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문제 정의
- 본 논문은 광선 치료법에 고휘도 LED를 적용한 사례를 보고한 것으로, 고휘도 LED가 특정 파장의 광을 발생한다는 점에서 의료용으로 사용되고 있는 저출력 레이저와 유사한 생화학적 효과를 발현할 것으로 예측되어지나 LED 광원을 의료용으로 활용한 연구 보고는 많지 않은 실정이다[5, 6]. 본연구에서는 고휘도 LED 광원이 Rat의 피부 창상 치유에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
- 본 연구는 LED 광원을 인체의 창상 치유에 적용하기 위한 예비 연구로 창상 치유에 LED 광원이 미치는 영양을 확인하기 위해 자체 개발한 광조사 기기를 사용하여 생체실험을 하였다. SD Rat 의 흉배부에 1x1 cm 크기의 피부를 전층 제거하여 15 일 동안 광조사를 하며 변화를 관찰 한 결과, 광 조사군이 광을 조사하지 않은 비조 사 군에 비해 실험기간 동안 부종의 발생이 현저히 적게 관찰되었으며 동일 실험 기간 동안 창상 부위의 상피 세포화도 양호하게 이루어 졌음을 확인할 수 있었다.
- 본연구에서는 고휘도 LED 광원이 Rat의 피부 창상 치유에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 장치 외부의 Tactile switch를 통해 제어 신호가 입력된다. 4-채널로 구성된 광조사기 각각의 채널에 대해 광조사 시간 (Timer), 광출력 (mW/cm?) 및 예약 (Reservation) 등을 선택 제어할 수 있도록 설계하였다. 본 기기에 사용된 마이크로 컨트롤러는 ATmegal28로 제어 신호를 입력받아 53 개의 I/O 라인을 통해 해당 모듈의 On/Off, LED 광 모듈의 출력 조절 및 현재의 동작 상태를 표시해주는 LCD Display 등에 대한 전반적인 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 620 nm, 633 nm LED 광원이 창상 치유에 대한 피부재생의 육안 소견보다 정확한 결과를 확인하기 위해 조직학적 검사를 시행하였다. 창상의 조직학적 관찰을 위해 최종 광조사 24 시간 후 창상을 중심으로 2x2 cm 크기로 피부를 적출하여 조직 절편을 제작하였다.
- 기기의 핵심 부분 중 하나인 LED 드라이버는 광출력 조절을 위해 TLC5941을 채용하였으며, 다수의 LED에 정격 전류를 공급하기 위해 기기의 출력 채널마다 2 개의 TLC5941을 사용하였다. LED 광모듈부는 8시2로 배열하여 최대 96 개의 LED를 구성할 수 있도록 설계하였으며, 광 모듈부의 D- sub를 이용, 탈착 형태로 제작하여 선택 파장의 제어가 가능하도록 하였다.
- RED 계열의 LED 광원이 창상 치유에 미치는 영향을 확인하기 위해 자체 개발한 광조사기를 사용하였으며, 창상 유발 24 시간 이후부터 광조사 군에 하루 1 시간씩 14 일 동안 광을 조사하였다. 620 nm의 LED 광원을 조사한 Rat는 (a), 633 nm 의 LED 광원을 조사한 Rat는 (b), 광을 조사하지 않은 Rat을 (c)로 구분하였다.
- 비교한 사진이다. 광조사군과 비조 사 군의 창상 수복 결과를 창상 유발 1 일, ‘7 일, 10 일 및 15 일 간격으로 확인하였다.
- 4-채널로 구성된 광조사기 각각의 채널에 대해 광조사 시간 (Timer), 광출력 (mW/cm?) 및 예약 (Reservation) 등을 선택 제어할 수 있도록 설계하였다. 본 기기에 사용된 마이크로 컨트롤러는 ATmegal28로 제어 신호를 입력받아 53 개의 I/O 라인을 통해 해당 모듈의 On/Off, LED 광 모듈의 출력 조절 및 현재의 동작 상태를 표시해주는 LCD Display 등에 대한 전반적인 제어가 가능하도록 구성하였다. 기기의 핵심 부분 중 하나인 LED 드라이버는 광출력 조절을 위해 TLC5941을 채용하였으며, 다수의 LED에 정격 전류를 공급하기 위해 기기의 출력 채널마다 2 개의 TLC5941을 사용하였다.
- 본 실험에서는 단계별로 높이의 조절이 가능하도록 제작된 별도의 케이스를 사용하여 광을 조사하였으며, 실험동물의 창상 부위에 정확한 광조사가 이루어질 수 있도록 특수 홀더(Holder)를 사용하여 실험동물의 움직임을 최소화 하였다. 그림 2 는 광조사군인 (a)와 (b)에 광을 조사하고 있는 모습으로 케이스 사이에 흑지를 사용하여 조사 부위에 간섭이 일어나지 않도록 하였다.
