공군 조종사들이 착용하는 MBU-20/P 산소마스크는 미국인의 안면 data를 기반으로 제작되었기 때문에 한국 공군 조종사 안면에 적합하지 않고 코 부위에 과도한 압박이나 산소 누설 등의 불편을 초래하고 있다. 안면부 형상에 적합한 호흡구 설계를 위하여 기존 연구들은 3D 안면 scan data를 이용하는 디지털 설계 또는 평가 방법들을 개발 및 적용하고 있으나 현재까지는 객관적 설계 기준 및 평가 기준이 제시되지 못하고 있다. 또한, 개발된 호흡구의 형상이 안면에 적절한지의 여부는 설계 대상 인구를 대상으로 한 시제품의 착용감 평가를 통해 파악될 필요가 있으나, 기존 연구들은 개발된 호흡구에 대한 주관적 및 객관적 측면에서의 체계적인 착용성 평가가 미흡하였다. 본 연구는 한국 공군 조종사들의 안면 특성을 기반으로 산소마스크의 형상을 설계 개선하고 시제품으로 제작하여 개선 마스크의 착용성을 평가하였다.
본 연구는 안면-마스크 인터페이스 분석(face-mask interface analysis)을 통해 산소마스크 설계 특성, 조종사 안면 특성(안면 치수, 3차원 안면 형상), 산소마스크 착용 특성, 그리고 주관적 착용성 특성을 파악하였다. 먼저 산소마스크의 설계 문제를 파악하기 위하여 한국 공군 조종사 490명을 대상으로 한 설문 평가를 통해 콧대와 코 옆 부위에서 과도한 압박 또는 산소누설로 인한 불편도가 상대적으로 높은 것으로 파악되었다. 산소마스크 설계 특성은 MBU-20/P 산소마스크를 구성하는 구성 부품들에 대한 설계 제원들(예: 크기, 형상, 작동방식 등)을 benchmarking함으로써 파악되었으며, 산소마스크 설계 특성을 기반으로 관련된 안면 측정 항목들(길이: 9, 두께: 2, 너비: 7, 둘레: 4)이 선정되었다. 조종사 안면 특성은 한국 공군 조종사 284명(남 278명, 여 6명)과 공군사관학교 여자 생도 52명의 안면을 3차원 계측하고 한국 일반인 및 미공군 안면 특성과 비교함으로써 분석되었다. 한국인 조종사는 한국 일반인에 비해 전반적으로 크며(mean difference = 0.7 ~ 26.5 mm) 미공군에 비해서도 큰(mean difference = 1.0 ~ 14.7 mm) 것으로 파악되었는데, 이는 현 미공군 안면 특성 기반으로 설계된 산소마스크 형상 및 치수체계가 한국 공군 조종사들에게 적합하도록 개선될 필요가 있음을 의미한다. 마지막으로, 산소마스크 착용 특성은 한국 공군 조종사 85명의 마스크 착용 사진을 토대로 3차원 안면 scan data에 마스크 scan data를 alignment 함으로써 착용 위치, 착용 각도, 여유공간, 그리고 밀착도 측면에서 파악되었다.
파악된 안면-마스크 인터페이스 특성들을 기반으로 마스크 설계 개선 부위 및 설계 개선 전략이 수립되었으며, 본 연구에서 개발한 가상 착의 평가 방법(virtual fit assessment method)을 기반으로 한국 공군 조종사들의 안면 형상에 적합한 산소마스크 형상이 설계되었다. 설계 개선 전략을 통해 산소마스크의 치수, 콧대 부위 너비, 그리고 안면에 밀착되는 형상의 개선 방법이 수립되었다. 개선 산소마스크 형상은 여러 3차원 안면 scan data에 산소마스크 CAD를 가상으로 착의하고 정량적인 착의성을 평가해가며 다양한 크기 및 형상의 안면에 가장 적합한 마스크 형상을 탐색하는 방법인 산소마스크 가상 착의 평가 방법을 통해 설계되었다. 가상 착의 평가 결과, 기존 마스크는 코 옆과 광대뼈 부위에서 마스크가 과도하게 압박되거나 콧대 부위에서 마스크의 밀착이 결여되는 현상을 보였으나, 개선 산소마스크는 본 연구에서 정한 적정 밀착/압박 기준에 적합하게 설계된 것으로 분석되었으며, 기존 마스크에 비해 27%의 설계 개선 효과가 파악되었다.
