광학 기반 의료기기의 가능성
The Potential of Optics Medical Device
고령화, 저출산에 따른 인구구조의 변화와 소득수준 향상, 과학기술의 진보에 따라 건강하고 행복한 삶인 Wellness의 개념이 확대되고 있다. 의학기술 발달과 삶의 질 향상으로 평균수명이 늘어남에 따라 전 세계적으로 고령화가 가속화되는 추세에 있으며 고령사회로의 진입에 앞서 고령친화산업에 비상한 관심이 쏠리고 있다. 따라서 고령인구에 특화된 새로운 서비스를 제공하는 의료기기 시장이 잇따라 부상할 것으로 예상된다.
고령화는 라이프스타일의 변화를 가져오고 있으며 고령인구 증가에 따라 질병 구조의 변화도 일어나고 있다. 백내장, 고관절 및 무릎관절 질환, 치아결손 등의 노인성 질환이 증가하고 있으며 이에 따라 인공수정체, 인공관절, 치아 임플란트 등의 시술 또한 발전되고 있다.
국내에서는 노령화와 함께 서구적인 식습관으로의 변화와 도시화, 교통망, 인터넷 등에 따른 활동량 감소로 인해 비만질환이 증가하고 있으며 질병 분포의 양상이 변화하고 있다. 지난 10년간의 추세를 보면 위암, 뇌혈관 질환, 간질환은 감소하고 있으나 폐암, 당뇨병은 지속적으로 증가하고 있다.
노인층의 경제력 향상에 따라 고령친화 의료기기의 증가된 구매력이 예상돼 향후 고령친화 의료기기의 고성장이 전망되며 신기술의 혁신과 융합기술의 발전으로 인한 의료기기 분야 신기술 및 신상품 개발이 촉진되고 이러한 발전은 타 산업 영역으로 확대될 것으로 예견된다.
한-미 FTA(Free Trade Agreement), 한-유럽연합(EU) FTA 등의 상호 시장개방과 무역 자유화 확대 국면에서 글로벌 의료기기 기업의 치열한 경쟁이 의료기기 환경변화를 가속화시킬 것으로 보인다. 정보, 기술, 자금력 등이 풍부한 다국적 기업을 중심으로 의료시장이 재편되고 있고 연구개발, 상품생산, 자금조달, 투자, 협력 등의 기업 활동이 촉진되고 있다. 선진 각국은 자국 의료기기 산업의 보호를 위해 선진국에 유리한 새로운 관점에서 각종 규제를 강화할 가능성이 있으므로 다른 나라들도 의료기기 제품에 대한 인허가, 지적재산권 등을 선진국 수준의 제도로 정비할 필요성이 제기되고 있다.
BT(생명공학기술), IT(정보기술), NT(나노기술) 등의 기술융합 가속화에 잇따라 유전체, 단백질체, 의료정보 등 신기술을 이용한 맞춤의료, 예측의료 시대가 도래하고 있으며 의료기술의 세계화와 국제공동연구가 확산되고 있다. 이러한 신기술, 신산업의 출현은 새로운 부가가치 창출의 기회를 제공할 수 있을 것이다.
1. 광학 기반 의료기기의 잠재력
광학 기반 기술이 의료기기에 적용되는 분야로는 예방, 진단, 치료의 각 분야와 융합으로 표현되는 제3의 의학 산업에 두루 걸쳐 폭넓게 형성돼 있으나 아직 산업 기술적 완성도가 낮아 크게 주목받지는 못하고 있다.
전 세계적으로도 광학 기반 의료산업은 초기 단계로 이는 무주공산이 될 수 있음을 의미한다. 예를 들어 차세대 영상진단 기기로 관심을 끌고 있는 OCT(Optical Coherence Tomography : 광간섭 단층촬영장치)만 보더라도 산업적으로는 미미한 측면이 있으나 중요성에 대해서는 높게 평가받고 있다.