- 창상의 조직학적 관찰을 위해 최종 광조사 24 시간 후 창상을 중심으로 2x2 cm 크기로 피부를 적출하여 조직 절편을 제작하였다. 적출한 피부 조직은 10 % 포르말린을 사용하여 충분히 고정하였으며, 고정한 조직을 탈수한 후 수세과정을 거쳐 투명화 시켰다. 투명화 과정 후 조직을 파라핀 용액에 침윤시키고포매(embedding)하여 조직 블록을 제작하였다.
- 투명화 과정 후 조직을 파라핀 용액에 침윤시키고포매(embedding)하여 조직 블록을 제작하였다. 제작한 파라핀 블록을 창상 중앙 부위를 기준으로 세로 방향 10 pm 두께로 잘라 탈파라핀화와 수세를 거친 후 staining을 거쳐 광학현미경으로 관찰하였다. 인체의 피부는 창상이 유발되면 즉시 염증 반응과 삼출액이 분비되며 이런 반응들은 새로 생성된 육아조직들이 창상부위를 완전히 수복할 때까지 일어난다.
- 창상을 유발시키기 위해 조레틸(Zoletil)과 럼푼 (Rompun)을 생리 식염수에 희석, Rat에 복강 투여 (Intraperitoneal administration)하여 흡수 속도를 높였으며, 흉배부의 털을 제거한 후 피부를 노출시켜 척추를 기준으로 bi cm의 크기로 피부를 절개 하였다.
- 위해 조직학적 검사를 시행하였다. 창상의 조직학적 관찰을 위해 최종 광조사 24 시간 후 창상을 중심으로 2x2 cm 크기로 피부를 적출하여 조직 절편을 제작하였다. 적출한 피부 조직은 10 % 포르말린을 사용하여 충분히 고정하였으며, 고정한 조직을 탈수한 후 수세과정을 거쳐 투명화 시켰다.
- 최종 광조사를 행하고 24 시간이 경과한후 조직 샘플을 채취하여 조직검사를 시행하였다. 또한 실험동물의 광에 대한 정확한 상처 치유반응을 확인하기 위해 광조사군과 비 조사군 모두 70 % 소독용 알코올로 상처 부위를 매일 소독하여 창상 부위의 감염 등 외부 영향을 줄였다.
- 적출한 피부 조직은 10 % 포르말린을 사용하여 충분히 고정하였으며, 고정한 조직을 탈수한 후 수세과정을 거쳐 투명화 시켰다. 투명화 과정 후 조직을 파라핀 용액에 침윤시키고포매(embedding)하여 조직 블록을 제작하였다. 제작한 파라핀 블록을 창상 중앙 부위를 기준으로 세로 방향 10 pm 두께로 잘라 탈파라핀화와 수세를 거친 후 staining을 거쳐 광학현미경으로 관찰하였다.
대상 데이터
- 620 nm의 LED 광원을 조사한 Rat는 (a), 633 nm 의 LED 광원을 조사한 Rat는 (b), 광을 조사하지 않은 Rat을 (c)로 구분하였다. 광조사군인 (a)와 (b)에 사용되어진 LED 광 모듈은 U-Jin 社의 제품을 사용하였으며 광조사에 사용된 실험 조건은 표 1과 같다.
- Rat) 암컷을 채택하였다. Rat은 생후 1 년 된 성체를 사용하였으며, 실험 기간 동안 전용 사료와 음수를 자유롭게 섭취할 수 있도록 하였다.
- 본 기기에 사용된 마이크로 컨트롤러는 ATmegal28로 제어 신호를 입력받아 53 개의 I/O 라인을 통해 해당 모듈의 On/Off, LED 광 모듈의 출력 조절 및 현재의 동작 상태를 표시해주는 LCD Display 등에 대한 전반적인 제어가 가능하도록 구성하였다. 기기의 핵심 부분 중 하나인 LED 드라이버는 광출력 조절을 위해 TLC5941을 채용하였으며, 다수의 LED에 정격 전류를 공급하기 위해 기기의 출력 채널마다 2 개의 TLC5941을 사용하였다. LED 광모듈부는 8시2로 배열하여 최대 96 개의 LED를 구성할 수 있도록 설계하였으며, 광 모듈부의 D- sub를 이용, 탈착 형태로 제작하여 선택 파장의 제어가 가능하도록 하였다.
- 본 연구에 사용한 광조사 시스템은 특정 파장의 광원을 이용, 체외 창상 치유나 생물학적 실험에 다양하게 적용할 수 있도록 개발된 4-채널 고휘도 LED 광조사기로, 4 개의 LED 광모듈을 동시 혹은 개별적으로 제어할 수 있도록 구성하였다. 그림 1 은 시스템 구성도이다.
