레이저의 의학적 이용-그림은 배꼽표시로 지웠음

[SC-LASER學會長]

레이저 의료의 배경 및 특징

광선 치료의 역사

지구상에는 대략 100만 종의 동물과 30여만 종의 식물이 존재하고 있다고 한다. 빛은 이 모든 동물과 식물의 생명 근원이라 할 수 있다. 빛은 광합성의 과정을 통해 식물에 영양소를 공급하며, 생태계의 먹이 사슬은 동물의 생명 유지에 필요한 영양소를 식물로부터 공급한다. 빛은 생명 유지에 필요한 영양소 외에도 사물의 인식을 가능케 하며, 몸을 따뜻하게 해 주고 또한 살균 작용도 행한다.

이러한 빛의 작용을 이용하여 질병을 치료하려는 노력의 하나가 19세기 말경 덴마크에서 행해진 적색 빛의 조사에 의한 천연두의 치료와 자외선에 의한 결핵성 피부염의 치료이다. 이 치료법을 창시한 핀젠은 광선 치료법의 창시자로 1903년 노벨상을 수상했다. 그러나 이 당시는 진공 램프가 발명되기 이전이므로 태양광 외에는 이렇다 할 광원이 없어 치료가 낮에만 행해질 수 있었으나, 카본 아크 램프가 발명되고 난 후부터는 밤에도 실시가 가능하게 되었다. 이후 할로겐 램프, 수은 램프, 지논 램프 등 보다 강력한 램프가 출연됨에 따라 광선 치료법이 동·식물의 생산성 향상을 위한 연구에도 이용되었다.

레이저 의료의 특징

기존에 사용 가능하던 광원들은 파장 대역이 넓어 특정 파장의 선택 효율이 낮아서 치료 효과가 크지 않았다. 그러나 레이저가 개발된 이후는 사정이 달라졌다. 이미 앞장에서 언급된 것과 같이 레이저는 기존에 존재하던 광원인 램프종류나 자연광<표 4-1>에 비해 단색인 빛을 발하며 파면의 질서도가 뛰어나서 두 분리된 빔 사이의 간섭성이 좋고, 아주 작은 점으로 그 크기를 줄일 수 있으므로 높은 에너지 밀도의 빔으로 만들 수 있어, 레이저를 이용한 질병의 치료에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다.

레이저가 가진 이러한 특징은 먼저 빛이 일반적으로 가지는 특징인 비접촉 치료가 가능하다는 것이다. 다른 기구를 사용하는 치료에서는 환부와 기구를 접촉시켜야 하므로 통증이 수반될 수도 있고 기구를 통한 바이러스의 흡입이나 전이의 위험이 높다. 그러나 레이저 치료는 비접촉이므로 통증이 적고 감염의 위험도 적다. 또한 레이저는 국부적 에너지가 높으므로 세포를 가열기화시키며, 위험한 세포나 세균

을 사멸시키는 능력도 높다.

두번째로, 레이저는 그 빔 크기를 수 십 마이크론 이하로 만들 수가 있어 수술을 위한 메스로 사용시 세포 파괴층이 0.1mm 정도 이하로 되므로 절개부 주변의 세포 회사층이 아주 좁아져 통증이 적은 수술이 가능하고 수술 후의 회복이 빠르고 또한 상흔이 깨끗하여 치유가 빠르다. 수술용으로 쓰이는 전기 메스는 세포 파괴층이 3mm 정도가 되므로 상대적으로 통증이 심하고 상흔의 크기가 크며 수술 후의 회복이 느리다. 또한 레이저 에너지의 일부가 수술 부위 주변으로 전파되어 절개부를 응고·봉합시키므로 출혈이 거의 없어 수혈량을 종래에 비해 수분의 1로 줄일 수가 있다.

<표4-1> 여러 가지 광원과 그 발광원리

광 원	기본원리
불	물질의 연소	0.16㎛
번갯불,수은등	전기 방전	0.35∼2.5㎛
백열등,전기난로	물질의 가열
반딧불	생화학 반응
태양,별	핵융합 혹은 분열
브라운관, 형광등	형광(Fluorescence)	0.2∼3㎛
레이저	원자, 분자여기(빛 증폭)	Coherent 특성

세 번째로 레이저는 열적치료 외에도 단색광이기 때문에 인체 조직이나 조직의 특정 성분에 집중적으로 흡수되어 광화학적 반응을 일으킨다. 그러므로 주변 조직에 영향을 주지 않고 특정 조직만 선택적으로 치료하므로 무혈의 국소적 치료가 가능하다<표 4-1>. 또한 광파이버와 같은 광도파로를 이용해서 레이저광을 필요한 부위로 전달 가능하므로 체내의 치료는 물론 현미경과 함께 사용하여 뇌와 같은 미세한 부분의 정밀 수술도 할 수 있다.

<그림4-1> 레이저 의료의 특징

레이저 의료의 발전

레이저의 초창기인 1960년대에 있어서는 필요한 출력을 얻기 위한 레이저의 발진장치 크기가 너무 커서 설치와 취급이 곤란했고, 또한 사용 가능한 레이저의 수효가 적어 널리 보급되어 있지 못했으므로, 이 당시 의료 분야에 있어 레이저의 응용은 주로 루비레이저를 이용한 피부의 반점 제거나 암치료 가능성에 대한 기초적인 연구와 망막의 혈관을 응고시키는 광응고 기술이 연구되었고 1964년에 탄산가스 레이저가 개발된 이후부터는 이를 메스(Mess)로 이용하는 외과 수술 연구가 행해졌다. 1970년대 중반 이후 저손실 광파이버의 실용화에 의해 이를 도광로로 이용한 레이저에 의해 신체 내부기관의 수술 방법이 새롭게 개발되기 시작했다.

최근에는 레이저 장치의 소형화와 종류의 다양화에 힙입어 외과, 안과, 피부과, 치과, 내과, 산부인과 등 광범위한 의료분야에 파급 사용되고 있고 이 중에서 안과는 레이저가 가장 많이 보급 사용되고 있는 분야이다. 현재 이용되고 있는 치료 및 수술용 레이저의 경우, 파장범위는 대략 0.2에서 10㎛ 사이이고 출력은 연속파인 경우 대략 1mW에서 100W까지 사용되고 있고, 펄스인 경우는 첨두출력이 수십 ㎼까지이다.

조직과 레이저빔의 상호작용

인체조직의 특성

<그림 4-2> 대표적인 치료용 레이저광의 생체조직에서의 흡수, 산란 특성 아르곤 레이저의 경우 생체조직에 혈류가 있을 경우 1㎝ 이상 도달할 수 있다.

생체 조직의 표면은 레이저 파장에 비해서 상당히 거칠고, 또한 광학적으로 불균일 하므로, 빛은 조직 표면에서 반사는 물론, 조직 내부에서 산란을 일으키며 또한 조직 내부의 물, 카로틴, 헤모글로빈, 단백질 등에 의해 흡수된다<그림 4-2>.

