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문제 정의
- 본 연구는 광역학적 치료를 위한 기존의 광원장치가 가지고 있는 단점을 다이오드 레이저를 통해 극복하고, 다이오드 레이저 시스템이 가지고 있는 펄스형태의 방사모드 구현상의 문제점을 보완하여 임상의가 편리하게 사용할 수 있는 다이오드 레이저 시스템의 구현하고자 한다.
- 본 연구에서 제시한 광역학적 암치료는 인체 조직에 광감작제(Photosensitizer)를 투입한 후 일정한 시간이 지나면 정상조직에서는 사라지고 악성종양부위에 선택적으로 축적되어 있어, 이때 특정파장의 빛 에너지를 조사하면 암세포 조직내에서 광화학작용으로 인하여 단일항산소가 발생되어 세포내에 있는 기관을 파괴하여 조직을 괴사시키는 원리이다. 이 치료법은 최소침습 및 비침습적 방법이므로 정상조직에 피해를 주지 않고 암세포만을 선택하여 괴사시키므로 기존의 치료방법이 갖는 부작용이 적어 암환자에 대한 삶의 질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
- 본 연구에서는 암의 광역학적 치료를 위한 새로운 시스템으로서 다이오드 레이저 사용을 제시하고, 기존의 레이저 시스템이 갖는 단점을 보완하였다. 기존의 레이저에서 발생하는 온도의 상승 변화에 따른 파장대의 변화와 불안정한 전원공급 장치에 의한 출력의 세기 변화를 회로적으로 보완하여 안정한 레이저 빔을 발생하게 하였다.
가설 설정
- 빛이 생체조직을 투과할 때 단위 두께 당 흡수도는 같을 것이다. 즉 50%의 에너지가 어떤 주어진 두께에서 흡수되어지면, 남은 반의 빔의 에너지는 다음 층에 의해 흡수되어질 것이다.
제안 방법
- 그림 6은 레이저 출력 제어 프로그램 flowchart이다. LCD 화면에 디스플레이되는 레이저 출력값과 실제 레이저 출력을 일치시키기 위해 프로그램의 출력에 해당하는 데이터를 초기화한 후 실제 출력에 해당하는 데이터값을 선택하여 임의의 데이터(신호 전압)를 입력할 수 있도록 하였다. 이런 과정을 각 출력값마다 반복하여 최소값에서 최대값까지 각각의 데이터를 입력하여 선형적인 출력결과를 얻었다.
- PDT 레이저 시스템을 제어할 수 있는 프로그램을 개발하여 다양한 방사모드를 구현하였다. 그림 15와 그림 16은 공진기에 흐르는 전류를 검출한 파형이다.
- 출력 제어 장치에서 발생한 출력제어 신호 전압에 의한 레이저 출력의 값을 토대로 하여, 각각의 레이저 출력의 세기에 대한 출력 제어 신호 전압을 결정하였다. 그리고 이 신호 전압을 각각의 출력에 1:1로 입력할 수 있도록 설계, 개발하였다. 그림 6은 레이저 출력 제어 프로그램 flowchart이다.
- 다이오드 레이저를 이용하여 최대 300mW의 출력을 얻어냈으며, 다이오드 레이저에 손상을 입힐 수 있는 초기 돌입전류를 제어하여 최소 펄스폭 1msec까지의 펄스를 구현하였다. 또한 출력에 따라 냉각팬의 속도를 조절하는 공냉식 냉각을 통하여 ±23%에 달했던 출력변동률을 그림 14와 같이 ±7% 이내로 안정화시켰다.
- 가져오게 된다. 때문에 레이저가 발생하는 동안 공진기의 온도변화가 발생하지 않도록 하여 안정된 출력을 발생하도록 하였다. 주변 온도가 높고, 공진기의 온도가 너무 낮은 경우 결로 현상이 발생하여 광학계에 먼지가 모이게 되는 원인이 되어 공진기내부에 심각한 손상을 초래할 수 있기 때문에 주변 온도와의 연관성이 중요하다.
- I/V 컨버터를 통해 전압의 형태로 변환된 신호는 전류값이 작기 때문에 부하를 가지게 되면 전류가 부족하게 되어 전압강하가 발생, 원하는 전압값을 유지할 수 없게 된다. 때문에 충분한 전류를 가지게 하기 위하여 2단 전류 증폭 회로를 사용하였으며, 3개의 가변 저항을 조합하여 최소 전압값, 최대 전압값, 증폭율을 조절하도록 하였다.
- 5kV이상의 절연 내압을 가지고 있다. 때문에 펄스 형태의 레이저 방사모드를선택하여, 각 펄스마다 발생하는 초기 과도 전류에 의해서 발생하는 잡음(Noise)에도 안정적으로 동작할 수 있도록 하였다.
