[논문 리뷰] Customized Facial Constant Positive Air Pressure (CPAP) Masks

Matan Sela, Nadav Toledo외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 22.

3D Shape Modeling and Analysis참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 얼굴의 깊이 스캔과 3D 프린팅을 사용하여 완전 자동으로 맞춤형 CPAP 마스크를 설계하는 방법을 제안한다. 비정형 등록을 통해 일반 마스크 템plate를 환자의 스캔된 얼굴에 정렬하고, NURBS 기반의 인터페이스 설계를 통해 균일한 압력 분포와 최소한의 누출을 갖는 마스크를 생성함으로써, 표준 오프더셔프 마스크에 비해 훨씬 뛰어난 편안함과 치료 효과를 제공한다.

ABSTRACT

Sleep apnea is a syndrome that is characterized by sudden breathing halts while sleeping. One of the common treatments involves wearing a mask that delivers continuous air flow into the nostrils so as to maintain a steady air pressure. These masks are designed for an average facial model and are often difficult to adjust due to poor fit to the actual patient. The incompatibility is characterized by gaps between the mask and the face, which deteriorates the impermeability of the mask and leads to air leakage. We suggest a fully automatic approach for designing a personalized nasal mask interface using a facial depth scan. The interfaces generated by the proposed method accurately fit the geometry of the scanned face, and are easy to manufacture. The proposed method utilizes cheap commodity depth sensors and 3D printing technologies to efficiently design and manufacture customized masks for patients suffering from sleep apnea.

연구 동기 및 목표

• 개인의 얼굴 기하학적 형상과의 불량한 맞춤도로 인한 표준 CPAP 마스크의 높은 누수율을 해결하기 위해.
• 일반적인 깊이 센서와 3D 프린팅을 사용하여 환자 맞춤형 CPAP 마스크 인터페이스를 자동으로, 저비용으로 제작하는 파이프라인 개발을 위해.
• 마스크-얼굴 접촉 영역에서 균일한 압력 분포를 확보하여 편안함과 치료 효과를 향상시키기 위해.
• 맞춤형 CPAP 마스크의 설계 및 제조 과정에서 수동 조작을 완전히 제거하기 위해.

제안 방법

• 사전 정의된 마스크 접촉 영역을 갖는 일반적인 얼굴 모델을 한 번 수동으로 마킹하여 템플릿으로 사용한다.
• 구조광원 깊이 센서를 사용하여 환자의 얼굴을 스캔하여 3D 기하 모델과 색상 이미지를 확보한다.
• 활성 형태 모델(Active Shape Models)을 사용하여 색상 이미상에서 주요 얼굴 특징점(예: 코 끝, 눈 모서리 등)을 검출한다.
• 다단계적이고 비정형적인 정렬 기법을 통해 다중 성분 에너지 함수 최적화를 통한 변형장(Displacement Field)을 이용해 템플릿 모델을 스캔된 얼굴에 정렬한다.
• 정확하고 매끄러운 정렬을 보장하기 위해 점-점, 점-면, 이차원 막대, 기준 특징점 제약 조건을 포함한 에너지 함수를 사용한다.
• 템플릿에서 변형된 접촉 영역을 이용해 블렌더(Blender)에서 제어점 조정을 통한 자동적인 NURBS 기반 개인 맞춤 마스크 인터페이스 설계를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊이 스캔과 최소한의 사용자 입력만으로도 완전 자동으로 정확하고 환자 맞춤형 CPAP 마스크 설계를 달성할 수 있는가?
• RQ2 일반 마스크와 개인 맞춤 마스크 간의 마스크-얼굴 인터페이스에 따른 압력 분포는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 제안된 방법이 수동 조작 없이 기하학적 맞춤도 향상으로 인해 공기 누출을 줄일 수 있는가?
• RQ4 일반적인 깊이 센서와 3D 프린팅을 사용할 경우, 확장 가능한 저비용 맞춤 제조가 어느 정도 가능해지는가?

주요 결과

• 다중 성분 에너지 최소화 기반 반복적 비정형 정렬을 통해 일반 템플릿과 스캔된 얼굴 간에 매끄럽고 정확한 정렬을 달성한다.
• 블렌더에서의 물리적 시뮬레이션을 통해 결과적으로 도출된 개인 맞춤 마스크 인터페이스는 일반 마스크에 비해 접촉 테두리에 훨씬 균일한 압력 분포를 보임을 확인하였다.
• 접촉 영역의 힘 변동성이 감소하여 밀봉 성능 향상과 공기 누출 위험 감소를 나타낸다.
• 초기 템플릿 설정 이후로 설계 및 제조 과정에서 수동 조정이 전혀 필요 없이 완전 자동으로 작동한다.
• 저비용 하드웨어(일반적인 깊이 센서)와 3D 프린팅을 활용하여 추가 비용이 최소화된 확장 가능한 환자 맞춤형 마스크 생산이 가능해졌다.