빛이 조직 내부의 물질 성분들에 의해 흡수되는 양은 파장에 따라 달라지며 또한 조직 부위의 구성 상태에 의해서도 달라진다. 조직 표면에서 빛의 산란은 빛의 파장에 비한 조직 표면 거칠기의 상대적인 크기에 따라 달라지는데 탄산가스 레이저 경우는 파장이 조직 표면의 거칠기에 비해 상당히 커서 산란은 미약하며, 아르곤과 니오디뮴 : 야그 레이저 경우는 파장이 조직 표면 거칠기와 거의 비슷하여 표면에서 산란이 많다<그림 4-2>.

우리 인체의 조직은 60∼90%가 수분으로 구성되어 있으므로, 수술의 경우 열 작용은 물분자에 의한 레이저빔 에너지의 흡수에 의해 일어나는 것으로 볼 수 있고, 치료의 경우는 피부의 색소, 산화 헤모글로빈, 헤모글로빈 등에 의한 흡수가 중요한 역할을 한다. 레이저 빔의 조직 성분에 의한 흡수 정도는 파장별 대역에 따라 달라지며, 파장의 길이에 따라 하는 작용도 다르다. 이미 우리가 알고 있는 자외선이라고 부르는 빛은 파장이 400nm 이하로 살균 작용을 하며 또한 피부의 멜라닌색소를 자극하여 피부를 태운다. 그러나 파장이 320nm 이하의 빛은 세포의 DNA에 잘 흡수가 되어 세포의 변형을 초래하거나 조직에 손상을 끼치므로 필요 부위 이외의 조사를 피해야 한다. 대부분의 자외선은 우리 눈의 수정체까지에서 그 에너지가 거의 다 흡수되므로 눈의 보호가 필요하다<그림 4-3>.

<그림 4-3> 눈의 각부에 있어 UV의 파장별 흡수율

<그림 4-4> 개(Dog)의 절단조직 표면의 가시, 근적외선 영역 스페트럼 특성

가시광선의 경우는 사물을 인식하게 해주나 과도하면 눈에 해를 끼칠 수가 있고 사람에 따라서는 광 과민성 피부염을 일으킬 수도 있다. 그리고 적외선의 경우는 열 작용을 하며 피부에 특별한 해로움을 끼치지는 않으나 과도할 경우는 피부를 건조하게 하거나 눈을 손상시킨다. 인간의 피부는 극히 균질성이

결여되어 조직의 종류나 부위에 따라 흡수가 크게 달라진다. 체내의 조직인 경우 빛의 파장이 1.2에서

1.8㎛ 이하일 때는 위, 간, 폐, 피부, 지방의 순으로 빛의 흡수도가 커진다<그림 4-4>. 그러므로 인체의 특정 부위를 수술이나 치료할 경우는 파장과 에너지에 따른 레이저빔의 조직과의 상호작용 특성을 충분히 이해를 해야만 레이저의 이용 효율성을 높일 수가 있다.

파장(㎚)	흡수층	병	비고
200∼315	각막	광각막 염증	화학반응"피부암"
315∼400	수정체	백내장	근자외
400∼550 500∼780 780∼1,400	망막	청색광 손상	빔강도가 높을때
1,400∼3,000	수정체에 일부흡수	백내장
3,000∼10,000

<표 4-2> 레이저의 광의 눈에 대한 영향

파장범위(㎚)	병 명	비고
200∼280	피부노화,피부암
280∼310	피부반점 증가
310∼400	피부반점증가,감광 반응
400∼700	감광 반응
700∼1000	피부 탐, 과다한 건조피부효과

<표 4-3> 레이저 광의 피부에 대한 영향

레이저빔의 조직내 침투 특성

조직(Tissue)표면은 레이저빔의 파장에 비해 거칠어서 레이저빔이 입사하면 표면에서 일부 에너지가 반사와 산란에 의해 소멸되며, 그 나머지는 조직 속에서 침투해 들어간다<그림 4-5>. 조직 표면에서 반사와 산란의 정도는 표면의 거칠기 정도와 굴절률 그리고 조사 빔의 표면 입사각에 따라 정해지며, 조직 속으로의 침투 정도는 조직의 성분, 입사 레이저빔의 파장에 따라 달라진다.

레이저빔 에너지의 이용 효율 면에서 보면, 조직 표면에서 반사나 산란은 불필요한 것이나, 내시경을 사용하여 치료 또는 수술부위를 관측할 경우는 빔과 작용하는 표면으로부터 반사나 뒤로 산란하는 광의 존재는 아직 중요하다. 물체 내에서 레이저빔의 감쇄 정도는

I = I_oe^-σl

로 표시되는데, 여기서 I_o는 조직 표면에서 입사빔 강도, I는 거리 ℓ만큼 침투시 입사빔 강도, σ는 감쇄계수, l은 침투 길이를 나타낸다. I_o/I가 대략 0.37정도가 되는 침투 깊이 ℓ을 흡수장(Absorption Length)이라 하며, 0.1이 되는 길이를 소광장(Extinction Length)이라 하는데, 소광장은 흡수장의 약 2.3배가 된다. 흡수장 ℓ의 파장 및 조직의 성분에 따른 변화정도<그림 4-6>를 관찰하면 다음 몇 가지의 사실을 알 수 있다.

<그림 4-5> 광이 조직에 입사하면 일부는 표면에서 산란 및 반사를 하고 일부는 조직내에 침투하여 산란흡수되고 그 나머지는 조직을 투과한다.

<그림 4-6> 파장별 레이저 및 그 침투 깊이

<그림 4-7> 레이저 빔의 흡수특성과 조직 침투 깊이

1. 수분을 제외한 다른 조직 성분은 도시된 파장 영역에서는 파장이 길어짐에 따라 감쇄율이 줄어들며, 수분의 경우는 가시광 영역을 중심으로 감쇄율이 좌우로 증가하는 경향을 보이고 있다. 조직의 절개 또는 절단을 요구하는 수술의 경우, 파장이 1㎛ 이상인 레이저가 적합하다. 관절부의 수술과 같이 유체를 통해 수술 부위에 접근이 가능한 경우는 레이저 탐침자를 수술부위에 밀착시켜야 한다.

2. 가시광 영역에서는 피부의 색소, 피 속의 헤모글로빈 등에 의한 감쇄가 큰 영향을 미친다. 레이저 치료의 경우는 가시광이나 가시광 영역에 가까운 레이저가 적합하나, 인간의 피부 특성은 개인에 따라, 공간적으로, 조직에 따라 다르고 또한 조사에 따른 생리적인 응답도 다르므로, 가장 좋은 치료 효과를 얻기 위해서는 필요 파장대에 걸쳐 동조가 가능한 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.

3. 파장이 0.193㎛인 아르곤플로라이드 엑시머 레이저는 침투 깊이 1㎛ 이하, 2.94㎛인 얼비움 : 야그는 1㎛ 정도, 1.06㎛인 니오디뮴 : 야그는 1mm정도, 2.1㎛ 홀로미움 : 야그는 0.5mm이하, 녹색의 아르곤 과 니오디뮴 : 야그의 제2 고조파는 대략 수 100㎛ 이하 그리고 10.6㎛인 탄산가스의 경우는 수십㎛에 이른다<그림 4-7>.

