의학 전반에 사용하는 다이오드 레이저
Coherent
레이저는 진단 이미징과 임상 검사에서 수술 치료와 최신 미용 수술까지 의학 전반에 쓴다.
그중 다이오드 레이저는 치료 의료 수술을 위해 압도적으로 많이 쓰는 레이저 유형이 됐다. 다른 레이저 유형보다 비용이 절감되고 출력 파장과 전력 선택의 폭이 넓어지며, 작고 견고한 패키징과 우수한 신뢰성(반도체)을 제공하기 때문이다. 여기에선 일반적인 다이오드 레이저 유형의 주요 기능과 장점을 간단히 살펴본 다음, 대세인 몇 가지 주요 치료 애플리케이션을 소개한다.
다이오드 레이저의 장점
다이오드 레이저는 전기 에너지를 직접 레이저 광으로 변환하는 모놀리식(monolithic) 반도체 소자이다. 서로 다른 반도체 구성 요소들을 씀으로써, 출력 파장은 청색, 녹색, 적색 또는 근적외선(near and mid infrared)으로 설정할 수 있다. 근적외선 디바이스는 일반적으로 최고 전력 레벨을 제공한다. 이렇게 다양한 출력 파장을 선택하면 레이저 응고가 혈액 응고를 극대화하고 콜라겐을 강화한다.
또, 조직 절개를 극대화하고 부드러운 조직의 침투 깊이를 최대화하거나 제한한다. 이밖에도 표면 처리, 표적 세포 파열, 치과 병원균 사멸 따위의 특정 응용 분야의 요구에 맞춰 조정할 수 있다. 모든 애플리케이션에는 최상으로 선택되는 하나 이상의 가장 알맞은 파장 대역이 있다. 즉 레이저는 원하지 않는 부수적 영향을 최소화하면서 최대 효과를 낸다.
출력 전력의 관점에서 전형적인 개별 다이오드 레이저 이미터는 최대 와트(약 5 - 15 W)를 만들 수 있다. 그러나 잘 확립된 모듈러 아키텍처는 높은 전력으로 쉽게 확장할 수 있다.
예를 들어, 수십 와트 이상의 총 출력을 갖는 단일 모놀리식 반도체 어레이(또는 바)에 다수의 이미터를 제조할 수 있다. 이것은 대부분의 의료 애플리케이션에도 충분하다. 다중 막대를 스택(그림 1 참조)에 결합하거나 공간과 편광 또는 파장 다중화를 통한 다중 스택 조합을 이용하면, 더 높은 전력이 요구되는 애플리케이션을 쓸 수 있다. 코히어렌트(Coherent) 또한 여러 개의 단일 이미터가 단일 패키지로 배열되고 효율적으로 결합된 네 번째 매우 유용한 형식을 제공한다. 이러한 다양한 OEM 형식과 전력 수준의 대표적인 예가 그림 2에 나와 있다.
콤팩트하고 견고한 패키징 외에도 다이오드 레이저는 모든 레이저 유형에서 최고의 전기 효율을 제공한다. 경우에 따라 최대 55% 이상의 전기 입력을 레이저 출력으로 변환해 모든 의료 시스템의 탄소 공간과 냉각 요구 사항을 최소화할 수 있다. 다이오드 레이저의 또 다른 중요한 이점은, 비용이 조금 드는 유리 섬유 광학을 통해 출력 파장이 405 nm에서 2.3 μm까지 가능하다는 것이다.
사용을 단순화하기 위해 의료 시장용으로 패키징된 다이오드 레이저 제품 대부분에는 몇 가지 유형의 광 커플링이 있다. 표준 섬유 출력 커넥터 또는 피그 테일(부착된) 광섬유로 사전에 정렬된 패키지로 제공한다.
이것은 시스템 빌더에 대한 정렬 문제를 제거하고 복강경과 로봇 절차를 위한 간단한 섬유 전달을 허용한다. 그뿐만 아니라 포커싱(예 : 망원경) 능력을 가진 몇몇 유형의 핸드 피스에 직접 연결할 수 있게 한다. 반대로 제모와 같은 일부 애플리케이션은 광역 조명을 필요로 하고, 섬유 결합이 없는 모듈은 이러한 목적에 부합한다.
제모
그림 3에 개략적으로 나와 있듯이, 레이저 제모는 특히 미국에서 가장 인기 있는 비외과적인 미적 수술 중 하나이다. 다른 미적 레이저 수술과 마찬가지로 선택성(selectivity)이 중요 관심사이다. 즉, 손상이나 흉터 없이 최대 효능(모낭을 죽임)을 얻고 주변 조직 또는 환자에게 주는 불편함을 최소한으로 줄인다.
