카데바 자료를 이용한 얼굴근육의 해부학적 기능 학습을 위한 삼차원 교육 콘텐츠 제작과 관련된 융합 연구
남서울대학교 치위생학과 부교수이재기
Convergence Study on the Three-dimensional Educational Model of the Functional Anatomy of Facial Muscles Based on Cadaveric Data
Jae-Gi Lee
Associate professor, Department of Dental Hygiene, Namseoul University
요 약 이 연구는 한국인 성인 시신의 얼굴근육을 해부하고 삼차원 스캔하여, 사실적인 얼굴근육의 형태를 삼차원 오브 젝트를 만들고, 이를 통해 표정을 재현하여 카데바 얼굴근육의 복합적인 움직임을 삼차원적으로 관찰 가능한 교육 자료 를 제작하는데 목적이 있다. 카데바 해부 사진 자료를 이용하여, 얼굴근육에 대해 삼차원 모델링 하였고, 네 가지 표정 (슬픔, 미소, 놀람, 분노)에 따라 얼굴근육이 변화하는 삼차원 영상을 제작하였다. 이를 통해, 삼차원으로 구현한 카데바 얼굴근육의 복합적인 작용과 다양한 표정 변화를 확인할 수 있었다. 이 연구결과는 얼굴근육의 개별적인 기능에 대한 정량적인 자료를 확인할 수는 없지만, 사실적이고 입체적인 카데바의 얼굴근육 형태를 관찰할 수 있고, 복합적인 얼굴근 육의 작용으로 인한 표정 변화를 확인할 수 있다. 이러한 자료는 얼굴근육의 해부학적 교육 자료로 활용할 수 있을 것으 로 기대한다.
주제어 : 얼굴근육, 얼굴표정, 기능해부학, 카데바 자료, 삼차원 교육콘텐츠, 융합연구
Abstract This study dissected and three-dimensionally (3D) scanned the facial muscles of Korean adult cadavers, created a three-dimensional model with realistic facial muscle shapes, and reproduced facial expressions to provide educational materials to allow the 3D observation of the complex movements of cadaver facial muscles. Using the cadavers’ anatomical photo data, 3D modeling of facial muscles was performed. We produced models describing four different expressions, namely sad, happy, surprised, and angry. We confirmed the complex action of the 3D cadaver facial muscles when making various facial expressions. Although the results of this study cannot confirm the individual functions of facial muscles quantitatively, we were able to observe the realistic shape of the cadavers’ facial muscles, and produce models that would show different expressions depending on the actions performed. The data from this study may be used as educational materials when studying the anatomy of facial muscles.
Key Words : Facial muscles, Facial expression, Functional anatomy, Cadaveric data, Three dimensional education contents, Convergence study
*This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (NRF-2020R1I1A3061952). The author thanks Jang-Gi Cho at Yonsei University college of dentistry for making the three-dimensional simulation in this study.
*Corresponding Author : Jae-Gi Lee([email protected]) Received July 2, 2021
Accepted September 20, 2021 Revised July 26, 2021
Published September 28, 2021
1. 서론
얼굴의 근육은 뼈 또는 근막에서 일어나서 얼굴 피부 에 부착되기 때문에, 표정에 중요한 역할을 해서 ‘표정근 육’이라도 부른다[1]. 복합적인 얼굴근육의 작용이 표정 에 미치는 영향 때문에 임상적으로 보툴리눔 톡신 (botullinum toxin) 사용시, 얼굴신경과 근육의 기능성 에 대한 해부학적 자료와 지식에 대한 중요성이 증가하 고 있다[2,3]. 그러나, 기존의 얼굴근육에 대한 교육도구 는 이차원적 이미지에 기반하고 있기 때문에, 입체적인 구조에 대한 직관적인 이해가 어렵다. 또한, 기존의 삼차 원 교육 매체는 실제 사람의 얼굴 근육에 대한 질감을 표 현하고 있지 않기 때문에, 얼굴근육의 재현성이 낮은 한 계점이 있다.