상기의 침투 깊이 데이터는 에너지의 63%정도가 소멸되는 깊이를 나타내므로 실제 레이저빔의 조직내 침투 깊이는 흡수장보다 훨씬 크다고 할 수 있다. 그러므로 레이저의 출력이 필요 이상 큰 경우는 수술 부위 주변에서 멀리 떨어져 있는 정상 조직에까지 레이저 에너지가 전달되므로 열 작용의 영향에 의해 조직의 손상이 깊어질 가능성도 있다. 그러므로 특정 부위의 치료나 수술을 위한 레이저의 선정에는 레이저 파장별 조직 침투 깊이는 물론 수술 부위의 광학적 특성까지도 고려하여야 한다.

조직 성분에 따른 빛의 흡수는 단백질과 DNA는 파장이 200∼350nm 사이의 자외선, 물은 2.5∼8㎛ 사이의 적외선을 그리고 헤모글로빈은 청색과 녹색(455∼572nm) 파장의 빛을 흡수한다. 그러므로 이 파장들의 빛은 상기의 물질이 많은 조직내의 침투 깊이는 얕다. 파장이 600∼1300nm인 빛은 조직에서 가장 적게 흡수가 되므로 조직내 침투 깊이가 깊다. 파장에 따른 빛의 조직내 침투 깊이 특성은 용도에 따라 맞는 파장의 레이저를 선정해야 한다는 것을 나타낸다. 조직내 침투 깊이가 깊은 파장의 빛을 이용하면 X선 이나 양자선을 이용한 단층 촬영 장치와 같은 광을 이용한 단층 촬영 장치의 구성이 가능하다.

우리 인체를 투과하여 나오는 광은 X선 단층 촬영과 같이 광이 지나온 궤적의 정보를 포함하고 있으므로 단층 촬영이 가능하다. <그림 4-8> 광은 생체와의 친화성이 뛰어나므로 광 단층 촬영 장치는 X선 이나 양자선의 그것에 비해 단기간 반복 사용이 가능하며, 또한 지나온 경로에 있는 조직 성분에 대한 정보도 포함하고 있으므로 현재 구현을 위한 연구가 활발히 진행중이다.

<그림 4-8> 계란의 레이저 단층촬영

광열작용에 의한 조직의 변형

레이저의 메스적 응용에서는 조직 이탈이 일어나는 온도까지 조직이 가열되어야 하며 광응고는 단백질의 응고 및 변성이 일어날 때까지 온도를 높여야 한다. 레이저에 의한 조직의 국부적인 가열이 혈류에 의한 냉각 작용을 초월하게 되면 조직 자체의 온도가 상승하게 된다. 조직의 온도가 증가하여 100℃ 정도가 되면 세포의 내부와 세포 사이에 존재하는 물이 증발을 시작하여 조직내 증기 압력이 증가함에 의해 조직 폭파가 일어나 조직이 절개된다<그림 4-9>. 온도가 더욱 높아지면 물의 증발은 물론 단백질이 변성되며, 조직이 건조 수축된다. 절개된 조직 표면은 계속적인 레이저 가열로 탄화(조직내 탄수화물이 탐)가 일어나서 연기와 가스를 발생하는 증발 연소를 일으킨다<그림 4-9-1>.

강한 연속파의 레이저를 생체에 입사시켰을 때는 상기의 연소 과정이 동시에 일어나면서<그림 4-10>, 열의 일부가 주위로 전달되어 소모되므로 주변 조직이 열에 의해 수축되어 달라 붙게 된다. 이 달라붙음이 혈관의 응고를 유도하여 지혈 작용을 일으키므로 무혈 수술이 가능하다. 그러나 만약 열이 지혈 작용을 일으키는 깊이보다 더 깊숙이 있는 조직까지 전달되게 되면, 건강한 조직까지 손상을 입게 되므로 수술 부위 회복에 장애를 끼치게 된다. 그러므로 수술시 조직의 특성에 맞는 레이저의 선택이 중요하다.

<그림 4-9> 레이저 광에 의한 생체조직의 절개과정

<그림 4-9-1> 각종의료용 레이저의 응용분야 및 열작용에 의한 조직 변화 및 온도 상태

<그림4-10> 강한 레이저 빔에 의한 조직 절개

레이저의 치료 및 수술기

치료 및 수술기 개요

<그림 4-11> 탄산가스레이저 마이크로 수술장치

<표 4-4> 의료용 레이저의 특정 및 용도

파장영역	종류	파장(㎚)	출력(연속)	출력(펄스)	용도
자외	ArF	193.351		0.6J	조직파괴,동맥내 수술 동맥내 기름 갭슘 플라크 제거 안과 및 심장 수술
	XeCl	308		250mJ까지
	N₂	337.1		9mJ	생체자극, 생물학적 연구
	Ne-Cd	325.0 441.6	1∼15㎽ 10∼50㎽		생체 자극, 형광법, 유속계,현미경
가시	Ar+	488 514.5	0.5∼20W		혈관종치료,세포미소외과,치과,망막, 광응고,조직 특성 결정, 홀로그래피
	Gold Vapor	628		∼4.5W (첨두50KW)	광화학 요법
	Dye	504-620		2J까지	광화학 요법, 안과, 피부반점,모반,주근깨, 담석제거
	He-Ne	632.8	1∼75㎽		생체 자극,창상치료,유속계,침술,투과조명,사진, 세포미소외과
	Kr+	647.1	10∼20W		망막 광응고, 홀로그래피
	Ruby	694.3 373(고조파)		(첨두수10 MW)2J까지	피부 종양, 뇌에 조사, 안과용 광응고, 홀로그래피, 분광분석 피부반점 치료
적외	반도체	830(GaAs) 910(AlGaAs)	10∼20㎽	(첨두수 10MW)	통증치료, 레이저 지팡이
	Nd:YAG		1∼100W	(첨두수MW)	내시경, 광응고, 비뇨기과, 신경과, 피부과, 외과수술용 레이저메스, 심장내과,일반외과
		1064
	Ho:YAG	2010	60W까지	4J까지	심장내과, 안과, 정형외과
	Nd:Glass	1064,532		0.5J까지	안과, 피부과, 치과
	Er:YAG	2940		1J까지	안과, 치과
	Co	5300	∼40W		동맥내 수술
	Co₂	10600	∼100W까지		레이저 메스, 일반수술, 일반외과, 치과용 치료, 피부
	Ti:Al2O3	700∼1000mm		1J까지	비뇨기과,피부반점

레이저 치료 및 수술기는<그림 4-11> 크게 특정 파장과 출력의 빔을 생성하는 광원으로써의 레이저 발진부, 광원의 빛을 환부까지 전달해 주며 또한 환부에서 반사된 빛을 모아 모니터로 보내 주는 도광로 그리고 환부의 영상을 모니터하는 영상 모니터부로 되어 있다. 레이저 발진부는 치료나 수술에 필요로 하는 특정 파장과 출력의 레이저빔을 발생하는 장치이다.