- 레이저 공진기에 흐르는 전류 검출을 통한 레이저 출력 제어장치를 구현하였다. 제어장치에서 레이저 전원 공급 장치에 설정된 값의 신호를 보내고, 레이저 전원 공급 장치는 레이저 공진기에 흐르는 전류를 감지하여 설정된 값과 비교하여 설정된 전류가 흐르도록 하는 회로를 설치하여 일정한 세기의 레이저가 발생할 수 있도록 하였다[9].
- flowchart이다. 레이저 방사모드를 연속(Continuous), 펄스(Pulse), 반복 펄스 (Burst pulse), 연속 반복 펄스(Continuous repeat pulse) 등으로 선택하여 제어할 수 있도록 제어 프로그램을 개발하였다. 키 조작 패널에서 방사모드를 선택하여 on/off 시간과 Duration, 총 출력시간을 설정하여 선택할 수 있도록 프로그램 시퀀스를 설정하여 원하는 출력형태를 얻을 수 있도록 하였으며, 자주 사용하는 설정치를 저장하여 필요할 경우 다시 불러올 수 있도록 하여 반복적인 설정을 되풀이하지 않도록 하였다.
- 레이저의 출력 세기를 설정한 값으로 출력되도록 하는 출력제어 프로그램을 개발하였다. 출력 제어 장치에서 발생한 출력제어 신호 전압에 의한 레이저 출력의 값을 토대로 하여, 각각의 레이저 출력의 세기에 대한 출력 제어 신호 전압을 결정하였다.
- 레이저의 출력이 셀 경우 높은 열을 발생하며, 약할 경우 낮은 열이 발생하므로, 출력의 세기별로 적절한 속도 변화가 필요하다. 레이저의 출력 세기에 비례하여 냉각 팬의 회전 속도를 조절하도록 하였다.
- 중앙처리장치 (Main CPU)에서 모든 시퀀스를 제어하고, 냉각장치(Cooling Controller, Fan, Heat Sink)로 공진기의 안정된 출력을 유지한다. 반도체 레이저 공진기(Laser Resonator)에서 635nm의 레이저가 발생하게 되며, 레이저 전원장치 (Laser Power Supply, Current Detector, Laser Power Controller)는 스위치 모드를 채택한 전원 장치(SMPS)로서 공진기의 전류를 제어하여 설정된 출력의 세기와 방사모드를 실현하였다. 광 전송 장치 (light delivery and optical Assembly)는 최종 출력된 레이저빔을 인체의 조직까지 전달하는 역할을 하게 된다.
- 이러한 요구를 충족하기 위해서는 출력의 세기, 방사모드, 치료시간 등을 제어할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 그림 3과 같이 시스템을 구성하여 다양한 출력 모드와 안정적인 출력을 구현했다. 키 입력부에서는 사용자가 원하는 출력의 세기, 방사모드, 치료시간 등을 입력할 수 있으며, 디스플레이(LCD Display)에서는 키를 누를 때마다의 상황과 지시사항을 출력한다.
- 그러나 전원을 인가하는 순간 발생하는 돌입전류에 의해 공진기에 손상을 입힐 수 있다는 단점이 발생한다. 이것을 소프트 스타터와 전류를 감시하는 회로를 설치하여 설정된 시간동안 전류가 서서히 증가하게 하여, 손상을 입지 않도록 하여 레이저 출력을 제어하도록 하였다.
- 오동작을 할 수 있다. 이러한 원인을 제거하기 위해 제어장치의 전원과 레이저 전원장치의 보조전원을 분리하여 설계하였으며, 제어장치에서 레이저 전원장치로 보내는 레퍼런스 신호와 펄스 신호는 포토커플러를 사용하여 절연시켰다. 포토커플러는 4N28을 사용하였으며, 순간 펄스로 2.
- 기존의 레이저에서 발생하는 온도의 상승 변화에 따른 파장대의 변화와 불안정한 전원공급 장치에 의한 출력의 세기 변화를 회로적으로 보완하여 안정한 레이저 빔을 발생하게 하였다. 임상에서 다양한 암조직의 상태에 따라 치료할 수 있는 다양한 방사모드를 구현하였으며, 임상의가 편리하게 사용할 수 있도록 방사시간을 쉽게 설정하고 연속, 펄스, 버스트 펄스, 수퍼 펄스을 방사할 수 있도록 고안하였다. 또한 설정된 출력별로 적절한 냉각제어를 통하여 +7% 이내의 안정된 출력을 실현하였다.