얼굴의 근육은 눈, 코, 입, 턱끝 부위에서 다양한 근육 으로 구성되어 있으며 매우 복잡하다. 눈주위에서는 눈 둘레근(orbicularis oculi muscle), 눈썹주름근(corrugator supercilii muscle)이 분포하며, 코주위에서는 눈살근 (procerus muscle), 코근(nasalis muscle), 코중격내림 근(depressor septi muscle), 입주위에서는 입둘레근 (orbicularis oris muscle), 작은광대근(zygomaticus minor muscle), 큰광대근(zygomaticus major muscle), 위입술올림근(levator labii superioris muscle), 위입 술콧방울올림근(levator labii superioris alaque nasi muscle), 아래입술내림근(depressor labii inferioris muscle), 입꼬리당김근(risorius muscle), 입꼬리내림 근(depressor anguli oris muscle), 입꼬리올림근 (levator anguli oris muscle), 턱끝 부위에서는 턱끝근 (mentalis muscle)을 관찰할 수 있다[4-6]. 얼굴근육이 얼굴 피부에 부착되어, 인접한 부위에 영향을 미치기 때 문에, 일반적으로 눈, 코, 입, 턱의 국소적인 분류에 의해 얼굴 근육을 설명하며, 표정과 관련된 근육의 복합적인 기능은 연구자마다 의견이 다양하기 때문에, 이 부위를 기준으로 개별적인 근육의 기능성에 대해서만 설명하는 것이 일반적이다.
눈 주위의 근육 중에서 눈둘레근(orbicularis oculi muscle)은 눈을 깜박이고, 눈썹주름근(corrugator supercilii muscle)과 눈살근(procerus muscle)은 미 간에 수직과 가로로 주름을 형성하고, 코주위의 근육 중 코근(nasaslis muscle)은 콧방울에 영향을 준다[7,8].
Elsevier에서 출판되는 Gray’s anatomy와 Thime에서
출판되는 대표적인 해부학 교재에서는 작은광대근 (zygomaticus minor muscle), 위입술올림근(levator labii superioris muscle), 위입술콧방울올림근(levator labii superioris alaque nasi muscle)은 위입술을 당 기며, 입꼬리내림근(depressor anguli oris muscle)은 아랫입술을 내리는 역할을 하고, 입꼬리올림근(levator anguli oris muscle), 작은광대근(zygomaticus minor muscle), 입꼬리당김근(risorius muscle), 입꼬리내림 근(depressor anguli oris muscle)은 입꼬리에 영향을 주고, 턱끝근(mentalis muscle)은 의심의 근육(muscle of doubt)라 불리며 턱끝 피부 표면에 패임을 형성하고 있는 것으로 기술하고 있다[9,10]. 또한, Kanade 등은 얼굴근육의 기능에 대해 포괄적인 자료를 정량적으로 분 석하여, 각각의 얼굴근육의 세부적인 기능을 데이터로 구축하기도 하였다[11]. 그러나, 얼굴근육의 개별적인 해 부학적 기능을 설명하는 교재나 연구 결과는 다양하지 만, 얼굴근육의 복합적인 기능에 대해 근육간의 관계를 설명하거나, 직관적으로 이해할 수 있는 시각 자료를 찾 아보기는 어렵다.
사람의 얼굴은 매우 복잡한 기하학적인 형태로 되어 있고, 표정과 얼굴근육을 분석하는 것은 정량적으로 어 려운 일이기 때문에[12], 표정에 따른 각각의 얼굴근육에 대한 해부학적 기능을 설명하는 교육매체를 찾는 것은 어렵다. Kuramoto 등은 피부의 전위차를 이용하여 행 복과 메스꺼움에 대한 표정변화를 얼굴피부에서 분석했 고[13], Eskes 등은 근전도를 이용하여 입술의 움직임을 측정하여 삼차원 재구성하였으나[14], 각각의 얼굴근육 의 기능과 근육간의 영향에 대해서는 확인할 수 없었다.
Shiffman은 독립적인 근육에 의해 발생하는 10가지 표 정과 25가지 표정이 어떤 근육이 복합적으로 수축하여 작용하는지에 대해 보고하였지만[15], 1862년 de Boulogne에 의한 자료에 기반하고 있고, 명확한 실험적 근거를 찾기 어렵다. 특히, 이러한 자료는 표정에 대해 관여하는 근육의 종류와 명칭에 대해서는 확인할 수 있 지만, 기능해부학적 측면에 대한 시각적 자료가 없기 때 문에, 해부학의 전문적인 지식이 없거나 얼굴근육의 학 습을 시작하는 단계에서는 이해하기 어려운 실정이다.
또한, 얼굴표정과 얼굴근육 모두 입체적인 구조물이기 때문에, 이차원적인 이미지로 학습하는 것보다, 실제에 가까운 삼차원 이미지를 통한 동적 변화를 확인하는 것 이 학습자 측면에서 직관적으로 이해하기 쉽다. 그래서,
Fig. 1. Three-dimensional (3D) scan and dissected facial muscles in the cadaver. A: An image showing a 3D scan of the facial skin of the cadaver, B: Exposed facial muscle fibers after removing the facial skin and subcutaneous tissue. Intersection of the green line: center of the 3D scan. Red arrow: Landmark point for superimposing using two-dimensional images. To honor and respect the deceased who donated the body, the eyes are covered with a black box to mask the donor’s identity.