레이저 의료에는 지금까지 언급된 대다수의 레이저가 이용되고 있다<표 4-4>. 의료용 레이저는 산업용 레이저에 비해 출력이 낮고, 적용 대상이 인체의 조직과 같이 수분을 많이 포함하는 불균질한 물질이기 때문에 종류가 다양하다는 것이다. 레이저 발진부는 도광로를 통한 환부의 치료 상태 자동 진단에 의한 컴퓨터 제어가 가능하다.

도광로

도광로는 반사경을 이용하는 경우도 있으나 주로 광파이버가 사용되며 이전의 방법으로는 도달하기가 힘들었던 부위에까지 접근하게 하여 레이저 수술 및 치료기의 효용을 극대화시키고 있다. 종래의 경우 인체 내부의 수술은 환부를 직접 눈으로 봐 가면서 해야 하므로 인체의 필요 부위를 크게 절개해야 했으나 도광로의 사용으로 필요 최소한 부위 절개만으로 환부와 근접이 가능하므로 의료진이 환부와 격리된 상태에서 수술이 가능하다. 또한 기관지, 장, 위 등에서의 출혈, 종양 등의 수술을 위해서는 두 번의 절제(피부+기관)가 필요했으나 도광로를 사용하면 레이저빔을 직접 환부까지 전달 가능하므로 절제를 한 번도 하지 않고 치료가 가능하다. 현재 도광로는 레이저의 출력을 환부까지 전달해 주는 전력 파이버, 내시경의 형태로 환부를 관찰할 수 있게 하는 영상용 광파이버 다발 그리고 환부의 상태를 진단하는 광파이버 센서가 한 개의 도관으로 묶여 있다<그림 4-12>.

<그림 4-12> 도광로를 이용한 레이저 혈관 성형술

광파이버는 의료용 레이저 시스템의 성능과 응용을 결정해 주는 중요한 소자이다. 전력 파이버는 수술에 필요한 고출력 단 펄스 레이저빔에 손상을 입지 않을 높은 손상 한계치를 가져야 하며, 사용 파장에서 전달 손실이 적어야 한다. 전력 파이버는 보통 200∼1000μm 사이의 직경을 가지며 10mJ∼100mJ 사이의 에너지를 전달하는데 만약 펄스폭이 10^-9∼10^-6초이면 파이버 코어에 대략 10⁶∼10⁷W/㎠의 에너지가 걸리는데 이 정도의 에너지는 파이버 주위의 물에 충격파를 발생시킬 수 있어 이 충격파에 의해 파이버 자체가 손상을 입을 수 있다. 그러므로 파이버 단에는 특수한 선단부를 부착하여 손상을 최소화시키고 있다.

현재 주로 쓰이고 있는 실리카 파이버는 코아 직경이 400∼1000㎛로 500∼2100nm의 파장 영역에서 쓰이고 있으나, 500nm 이하와 2100nm 이상에서는 실리카 파이버가 높은 손실을 나타내므로 도광로로 사용이 어렵다. 탄산가스 레이저의 경우는 도광용의 광파이버가 개발되어 있지 않아 튜브와 다단의 접합부에 부착된 반사경을 이용하여 가장 편리한 위치에서 빔을 환부까지 전달한다.

영상용 광파이버 다발은 내시경의 기능을 하는 것으로 해상도가 20선/mm 정도로 직경 2mm내에 대략 10,000가닥의 파이버가 다발로 묶여 있다. 내시경은 보이지 않는 밀폐된 공간 내의 물체를 보기 위한 광학 장치로 용도에 따라 15배 내지 30배 정도의 확대 기능을 가지고 있으며, 인체 내부의 관찰과 관련하여, 후두경, 식도경, 혈관경, 복관경, 관절경 등 적용 부위에 따라 여러 가지 다른 이름의 내시경이 있다<표 4-5> 각 내시경은 기능보다는 물리적인 치수에 있어 조금씩 차이가 나며, 이중에서도 혈관성형술에 쓰이는 혈관경의 직경이 가장 작다.

도광로내의 광파이버 다발은 전단과 끝단의 광파이버 배열이 정합이 되어 있어 전단에서 받은 영상이 그대로 끝단에 나타나므로 영상 전송이 가능하다. 영상용 광파이버 다발을 통해 매우 미세한 영상을 보려면 먼저 집광도와 해상도가 높은 것을 사용해야 한다. 집광도가 높으려면 각 광파이버는 직경이 커야 하고 해상도를 높이려면 다발의 단위면적당 광파이버의 수, 즉 광파이버의 밀도를 높여야 한다. 다발내 광파이버는 직경이 10∼20㎛ 정도이고 파이버간의 상호 간섭을 방지키 위해 각 광파이버는 1.5∼2.5㎛ 두께의 얇은 피복으로 싸여 있다.

내시경을 단독으로 사용하여 위점막이나 그밖의 조직에 대한 병리 생리학을 연구하는 데도 사용하며 담낭 제거 수술의 경우는 내시경과 전기 메스를 같이 사용하기도 한다. 현재는 해상도가 아주 높은 3차원 영상을 얻을 수 있는 홀로그래피 방식에 의한 내시경도 개발 중에 있다.

레이저를 이용하는 진단·치료·수술기술

진단, 치료 및 수술의 개요

레이저와 생체의 작용은 레이저 에너지의 생체에 의한 흡수가 그 주요 기반이다. 레이저빔이 생체에 조사되면 생체의 조직은 그 에너지를 흡수하여, 여기, 가열, 이탈 등의 현상을 일으킨다. 레이저빔의 조직

<표 4-5> 내시경 종류

종 류	역 할	대표적인 사양
후두경 식도경 마이크로내공계 기관지경 위내시경 결장경 관절경	성대수술과 검사 식도수술과 검사 비공의 수술과 검사 허파내부의 수술과 검사 위장수술과 검사 창자의 수술과 검사 관절수술과 검사	길이:300∼1500mm 외경:2∼200mm 보조채널경: 5∼3mm Depth of field:               5∼100mm 시야각:50∼70˚ 해상도:20lines/mm 혈관경이 가장 적은 외경을 가짐 (1.5∼1.8mm)
혈관경	혈관 수술과 검사
복강경	여성의 생식기 시스템 수술과 검사

가열에 의해 일어나는 작용을 광열작용이라 하며, 고 에너지 밀도의 레이저빔이 국소적으로 조직에 조사됨에 의해 일어나는 플라스마 및 음향효과에 의한 충격 작용 그리고 높은 광자 에너지 레이저빔이나 레이저빔의 광선 유도체와 화학적 반응에 의해 일어나는 광화학 및 전리작용 등이 있다. 이러한 작용들을 이용한 의료 분야에 있어 레이저의 응용은 크게 검사와 수술 그리고 치료로 대별된다.

수술 및 치료 분야는 주로 레이저 에너지를 열적으로 이용하는 것으로 레이저 메스, 레이저 광응고, 치아의 표면 융합, 피부 반점 제거, 레이저 침구등 기존 방법에 비해 비접촉의 무혈인 수술과 치료를 가능케 하고 있다.

검사 분야에 있어 레이저의 응용은 다른 과학 및 산업 분야에서의 계측적 응용과 마찬가지로 레이저빔의 코히런트 특성을 이용, 생체의 정상, 질병 또는 치료 평가를 위해 체내 조직, 체액 또는 분비물 등의 화학성분변화, 색깔 변화, 형태변위, 조직경도변화, 농도변화 등을 측정하여 질환의 발견 및 진행 정도를 파악하기 위한 것이다.

