A Study on the Development of A Medical Imaging-Based Ear Impression System: A Preliminary Study of a Prototype
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Abstract
Purpose
Taking ear impressions for fabricating hearing aids is a crucial clinical skill that significantly impacts procedural precision and patient safety, depending on the practitioner’s proficiency. This preliminary study evaluates the applicability and effectiveness of a precise medical imagingbased simulator developed as a training tool.
Methods
A precise ear canal model was created using computed tomography medical imaging data based on Hounsfield units, which represent variations in tissue density. A prototype ear impression simulator, capable of providing both visual and tactile feedback, was fabricated using three-dimensional printing, and students majoring in audiology evaluated its educational effectiveness using a 5-point Likert scale questionnaire.
Results
The developed simulator was designed to enable users to learn about key risk factors in taking ear impressions, providing opportunities for repeated procedural practice along with visual and tactile feedback. A non-parametric statistical analysis using the Mann-Whitney U-test on the responses from audiology majors revealed no statistically significant differences between the two groups (all p > 0.05).
Conclusion
This study promotes the standardization of ear impression training and highlights the effectiveness of simulation-based learning, demonstrating the value of the simulator as a clinical training device.
INTRODUCTION
귓속형 맞춤 보청기 제작에는 정확한 외이도 형상 정보를 확보하기 위한 귓본 채취 과정이 필수적이다. 일반적으로 실리콘 계열의 인상재와 경화재를 혼합하여 외이도에 일정 시간 삽입한 후 형태를 추출하는 반침습적 방식이 사용된다(Kim, 2016; Kim, 2025). 그러나 이 과정은 압박감, 통증, 감염, 고막 손상, 경화된 재료의 제거 실패 등 다양한 부작용의 위험을 동반한다(Cho et al., 2021; Hawa et al., 2022).
Singh et al.(2019)은 외이도의 해부학적 구조가 연령, 성별, 과거 외과적 병력 등에 따라 상이하며 특히 중이염 수술 이력이 있거나 고령자의 경우 귓본 채취가 더욱 복잡해질 수 있다고 보고하였다(Lupin, 1976). 이러한 요인들은 채취 과정의 정확성과 안전성에 영향을 미치며 높은 수준의 숙련된 기술이 요구된다. 그러나 실제 임상에서는 초보 청능사들을 위한 체계적인 초기 교육 시스템이 부족한 실정이다. 또한 보청기 센터 및 관련 학과에서 이루어지는 피실험자 간 교차 실습 방식은 반복 훈련과 다양한 해부학적 패턴에 대한 학습에 한계가 있다. 더불어 동물 모델은 외이도 구조의 해부학적 차이(S자형 vs. L자형)로 인해 반복 학습 도구로서의 유효성이 낮으며 윤리적 문제 역시 제기된다(McCracken & Kainer, 2009; Strain, 2011).
이러한 한계를 보완하기 위한 연구들이 진행되고 있다. Chua et al.(2024)은 실리콘 기반 귓본 채취의 침습성과 시간 소모 문제를 지적하며 구조광 기반 스캐닝을 통해 외부 귀 형태만으로 내부 구조를 예측하는 convolutional neural network 기반 모델을 제안하였다. 그러나 이 기술은 고막 부위의 정밀한 정보를 제공하지 못해 completely-in-the-canal (CIC) 및 invisiblein-the-canal (IIC)와 같은 초소형 고막형 보청기 제작 적용의 한계가 있다. O’Beirne et al.(2020)은 증강 현실 기반 시뮬레이터를 통해 시각 중심의 학습 환경을 제시하였지만 외이도와 턱 관절 간 물리적 촉각 피드백이 부족하였다. Wilson et al.(2010)은 표준화된 환자를 활용한 청력 검사 교육에서 의사소통 능력은 향상되었으나 실제 귓본 채취 시 사용하는 재료의 시각적‧촉각적 사실성은 구현하지 못하였다. 이처럼 기존 연구들은 귓본 채취 기술의 일부 요소를 모사하거나 대체할 수 있으나 실제 환자의 외이도 전체 구조를 정밀하게 반영하고 반복 학습이 가능한 시스템은 부족한 상황이다. 특히 고막 근처까지의 정밀한 접근이 필요한 고난이도 귓본 채취 기술은 숙련된 전문가의 경험에 크게 의존하며 임상에서 반복 실습을 수행하기에는 윤리적‧안전성의 제약이 따른다.
