음파 진동탄성술을 이용한 발기압과 음파 전파속도 관계의 수치 연구

초록

본 연구는 초음파 진동탄성술(UVE) 기반으로 발기압(EP)과 음파 전파속도(SWS) 사이의 정량적 관계를 규명하고자 2차원 다공성 점탄성 유한요소(FEM) 모델을 구축하였다. 피부·피막·음경해면체를 포함한 구조에 EP를 20–100 mmHg 범위로 적용하고, 100, 150, 200 Hz의 진동을 가해 전파속도를 측정하였다. 결과는 EP가 상승함에 따라 SWS가 비선형적으로 증가함을 보여주며, 주파수가 높을수록 전파속도도 상승한다는 점을 확인하였다. 이는 UVE가 발기부전 진단에 유용한 비침습적 도구가 될 가능성을 시사한다.

상세 분석

본 논문은 발기압이 음경 조직의 기계적 특성, 특히 전단파 전파속도에 미치는 영향을 정량적으로 해석하기 위해 정교한 유한요소 모델을 설계하였다. 모델은 피부(밀도 1000 kg/m³, 전단탄성계수 30 kPa), 피막(동일 밀도, 전단탄성계수 12 kPa) 및 해면체(밀도 330 kg/m³, 공극비 0.7)를 포함하며, 해면체는 등방성 다공성 점탄성 재료로 가정하였다. 이러한 가정은 실제 조직이 콜라겐 섬유, 평활근, 내피세포 등 복합구조를 갖는 점을 단순화한 것이지만, 기존 실험 데이터와의 일치성을 확보하기 위해 선택된 것이다.

메시(mesh)는 1 mm × 1 mm 크기의 4노드 평면 사각요소(CPS4R)를 사용했으며, hourglass 제어와 적분 감소 기법을 적용해 전단 락킹을 최소화하였다. 경계조건으로는 하단·우측을 고정하고, 무한 요소(CINPE4)를 이용해 파동 반사를 억제함으로써 실제 무한 매질을 근사하였다. 이러한 설정은 전파가 모델 내부에서 자유롭게 전파하도록 보장하면서도 수치적 안정성을 확보한다.

전기적 자극은 피부 표면에 3 mm 길이의 세그먼트 소스를 배치하고, 0.1 mm의 수직 변위를 0.1 s 동안 가해 100, 150, 200 Hz의 조화파를 발생시켰다. 전단파 속도는 2차원 FFT를 통해 파수와 주파수 영역(k‑space)에서 추출했으며, 속도는 ω/k 로 계산하였다. 결과는 EP가 20 mmHg에서 100 mmHg까지 증가함에 따라 SWS가 약 2.4 m/s에서 7.7 m/s까지 비선형적으로 상승함을 보여준다. 특히, 주파수가 높을수록 전파속도 증가폭이 더 크게 나타나, 조직의 점탄성 특성이 주파수 의존적임을 시사한다.

논문은 또한 모델의 한계점을 명확히 제시한다. 해면체를 균질한 점탄성체로 가정함으로써 실제 혈류와 혈관-조직 상호작용을 무시했으며, 혈액을 포함한 유체-구조 결합 모델이 필요함을 인정한다. 또한, 조직의 이방성(특히 피막의 섬유배향)과 콜라겐·근육 비율 변화를 반영하지 않아 실제 환자군에서의 정밀도는 제한적일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 현재 모델은 EP와 SWS 사이의 정량적 관계를 최초로 제시함으로써 UVE가 발기부전 평가에 활용될 수 있는 기초 과학적 근거를 제공한다.