DAO: depressor anguli oris muscle (m), DLI:
depressor labii inferioris m., F: frontal belly of occipitofrontalis m., LAO: levator anguli oris m., LLS: levator labii superioris m., LLSAN:
levator labii superioris alaeque nasi m., M:
mentalis m., N: nasalis m., OOc: orbicularis oculis m., OOr: orbicularis oris m., P: procerus m., Ri: risorius m. ZMi: zygomaticus minor m., ZMj: zygomaticus major m.
의과대학이나 치과대학에서는 기증된 성인시신을 통하여 직접 해부 실습을 진행하지만, 보건계열의 학과에서는 직접 해부를 통한 얼굴근육의 학습이 어려운 실정이다.
이 연구는 한국인 성인시신(cadaver, 카데바)을 해부 하고, 표정에 따른 얼굴근육의 복합적인 기능을 삼차원 시뮬레이션하여, 얼굴근육과 표정에 대해 학습자의 측면 에서 직관적으로 이해할 수 있는 삼차원 형태의 시각적 인 교육 자료를 제작하는데 목적이 있다. 또한, 실제 얼 굴근육의 해부 자료를 기반으로, 기존의 교과서가 설명 하기 어려운 입체감, 실제감을 보완하여 얼굴근육의 형 태학적인 이해를 돕고, 얼굴근육의 형태와 기능에 대한 교육 도구로서의 가능성을 제시하고자 한다.
2. 연구 방법
Fig. 1A처럼, 삼차원 스캐너(TscanII-MK200C, Taesan
solutions Ltd., South Korea)를 이용하여, 얼굴 피부 를 삼차원 스캔하였다. 이차원 이미지를 획득한 후, 한국 인 성인 시신의 얼굴을 해부하였다. Fig. 1B처럼, 피부를 벗긴 후, 삼차원 스캔으로부터 획득한 이차원 이미지를 중첩하기 위한 표지점으로 코끝, 귀구슬, 가쪽눈구석을 육안으로 식별 가능하도록 핀으로 고정하였다. 국내 치 과대학 해부학교실에 합법적으로 기증된 시신을 사용하 였고, 피부밑조직과 지방을 제거한 후, 얼굴근육 섬유를 덮고 있는 근막을 제거하였다. 근막의 제거를 통해, 얼굴 근육 섬유의 방향을 확인한 후, 얼굴근육 섬유를 노출시 켰다. 얼굴근육 섬유의 경계를 확인하며 얼굴근육을 구 분할 수 있도록 해부하였다.
Fig. 2처럼, 얼굴 피부를 재구성할 수 있는 소프트웨 어인 Agisoft Photoscan(Agisoft LLC, St. Petersburg, Russia)을 사용하여, 얼굴의 피부와 얼굴근육을 high polygon mesh 형태로 삼차원 골격을 생성하였으며, Blender 소프트웨어(Blender 2.93.1, open source:
https://www. blender.org)를 이용하여, mesh 구조를 단순화시켜 low polygon 면으로 재구성하는 retopology 작업을 수행하였다.
Fig. 2. Three-dimensional model of the facial skin (A) and muscles (B). To honor and respect the deceased who donated the body, the eyes are covered with a black box to mask the donor’s identity.
Fig. 3처럼, 카데바의 피부 질감과 색채를 재현하기 위해 UV 맵핑 한 후, 얼굴피부와 얼굴근육 텍스쳐를 중 첩하여, 카데바의 삼차원 오브젝트를 완성하였다.
Fig. 3. UV mapping of the facial skin of the cadaver. To honor and respect the deceased who donated the body, the eyes are covered with a black box to mask the donor’s identity.
Fig. 4처럼, 얼굴근육의 움직에 대한 재현을 위해 Blender software의 shape key 기능을 활용하여, 피부 와 얼굴근육의 mesh를 변화시켜 얼굴표정에 따른 얼굴 근육의 움직임을 재현하였다.
Fig. 4. Expression of facial muscles using shape key function in Blender software. To honor and respect the deceased who donated the body, the eyes are covered with a black box to mask the donor’s identity.