현재 사용되는 광학 의료기기의 종류로는 OCT와 같은 투과형 영상시스템과 형광영상이 결합된 3차원 실시간 영상진단시스템, 레이저와 LED(Light Emitting Diode)를 이용하는 외과적 치료기기, 무체혈 산소포화도 측정기 및 생체신호 측정기 등이 포함된 비침습 진단기기, 의료기기 환경변화 광조사를 통해 치료를 시행하는 광역학 시스템, 빛을 이용하는 심미치료용 기기 등이 있다.
고급 의료서비스를 위한 PET-CT(Positron Emission Tomography-Computer Tomography : 양전자방출 단층촬영기)와 같은 광학 기술 기반 첨단의료기기의 수요가 크게 증가하고 있고 보다 정확한 진단과 치료를 위해 최첨단 차세대 의료기기가 연구·개발되고 있다.
2. 광의 종류와 특징
빛은 눈으로 볼 수 있는 가시광선만을 말하는 것이 아니라 빨간색 가시광선보다 파장이 긴 적외선(750㎚∼1㎜), 보라색 가시광선보다 파장이 짧은 자외선(100∼390㎚), 자외선보다 파장이 더 짧은 X선 등의 전자기파 등을 빛이라 한다.
① 가시광선(Visible Light)
우리 눈은 빛의 파장에 따라 색을 다르게 인식하지만 파장이 일정한 범위를 벗어나게 되면 빛을 감지하지 못한다. 대체로 400∼700㎚ 파장 범위의 빛을 특정한 색으로 잘 느낄 수 있어 이를 가시광선이라 한다.
좁은 의미에서 빛은 우리가 인지할 수 있는 가시광선을 말하고, 넓은 의미에서 빛은 파장에 관계없는 전자기파 전체를 말한다. 가시광선은 약하게라도 보이는 파장의 영역인 380∼780㎚로 넓게 잡기도 한다.
② 적외선(Infrared Ray)
햇빛이 방출하는 빛을 스펙트럼으로 분산시켜 보았을 때 적색 스펙트럼 끝보다 더 바깥쪽에 있는 전자기파를 적외선이라 한다. 파장의 길이에 따라 분류하면 파장이 0.75∼3㎛인 적외선을 근적외선, 3∼25㎛를 적외선, 25㎛ 이상을 원적외선이라 한다. 적외선은 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 가지고 있는 것이 특징이며 이 때문에 열선이라고도 한다. 태양이나 발열체로부터 공간으로 전달되는 복사열은 주로 적외선에 의한 것이다.
근적외선(Near Infrared Ray)은 적색 스펙트럼의 끝보다 바깥쪽에 있는 적외선 중에 가운데 파장이 가장 짧은 것이다.
③ 자외선(Ultraviolet Ray)
자외선은 태양광 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때 가시광선보다 짧은 파장으로 눈에 보이지 않으며 극단적으로 파장이 짧은 자외선은 X선과 거의 구별되지 않는다. 적외선을 열선이라고 하는데 대응해 자외선은 화학작용이 강하므로 화학선이라 하기도 한다.
■ UVA(320∼400㎚) : 오존층에 흡수되지 않음
■ UVB(280∼320㎚) : 대부분은 오존층에 흡수되지만 일부는 지표면에 도달
■ UVC(100∼280㎚) : 오존층에 완전히 흡수됨
④ X선(X-Ray)
X선은 고속전자의 흐름을 물질에 충돌시켰을 때 생기는 파장이 짧은 기파로써 뢴트겐선이라고도 하며 감마선 등과 같은 부류의 전자기파에 속한다. 보통 X-Ray는 X선관이라고 하는 일종의 진공방전관을 사용해서 고전압 하에 전자를 타겟으로 금속판에 충돌시켜 발생시킨다.
X선의 물질에 대한 강한 투과력은 처음부터 주목됐던 특성으로써 의료와 공업 분야에 응용이 기대됐다. 실험방법의 발전과 실험장치의 진보에 따라 현재 X선은 물체의 거시적 내부구조를 탐지할 뿐만 아니라 물질의 원자 수준에서 미시적인 구조를 규명하는 데에도 중요한 수단으로 사용되고 있다.