이에 본 연구에서는 의료 영상 기반 데이터를 활용하여 실제 해부학적 구조를 정밀하게 반영한 휴먼 외이도 모델을 개발하고자 하였다. 의료 영상 기술은 연골, 연부조직, 공기강 등의 구조를 구분할 수 있어 기존 귓본 채취 방식보다 높은 해부학적 재현이 가능하다. 이를 기반으로 시각적‧촉각적 학습이 모두 가능한 교육용 시스템을 구현하여 반복 학습과 다양한 해부학적 패턴 적용이 가능한 새로운 교육 플랫폼을 제시하고자 한다.
MATERIALS AND METHODS
전체 제작 과정
본 연구는 휴먼 외이도 내부를 시각화하여 귓본 채취 과정을 학습할 수 있도록 제작하였다. 전체 제작 과정은 Figure 1과 같이 다중 검출기 전산화단층촬영(multi-detector computed tomography, MDCT)에서 획득된 머리 뇌 및 관자뼈(temporal bone) 영상 자료로 외이도 구조만 모델링 한 후 ZBrush (Maxon, Los Angeles, CA, USA) 프로그램에서 제공하는 공개용 두부(head) 팬텀 모델과 정합하였다. 형상 제작은 three-dimensional (3D) 프린팅 공정에 의한 후처리, 코팅, 조립 단계로 귓본 채취 시스템을 제작하였다. 투명 영역에 사용된 3D 프린터(QUBEA SLA 600; J. H. TECH.ELECTRONIC (GZ) LTD, Guangzhou, China)는 스마트 진공 흡착 코팅 시스템의 레이저 타입으로 355 nm의 파장과 0.05 mm 정밀 출력 모드를 적용하였으며 비투명 부분에 적용된 3D 프린터(X1-Carbon Combo; Bambu Lab Inc, Shenzhen, China)는 polylactic acid 재질을 사용하여 오른쪽 두부와 외이도 생성 부분이 고정되게 중심 축(axial)을 제작하였다. Figure 1은 휴먼 외이도 팬텀의 전체 제작 과정을 나타내고 있다.
Schematic diagram of the ear impression system fabrication process. CT: computed tomography, 3D: three-dimensional, EAM: external auditory meatus.
자료(data) 획득 및 설계 디자인
MDCT 디지털 영상(Aquilion ONE; Toshiba Medical Systems, Nasu, Japan)은 Figure 2와 같이 가명화(pseudonymized)된 0.5 mm 간격의 뇌 및 관자뼈(temporal bone) 영상을 기반으로 조직 간 밀도 차이(Hounsfield unit, HU)를 기준으로 뼈(300 HU~1000 HU), 연부조직(40 HU~100 HU), 공기(-1,000 HU) 등의 픽셀 값을 영상에서 세분화하여 외이도 영역을 분리하고 이를 바탕으로 stereolithography (STL) 파일을 생성하였다. 두부(head) 구조는 ZBrush (Maxon)에서 제공하는 공개용 3D 스캔 모델링과 의료 영상에서 획득된 외이도 모델링을 정밀하게 정합한 후 측두부(temporal) 위치를 고정하였다.
CT image-based ear canal extraction process and head phantom alignment design modeling (left: black arrow indicates the ear canal; middle: top-ear canal extracted from medical imaging; bottom-3D printed model of the ear canal; and right: red dotted area shows the ear canal aligned with the head model). MDCT: multi-detector computed tomography, EAM: external auditory meatus, CT: computed tomography, 3D: three-dimensional.