- 실험에 사용된 실험동물은 창상 생물 검정이나 영양 시험 등에 보편적으로 사용하고 있는 실험용 Rat으로 무게 300 — 350 g의 Sprague-Dawley Rat (SD Rat) 암컷을 채택하였다. Rat은 생후 1 년 된 성체를 사용하였으며, 실험 기간 동안 전용 사료와 음수를 자유롭게 섭취할 수 있도록 하였다.
- 47 mW/cn?으로 거의 비슷함을 알 수 있었다. 측정에는 ADVANTEST社의 Optical power meter를 사용하였으며, 1><1 cm 크기의 디텍터를 이용하여 360-1, 100 nm의 파장대에서 1~50 mW 까지 복사강도의 측정이 가능하다.
성능/효과
- 기기를 사용하여 생체실험을 하였다. SD Rat 의 흉배부에 1x1 cm 크기의 피부를 전층 제거하여 15 일 동안 광조사를 하며 변화를 관찰 한 결과, 광 조사군이 광을 조사하지 않은 비조 사 군에 비해 실험기간 동안 부종의 발생이 현저히 적게 관찰되었으며 동일 실험 기간 동안 창상 부위의 상피 세포화도 양호하게 이루어 졌음을 확인할 수 있었다. 또한 창상의 치유 과정이 광조사군과 비조 사 군이 상이한 것으로 확인되어 600 nm 대의 LED 광원이 창상 치유의 수축, 상피화 형성 촉진 등 창상 치유에 유익한 것으로 추정되지만 창상의 치유는 창상의 부위, 정도, 종류에 따라 다르며, 같은 크기와 깊이의 창상이라도 감염 여부 등 외부영향에 의해 결과가 상이해질 수 있어 보다 많은 연구가 필요할 것으로 예상된다.
- 광 측정 시 620 nm LED와 633 nm LED의 광출력 사이에는 차이가 거의 없었으며, 실제 창상 부위에 조사되는 광량을 측정한 결과 620 nm LED 를 조사한 경우 최대출력 약 13.43 mW/cm2 에 비해 조사된 부위에서의 출력은 약 6.73 mW/cm2 로서 최대출력 대비 약 50 % 정도였으며 633 nm LED를 조사한 경우에도 13.55 mW/cmz 최대출력이 실제 상처 부위에서는 6.87 mW/cm2 로 감소 한 것을 확인할 수 있었다.
- 그리고 실험 최종일에는 절개부위를 중심으로 0.5x0.6 cm로 새 피부가 재생되어 창상이 수복되었음을 확인할 수 있었다.
- 최종 광조사를 행하고 24 시간이 경과한후 조직 샘플을 채취하여 조직검사를 시행하였다. 또한 실험동물의 광에 대한 정확한 상처 치유반응을 확인하기 위해 광조사군과 비 조사군 모두 70 % 소독용 알코올로 상처 부위를 매일 소독하여 창상 부위의 감염 등 외부 영향을 줄였다. 실험동물의 체중변화는 창상유발 직전의 무게를 측정한 후 2일 간격으로 변화를 확인하였으며 그림 4 에 그 결과를 나타냈다.
- 마지막 창상을 확인한 결과 가로 03x0.5 cm의 넓이로 가피가 형성되어 있었으며, 다른 대조군보다 상피세포화가 넓게 이루어졌음을 확인하였다. 또한 광을 조사하지 않은 (c)의 경우 광조사 7 일째 관찰 결과, 광조사군은 창상부위가 다소 패인 형태로 가피가 발생한 것과는 달리 피부 위 약 0.
- 실험에 사용된 기기의 복사강도를 측정한 결과, 620 nm LED의 출력 값은 13.55 mW/cm2, 633 nm LED는 13.47 mW/cn?으로 거의 비슷함을 알 수 있었다. 측정에는 ADVANTEST社의 Optical power meter를 사용하였으며, 1><1 cm 크기의 디텍터를 이용하여 360-1, 100 nm의 파장대에서 1~50 mW 까지 복사강도의 측정이 가능하다.
후속연구
- SD Rat 의 흉배부에 1x1 cm 크기의 피부를 전층 제거하여 15 일 동안 광조사를 하며 변화를 관찰 한 결과, 광 조사군이 광을 조사하지 않은 비조 사 군에 비해 실험기간 동안 부종의 발생이 현저히 적게 관찰되었으며 동일 실험 기간 동안 창상 부위의 상피 세포화도 양호하게 이루어 졌음을 확인할 수 있었다. 또한 창상의 치유 과정이 광조사군과 비조 사 군이 상이한 것으로 확인되어 600 nm 대의 LED 광원이 창상 치유의 수축, 상피화 형성 촉진 등 창상 치유에 유익한 것으로 추정되지만 창상의 치유는 창상의 부위, 정도, 종류에 따라 다르며, 같은 크기와 깊이의 창상이라도 감염 여부 등 외부영향에 의해 결과가 상이해질 수 있어 보다 많은 연구가 필요할 것으로 예상된다.
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