Development of an Educational Tool Based on Facial Anatomical Information: Face-Painting Video Content and a Multi-Layered Silicone Facial Phantom

Abstract

With the growing demand for anatomical understanding in facial clinical treatments and foundational education, the development of comprehensive educational tutorials and anatomical guidelines has become essential. Dissection-based anatomical education for medical students and clinicians is predominantly conducted using cadavers. Although this method is traditional and highly intuitive, and remains indispensable for fundamental anatomical training, it is accompanied by substantial limitations related to time and location. Since the onset of the COVID-19 pandemic, when offline activities became restricted worldwide, the adoption and advancement of cutting-edge technologies such as augmented reality (AR) and virtual reality (VR) have increased dramatically. However, similar limitations persist, including the high cost of equipment, spatial constraints, and discrepancies between educational models and real-life clinical settings. Consequently, ongoing efforts are being made to explore and evaluate educational methods that provide appropriate levels of realism and pedagogical effectiveness for students. In this process, two alternative approaches were adopted with the aim of overcoming the limitations of conventional anatomical education methods. PartⅠ. Facial Painting on a Live Model and Production of Educational Video Content PartⅡ. Production of a Multi-layered Silicone Facial Phantom Replicating Skin Texture and Dimensions The aim of this study is to develop and introduce clinically relevant anatomical education tools that are both more accurate and more accessible. In PartⅠ, A 26-year-old Korean-Chinese male volunteer was used as the face-painting model. Based on prior anatomical studies of Asian facial structures, the origin, insertion, and boundaries of each muscle were identified. Palpation and visual inspection were used to locate palpable bony landmarks on the face, which served as reference points for sketching the overall muscle morphology. Subsequently, ultrasound imaging was employed to measure and confirm the positions of superficial facial muscles and blood vessels, followed by detailed sketching and coloring. In Part II, Aiming to develop two model types representing Asian and Caucasian females, based on skull scan data from the two races, soft tissue thicknesses were applied to reconstruct virtual facial soft tissue layers. Anatomical structures, including muscles, fascia, skin and vessels were digitally modeled in detail using a 3D sculpting program. To fabricate the phantom, four individual layers were 3D printed using resin. Subsequently, molds were created, and each layer was cast in silicone of appropriate hardness to replicate the texture of human tissue. Finally, the layers were assembled into a complete model. In PartⅠ, Based on the pre-ultrasound imaging of the facial structures, some facial muscles, arteries, nerves, the buccal fat pad, and the parotid gland were painted on the facial skin surface of the model. It took a total of six hours to complete the face painting, and the video was edited to five minutes. In Part II, A complete prototype facial model was constructed by integrating four distinct layers, including bone and skin, along with 16 muscles comprising both masticatory and facial expression muscles, as well as key branches of the facial artery and facial nerves, all combined into a single cohesive unit. Based on the above results, the face painting video and silicone facial phantom were presented to a wide range of participants at various anatomical conferences. When subjective feedback on educational effectiveness was collected, participants verbally expressed strong interest. The two educational tools were designed to incorporate information from previous anatomical studies, along with advanced technologies such as ultrasound and digital sculpting programs, in order to develop more accurate and purpose-driven applications. These tools are expected to enhance comprehensive anatomical education and provide a high level of satisfaction for clinicians.