개선된 산소마스크의 착용성을 평가하기 위해 기존 마스크와 유사한 물성치를 가진 개선 마스크의 시제품이 제작되었으며, 개선 마스크 시제품은 착용성 및 군 적합성 평가를 통해 기존 마스크와 비교되었다. 기존 및 개선 마스크는 조종사 산소마스크 사용 집단인 공군조종사(83명)와 잠재적인 사용 집단인 공군사관학교 생도(58명)를 대상으로 주관적 불편도와 객관적 압박 특성 측면에서 비교되었다. 개선 마스크는 안면 부위에 따라 주관적 불편도가 56% ~ 81% 감소한 것으로 파악되었으며, 평균 압박지수가 안면 부위별 11% ~ 25%, 압박부위 면적이 안면 부위별 6% ~ 43%, 그리고 고압박 면적이 안면 부위별 4% ~ 40% 감소하는 설계 개선 효과를 보였다. 또한 군 적합성 평가를 통해 개선 마스크가 PBG (pressure breathing for gravity) 사용 환경 및 저압 환경에서 문제가 없이 사용되며, 고중력가속도 환경에서 기존 마스크에 비해 평균 47% 적게 흘러내리는 것으로 파악되었다. 공군조종사 및 공군사관학교 생도의 92%가 개선 산소마스크의 형상이 만족스러운 것으로 응답하였다.
본 연구를 통해 안면-마스크 인터페이스 분석과 가상 착의 평가 방법 기반의 체계적이고 합리적인 마스크 설계 방법이 제안되었다. 본 연구를 통해 한국인 조종사 안면에 적합하게 설계된 MBU-20/P 산소마스크는 한국 공군 조종사들의 안면 형상에 적합하여 과도한 압박감 및 산소누설 감소시키고 만족감과 착용감 향상시키는 효과를 나타냈다. 개선된 산소마스크는 한국 공군 조종사들의 비행 부하를 감소시켜 잠재적

An oxygen mask requires proper fit to the facial characteristics (e.g., shape and size of face) of a target population to prevent users from the harmful atmosphere. The MBU-20/P pilot oxygen mask, frequently used by the Korean Air Force (KAF) pilots, was originally designed using face anthropometric data of U.S. Air Force (USAF) personnel. Therefore, KAF pilots suffer from excessive pressure and/or oxygen leakage around the nasal root due to the lack of fit from the oxygen mask to the face, which is most likely caused by a significant difference in facial shape and size between KAF pilots and USAF personnel. Previous studies developed a respirator design method based on 3D face scan images; however, there is lack of systematic considerations about the characteristics of face, mask, and the interface between face and mask. Moreover, previous studies have limitations on ergonomic evaluation of a respirator which should be subjectively and objectively tested with respirator users. The present study designed the oxygen mask shape based on 3D facial characteristics of KAF pilots, and ergonomically evaluated the revised oxygen mask design with KAF pilots.
