폐삼출이 초음파 표면파 속도 측정에 미치는 영향: 스펀지 팬텀 실험 및 FEM 분석

초록

본 연구는 초음파 전송 젤(폐삼출 모사)을 스폰지 팬텀과 스탠드오프 패드 사이에 삽입하여, 다양한 두께가 표면파 속도에 미치는 영향을 실험과 유한요소법(FEM)으로 평가하였다. 100 Hz와 150 Hz에서는 젤 두께에 따른 속도 차이가 통계적으로 유의하지 않았으며, 200 Hz 이상에서는 두께가 증가할수록 속도가 약 10~35 % 상승하였다.

상세 분석

이 논문은 폐초음파 표면파 탄성영상(LUSWE)의 임상 적용 전제조건을 검증하기 위해, 폐삼출이 실제 폐 조직의 표면파 전파에 미치는 물리적 영향을 정량화하고자 한다. 실험 설계는 3 mm 두께의 콘돔 안에 초음파 전송 젤을 0 mm, 2 mm, 7 mm, 12 mm 네 단계로 채워 스폰지 팬텀과 스탠드오프 패드 사이에 삽입함으로써, 폐삼출의 두께 변화를 모사하였다. 기계식 셰이커를 이용해 0.1 s 동안 100~300 Hz의 정현파 진동을 가하고, 6.4 MHz 선형 배열 트랜스듀서로 표면 변위를 초음파 영상으로 캡처하였다. 파동 전파 속도는 8개의 측정 지점에서 위상 지연-거리 관계를 이용해 계산했으며, 각 조건을 3회 반복하여 평균과 95 % 신뢰구간을 도출하였다.

통계 분석은 비짝 t‑검정을 사용했으며, p < 0.05를 유의수준으로 설정했다. 실험 결과는 100 Hz와 150 Hz에서 젤 두께에 따른 표면파 속도 차이가 없음을 보여준다. 이는 저주파에서는 전송 매질(젤)의 질량·탄성 효과가 파동 전파에 미치는 영향이 미미함을 의미한다. 반면 200 Hz, 250 Hz, 300 Hz에서는 젤 두께가 증가할수록 속도가 각각 약 10 %, 15 %, 35 % 상승하였다. 이는 고주파에서 전송 매질의 관성 및 전단 강성이 파동 전파 속도에 기여한다는 물리적 해석과 일치한다.

FEM 모델은 ABAQUS 6.14를 이용해 2‑D 평면 탄성체로 구현했으며, 스폰지(탄성계수 36.7 kPa, 점성 24 Pa·s), 스탠드오프 패드(탄성계수 6.83 kPa, 점성 24 Pa·s), 전송 젤(밀도 1000 kg/m³) 등을 실제 실험값에 맞게 파라미터화했다. 모델은 상단에 점 하중을 가해 동일 주파수의 조화 진동을 적용하고, 하단은 무한 요소로 경계 반사를 최소화했다. 시뮬레이션 결과는 실험과 전반적으로 일치했으며, 특히 100 Hz와 150 Hz에서는 속도 변화가 없고, 고주파에서는 전송 젤 두께에 따라 속도가 증가하는 경향을 재현했다.

이 연구는 두 가지 중요한 시사점을 제공한다. 첫째, 임상에서 LUSWE를 이용해 폐 표면탄성을 평가할 때, 저주파(≤150 Hz)에서는 폐삼출의 존재가 측정값에 큰 영향을 주지 않으므로, 폐삼출 환자에서도 신뢰할 수 있는 탄성 정보를 얻을 수 있다. 둘째, 고주파(≥200 Hz)에서는 폐삼출 두께가 측정값을 왜곡할 가능성이 있으므로, 주파수 선택이나 보정 알고리즘이 필요하다. 또한, FEM을 통한 사전 시뮬레이션이 실험 설계와 데이터 해석에 유용함을 확인했다. 향후 연구에서는 실제 폐 조직과 체내 폐삼출을 모델링하고, 비선형 점탄성 특성을 반영한 3‑D 모델링을 통해 보다 정밀한 보정 방법을 개발할 필요가 있다.