- 구현하였다. 제어장치에서 레이저 전원 공급 장치에 설정된 값의 신호를 보내고, 레이저 전원 공급 장치는 레이저 공진기에 흐르는 전류를 감지하여 설정된 값과 비교하여 설정된 전류가 흐르도록 하는 회로를 설치하여 일정한 세기의 레이저가 발생할 수 있도록 하였다[9].
- 프로그램을 개발하였다. 출력 제어 장치에서 발생한 출력제어 신호 전압에 의한 레이저 출력의 값을 토대로 하여, 각각의 레이저 출력의 세기에 대한 출력 제어 신호 전압을 결정하였다. 그리고 이 신호 전압을 각각의 출력에 1:1로 입력할 수 있도록 설계, 개발하였다.
- 최소값을 알아낼 필요가 있었다. 측정은 오전 10시, 오후 2시, 5시로 하루 세 번, 주 3회, 총 300회 이상 측정하여 표 1, 2와 같은 결과를 도출해 내었다. 레이저 출력 측정기는 OPHIR사의 PD300 모델을 사용하였다.
- 하여 레이저를 발진하였을 때의 레이저 공진기에 흐르는 전류와 레이저 출력의 세기를 측정한 것이다. 측정은 지속적으로 오전 10시, 오후 2시, 5시로 하루 세 번, 주 3회, 총 300회 이상 측정하였다. 레이저 공진기에서 발생하는 출력의 세기는 주변의 온도와 공진기의 온도에 따라 초기 출력과 공진기가 열적 평형을 이룬 후의 출력이 모두 변하기 때문에 계절적으로 또 오전과 오후의 출력을 모두 측정하여 평균을 만들어낼 필요가 있었다.
- 레이저 방사모드를 연속(Continuous), 펄스(Pulse), 반복 펄스 (Burst pulse), 연속 반복 펄스(Continuous repeat pulse) 등으로 선택하여 제어할 수 있도록 제어 프로그램을 개발하였다. 키 조작 패널에서 방사모드를 선택하여 on/off 시간과 Duration, 총 출력시간을 설정하여 선택할 수 있도록 프로그램 시퀀스를 설정하여 원하는 출력형태를 얻을 수 있도록 하였으며, 자주 사용하는 설정치를 저장하여 필요할 경우 다시 불러올 수 있도록 하여 반복적인 설정을 되풀이하지 않도록 하였다. Default는 마지막에 사용하였던 설정값을 그대로 이용하는 경우이고, Recalle 메모리되었던 10개의 설정값 중 하나를 불러 사용하는 것이다.
- 오른쪽의 회로에서는 Reference 전압이 약 5V 정도를 가지고 있으며, 오른쪽의 저항을 거쳐 포토커플러의 트랜지스터 양단에 걸린 전압에 의해 on 신호를 받게 된다. 포토커플러의 트랜지스터 양단이 끊어진 상태에서는 5V의 전압이 검출(High)되어 레이저의 발진을 멈추게 하고, 포토커플러가 동작하여 트랜지스터의 양단이 연결되면 로우(Low)상태가 되어 레이저의 발진을 시작하게 설계, 제작하였다.
대상 데이터
- 일반상태에서 나타났던 과도성분이 완전히 제거되었다. 계측기는 HP사의 500MHz 오실로스코프 HP 54810A를 사용하였다.
- 펄스 형태의 방사모드에서는 레이저가 발생하는 순간의 과도 출력을 제거하기 위해 소프트 스타터를 사용한 결과 펄스 폭이 긴 일반 펄스에서는 깨끗한 모양의 펄스가 나왔으며(그림 15), 펄스 폭이 짧은 슈퍼 펄스에서는 레이저의 출력이 상승하는 도중에 스위치가 반복 차단되어 완만하게 상승하는 곡선이 감지되었다(그림 16, 17). 계측기는 금성 디지털 스토리지 오실로스코프 VC-6165을 사용하였다.
- 측정은 오전 10시, 오후 2시, 5시로 하루 세 번, 주 3회, 총 300회 이상 측정하여 표 1, 2와 같은 결과를 도출해 내었다. 레이저 출력 측정기는 OPHIR사의 PD300 모델을 사용하였다.