머리카락의 색은 약 320 nm에서 1,200 nm까지 가시광선과 근적외선을 흡수하는 멜라닌에 영향을 받는다. 반대로 혈액은 600 nm 이하의 파장에서 가장 강하게 흡수되며, 부드러운 조직에서 편재하는 물은 1,100 nm보다 긴 파장에서 강하게 흡수되기 시작한다. 따라서 600 nm와 1,100 nm 사이에서 이 애플리케이션을 위한 넓은 잠재 파장 윈도우가 있다. 시술 중 피부 표면을 적극적으로 냉각하면 선택성이 향상된다. 펄스 주기를 최적화함으로써 진피(dermis)에 열 손상을 일으키지 않고 난포(follicle cells)를 죽인다. 이것은 10~100밀리 초 사이의 가장 알맞은 펄스폭으로 변환되며 다이오드 레이저의 빠른 온/오프 기능으로 도달이 매우 간단하다.
760 nm에서 작동하는 다이오드 레이저가 제모 시장을 장악했다. 이 파장은 이전에 이 애플리케이션에서 널리 사용된 알렉산드라이트 레이저(alexandrite laser)의 출력과 일치하도록 선택됐다.
다만 멜라닌 증가 때문에 피부가 검어진 환자의 경우 이 파장에서 난포와 진피 손상 사이의 균형을 관리하는 것이 어려워진다. 그러나 더 짧은 펄스(예를 들어, 30 ms 이하)와 더욱 긴 파장을 사용함으로써, 어두운 피부 유형에서 제모는 성공적이다. 코히어렌트는 이러한 목적을 위해 808 nm와 1,060 nm 그리고 760 nm에서 다이오드 레이저(일반적으로 패키지 스택)를 제공한다.
기타 미적 수술
지방 분해(레이저 체지방 제거)는 1,060 nm 직경 혹은 섬유 결합 다이오드 레이저를 사용해 빛을 경피 투여하는 응용 분야이다. 지방 조직을 통한 1,060 nm 빛의 흡수는 온도를 상승시키고 세포 사멸을 일으킨다. 머리카락 제거와 같이 피부의 표면을 냉각시켜 불편함과 피부 손상을 피할 수 있다. 신체는 죽은 지방 조직을 몇 주 동안 자연스럽게 제거한다.
피부 조임은 또 다른 대중적인 미적 수술이다. 지방 제거 뒤 피부를 조이기 위해 단독 요법으로 또는, 지방 분해 후 보조제로 종종 수행되며 콜라겐의 가열과 그에 따른 광 응고(조임)를 통해 작용한다. 이 과정을 위해 1,210 nm에서 다이오드 레이저를 사용하면 피부의 멜라닌 흡수를 최소화할 수 있다.
반대로, 주름 제거와 피부 표면 재생은 진피 세포에 흡수되는 레이저 광선에 달려 있으며 짧은 파장은 효율적인 멜라닌 흡수를 가능하게 한다. 이러한 피부 표면 처리와 주름 제거 과정은 종종 810과 915 nm를 써서 수행되지만, 일부 시스템 제조업체는 수분 흡수(멜라닌 흡수가 아닌)가 지배적인 메커니즘인 경우 1,550 nm를 선호한다.
피부 표면 처리의 또 다른 변형은 ‘분획박피(fractional resurfacing)’라는 절차에서 10.6 μm의 적외선 CO2 레이저와 함께 1,550 nm 다이오드 레이저를 쓴다(그림 4 참조).
이 이중 접근 방식에서 CO2 레이저는 작은 지점에 초점을 맞추고 스폿이 피부를 가로 질러 움직이면서 피부에 무수히 많은 작은 구멍이 생긴다. 1550 nm 다이오드 레이저의 목적은 콜라겐의 광 응고를 일으키는 것이다. 연화와 조임의 조합은 덜 알려진 ‘질 성형(vaginal rejuvenation)’ 수술에도 쓰인다.
대부분의 정맥류 제거는 여전히 레이저를 사용하지 않는 응용 분야이지만, 이런 수술조차도 변화하기 시작한다. 더 큰 정맥류를 공급하는 더 작은 정맥은 종종 940, 980 또는 1,470 nm 다이오드 레이저를 써서 경피적으로 치료한다. 큰 정맥은 통상적인 외과 수단을 쓰거나 가끔씩 9XX nm 다이오드 레이저를 써서 치료한다.
다른 미적 응용에는 주로 450 nm 또는 520 nm의 청록색 레이저를 쓰는 여드름 치료와 810 nm 또는 980 nm를 쓰는 치아 미백이 있다.
외과 적용 사례 - 양성 전립선 비대증 치료
양성 전립선 비대증(BPH, Benign Prostate Hyperplasia)은 평균 수명이 길어지면서 남성 인구가 증가하는 부분에 영향을 미치는 문제다. 전립선의 경요도 절제술(TURP, transurethral resection of the prostate)이라는 수술에서 레이저 광선은 요도를 통해 전달되는 섬유이며, 레이저 수술 부위는 흐르는 식염수로 냉각된다.