또한 3D 두부(head) 파일은 Figure 3과 같이 ZBrush (Maxon) 프로그램을 사용하여 3D 프린팅 후 조립이 가능하도록 분할 작업을 진행하였으며 귀(ear)의 형상과 휴먼 외이도는 블리언(boolean) 차이(difference)를 이용하여 외이도 내부 구조를 생성하였다. 전체 형상은 3D 프린팅 적층 가공에 적합하고 제작 후 분리 및 조립이 유용하도록 4개 구역으로 분할하였으며 왼쪽 두부(Figure 3C)와 외이도(Figure 3D) 영역은 투명한 재질을 사용하여 내부가 시각화가 되도록 하였다. 그 외 영역(Figure 3A, B)은 피부색(human skin color) 재료로 휴먼 팬텀을 강조하였다.
Human ear canal design using head morphology and boolean subtraction. (A) The red area represents the central axis. (B) The right side of the head and neck. (C) The left side of the head. (D) The red dotted line on the left temple area (ear passage) is classified into the next step diagram.
귓본 시스템 평가
귓본 채취 경험이 없는 청각학 및 언어 치료‧청각재활 전공자 5명(평균 41.6세)과 경험이 있는 청각학 전공자 8명(평균 50.6세; 평균 경력 9.8년)을 대상으로 본 프로토타입 시스템을 평가하였다. 참가자는 시스템 확인 후, 해부학적 충실도, 교육적 가치, 팬텀의 유용성, 기술 향상성, 만족도, 추천 의향 등 6개 항목을 5점 리커트 척도로 평가하였다(Table 1). 또한 선택형 서술 문항으로 질적 피드백을 받아 시스템 개선에 반영하고자 하였다. 설문 평가 분석에서 집단별 표본이 적고 정규성 가정을 만족하기 어려워 t -검정 대신 만-휘트니 U -검정(Mann-Whitney U -test)을 사용하여 유의수준이 “p -value 기준 0.05 미만이면 유의미한 차이가 있다”.로 통계적 유의성을 검증하였다.
Ear impression prototype system evaluation questionnaire (evaluation score: 5-point Likert scale)
RESULTS
시스템 모델링 및 외이도 제작
블리언 기능을 통해 제작된 외이도 생성 부분은 왼쪽 측두부(temporal)에 고정 및 교체가 가능하도록 설계하였으며(Figure 4A) 고막까지 생성된 외이도 부분(Figure 4B-D)은 투명하게 시각화하여 내부를 볼 수 있도록(Figure 4B) 디자인되었다. 실제 휴먼 외이도는 고막까지 공간이 열리도록 하여(Figure 4D) 실리콘 재료가 이동되도록 하였다.
Prototype modeling design of the simulator. (A) Temporal region space. (B) Front view of aligned left ear canal. (C) Side view showing the ear canal (purple). (D) Internal view of the ear canal.
블리언 기능으로 생성된 외이도 부분은 투명한 레진(QUBEA T5550; J.H TECH.ELECTRONIC(GZ) LTD, Guangzhou, China)으로 3D 프린팅하였다. 외부 형태는 원기둥, 사각 형태로 출력하여 WD-40 (Specialist Long-Term Corrosion Inhibitor; WD-40 Company, San Diego, CA, USA) 물질로 코팅 처리 후 내부 시각화 투명 상태를 비교하였다. Figure 5는 투명 코팅 처리 전‧후로 원형보다 사각 형태에서 투명도가 상대적으로 높았다.
Comparison of transparency before and after coating of fabricated ear canals (round and square).