- 이러한 원인을 제거하기 위해 제어장치의 전원과 레이저 전원장치의 보조전원을 분리하여 설계하였으며, 제어장치에서 레이저 전원장치로 보내는 레퍼런스 신호와 펄스 신호는 포토커플러를 사용하여 절연시켰다. 포토커플러는 4N28을 사용하였으며, 순간 펄스로 2.5kV이상의 절연 내압을 가지고 있다. 때문에 펄스 형태의 레이저 방사모드를선택하여, 각 펄스마다 발생하는 초기 과도 전류에 의해서 발생하는 잡음(Noise)에도 안정적으로 동작할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 임상에서 다양한 암조직의 상태에 따라 치료할 수 있는 다양한 방사모드를 구현하였으며, 임상의가 편리하게 사용할 수 있도록 방사시간을 쉽게 설정하고 연속, 펄스, 버스트 펄스, 수퍼 펄스을 방사할 수 있도록 고안하였다. 또한 설정된 출력별로 적절한 냉각제어를 통하여 +7% 이내의 안정된 출력을 실현하였다.
- 레이저 공진기에서 발생하는 출력의 세기는 주변의 온도와 공진기의 온도에 따라 초기 출력과 공진기가 열적 평형을 이룬 후의 출력이 모두 변하기 때문에 계절적으로 또 오전과 오후의 출력을 모두 측정하여 평균을 만들어낼 필요가 있었다. 레이저를 발진시킨 후 초기의 출력을 측정한 결과, 계절적으로 여름보다는 겨울, 오후 2시, 5시보다는 오전 10시, 즉 실내온도가 낮을수록 더 높은 출력을 나타내었다.
- 않은 경우의 출력비교이다. 온도 제어 장치를 사용하지 않은 경우 최대 ±23%의 출력 변동을 보이고 있으며, 온도제어 장치를 동작시켰을 경우 최대 ±7%의 출력 변화를 보여 3배 이상의 효과를 나타내었다. 기존의 레이저를 이용한 의료기기들이 ±20%의 출력 변동 허용치를 가지고 있으며, 실제로도 ±16% 정도의 출력 변동을 가지는 것에 비교하여 충분한 개선 효과를 얻었다.
- 주변 온도가 높고, 공진기의 온도가 너무 낮은 경우 결로 현상이 발생하여 광학계에 먼지가 모이게 되는 원인이 되어 공진기내부에 심각한 손상을 초래할 수 있기 때문에 주변 온도와의 연관성이 중요하다. 이번에 제작된 시작품에는 가격대비 성능이 가장 뛰어난 공랭식 냉각방식을 선정하였으며, 이것은 장치가 설치된 주변 온도와 장치의 온도를 같도록 유지할 수 있으며, 온도차에 의한 결로 현상으로 발생할 수 있는 손상을 미연에 방지할 수 있다. 레이저의 출력이 셀 경우 높은 열을 발생하며, 약할 경우 낮은 열이 발생하므로, 출력의 세기별로 적절한 속도 변화가 필요하다.
- 이용하여 측정한 결과이다. 출력별로는 저출력보다는 고출력에서 변동량이 컸으나 평균값 대비 변화율은 평균 ±13% 정도였으며, 발진 후 5분 뒤에 측정하였을 경우에는 최대 ±23% 의 출력 변화율을 보였다. 그러나 이것은 냉각 제어 장치를 설치하지 않은 상태에서의 측정치이며, 냉각 제어 장치의 필요성이 입증되는 실험이었다.
- 19에 나타내었다. 펄스 형태의 방사모드에서는 레이저가 발생하는 순간의 과도 출력을 제거하기 위해 소프트 스타터를 사용한 결과 펄스 폭이 긴 일반 펄스에서는 깨끗한 모양의 펄스가 나왔으며(그림 15), 펄스 폭이 짧은 슈퍼 펄스에서는 레이저의 출력이 상승하는 도중에 스위치가 반복 차단되어 완만하게 상승하는 곡선이 감지되었다(그림 16, 17). 계측기는 금성 디지털 스토리지 오실로스코프 VC-6165을 사용하였다.
후속연구
- 있다. (2) 수술할 수 없는 암(Inoperable Ca)에서 반복적으로 PDT를 적용하여 종양의 크기를 줄여서 삶의 질을 높일 수 있다(3) 암세포에서 더 선택적으로 침착되는 새로운 2세대 광감작제가 개발되어야 하고 레이저 빛을 암병소(Tumor site)에 더 잘 전달될 수 있는 시스템과 장치가 개발되어야 한다. (4) 느리게 성장하는 암(slow growing Ca)이나 혈관이 적은 종양(poorly vasculized tunor)에서는 PDT 반응이 없다는 것으로 임상결과가 보고 되었다[10-13].
- 보완 해결하였다. 본 연구결과는 최근 부상하고 있는 암의 조기 진단 장치인 FDD(Photodynamic diagnistis system) 의 개발에 큰 도움을 줄 것으로 사료되며, 동물실험 및 임상실험에 적용하여 성능을 확인할 예정이다.
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