A study on the biomechanical modeling of human pharynx by using FEM(Finite Element Method)

유한요소기법에 의한 인두의 생체역학모델에 관한 연구

Human pharynx is unique, acting as a complex interchange between the oral cavity and esophagus, and between the nasal cavity and lungs. It is actively involved in the transport of food and liquid, producing the forces that guide that bolus into the upper esophagus and away from the adjacent larynx and lungs. This study intended to develop a biomechanical model of the human pharynx, utilizing Finite Element Method(FEM). Within each model changes in cross sectional intralumenal area were calculated and compared with the area from the computer-generated FE model. Area matching allowed estimation of intraluminal pressure gradients during swallow. The estimated pharyngeal pressure gradient varies from one region to another. The estimated pharyngeal pressure gradients showed different patterns for upper four levels and lower four levels. The contraction velocity for upper four levels is much higher than lower four levels. The higher contraction velocities and pressure gradients in the upper levels are consistent with the bolus velocities required for efficient swallow.

인두는 구강과 위장, 비강과 폐의 중간에서 능동적으로 구강을 통해 섭취되는 음식물과 비강을 통해 흡입되는 공기의 통로역할을 하는 주요한 기관이다. 본 연구는 유한요소기법을 이용한 인두의 3차원 구조의 재구성 과정을 거쳐 인두의 생체역학모델을 구현하여 각단면에서의 단면적을 유한요소모델의 시뮬레이션 결과에 의한 변위를 이용하여 산출하여 최적화 과정을 거쳐 인두의 기능시 내부에 생성되는 압력의 연속적인 압력분포를 추정할 수 있었다. 즉 인두내의압력에 대한 형상의 변형을 관찰하여 각 단면에서의 단면적을 산출하고 이를 실제의 CT영상자료와 비교하여 최적화 고장을 거쳐 각 부분에서의 추정 압력구배를 구하였다. 모델 시뮬레이션 결과 추정된 압력구배는 10-55 mmHg범위에 분포되어 있으며 전체 인두부 가운데 상부의 4레벨의 압력분포는 아부의 그것과 다른 형태를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 인두의 생체역학모델은 인두기능장애를 가진 환자군에 적용하여 비교 분석할 경우 임상자료로서 유용할 것으로 사료된다.