얼굴 임상 치료 및 기초 교육에서 해부학적 이해의 중요성이 점차 강조되면서, 포괄적인 교육용 튜토리얼과 해부학 지침의 개발이 필수적으로 여겨지고 있다. 현재 의과대학 학생 및 임상의들을 위한 해부학 교육은 주로 카데바를 활용한 실습 중심으로 이루어지는데, 이는 전통적이고 직관적인 접근 방식으로서 기초 교육에 핵심적인 역할을 하지만 이러한 방법은 시간 및 공간적 제약뿐 아니라 윤리적·종교적 문제 등 다양한 한계를 수반한다. COVID-19 팬데믹 이후 전 세계적으로 오프라인 교육 활동이 제한됨에 따라, 증강현실 및 가상현실 기반의 교육 도입이 빠르게 확산되었다. 하지만 이러한 첨단기술 역시 고가의 장비 및 공간 확보의 어려움, 교육 모델과 실제 임상 환경 간의 괴리 등 여러 제약이 존재한다. 따라서 학생들에게 적절한 수준의 현실감과 교육 효과를 동시에 만족시키는 새로운 해부학 교육 도구를 모색하고 평가하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 본 연구는 기존의 교육 방식을 차용하되, 이러한 한계를 보완할 수 있는 두 가지 대안적 접근을 제시한다. 1부. 실제 모델을 이용한 얼굴 페인팅 및 교육용 영상 콘텐츠 제작 2부. 피부 질감과 해부학적 구조를 재현한 다층 실리콘 얼굴 팬텀 제작 본 연구의 목적은 더욱 정확하고 접근이 쉬운, 임상적으로 유의미한 해부학 교육 도구를 개발하고 소개하는 것이다. 1부에서는 26세의 한국계 중국인 남성 자원자를 페이스페인팅 모델로 활용하였다. 아시아인의 얼굴 구조에 대한 기존 해부학 연구를 바탕으로 각 얼굴 근육의 이는곳, 닿는곳, 그리고 경계를 분석하였으며, 촉진과 육안 검사를 통해 얼굴에서 만져지는 뼈의 특징에 따라 랜드마크를 확인하여 근육 형태를 스케치하는 기준점으로 삼았다. 이후 초음파 영상을 통해 얕은층의 얼굴 근육과 주요 혈관의 위치를 측정 및 확인하고, 이를 바탕으로 세부적인 스케치와 채색을 진행하였다. 2부에서는 아시아계 여성과 백인계 여성을 대표하는 두 가지 모델 유형을 개발하기 위해, 두 인종의 머리뼈 스캔 데이터를 기반으로 연조직 두께 정보를 적용하여 가상의 얼굴 연조직 구조를 재구성하였다. 근육, 근막, 피부, 혈관 등 해부학적 구조는 3D 조형 프로그램을 활용하여 정밀하게 디지털 모델링하였고, 이후 팬텀 제작을 위해 네 개의 개별 층을 레진 소재로 3D 프린팅하였다. 프린팅된 결과물을 바탕으로 실리콘 몰드를 제작하고, 각 층은 실제 피부 조직의 질감을 재현할 수 있도록 적절한 경도의 실리콘으로 주조하였다. 마지막으로, 이들을 조립하여 완전한 다층 얼굴 팬텀 모델을 완성하였다. 1부에서는 사전 초음파 촬영을 통해 얼굴의 구조를 확인하고, 이를 바탕으로 모델의 피부 표면에 얼굴 근육, 주요 동맥, 신경, 볼 지방체 및 귀밑샘을 페인팅하였다. 전체 페인팅 과정은 약 6시간이 소요되었으며, 교육용 영상은 약 5분 분량으로 편집하였다. 2부에서는 뼈와 피부를 포함한 네 개의 층과 저작근 및 표정근을 포함한 총 16개의 얼굴 근육, 그리고 주요 얼굴 동맥과 신경의 가지들을 하나의 통합된 단위로 구성하여 완성도 높은 프로토타입 모델을 제작하였다. 이 결과물을 바탕으로 페이스페인팅 영상과 실리콘 얼굴 팬텀은 여러 해부학 학회에서 다양한 참가자들에게 소개되었으며, 교육 효과에 대한 주관적 피드백에서는 참가자들의 높은 관심과 긍정적인 반응을 확인하였다. 이와 같은 두 가지 교육 도구는 기존 해부학 정보를 기반으로 초음파 영상과 디지털 3D 조형 기술 등 첨단 기법을 통합하여 설계되었으며, 더욱 정확하고 목적 지향적인 해부학 교육 콘텐츠 개발을 목표로 한다. 또한 개발된 교육 도구 사용은 포괄적인 해부학 교육의 질을 향상하고, 임상의에게도 높은 수준의 만족도를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.