A face-mask interface (FMI) analysis was conducted to identify design problems of the existing oxygen mask and to determine design directions of the new oxygen mask for KAF pilots. First, high discomfort due to excessive pressure or oxygen leakage around the nasal root and nasal side were evident through a survey which was conducted to identify design problems of the MBU-20/P oxygen mask. Second, the design dimensions of the facepiece and hardshell of MBU-20/P were measured to examine design characteristics. Third, 22 facial dimensions (length dimensions: 9; depth dimensions: 2; width dimensions: 7; circumference/arc dimensions: 4) applicable to the design of an oxygen mask were selected, and the faces of the KAF pilots (278 males and 6 females) and 52 female cadets of KAF Academy were captured using a 3D scanner, and the facial dimensions were measured using 3D face scan data. The KAF male pilots’ face measurements were found significantly larger (mean difference, d ? = 0.7 ~ 26.5 mm) and less varied (ratio of SDs = 0.29 ~ 0.82) than those of KAF male civilians. The average face length, lip width, and nasal root breadth of the KAF male pilots were significantly longer (d ? = 4.7 mm), narrower (d ? = -2.4 mm), and wider (d ? = 5.2 mm), respectively, than those of USAF male personnel. This can be the main cause of excessive pressure being experienced by most of KAF pilots wearing MBU-20/P masks. Lastly, the oxygen mask wearing characteristics (e.g., wearing position, wearing angle, fit, and clearance) were analyzed using photos of 85 KAF pilots’ faces wearing the MBU-20/P mask taken by the present study.
Oxygen mask design revision strategies were established by analyzing relationships between FMI factors, and the oxygen mask shape was revised to fit the KAF pilots based on a virtual fit assessment (VFA) method. Correlations among the facial anthropometric characteristics such as oxygen mask design dimensions, oxygen mask wearing characteristics, and user preferences were analyzed to identify oxygen mask design problems and solutions. The VFA method, which virtually analyzes an oxygen mask fit using 3D face images and oxygen mask CADs, was developed and applied to redesign the oxygen mask shape for a better fit to KAF pilots. A VFA system was implemented for the automatic evaluation of the oxygen mask fit by virtually aligning various oxygen mask designs to the 3D face images and analyzing an infiltration of an oxygen mask design into the 3D face images to estimate contact pressure of the oxygen mask to the faces. Through the VFA method, the best oxygen mask design for the KAF pilots was identified, and the revised oxygen mask showed an increase of 27% in the satisfaction with the design by the KAF pilots compared to the existing oxygen mask.
An ergonomic usability evaluation was conducted to compare the existing oxygen masks and prototypes of the revised oxygen masks with the KAF pilots and the KAF Academy cadets. 83 KAF pilots (81 males and 2 females) who currently use the MBU-20/P oxygen mask and 58 KAF Academy cadets (32 males and 26 females) who were potential users of the oxygen mask. Prototypes of the revised oxygen masks were fabricated using similar materials as the MBU-20/P oxygen mask. The usability of the existing and revised oxygen masks was compared in terms of discomfort, pressure, and suitability for military equipment. The revised oxygen mask design had positive effect: 56% ~ 81% lower discomfort, 11% ~ 25% lower average pressure, 6% ~ 43% lower moderately pressed area, and 4% ~ 40% lower excessively pressed area than the existing oxygen mask for the KAF pilots. Also, the revised oxygen mask was found stable in PBG (pressure breathing for gravity) mode and a low pressure situation and any noticeable problem was not reported, and there was 31% ~ 83% lower oxygen mask slippage distance in the evaluation of oxygen mask suitability for military equipment. Lastly, 92% (120 out of 131 pilots and cadets) of the participants answered that they were more satisfied with the fit of the revised oxygen mask prototype to their face than the existing oxygen mask.
In the present study, a systematic and rational oxygen mask design methodology based on the face-mask interface analysis and the virtual fit assessment method was proposed. The revised oxygen mask showed better appropriateness to the KAF pilots, a decrease of excessive pressure and oxygen leakage, and an increase of satisfaction and wearability. The revised oxygen mask can support the safety and satisfaction of the KAF pilots and increase the military power of the KAF by reducing physical and mental workload due to discomforts caused from excessive pressure or oxygen leakage. Furthermore, the proposed methods including the FMI analysis, the VFA, and the usability evaluat