X선의 파장은 자외선보다 짧고 감마선보다 길다. 보통 0.001∼10㎚(나노미터 : 10억분의 1m)로 물체를 잘 투과하지만 통과하는 동안에 물체에 흡수된다. X선 흡수율은 물체를 구성하는 물질, 구조 등에 따라 각각 달라서 어떤 물체를 투과하는지에 따라 투과한 X선의 양이 달라진다.
X선은 투과성 덕분에 여러 분야에서 다양하게 응용되고 있다. 예를 들어, 의료용에서 X선은 우리 몸을 쉽게 투과하기 때문에 진단방사선학에 이용된다. X선은 골절, 종양 등의 질환은 물론 인체내부 장기를 꿰뚫어 볼 수 있어 이상 유무를 손쉽게 판단할 수 있고 필름을 감광시키는 X선의 특성 때문에 사진으로 찍어서 기록할 수도 있다.
⑤ 감마선(Gamma Ray)
감마선은 원자핵 내부의 에너지 준위변화에 따라 알파입자, 베타입자와 함께 방출되는 고 에너지 전자기파다. 주로 방사성물질에서 방출되므로 방사선으로 분류되고 투과력이 매우 크다. 빛이나 X선과 마찬가지로 전자기파(0.07∼1x10㎚)이며, X선에 비해 에너지가 크고 파장이 훨씬 짧다.
파장의 경계는 분명하지 않지만 약 0.01㎚ 이하로 알려져 있으며 일반적으로 베타선과 알파선을 동반해 방출된다. 감마선의 가장 큰 특징은 투과력이 X선보다 훨씬 강하다는 점이다. 반면에 이온화작용, 사진작용, 형광작용은 X선보다 약하다.
⑥ 레이저 빔(Laser beam)
레이저란 용어는 유도방출복사에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)이라는 구절의 첫 글자들을 딴 것으로 매우 순수한 색을 가지고 강한 빛을 발생시키는 장치를 말한다.
광원의 대부분은 다양한 파장을 방출한다. 또한 빛이 전파돼 나가면서 퍼지게 되므로 광원에서 멀어지면 빛의 세기가 점점 약해진다. 광원에서 실제로 빛을 방출하는 원자가 파장, 위상, 방향이 일정하지 않은 빛을 방출하기 때문에 더욱 약해질 수밖에 없다.
반면에 레이저는 파장이 일정하고 결이 맞는 빛을 방출한다. 레이저빔은 세기가 강하고 한 가지 색을 띠며 지름의 변화가 거의 없이 멀리까지 전달된다. 이러한 장점으로 인해 최근 의료 장비로 각광을 받고 있는 것이다. 예를 들어, 외과수술에서 신체의 일부분을 절단하거나 안과수술에서 망막과 같은 예민한 부분을 섬세하게 잘라야 할 때 수술용 절단기구의 역할을 하기도 한다.
3. 광 종류별 의료기기 기술 동향
가시광을 이용한 광학 의료기기 기술 동향
광섬유의 탄생으로 인체 내에서 자유자재로 구부러질 수 있는 내시경이 가능하게 됐다. 초소형 카메라(CCD: Charge Coupled Device)를 내시경 앞쪽에 장착해 직접 영상을 모니터에 전달하는 전자내시경이 가능하게 된 것이다. 이 내시경은 영상이 깨끗하고 반영구적인 장점을 가지고 있으나 CCD의 크기 때문에 몸 안에 들어가는 내시경 굵기를 줄이지는 못해 소아용 등에선 아직 기존 광학내시경이 사용되고 있다.
기술개발 업계는 3차원 입체영상은 물론 배율을 높여도 자연색과 선명성을 잃지 않는 내시경에 초점을 맞춰 개발하고 있다. 예를 들어, 모터에 카메라를 장착해 원격조정으로 몸 안을 돌아다니는 내시경이 개발 중이다. 최근에는 형광내시경을 이용해 암조직을 초기단계에서 포착할 수 있는 기술이 개발돼 식도암과 결장암 등을 초기에 포착하는데 용이하게 사용되고 있다. 형광내시경을 이용한 진단과 치료는 조기발견뿐만 아니라 부작용이 거의 없으며 시술 시 통증이 없어 반복시술이 가능하다는 장점이 있다. 이외에 관 끝에 원격 카메라를 부착해 영상을 컴퓨터로 해석하는 전자내시경이나 초음파 진단장치를 부착한 초음파내시경 등도 상용화돼 사용되고 있는 추세다.