검사는 체내 조직에 직접 행하는 생체 검사와 생체에서 얻어진 미생물, 액체(혈액, 오줌, 위액 등), 조직(점막, 장기 따위) 등의 병리학, 생화학및 생리학적 검사를 행하여 생체의 기능을 진단하는 신체검사로 세분된다.

<표 4-6> 레이저에 의한 생체 검사

분류	응 용 예	측 정 기 술
조사 조명	폐암진단(백색광원보다 하수체의 색소 혐오성 종양에 예민)	레이저 투과 광량 측정
광회절	시야측정	회절 무늬 분석기
광간섭	골격근의 구조 요동, 단축 따위의 변위 측정 고막진동검사 흉곽면 미소변위측정(레이저 청진기) 안구각막 두께 측정(He-Ne 레이저) 조직의 경도 측정 망막 해상력 측정(He-Ne레이저) 혈관조영	근절의 변위 측정 호흡운동과 수반한 흉곽면의 미소 변위 측정 0.55mm 정도의 두께 측정 간섭호를 이용한 광도계 간섭호 패턴이용: 백내장안구의 시력 측정
선광	수양액 글루코즈 농도 측정
산란	백내장입자계측(Nd:Glass 레이저,He-Ne 레이저)	후방산란 패턴측정
반사흡수 및 분광	동공 직경 측정 비관혈적 혈액성분 동정(Co₂레이저) 국소혈행 동태 측정 (Dye 레이저) 국소 대상 정보취득 발광 분광 분석 광음향 분석 치료용 레이저 파장선택을 위한 조직 반사율 측정 산소 포화도 측정 호흡중 알코올 검사 레이저 분광내시경	스펙클분석,위,간장 따위의 조직내 Hb 정량, 산소소비속도, 산소포화도 측정 레이저 마이크로 탐침자
형광	심근의 흥분전위 측정 헤마토 프로필린 유도체 투사에 의한 암의 동정 레이저 형광내시경	초기 위암의 고유형광 헤마토포르필린의 발광에 의한 암진단
스펙클 패턴	수정체 굴절이상 검사 고막 진동 해석	전자스펙클 패턴 간섭계
홀로그래피	안저검사, 안구 홀로그램 고막진동해석 상악총 의치의 변형측정 교합력,조작력 측정 발성시 구강내 진동해석 내시경 홀로그래피 시스템	내시경 Holography(루비 레이저)
도플라	안저동맥의 혈류측정 국소 혈관내 혈류 속도 분포	레이저 도플라 유속계
기타	마이크로웨이브 조사에 의한 고열 치료시 종양부위 온도측정(He-Ne 레이저) 통각계, 온각계, 색각계 따위의 입력 극미약 광측정	광파이버 센서 이용 필요 자극문턱치 측정 단일 광자법

 

레이저에 의한 검사의 원리 및 종류

검사의 목적은 환부의 상태나 체액의 성분 등을 직접 또는 간접으로 분석함에 의해 이와 관련한 병명이나 이의 진행 상태, 치료시에는 치료의 정도를 정확히 파악하여 치료의 종류와 정도를 결정하기 위한 것이다.

검사 분야에 이용되는 레이저 응용 기술은 레이저빔의 간섭성에 근거한 투사 간섭무늬와 스펙클 패턴에 있어 변동을 측정하여, 체형의 이상해석<그림 4-13>, 시력검사<그림>, 안구 굴절 이상<그림> 및 망막병변, 시신경 이상 유무 판정 등 레이저빔의 조사에 의해 피검체에 미리 주입된 형광 물질이나 피검체 자체에서 발생하는 여기 형광의 량을 판별하여 암부위 진단, 세포분류 등, 피검체의 움직임에 의해 야기되는 레이저 주파수에 있어 변화 즉 도플러 주파수 천이를 이용한 혈관 내 혈류속도의 무침습 계측, 세포의 전기영동 속도 측정 등 홀로그래피를 이용한 고막 진동 해석, 위카메라 내시경 상 및 X선 CT상의 입체화 등 광로중에 놓인 입자에 의해 산란되는 산란 레이저광의 정량적 분석에 의한 항원항체반응 측정, 수술시 수술대 주변에 공간 분포되는 조직 및 혈액내 백혈구, 적혈구, 혈소판 등의 량측정 등과 기타 레이저를 광원으로 사용하는 현미경에 의한 해상도 향상 등이 있다. 혈관의 혈규속도 및 혈액내 입자수의 측정을 혈액내 입자에 의해 산란되는 광량의 철대량 및 주파수 천이량을 분석함에 의해 얻어진다<그림 4-14>.

암 진단의 경우는 파장이 약 400nm인 레이저빔을 환부에 조사하여 생기는 형광 스펙트럼을 분석하여 암의 여부를 판정한다. 최근에 개발된 폐영상 형광 내시경은 형광 물질의 주입이 없이 파장이 442nm인 He-Cd레이저를 폐에 조사하여 생기는 형광을 측정하여 폐암을 진단 가능하다<그림 4-15>.

최근 에이즈의 확산과 함께 수술 과정에서 생겨나는 조직의 파편이나 혈액의 입자들에 의해 의료진이 감염되는 것을 막기 위해 이 입자의 크기와 농도를 측정할 필요성이 증대되고 있다.

<그림 4-13> 레이저 간섭무늬로 신체이상 유무판별

<그림 4-14> 레이저 도플러법을 이용한 혈류계 (a) 시스템 구성 (b) 관상 동맥 내의 혈류 속도의 시간에 따른 변화

<그림 4-15> (상)백색광으로 촬영한 폐의 사진과 (하)레이저를 이용해 촬영한 폐 진단용 사진은 암세포의 존재(적색부위)를 알으켜 줌

<표 4-7> 레이저를 이용한 검체 검사

광학적 물리량	측정기술	의학적 응용
굴절측정	굴절계	뇨의 비증측정, 혈액형판정, 알콜 증기측정
편광측정	분극계	혈액 생화학 물질의 선광성 측정, 당, 단백질 정량
반사율 측정	반사계(직류전계 인가시 반사율 변화측정)	맥박측정, 색소측정, 혈구응집검사
레이저 분광	레이저 현미경 레이저 라만-, 형광-,인광-분광계 광음향 분광계	체액성분검사 위의 암병리 검사
형광	레이저 면역형광 분석	비타민, 효소 Steroid Hormon
레이저 유체 마이크로 광도계	형광여기 조직 분류기 세포형광기록계 쿨터 에픽스	면역학,종양학 세포 분석
레이저 산란	탁도계 비탁계 광임펄스응답 산란광 강도	항원항체 반응검출, 혈장단백질량, 혈중약물, 농도 및 고분자량 측정 혈소판 응집검출 뇨증박테리아 크기,혈구분석
도플러	레이저 도플라 유속계	정자 부영속도, 항원 항체 반응 검출
화상처리	카메라	혈구분별, CT상 해석, 세포진단용

레이저 수술과 치료의 원리 및 특징

레이저 수술

레이저 수술은 고 에너지 밀도를 가진 레이저빔의 국부 조직 가열에 의해 일어나는 충격 및 광열작용을 이용하여 생체 조직이나 근육의 절개 및 절단 그리고 혈관 응고 및 지혈을 행하는 것을 말한다.