일반적으로 다이오드 레이저 파장 980 nm 혹은 1,470 nm 두 개가 쓰인다. 두 레이저는 주로 세포 안에 있는 물을 가열해 터지게 함으로써 부드러운 조직을 제거하는 데 쓴다. 앞서 언급했듯이, 물을 통한 강한 레이저 흡수는 1,200 nm보다 긴 파장에서 발생한다.
그래서 1470 nm는 전립선 조직을 포함한 부드러운 조직에 매우 효율적으로 흡수된다. 대조적으로, 980 nm는 더 약하게 흡수돼 결과적으로 더욱 깊숙이 침투한다. 높은 출력 레벨에서 980 nm는 조직을 빠르게 제거한다. 1,470 nm 파장을 써서 조직을 더 정확하게 제거한다.
다이오드 레이저는 부드러운 조직을 파괴하기 위해 일반적인 수술에도 쓴다. 대개 1470nm 이하의 파장이 바람직하며 더 긴 파장은 물 때문에 너무 강하게 흡수되므로, 침투 깊이가 너무 얕을 때가 많다.
광역학 치료법
광역학 치료(PDT, photodynamic therapy)에서 레이저는 화학 물질이나 약제학적 감광제와 함께 쓰여 선택적 세포 사멸을 일으킨다. 감광제는 표적 세포 유형에 우선적인 축적을 일으키는 목표를 갖고 전신적으로, 국부적 또는 국소적으로 환자에게 투여된다.
감광제가 레이저 빛을 받으면 광자학적 혹은 광화학적 변형을 거쳐 독성종(일반적으로 반응성 산소의 일종)이 만들어져 숙주 세포를 죽인다. 레이저 광을 국부적으로 지시함으로써 추가 선택도를 가능하게 한다. PDT는 처음 도입됐을 때 범위가 넓은 암 치료를 위한 잠재적인 특효약으로 여겨졌다. 지금은 몇 가지 선택적 암 유형을 치료하는 데 쓰이며 실제로 비 악성 질병을 치료하는 데 더 많은 성공을 거두었다.
PDT에는 적색 파장(635 nm, 652 nm, 670 nm, 752 nm)이 일반적이다. 이것은 대체로 감광제의 광 흡수 스펙트럼과 일치하며, 대부분이 포르피린(porphyrin) 유도체이다. 마찬가지로 중요한 빨간색 파장은 청색 또는 녹색 파장보다 부드러운 조직을 통해 깊숙이 침투한다.
또한 PDT는 때때로 연령 관련 황반변성(AMD, age related macular degeneration)의 습한 형태를 치료하는 데 쓰이기도 한다. 그러나 개선된 의약품 옵션이 이러한 목적을 위한 PDT 사용을 줄이고 있다. 여기서 광증감 비쥬다인(photosensitizer Visudyne)은 환자에게 주입돼 망막의 혈관에 축적된다. 그런 다음 레이저는 망막을 가리는 혈관 누출을 봉인한다. 정상적인 망막 반응보다 파장이 긴 일관성 있는 다이오드 레이저는 보통 치료에 쓰이며, 그중 689 nm가 두드러진다. 대개 0.5 와트의 낮은 전력 수준으로 충분하다.
PDT는 상처 치유에도 사용되지만, 목적과 관련해서 진정한 효능에 대한 약간의 논쟁이 있다. 이 시스템에는 바이올렛(405 nm)과 근적외선(980 nm) 다이오드 레이저 모두 쓰인다.
치과 애플리케이션
레이저는 오랫동안 많은 치과 환자에게 스트레스를 주는 기계식 드릴을 대체하겠다는 약속과 함께 오랫동안 치과에 유용한 도구로 선전됐다.
일부 레이저는 경질 조직을 뚫는 데 쓰이며, 또 다른 경질 조직은 대중화가 덜 됐지만 매우 성공적이다. 치과 응용은 보통 980 nm에서 다이오드 레이저를 써서 잇몸과 부드러운 조직을 잘라내고 소독하는 것이다. 예를 들면, 레이저가 박테리아를 죽이고 상처를 혈전으로 밀봉해 잇몸선의 재생을 가능하게 하는 깊은 뿌리 소독을 하는 게 있다. 여기서 일반적인 출력 레벨은 10와트이며, 광 전달 시스템은 광섬유 핸드피스이다.
요약
작은 크기, 높은 전기 효율, 반도체 신뢰성, 수명과 같은 다이오드 레이저의 고유한 특성 때문에 다양한 치료 의료 응용 분야에 널리 보급됐다. 마찬가지로 다이오드 레이저의 전력과 파장을 자유롭게 조정할 수 있는 독특한 능력과 자유 공간 또는 광섬유 전달 옵션을 통해, 제조업체는 특정 의료 절차의 요구에 가장 적합한 제품을 제공할 수 있다. 최종 결과는 더 나은 성과, 높은 환자 만족, 짧은 치료 시간, 짧은 입원 기간 그리고 감소된 비용이다.
자료 제공 : Coherent(www.coherent.com)