귓본 채취 시스템 제작
귓본 채취 시스템은 투명 부분(temporal, left head)과 비투명 부분(right head, pedestal)의 조합 형태로 다양한 외이도 패턴이 교체 적용되도록 내부에 중심축(fixed axis)을 제작하였다. 투명 부분을 제외한 모든 부분은 피부색으로 휴먼화하여 각각 분리 및 조립되도록 하였다. Figure 6A는 팬텀이 각각 분해된 모습을 보여주고 있으며 Figure 6B는 외이도 생성 부분이 중심축에 결합된 상태이다. Figure 6C는 왼쪽 두부 외형의 투명한 부분이 결합된 상태이며 Figure 6D는 귓본 시스템 전체가 조합된 모습이며 안정한 직립 상태를 유지하기 위해 목(neck)은 받침대를 제작하여 고정하였다.
Assembly and disassembly of the ear impression system. (A) Four separate components. (B) Transparent ear canal assembly. (C) Transparent left head assembly. (D) Front view of the ear impression system.
귓본 시스템 평가
리커트 척도(5점 만점)를 통해 평가된 각 항목의 점수 및 통계 분석은 Table 2와 같다. 해부학적 충실도, 교육적 가치, 술기 팬텀의 유용성, 기술 향상성, 시스템 만족도 및 관련 전문가 추천 의향에 대해 시스템 가치 평가를 하였다. 그 결과 귓본 채취를 직접 술기한 경험 그룹의 시스템 만족도 3.9를 제외하고 두 그룹 모든 평가 항목에서 4.0 이상의 긍정 평가를 나타냈다. 설문 응답에 대한 통계분석으로 만-휘트니 U -검정(Mann-Whitney, U -test)의 비모수 검정 결과 두 그룹 간 통계적으로 유의미한 차이는 발견되지 않았다(모든 p > 0.05).
Prototype system evaluation: 5-point Likert scale
서술형 피드백에서는 “귓본 채취에 비교적 어려움을 겪는 협소한 귀, 중이염 수술을 받은 경우 영유아들의 귀 등 여러 유형이 추가 제작된다면 비교, 분석이 가능하여 학습에 많은 도움이 될 것 같다”고 경험 그룹에서 평가하였다. 또한 귓본 채취 경험이 없는 그룹에서는 “실제 사람에게 시행하기 전 연습 도구로 매우 유용하다”, “외이도 내부 표면의 재료가 피부와 얼마나 유사할지”에 대한 평가가 있었다.
DISCUSSIONS
귓속형 보청기 제작에는 개인 맞춤을 위한 귓본 채취 과정이 필수적이며 이는 보청기 착용에 있어 매우 중요한 절차이다. 그러나 임상 교육 및 학습 과정에서 실제 귓본 채취를 위한 학습 도구는 보고된 바 없고 관련된 시스템 개발도 미비한 실정이다. 동물 모델은 사람의 외이도 구조 및 형태와 본질적인 차이가 있어 술기 교육의 대체 수단으로 활용하는 데 한계가 있다. 한편 보청기 산업은 그동안 주로 노이즈 제거 기술과 배터리 성능 향상에 초점을 맞추어 발전해 왔으며 이로 인해 실제 착용 과정이나 귓본 채취와 같은 시술 절차에 대한 교육적 관심은 상대적으로 부족하였다. 그 결과 보청기 센터의 신규 교육 과정과 대학 실습에서는 학습자 간 역할 수행에 기반한 실습이 이루어지고 있으며 이는 피교육자의 직접 참여를 수반하기 때문에 윤리적 측면에서의 고려와 적절한 대안 마련이 필요하다.