레이저 수술은 통상 기존의 메스에 의한 것보다는 수술에 긴 시간이 소요되나, 필요 부위에만 빔을 전달할 수 있으므로, 환부의 크기를 극소화시킬 수 있고 지혈 작용도 가지고 있다. 특히 광파이버를 이용한 내시경(Endoscope)에 의한 빔전달은 기존의 전기 메스(Mess)에 의해서는 아주 힘이 들었거나, 큰 절개에 의해서만 가능했던 신체 내부 부위와 같이 접근이 어려운 곳의 수술을 내시경의 외경(수mm)에 해당되는 복개만으로도 가능케 하므로, 수술 팀의 환자의 체액 및 조직과의 접촉을 최소화시키며, 수술이 간단하고, 수술후 환자의 고통 감소 및 회복도 빠르다. 또한 수술 부위의 직접 관찰도 가능하므로 완벽한 수술을 가능케 하고 있다<그림 4-16>.

레이저 수요의 대부분은 수술 및 치료적 응용을 위한 것이며, 수술을 위해서는 짧은 시간 내에 높은 에너지 밀도를 가진 광선의 조사를 필요로 하므로 고출력 펄스형 레이저를 필요로 한다.

<그림 4-16> 내시경을 이용한 수술

레이저 치료

치료란 조직의 일부를 자르거나, 떼어 내거나, 붙이거나 하는 것보다는 이상이 있는 조직 부위를 그대로 두고 치유시키는 것을 말한다. 레이저의 치료적인 응용은 광열작용에 근간을 두고 있으며, 수술의 경우보다 레이저 빔 사이즈가 크고 빔강도 분포 또한 가우시안 보다는 균일한 것이 바람직하며 주로 조직내 함유된 색소에 의한 레이저 빔 에너지의 흡수에 의해 효과가 나타난다. 그러므로 치료 부위에 있는 색소가 가장 잘 흡수하는 파장의 레이저를 선택해야만 주변 조직에 영향을 최소화 할 수 있다.

치료적인 응용에는 레이저 온열 요법과 같이 암과 같은 인체의 비정상 조직을 가온에 의해 치료하는 레이저 온열 요법과, 헬륨-네온 또는 반도체와 같은 주로 낮은 에너지 레이저빔을 이용 인체의 맥점이나 피부를 침이나 뜸과 같이 자극시킴에 의해 피부나 근육의 통증 제거 또는 환부의 완치를 촉진시키는 광 자극 치료 또는 저 에너지 레이저 요법(LLLT : Low Level Laser Theraphy) 그리고 인체 내의 종양에 잘 모여드는 유도체인 헤마토포르필린 또는 포토프린Ⅱ를 이용, 이 유도체에 특정 파장의 레이저빔을 조사하여 광화학적 반응을 유도시킴으로 종양 세포를 치료하는 광 역학적 치료(PDT : Photodynamic Therapy) 방법이 있다. 치료적 응용의 경우는 생체 자극이나 광화학 반응을 유도하기 위해서는 광박리, 조직 용접, 결석 제거, 조직 절단을 필요로 하는 수술적 응용보다는 낮은 에너지 밀도의 빛을 시간을 두고 조사해야 한다. 레이저를 이용한 수술 및 치료가 효율적이기 위해서는 조직의 특성인 경도, 색소의 유무와 량, 세포 밀도, 혈관의 분포 상태, 혈류의 상태 등을 미리 파악하고 난 뒤, 이에 맞는 파장, 출력 및 출력 모드, 조사시간 및 간격을 갖는 레이저를 선정해야 한다

<표 4-8>.

분류	응용	비고
절개	조작기 의과용 레이저 메스(CO₂레이저)	절개용
미소조직파괴	피부과용 레이저 메스(Ar+, 루비 레이저) 녹내장 채료(Dye 레이저) 정밀 수술(CO₂레이저)	피부반점 치료
응고	내시경 레이저 (Nd:YAG, Ar+레이저) 망막광응고장치(Ar+, Kr+ 레이저)	위궤양, 방광암,폐외과
광화학 반응	암의 선택적 치료(Dye, ArF 엑시머)	헤마토 포르필린 유도체를 광활성 물질로 사용
레이저 가온	레이저 서미어(Nd:YAG 레이저)	다광자 흡수이용
증발	레이저 혈관 성형술(엑시머, 일산화탄소, Ho:YAG, Ar+레이저)	외경 2mm 광파이버로 빛 전달
쇄석	결석제거(Dye 레이저) 담석제거(Nd:YAG 레이저)	충격파 이용
용접	충치 치료(ND:YAG 레이저): 혈관 봉합용(CO2, Nd:YAG 레이저)	1-10J/㎠ 펄스 레이저
자극	침술(He-Ne, 반도체 레어저) 창상치유 촉진용(He-Ne,반도체 레이저)	광에 의한 생체 활성화
감각보조	레이저 지팡이 (GaAs 레이저)	레이저 빔에 의한 장애물 탐지

<표 4-8> 레이저 수술 및 치료 기술

조직 침투 깊이에 따른 수술의 특징

레이저빔의 조직내 깊은 침투에 의해 야기되는 수술 부위 주변 정상 조직의 열에 의한 손상 문제는 침투 깊이가 짧은 파장의 레이저를 사용함에 의해 해결될 수 있다. 이미 언급한 것과 같이 탄산가스 레이저는 조직의 침투 깊이가 얕아 그 에너지가 조직 표면에서 거의 다 흡수되므로 조직의 절개에 많이 쓰인다. 그러나 침투 깊이가 얕은 관계로 지혈 효과를 야기시키는 응고 층이 형성되지 않아 수술 부위에 출혈 문제가 자주 생긴다. 이 때문에 탄산가스 레이저보다 조직 침투 깊이가 깊은 아르곤 레이저를 병용하여 혈관을 응고시킨다. 그러나 혈관이 굵은 경우는 아르곤 레이저도 크게 응고 효과를 가져오지 못하므로 보다 침투 깊이가 깊은 니오디뮴 : 야그 레이저의 사용이 필요하다.

탄산가스 레이저의 출력이 수십W 되는 경우, 절개에 이용시, 초점에서 빔의 직경을 1mm로 하고 환부에 100ms 정도 조사한다고 가정하면 조사 부위의 온도는 약 10,000℃ 정도가 되나 수분이나 조직의 증발과 주변으로의 열전도 때문에 실제 조직 자체의 온도는 조사 부위 온도의 약 1/10 정도로 추정된다. 이 정도의 온도는 조직 깊숙이 까지 변질시킬 수가 있다. 이러한 고온에 의한 열 손상을 줄이기 위해서는 조직의 열 이완 시간(Thermal Relaxation Time = ι²/4x, ι은 흡수장, x는 물의 열확산율. 연 조직의 경우 열확산율은 물의 그것과 비슷)보다 짧은 폭을 가진 펄스를 발생하는 펄스레이저를 사용하는 것이다. 이 방법은 레이저빔이 어떤 깊이 이상까지 도달하기 이전에 빔이 중단되므로 침투 깊이를 제한할 수 있어 조직 변질의 깊이가 얇게 된다.

