기능은 매크로와 Python 스크립팅을 통한 자동화로, 대규모 데이터셋을 처리하고, 이를 통해 스트림라인, 등고선을 생성하며, 이를 음영 처리된 기하학적 형태에 겹쳐서 시각화하는 것입니다.

2017년, 우리는 "임상 결과에 영향을 미치는 공학적 솔루션 (ESICO)"이라는 공학과 임상의가 협력하는 학제 간 연구 프로그램을 시작했으며, 이는 SCONA(Society of Computational Fluid Dynamics of the Nose and Airway)의 창립으로 이어졌습니다. 이 연구 프로그램을 통해 우리는 임상 의사들이 비강 질환과 그 치료 방법인 약물 전달, 기능적 비강 수술을 통한 치료 계획을 이해하도록 도왔으며, Tecplot 360을 사용하여 CFD 시각화로 이미지를 생성하고 애니메이션을 제작하고, 데이터셋을 비교하기 위한 보간(interpolation) 기능을 활용했습니다.