이에 본 연구에서는 의료 영상 기반으로 외이도 내부가 시각화되는 휴먼 귓본 채취 학습 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 귓본 물질이 외이도의 1st, 2nd 밴드의 삽입 과정을 학습할 수 있도록 시각화 모델로 설계되었다. 또한 외이도 길이, 굴곡, 내‧외경 크기 등 다양한 해부학적 형태를 반영하기 위해 고정축(fixed axis)을 만들어 다양한 패턴을 교체 적용하도록 하여 학습 효율을 높이고자 하였다. 외이도 내부는 시각적 명료도를 높이기 위해 투명 코팅 처리를 하였고 측두부(temporal part) 표면은 사각형 구조로 제작하였다. 이는 3D 프린팅 가공을 위한 STL 파일의 삼각형 구조(triangle mesh) 방식 때문에 원기둥 형상에서 표면 굴곡이 증가하여 외이도 시각화가 낮아지는 문제를 개선하기 위함이었다(Pei al., 2019). 반면 반대측 두상 표면은 원형 곡선 형태와 피부색 재질을 적용하여 휴먼 팬텀 사실감을 높였다.
임상적으로 보청기 선택은 난청 정도, 귀의 구조, 기능, 심미성 등에 따른 청력 전문가 상담으로 결정되며 외이도 삽입 깊이에 따라 다양한 제품들이 존재한다(Li et al., 2023). 특히 외이도 깊숙이 삽입되어 외부에서 거의 보이지 않는 CIC 및 IIC 보청기의 경우 정확한 귓본 채취는 음향 피드백이나 폐쇄 효과에 큰 영향을 미친다. 이에 본 연구는 이러한 고난이도 기술 적용 시 발생할 수 있는 인체 위해 요소를 줄이고 교육 환경에서의 안전성을 강화하기 위해 시각적‧촉각적 학습이 가능한 귓본 채취 휴먼 시스템을 개발하였다.
개발된 귓본 채취 시스템 평가에서 귓본 채취 경험 유무에 따른 두 집단(청각학 및 언어 치료‧청각재활 전공자)은 모든 문항에서 평균 4.0 이상의 높은 평가가 확인되었으며 이는 개발된 프로토타입 시스템의 보편적 유용성과 타당성을 시사한다. 또한 통계 분석에서 유의수준이 p -value 기준 0.05 미만이면 유의미한 차이가 있음으로 설정한 비모수 검정(Mann-Whitney U -test) 결과 통계적으로 유의미한 차이는 없었다(모든 p > 0.05). 하지만 표본 수의 제한으로 통계 검정의 한계는 보인다. 그럼에도 본 연구는 통계적 결론 도출보다는 전반적인 경향성 파악과 개선 방향 제시에 목적이 있으며 전문가와 비경험자 간 응답 차이를 통해 얻은 탐색적 인사이트는 시스템 개선 및 향후 활용 전략 수립에 유의미한 기초 자료가 될 수 있다. 특히 선택형 서술 응답에서 도출된 질적 피드백은 프로토타입의 실용성과 완성도 향상에 기여할 수 있는 중요한 정보이다.
최근 연구 사례에서 Chua et al.(2024)은 구조광(structured light imaging)을 활용한 비접촉식 프로토타입 시스템을 개발하여 귓본 채취 없는 외이 모델 구현 가능성을 제시하였다. 하지만 해당 기술은 외이도 깊은 부위의 정밀한 스캔이 어려우며 광학 노이즈 발생, 움직임에 대한 민감성, 고비용 등의 한계로 인해 초소형 고막형 보청기 제작에 필요한 정확한 깊이 정보 확보에는 제한이 있다. 반면 본 연구는 고막까지 시각화가 가능하여 보다 깊고 정밀한 귓본 채취를 구현할 수 있다는 점에서 차별성을 가진다. 또한 O’Beirne et al.(2020)의 증강 현실 기반 시뮬레이터는 개념적 이해에 도움을 주지만 실제 귓본 채취 과정에서 중요한 물리적‧촉각적 피드백은 제공하지 못한다. 이에 반해 본 연구의 시스템은 실제적인 조작과 촉각적 반응을 수반하는 사실적 학습이 가능하다. Scollie & Koch, 2019의 보청기 시뮬레이터는 삽입 및 프로브 튜브 배치 훈련을 지원하지만 이어 몰드를 위한 귓본 채취 실습은 지원하지 않아 본 연구의 시스템과는 기본적 목적이 다르다.