레이저를 집속시, 그 집속점에서의 빔사이즈는 파장의 수배 내지는 수십배 정도 사이가 되어 실제 조직과 작용하는 체적은 아주 적다. 예로 조직내 침투 깊이가 1mm 정도인 니오디뮴 : 야그 레이저의 경우 집속점에서 빔단면적을 1㎟로 하면 대략 1㎣인 체적의 조직 내에 빔에너지가 전부 소진되게 된다. 0℃의 물 1cc를 기화시키기 위해서는 대략 2674J의 에너지가 필요하므로 체적이 1㎣ 즉 1/1000cc인 조직을 니오디뮴 : 야그 레이저로 기화 절단시키려면 2.7J 이상의 에너지를 가진 것이 필요하다.

<표4-9> 각종 분자 결합 에너지와 레이저 광자 에너지 비교

분자결합	결합에너지(eV)	레이저	광자에너지(eV)
C=O C-H N-H C-C C-N	5.5 4.3 4.1 3.2 2.8	탄산가스 니오디뮴:야그 알곤 지논클로라이드 크립톤플로라이드	0.12 1.2 2.5 4 5
단백질 구조 (일부)		R     O       R      O   |   ∥        |    ∥ -C -C - N - C - C   |         |    |   H         H   H

<표4-10> 조직의 절개에 요하는 탄산가스 레이저의 출력

조 직 명	출 력(W)
피 부 피하지방 지 방 근 육 막 근 육 점 막 복 막 연 골 골 개 창	5 ∼ 15 10∼ 15 10∼ 20 5 ∼10 10 ∼20 5∼ 10 5∼ 10 15∼ 20 25∼ 35

레이저에 의한 충격파를 이용한 수술

펄스레이저 광을 물체에 조사하는 경우 펄스폭이 좁고(보통 1msec 이하) 출력 첨두치가 아주 높으면, 펄스가 조사되는 부위의 조직에 충격파가 발생하여 조직이 파괴된다. 이 높은 에너지 밀도의 광에 의해 물체에 충격파가 발생하는 것을 광음향효과라 하며<그림 4-17>, 이것이 생기는 원인은 두 가지로 요약된다.

첫 번째는 조사 부분의 조직 분자가 이온화하여 플라스마 상태가 되고 이 상태의 붕괴 과정에서 생기는 팽창에 의해 충격파가 발생되어 조직의 약한 부분이나 조직 층을 따라 진행하므로 그 진행방향으로 구멍이 뚫리거나 조직이 박리된다. 젤라틴의 경우 10⁷W의 광을 1msec 동안 조사하면 약 200psi (약 140Kg/㎠)의 충격파가 발생한다.

<그림 4-17> 레이저에 의한 열응력

두번째는 열응력에 의한 것으로 물체에 열이 가해지는 경우 물체가 불균일 하거나, 물체 각점의 온도가 동시에 상승하지 않거나, 또는 물체가 단단하고 형태 변형이 용이하지 않으면 물체의 각부가 균일하게 팽창하지 않고 조사 부분만 부풀어올라 폭파되므로, 이 폭파에 의해 발생한 충격파가 사방으로 전파되므로 물체가 파괴된다. 이 것이 색소나 니오디뮴 : 야그 레이저를 이용한 방광과 콩팥 내의 결석이나 간 내 쓸개관의 담석 제거 원리이다. 콩팥 내 결석제거를 위해서는 뇨관을 통해 도광로를 결석부위까지 삽입한다<그림 4-18>. 아주 단단한 고형 물질의 경우 보통 첨두출력이 10⁸W 이상이며 펄스폭이 10^-6초 이하인 펄스광을 조사하면 가루가 된다. 그러나 레이저 출력이나, 펄스폭 그리고 조사빔의 사이즈가 잘못 선택되면 고형체가 가루로 되기보다는 파편으로 변해 살 속으로 파고드는 경우도 생기므로 조심해야 하다.

<그림 4-18> 콩팥결석 제거술

레이저 광응고

응고란 열에 의한 조직의 수축으로 절개된 조직이 서로 달라붙거나 혈관이 수축되어 지혈되는 것을 말한다. 레이저의 광열작용에 의한 조직의 응고는 이미 1964년부터 루비레이저를 이용한 망막 내의 출혈을 지혈시키는 것을 시작으로 연구되기 시작했다. 광응고는 일종의 조직 용접 장치로 혈관 봉합 과 혈관 및 조직 접합에 쓰이고 있다. 광응고의 조직 접합에 사용되는 예는 망막 광응고이다. 망막 광응고는 심한 운동이나 강한 빛에 의한 손상으로 망막이 하부 안구 조직과 분리되어 있는 것을 레이저 빔에 의해 다시 접착시키는 것이다. 망막은 일종의 이차원 광검출기로 우리 눈을 통해 들어오는 빛이 상을 맺는 곳이므로, 이 망막이 다른 안구 조직과 박리 되어 있으면 우리 두뇌로 상이 전달되지 않으므로 실명의 원인이 된다.

<그림 4-19> 눈의 단면도

망막 광응고를 위해 초기에 사용되던 루비 레이저는 침투 깊이가 40㎛ 정도여서 안저 색소층<그림 4-19>에 잘 흡수된다고 할 수 없고, 출력이 안정되어 있지 않으며 펄스폭이 커서 정밀한 응고가 힘들므로, 출력이 안정되어 있고 안저색소에 잘 흡수가 되는 아르곤이나 크립톤레이저의 녹색 파장이 현재 이용되고 있다. 아르곤 레이저의 청색 파장인 488nm는 망막의 안쪽 층에 포함되어 있는 잔소필이라는 황색의 결정형 색소에 의한 흡수에 의해 신경 섬유층을 파괴시키므로 실명의 원인이 될 수 있다.

광응고의 혈관 봉합에 적용은 초기 루비 레이저에 의해 행해진 안저출혈의 지혈이다. 현재 광응고는 대부분이 안저 수술을 위해 사용되며, 아르곤 레이저의 녹색 파장 출력은 보통 3W 미만의 것이 사용된다. 광응고를 위한 레이저의 출력과 조사시간은 치료의 종류에 따라 달라지는데 아르곤 레이저의 경우는 보통 100Wcm^-2의 아르곤 레이저 빔을 0.1에서 1초 정도 조사한다.

안저 출혈의 가장 큰 원인인 당뇨성의 출혈은 보통 200에서 300mW 빔을 직경을 300에서 500㎛로 하여 0.1에서 0.2초간 환부에 조사한다.