이스라엘의 Given Imaging에서는 캡슐형 내시경인 M2A를 개발해 현재 국내외 캡슐형 무선 내시경 시장 안팎에서 비상한 관심을 받고 있다. 국내 I3system에서는 지능형 마이크로시스템 개발 사업단에게 연구비를 지원받아 디지털 영상센서 출력을 미세한 생체전류로 변환한 내시경을 개발했다.
체내에 미세전류를 흐르게 한 다음 피부에 부착된 여러 개의 전극을 통해 이를 전압신호로 변환한 후 영상으로 복원하는 형태의 MiRO라는 캡슐형 내시경이 개발된 바 있다.
국내의 연세대 의료원, 한국과학기술연구원과 이탈리아의 성안나 고등기술원이 공동으로 연구해 원격조정으로 장기를 촬영할 수 있는 소형 대장형 내시경을 개발했다. 연구팀은 돼지를 대상으로 한 실험에서 지름 2.5cm의 로봇으로 성공적인 결과를 이끌어냈다. 이 소형 대장형 내시경은 미끄러운 장내를 이동할 수 있는 획기적인 방법이라는 평가를 받고 있다.
X선을 이용한 광학 의료기기 기술 동향
일반 X선 촬영기기의 주요 요소인 X선관은 도시바의 제품이 시장을 장악하고 있었다. 하지만 최근 국내 의료기기 개발사 디알젬에서 아날로그용 관전압 125kV급 X선관 장치를 개발한데 이어 DR(Digital Radiography)용 관전압 150㎸급 X선관 장치도 개발 중에 있어 시장 판도의 변화를 예고했다. 의료기술 개발업계는 새로운 형태의 2D 영상화 및 회절개선 영상화(Diffraction Enhanced Imaging) 기술을 사용해 환자에게 위해가 되는 X선 노출량을 1% 미만으로 줄이는 연구를 진행하고 있으며 디지털 X선 검출기에 X선 광자를 측정하는 기술을 결합해 저선량, 고해상도용 검출기도 개발하고 있다.
CT(Computer Tomography)의 경우 검출기 제작기술과 신호획득기술의 발달에 따라 채널의 수가 점점 늘어나는 추세이며 이에 따라 해외 주요 기업도 대부분 고가형 시스템인 Multi-slice 3D CT 개발에 집중하고 있다. 현재 256채널 검출기 개발이 진행 중이다.
국내에서는 CT 관련 기술에 대한 정부의 연구지원으로 고려대, KAIST, 한국전기연구원 등에서 연구개발이 이루어져 왔으나 아직 상용 제품화 수준에는 도달하지 못하고 있다. 또한 국내 연구소에서는 기초 기술연구, 응용연구 등의 다양한 각도로 연구를 수행하고 있으나 산업계와 연계를 통한 제품화 수준은 낮은 실정에 있다.
유방촬영용 X선장치는 전 세계적으로 아날로그방식에서 디지털방식으로 전환되고 있으며 고감도 디텍터, 영상화기술, 선량저감기술 등의 시스템기술과 유방암 진단을 보조할 수 있는 CAD(Computer Aided Diagnosis), 영상합성법(Tomosynthesis), 3차원 영상화 등에 대한 연구개발이 꾸준하게 진행되고 있다.
일반촬영용 디지털 방사선 영상 장치의 개발 이후 기존 아날로그 영상을 획득하던 필름과 XRIIs(X-Ray Image Intensifiers)를 반도체 기술로 대체하는 연구가 활성화되고 있다. DR(Digital Radiography) 분야에서 가장 중요한 부분인 디텍터는 필립스, 지멘스 등에서 Trixell이라는 회사를 설립해 디텍터를 생산하고 있으며 국내에서는 디알텍 등에서 자체 디텍터를 개발하고 있다. 또한 인제대학교, 한국전기연구원 등에서 직접방식 디지털 X선 필름에 대한 연구를 진행하고 있는데 특히 X선 변환 물질에 대한 문제가 있어 이를 극복하기 위해 새로운 X선 변환 물질 또는 구동 회로에 대한 연구에 주력하고 있다.
