충격 기반 분석으로 연부 조직 표면 기계적 특성 정밀 평가

초록

본 연구는 충격 기반 분석법(IBAM)이 폴리우레탄 젤 기반 연부 조직 모사체의 강도와 두께 변화를 감지하는 능력을 기존 상용 장비(IndentoPro, Cutometer, MyotonPro, Shore Durometer)와 비교하였다. 동일 조건에서 IBAM은 강도 구분에서 2035 % 우수했으며, 깊이·축 방향 민감도에서는 2.54.5배 높은 성능을 보였다.

상세 분석

IBAM은 5 g 충격 해머와 4 mm 직경 알루미늄 펀치를 이용해 조직 표면에 순간적인 압력을 가하고, 힘 센서가 기록한 시간‑힘 곡선에서 첫 번째 피크의 시간(t₁)과 진폭(F₁), 그리고 두 번째 피크(t₂)를 추출한다. 이 두 피크 사이의 비율 R = t₂/t₁을 평균값 R̄ 으로 정의하고, 5회 반복 측정 후 표준편차를 산출한다. 충격 에너지와 펀치 직경을 고정함으로써 외부 변수(충격 속도, 각도)를 최소화했으며, 이상치 검출에 z‑score 2.5 임계값을 적용해 데이터 품질을 보장하였다.

실험에 사용된 폴리우레탄 젤 모사체는 Shore OOO 20~65에 해당하는 Young’s modulus 30.3–216 kPa 범위와 1–10 mm 두께를 갖도록 제작되었다. 동일한 샘플에 대해 IndentoPro(2 mm 압입 깊이, N/mm), Cutometer(450 mbar 흡입, 변형량 mm), MyotonPro(동적 강성 N/m), Shore Durometer(OOO 스케일)도 각각 5회 측정하였다.

강도 구분 실험에서는 동일 두께(10 mm)에서 Young’s modulus가 증가함에 따라 모든 장비의 지표가 증가했지만, IBAM의 R̄ 변화율이 가장 크게 나타났다. 특히 30.3 kPa와 105 kPa 사이에서 IBAM은 20 % 높은 구분 능력을 보였으며, MyotonPro는 35 % 뒤처졌다. Cutometer와 Shore Durometer는 각각 2‑4배 낮은 민감도를 기록했다.

두께(깊이) 구분 실험에서는 1, 3, 6, 10 mm 두께 샘플을 동일 강도로 테스트하였다. Cutometer는 흡입 깊이가 제한적이라 6 mm 이상에서는 변형량이 포화돼 차이를 구분하지 못했으며, Durometer는 표면 경도만을 반영해 두께 변화에 거의 반응하지 않았다. 반면 IBAM은 펀치‑조직 간 충격 전달 시간 차이를 이용해 두께가 증가할수록 R̄이 선형적으로 감소하는 패턴을 보였으며, IndentoPro와 MyotonPro보다 2.5~4.5배 높은 축 방향 민감도를 나타냈다.

이중층(soft‑on‑rigid) 샘플에서는 상부층의 두께와 강도를 변형시켜 하부 84.6 kPa, 10 mm 두께의 “강체”와 결합하였다. IBAM은 상부층이 얇아질수록 R̄이 급격히 증가하는 현상을 포착했으며, 이는 충격 에너지가 하부 강체에 더 많이 전달된다는 물리적 해석과 일치한다. MyotonPro와 IndentoPro는 상부층 두께 변화에 대한 반응이 미미했으며, Cutometer는 흡입 깊이 제한으로 인해 상부층 변화를 거의 감지하지 못했다.

통계적으로는 모든 장비가 5회 반복 측정 시 표준편차가 5 % 이하로 재현성을 확보했지만, IBAM은 충격 파형 자체가 고주파(>100 kHz) 정보를 포함하고 있어 미세한 강도·두께 변화를 더 정밀하게 추출할 수 있었다. 또한, 충격 기반이라는 특성상 비접촉·고속 측정이 가능해 임상 현장에서의 실시간 피드백 시스템 구축에 유리하다. 다만 현재는 폴리우레탄 모사체에 한정된 검증이므로, 실제 인체 피부·피하 조직에 대한 ex‑vivo·in‑vivo 검증이 필요하다.

요약하면, IBAM은 기존 상용 장비 대비 강도·두께·축 방향 민감도가 현저히 우수하며, 저비용·고속·표준화된 충격 메커니즘을 통해 피부·연부 조직의 기계적 특성을 비침습적으로 정량화할 수 있는 유망한 플랫폼이다. 향후 동물·인체 실험을 통해 임상 적용 가능성을 검증하고, 피부과·성형외과·미용 산업에서 의사결정 지원 시스템으로 확장될 전망이다.