혈관 접합

<그림 4-20> 혈광 봉합

광응고에 의한 혈관 접합은 종래에 봉합사로 행하던 절단된 혈관 사이의 접합을 레이저를 이용해서 하는 것을 말한다. 레이저로 혈관을 접합하는 경우는 우선 혈관의 단면을 반듯이 하고 3바늘 정도의 봉합사를 이용하여 양 혈관의 접합부를 정합시켜 놓고 레이저를 이용하여 양단면을 응고시킨다. 이 때 응고에 사용하는 레이저는 탄산가스 레이저로 빔의 크기를 100에서 200㎛ 정도로 하여 일정 속도로 접합부 주위를 이동 조사한다. 레이저의 출력이 100mW 이하일 경우는 조사 시간을 수초간하며, 2에서 20W 사이의 출력에서는 0.1초 이하로 한다. 이 경우 접합부위의 온도는 대략 65˚에서 85℃ 정도가 된다.

레이저 접합의 장점은 접합 시간이 봉합사로 접합하는 경우보다 적게 들며, 또한 봉합사로 접합시 생길 수 있는, 접합사 주변에 쌓이는 혈전에 의해 일어나는 혈관 폐쇄의 율을 줄일 수 있다. 봉합사를 쓰지 않고 혈관 접합을 하는 경우는 수용성의 고분자로 만들어진 튜브를 사용하여 양측을 정합 시켜 레이저로 응고시킨다<그림 4-20>. 이 수용성 고분자는 혈류가 개통되고 난후 수분 뒤에 용해가 되어 잔재가 남지 않으므로 완전한 접합이 된다. 레이저에 의한 접합은 혈관의 직경이 4mm 이상이 되면 곤란하다. 레이저 접합시, 접합되는 상방의 혈관이 정확히 정합되지 않으면 접합부에 혹이 생길 수도 있다.

레이저에 의한 조직의 접합은 세포와 세포를 결합시켜 주는 단백질의 일종인 콜라겐에 의한 것으로 알려져 있다. 레이저빔을 접합부에 조사하면 세포 사이에 있는 콜라겐이 따뜻해진 수분에 용해되어 풀과 같은 용액으로 변하여 조직을 붙이고, 냉각됨에 젤리 상태로 고형화 되어 붙인 조직을 그대로 유지시킨다.

<그림 4-21>193-nm 아르곤 플로라이드 레이저에 의한 광박리

(a)레이저 펄스는 수 마이크론 내에 각막조직으로 흡수

(b)193-㎚ 광자들은 각막조직이라는 탄소-탄소 분자결합을 초과하는 많은 에너지를 가지고 있기 때문에

(c)표면으로부터 수많은 세포 조각들을 방출시킨다.

(d)15×10^-9 이후에 광박리과정 완성

광화학 작용을 이용한 수술

광화학 작용이란 광을 물체에 조사하여 물체 내에 화학적 작용이 일어나게 하는 것을 말한다. 레이저빔을 조직에 조사시 일어나는 광화학작용에는 2가지가 있다. 그 하나는 조직의 구성 분자간 결합 에너지를 능가하는 광자 에너지를 가진 레이저를 사용 조직의 분자 결합을 파괴시키는 것이며 다른 하나는 치료적 응용으로 광 증감 물질을 이용하여 조직에 산화 작용을 일으켜 조직을 파괴하는 것이다.

광박리

고출력 레이저를 이용하는 열적 절개는 광자 에너지가 조직의 분자결합에너지 보다 낮고 또한 빔크기도 커서 조직의 접합면을 분리할 수 있는 정밀 수술을 할수 없지만 자외선 영역의 빛을 발생하는 레이저는 광자 에너지가 조직의 결합에너지 보다 높고 집속시 체적을 수 ㎛ 이하로 만들 수 있어 아래 조직에 영향을 미치지 않고 윗 조직의 일부를 분리해 내는 소위 광박리라 명해지는 정밀 조직절제가 가능하다<그림 4-21>.

엑사이머 레이저의 경우는 파장이 짧은 자외선을 발진하므로 그 광자 에너지가 단백질을 구성하고 있는 분자간의 결합 에너지보다도 높고 또한 집속체적 및 조직의 침투 깊이가 모두 니오디뮴 : 야그에 비해서 짧아 조직과 작용하는 체적이 아주 적다. 그러므로 적은 에너지로도 조직 구성 분자간의 결합을 파괴할 수가 있어<그림 4-22> 주변 조직을 열적으로 손상시킴이 없이 조직층 사이를 박리시킬 수 있는 정도의 정밀 수술을 가능케 한다<그림 4-23>. 자외영역 발진 레이저를 이용한 광화학 작용은 동맥의 혈전 제거, 각막의 절제 수술, 신경 및 뇌조직 절제 그리고 골조직 절제 등에 응용된다.

<그림4-22>레이저 광에 의한 생체조직 절개와 절제

<그림4-23>레이저 심장혈관의 치료 시스템:동맥혈전 및 혈관 우회수술

동맥의 혈전 제거는 혈관 성형술이라 하여 고혈압이나 당뇨병 등에 의한 혈관 경색으로 인하여 혈관 벽을 따라 침착된 콜레스테롤 즉 혈전에 의해 혈관이 좁아져서 혈류의 흐름을 방해하기 때문에 생기는 뇌경색, 심근 경색, 하지의 회저 등을 치료하는 방법이다 <그림 4-24>. 이전의 혈전 제거 방법은 니오디뮴 : 야그 레이저를 이용한 열적 기화였으나, 자칫하면 혈관 벽을 손상시킬 위험이 있기 때문에 현재는 파장이 308nm 지논클로라이드 레이저를 사용하고 있다. 혈전 제거에 보다 효율적인 방법으로 혈전에 잘 흡수되는 테트라사이클린을 혈전에 주입하고 테트라사이클린이 가장 잘 흡수하는 파장인 니오디뮴 : 야그 레이저의 3차 고조파인 355nm를 이용하는 방법도 연구되고 있다.

<그림4-24>레이저를 이용한 뇌혈관종 치료

<그림4-25>각막제거 수술에 사용되고 있는 안과용 레이저

각막 절제 수술

우리 눈은 각막의 곡률 반경과 수정체의 형태에 의해 촛점거리가 대략 17mm 정도로 유지되는데, 각막의 곡률 반경이 70% 이상의 결정력을 가지고 있다. 만약 각막에 이상이 생겨 각막이 두꺼워진 경우는 각막의 곡률 반경이 줄어들어 촛점거리가 짧게 된다. 고로 각막의 각막 절제 수술은 각막에서 완전히 흡수되는 파장인 193nm인 아르곤플로라이드 레이저빔을 이용하여 각막 상피를 곡률을 맞춰 가면서 정확히 절제하여 근시를 치료하는 방법이다<그림 4-25>.

사시의 경우는 안구 주위의 근육에 의한 장력이 불균형하기 때문에 일어나는데, 이 것의 시정은 근육의 일부를 절단하여 균형을 맞춘다. 원시의 경우는 각막이 얇아져서 촛점거리가 길어지는 경우이므로 레이저에 의한 절제수술은 할 수가 없으나 가열에 의해 각막의 곡률을 줄여 보정이 가능하다.

신경 및 뇌 조직의 절제는 환부 이 외의 주위 조직에 손상은 치명적인 결과를 가져오므로 광박리 수술이 위력을 발휘하는 분야이며 최근에는 무릎 관절의 연골, 등뼈, 치아 등 골 조직의 절제에도 응용이 연구되고 있다.