PET(Positron Emission Tomography) 분야는 CT, MRI(Magnetic Resonance Imaging), Optical Imaging 등과 함께 융합돼 영상장비 간의 장점을 서로 이용하는 기술 개발로 진행 중이며 국내에서는 가천 길병원에서 PET-MRI 융합영상 기술에 대한 연구와 삼성병원, 삼성전자 연구소에서 융합 기술을 도입한 마이크로 PET 시스템 개발에 열을 올리고 있다.
적외선 및 자외선을 이용한 광학 의료기기 기술 동향
LED 의료기기가 산업적으로 이미 상용화되고 있는 분야는 치료영역이다. 치료기기 분야는 피부치료와 외과적 치료 및 광역학 치료 영역으로 구분할 수 있다. 피부치료영역과 같은 분야는 지난 수년간 집중적으로 연구된 분야로 국내를 비롯해 여러 국가에서 이미 임상 단계를 마치고 전 세계 의료시장에 LED 의료기기가 출시되고 있다.
피부치료 영역은 아토피, 백반증, 건선증, 경피증, 두피케어(탈모치료)와 같은 체내 환경 변화에 대응하는 피부반응에 대한 치료영역과 여드름, 무좀균, 비듬균 등과 같은 진균성 치료영역 그리고 피부노화에 따른 주름개선을 위한 항노화 치료영역이 있다.
외과적 치료영역은 외과수술 후 환부의 봉합을 촉진하는 환부봉합 촉진 치료와 비염, 중이염 등을 치료하는 영역이나 안과에서 시도되고 있는 시신경, 녹내장 치료에 관여하는 영역 등이 있다. LED 의료기기에서 가장 주목받고 있는 분야는 광역학 치료분야로 신생아 황달, 근골격계 통증치료, 우울증 치료에 활용되는 심미치료 영역 일부, 골밀도 강화를 위한 LED 광조사기 치료등에 도입되고 있다.
피부질환 치료용 적외선 LED 의료기기는 2000년대 중반에 영국의 Photo Therapeutics에서 개발하기 시작했으며 현재 미국의 Light BioScience, Quantum Biomedical, Lightstim, Amjo와 캐나다의 OpusMed 등이 지속적으로 상용화를 추진하고 있다. 호주 Western Australia 대학에서는 서호주 신경외상 연구프로그램을 통해 신경외상을 입은 환자들을 치료하기 위해 적색광 LED를 이용한 연구가 진행 중이다.
국내 업계를 살펴 보면 휴렉스메디칼은 아토피를 치료하기 위한 개인용 자외선 조사 의료기기인 아토빔(ATO-beam)을 개발했다. 아토빔은 자외선 파장 중에 피부질환 치료효과가 가장 뛰어나다고 알려진 311∼313㎚의 단파장 자외선(NBUVB)을 방출한다. 아토피 피부염, 건선, 백반 등 피부질환이나 두피질환 부위에 하루 1회 2분정도 광선을 방사하면 치료효과가 높다.
메드믹스의 스마트룩스(SMARTLUX)는 고휘도 의료용 SLD(Super Luminescent Diodes) 칩을 적용해 피부재생, 피부관리와 상처회복을 돕는 저출력 레이저 치료(Low Level Laser Therapy, LLLT) 장비이다. 국내에서 판매되고 있는 LLLT 장비 중 가장 다양한 파장대와 세계 최다인 15가지 헤드로 구성돼 여러 분야의 치료에 적용될 수 있다.
이 스마트룩스는 800∼2450개로 구성된 고휘도 의료용 SLD 칩과 5단계 에너지 강도 조절 기능을 통한 높은 출력량(Dosage) 제공 기능을 갖추고 있다. 지난 2010년 CE(Communaute Europeen)획득과 KFDA(Korea Food&Drug Administration, 식품의약품안전처)와 미식품의약국 FDA(Food and Drug Administration) 허가를 계기로 국내시장에 처음 선보였다.