본 연구에서 휴먼 팬텀과 다양한 패턴 적용이 가능한 이유는 의료 영상 표준 포맷(digital imaging and communications in medicine) 기반의 디지털 영상에서 외이도 구조를 세분화할 수 있는 기술적 기반이 마련되었기 때문이다. 그중 computed tomography (CT) 영상은 HU 값을 통해 공기, 연부조직, 뼈 조직 간의 밀도 차이를 정량적으로 분석할 수 있으며 이를 활용하여 외이도 및 고막의 3차원 정보를 정확히 획득할 수 있다(Ohira et al., 2022). 이러한 의료 영상 기반 기술은 최근 수술 시뮬레이션 및 개인 맞춤형 의료기기 제작에 널리 활용되고 있으며 정밀한 수술 계획 수립과 시술 시간 단축에 기여하고 있다(Tack et al., 2016). 관련 연구 사례에서 Yang et al.(2021)은 복잡한 선천성 심장 질환 수술에서 의료 영상 기반 모델이 수술 계획 정확도 향상에 기여함을 보고하였고 Yam et al.(2021)은 환자의 CT 데이터를 기반으로 맞춤형 수술 지그 모델로 역형성 어깨 인공 관절 수술의 정확성과 효율성을 높였다. 또한 Kwon & Shin, 2023은 안와 골절 환자를 대상으로 의료 영상 기반 3D 프린팅 임플란트 모델이 수술 정확도 및 부피 복원에 효과적이라는 결과를 제시하였다.
이와 같이 의료 영상 기반 3D 프린팅 기술은 해부학적 구조를 반영한 개인 맞춤형 시뮬레이터 및 임플란트 제작을 가능하게 하였다. 본 연구에서 개발된 귓본 채취 학습 시스템은 반복적인 술기 훈련에 효과적이며 동물이나 인체를 활용한 직접적 실습 방식의 한계를 보완하고 고위험 사례에 대한 사전 교육에 유용할 것으로 판단된다.
본 프로토타입은 인공 두상 팬텀을 3D 스캔하고 외이도만 의료 영상 기반 데이터를 적용하였다. 이는 임상 진단 목적의 의료 영상 검사에서 귀바퀴를 포함하는 데이터 정보가 없어 모델링 설계에서 두 구조의 방향 및 접촉면을 연결하는 데 한계가 있었다. 또한 본 시스템은 한 명의 CT 데이터를 기반으로 제작된 단일 형태의 팬텀이라는 한계를 가지며 외이도 구조(연골, 연부조직, 공기)의 해부학적 구분 능력에 대한 향상이 지속적으로 필요하다. 향후 다양한 연령 및 해부학적 차이를 반영한 팬텀 데이터베이스를 구축하고 자동화된 피드백 기능(예: 압력 센서, 실시간 주입 모니터링 등)을 추가한다면 교육적 학습 모델 효과를 더욱 높여 줄 수 있을 것이다. 향후 본 시스템은 윤리적 부담이 크거나 학습자에게 불편을 줄 수 있는 기존 실습 방식의 대체 가능성을 보여주며 보청기 산업 종사자 및 청능사 교육 과정에서의 학습 모델 표준화와 숙련도 향상에 기여될 것으로 기대한다.
Notes
Ethical Statement
N/A
Acknowledgements
Author thank to all participants.
Declaration of Conflicting Interests
There is no conflict of interests.
Funding
This work was supported by the Gimcheon University Research Grant of 2023 (gc23008).
Author Contributions
Conceptualization: Hyeong Gyun Kim. Data curation: Hyeong Gyun Kim. Formal analysis: Hyeong Gyun Kim. Methodology: Hyeong Gyun Kim. Writing—original draft: Hyeong Gyun Kim. Writing—review & editing: Hyeong Gyun Kim.