얼굴 표정에 의한 피부의 움직임은 Lee 등이[16] 얼굴 피부의 움직임을 삼차원 모션 캡쳐하여 구축한 여섯 가 지 표정 자료 중, 표정에 따른 얼굴근육의 움직임이 명확 하게 구분되는 슬픔, 분노, 기쁨, 놀람 등의 자료를 사용 하였다. 네 가지 표정변화에 따른 근육의 복합적인 삼차 원 움직임을 동영상으로 출력하여 영상으로 제작하였다.
3. 연구 결과
카데바 사진을 이용한 UV 맵핑 결과, 삼차원적으로 카데바의 사실적인 모습을 재현 할 수 있었다. 또한, 실 제 해부를 통한 사진의 삼차원 구현은 얼굴근육의 형태 와 경계를 통해 각각의 얼굴근육을 Fig. 5와 같이 구분할 수 있었다.
Fig. 5. A three-dimensional object using cadaver images of facial muscles. A: Photograph showing the boundaries of facial muscles with dotted lines, B:
Each facial muscle that can be distinguished based on the boundary of the facial muscle.
DAO: depressor anguli oris muscle (m), DLI:
depressor labii inferioris m., F: frontal belly of occipitofrontalis m., LAO: levator anguli oris m., LLS: levator labii superioris m., LLSAN: levator labii superioris alaeque nasi m., M: mentalis m., N: nasalis m., OOc: orbicularis oculis m., OOr:
orbicularis oris m., P: procerus m., Ri: risorius m, ZMi: zygomaticus minor m., ZMj: Zygomaticus major m. To honor and respect the deceased who donated the body, the eyes are covered with a black box to mask the donor’s identity.
Fig. 5에서, 눈둘레근(orbicularis oculi muscle)의 타원형인 구조와 눈둘레근(orbicularis oculi muscle) 사이에 위치한 눈살근(procerus muscle)이 역삼각형 형태이며, 코의 가쪽에서 코근(nasalis muscle)과 위입 술콧방울올림근(levator labii superioris alaque nasi muscle)을 관찰할 수 있었다. 위입술콧방울올림근 (levator labii superioris alaque nasi muscle)의 가 쪽으로 위입술올림근(levator labii superioris muscle) 이 위입술의 가쪽으로 주행하는 모습과 위입술올림근 (levator labii superioris muscle)의 가쪽에 작은광대 근(zygomaticus minor muscle)이 입꼬리 위쪽에 닿는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 위입술올림근(levator
Fig. 6. Changes in the four expressions of the three-dimensional model which was UV-mapped using cadaver images of facial muscles. A: Sad, B: Smiling, C:
Surprised, D: Angry. To honor and respect the deceased who donated the body, the eyes are covered with a black box to mask the donor’s identity.
labii superioris muscle)의 위치가 작은광대근 (zygomaticus minor muscle)과 위입술콧방울올림근 (levator labii superioris alaque nasi muscle) 보다 깊이 위치하는 층별 구조를 관찰할 수 있었고, 작은광대 근(zygomaticus minor muscle) 보다 가쪽에 위치하는 큰광대근(zygomaticus major muscle)이 입꼬리 주변 에서 작은광대근(zygomaticus minor muscle)과 닿는 곳을 명확하게 구분할 수 있었다. 입 주위의 근육인 입둘 레근(oricularis oris muscle)이 타원형을 이루고 있고, 위입술올림근(levator labii superioris muscle), 위입 술콧방울올림근(levator labii superioris alaque nasi muscle), 작은광대근(zygomaticus minor muscle), 큰광대근(zygomaticus major muscle)과 연결되고 있 고, 입꼬리에서 가쪽으로 주행하는 입꼬리당김근(risorius muscle), 입꼬리에서 아래쪽으로 주행하는 입꼬리내림 근(depressor anguli oris muscle), 입술의 아래쪽에 위치하는 아랫입술내림근(depressor labii inferioris muscle), 아랫입술내림근(depressor labii inferioris
muscle)의 안쪽에 위치하는 턱끝근(mentalis muscle) 을 관찰 할 수 있었다. 특히, 가장 깊은 구조물인 턱끝근 과 가장 얕은층 입꼬리내림근(depressor anguli oris muscle)의 층별 구조 확인이 가능하였다. 또한, Fig. 6 에서, Fig. 6A처럼 슬픔, Fig. 6B처럼 웃음, , Fig. 6C처 럼 놀람, Fig. 6D처럼 분노네 가지 표정 변화시 근육의 복합적인 움직임을 관찰할 수 있었다.