루트로닉의 솔라리(SOLARI)는 피부온도에 따라 펄스를 제어하는 광학 의료기기다. 이 장비는 구형파 펄스, 정교한 필터링, 인공지능 냉각시스템 등 전 세계적으로 소수의 경쟁제품에서만 구현되고 있는 기술을 적용해 치료효과가 있는 파장의 에너지량을 증대시켰다. 치료에 불필요한 파장은 확실하게 차단하며 지속적이고 일정한 파장을 조사한다. 6개의 다양하고 정교한 컷오프 필터를 제공함으로써 각 병변에 적합한 맞춤형 치료가 가능하며 빠른 조사 속도로 인해 시술시간을 단축시킬 수 있다.
솔라리는 혈관성 병변(안면홍조, 혈관확장증) 치료, 제모, 색소성 병변(기미, 잡티, 주근깨) 치료, 피부재생 등에 사용된다.
레이저를 이용한 광학 의료기기 기술 동향
레이저 의료기기 기술은 새로운 광원들의 출현으로 계속해서 발전되고 있다. 최근 활발하게 상용화되고 있는 광섬유레이저, LD(Laser Diode)는 물론 LED 광원과 잠재력을 가지고 있는 OLED(Organic Light Emitting Diode), 광역학 치료(Photo Dynamic Therapy, PDT)를 위한 표면발광 플라스틱호일도 방사선 치료의 대안으로 관심을 끌고 있다.
여러 광원의 개발로 다양한 치료 방법도 등장해 레이저 의료기기 사용범위가 종합병원에서 개인병원으로 확대되었을 뿐만 아니라 가정용 의료기기까지 확장돼 효율적인 치료 측면 이외에 새로운 시장 창출도 가능하게 됐다.
원천기술을 바탕으로 개발된 선진 각국 제품들이 선점한 레이저 의료기기 시장에서 상대적으로 열악한 개발환경을 가진 국내 중소기업들은 섬세하고 다양한 치료용 레이저 개발 기술을 비약적으로 발전시켜 무역수지 불균형을 다소나마 개선해 나가고 있다.
고출력 레이저 의료기기의 개발기술은 세계적 수준으로 평가되며 광펌핑용 전기에너지를 안정적으로 구현하는 전원장치와 펨토(10~15초) 초단펄스에서 수백㎜(10~3초)의 장펄스 구현을 가능하게 했고 빔 성형 기술을 이용한 레이저빔의 개발로 선진각국과 촉각을 곤두세우며 경쟁을 벌이고 있다.
4. 광학 의료기기 제품 소개
삼성메디슨의 광학 기반 의료기기
삼성전자 디지털 엑스레이인 'XGEO GC80'은 영상품질을 한층 개선한 무선 디텍터와 이미징 엔진을 탑재했다. 환자 안전을 고려해 노출되는 방사선량을 현저히 낮춘 최신 무선 디텍터 'S-Detector'는 이미지 대비를 더 명확하게 표현하고 뼈의 중첩부위나 피부 경계면까지도 정확하게 파악할 수 있는 선명한 이미지를 제공한다.
진단 정확도를 높이는 산부인과용 프리미엄 초음파 진단기 'UGEO WS80A'는 고화질 이미지 성능과 혁신적인 인체공학 기술을 적용했다. UGEO WS80A에서 도출한 태아의 이미지를 3D TV를 통해 입체 영상으로 볼 수 있으며 환자의 스마트폰이나 갤럭시 탭으로도 전송이 가능하다.
현장진단용(Point-of-Care) 초음파 기기인 'UGEO PT60A'는 이동이 편리해 응급실과 수술실 등 다양한 환경에서 사용이 가능한 랩탑형 제품이다.
삼성전자의 자회사 미국 뉴로로지카의 CT 'BodyTom'는 수술 중에 환자 이동 없이 수술실 내에서 신속한 CT 촬영이 가능한 장치다.