4. 고찰 및 결론
해부학 교육에서 얼굴근육의 학습시 참고하는 다양한 국내·외 출판물에서 얼굴근육을 표정근육이라고 기술하 고 있으며 개별적인 근육의 기능성에 대해 설명하고는 있지만, 얼굴근육의 복합적인 기능으로 인한 표정변화를 시각적으로 확인하기는 어려운 실정이다[17-20]. 얼굴근 육의 복합적인 기능에 대해 표정과 연관하여 삼차원 시 뮬레이션, 근전도등을 활용하여 연구하고 있지만[21-23], 개별적인 근육의 수축을 정량적인 자료로 제시하여, 명 확하게 기능성을 규명하는 것은 어려운 일이다. 그러나, 이러한 얼굴근육의 기능성과 표정에 대한 해부학적 관계 는 임상적으로 중요하기 때문에, 피부과, 성형외과, 일반 외과, 구강악안면외과 등에서 많은 연구가 진행되고 있 지만[24-26], 결과의 다양성으로 인해 교과서에 이론으 로 제시하기에는 아직 보완해야 할 부분이 적지 않다. 그 렇기 때문에, 얼굴근육의 교육시 해부학 학습자에게는 개별적인 얼굴근육의 기능성이 표정에 미치는 영향을 교 육한 후, 복합적인 근육의 기능성으로 인한 표정의 관계 만을 제시하고, 임상적인 측면에 따라 연구 자료를 찾아 볼 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 복합적인 근육의 기초적인 기능 해부학적 이해를 위한 직관적이며 시각적 인 교육 자료를 찾기는 어렵기 때문에, 표정과 얼굴근육 의 상호작용을 확인할 수 있는 교육 매체가 필요한 실정 이다.
이 연구에서는 성인시신의 얼굴부위를 해부하여, 피부 와 얼굴근육에 대한 삼차원 이미지를 획득한 후에, 카데 바에서 관찰되는 근육 질감을 사실적으로 표현하면서 표 정에 다른 얼굴근육의 변화를 확인할 수 있는 얼굴근육 의 해부학 교육 매체를 제작하였다. Fig. 5처럼,, 기존의 삼차원 얼굴근육의 교육 매체가 표현할 수 없었던 사실 적인 얼굴근육의 질감을 관찰할 수 있고, 삼차원적으로 입체적인 관찰이 가능하였다. 이러한 입체적인 구조의 삼차원 모델링 자료는 증강현실이나 가상현실등의 교육
방법에 적용할 경우, 학습 효율성이 증가하기 때문에 [27-29], 얼굴근육의 삼차원 오브젝트를 활용한 다양한 교육매체 개발이 가능할 것으로 예상한다. 특히, 이 연구 에서는 기존의 일러스트레이션 보다 사실적인 얼굴근육 을 다각적인 측면으로 관찰할 수 있기 때문에, 얼굴근육 의 부피, 형태, 근육 섬유가 섞이는 것을 실제감 있게 확 인할 수 있다. 또한, Fig. 6처럼, 얼굴표정에 따른 근육의 움직임이 복합적으로 발생하는 것을 직관적으로 확인할 수 있다. 이를 통해, 얼굴근육의 개별적인 근육이 한가지 움직임을 일으키고 있는 것을 벗어나, 복합적인 움직임 에 의해 표정이 발생하는 해부학적 지식을 시각적으로 명확하게 보여줄 수 있다.
그러나, 이 연구에서는 사실적인 얼굴근육을 입체적으 로 관찰할 수 있는 장점은 있지만, 각각의 표정에 대해 개별적으로 어떤 근육이 정량적으로 움직임을 부여하는 것을 확인하기는 어렵다. 표정에 대한 세부적인 얼굴근 육의 복합적인 움직임을 재현하기 위해서는 삼차원 모션 캡쳐를 이용한 피부의 움직임, 피부, 근육, 뼈, 지방을 포 함한 피부밑조직의 물성치를 이용한 유한요소분석, 얼굴 와이어 프레임을 통한 근육 등의 조직 선형 모델 적용, 아래턱의 움직임을 통한 얼굴표정 시뮬레이션이 필요하 며, 이를 확인하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
이 연구 결과를 통해서는, 얼굴표정에 대한 해부학 교육 시 한 가지 종류의 근육에 의해 움직임이 정의가 되지 않 고, 복합적인 움직임에 의해 표정이 완성되는 것을 카데 바의 해부학적 자료를 활용하여 삼차원 시뮬레이션 했기 때문에, 학습자는 얼굴근육의 복합적인 움직임을 직관적 으로 이해할 수 있을 것으로 기대한다. 추가적으로 이 교 육 자료 사용에 대한 교육공학적 측면에서의 학습 효과 분석도 필요할 것으로 판단된다.
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