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문제 정의
- 마지막으로 수술 시 발생되는 주변 조직으로의 열손상에 대해 살펴보았다. 열손상은 치료 후 발생되는 염증 과정 및 회복 속도와 밀접한 관계가 있다[7, 14].
- 본 연구는 레이저 전립선 치료에 사용되는 두 파장을 이용하여 치료 중 조직에 발생하는 제거 메커니즘 및 효율을 이해하고, 치료 후 어떤 식의 열 손상이 조직에 유발이 되는지 알아내는데 그 목적이 있었다. 임상적 조건들을 만족시키기 위해 3개의 축상 모터들을 이용하여 광학적 파이버와 조직 표면간의 거리 및 파이버의 이동속도를 일정하게 유지시켰으며, 각 조건에 따른 조직 반응을 정량적으로 측정하였다.
가설 설정
- 제거 횟수에 따른 조직 제거율의 변화를 보기 위해 제거 횟수를 1에서부터 5까지 변화시켰으며, 파이버의 위치는 처음과 같이 1 mm로 일정하게 유지되었다. 그러나 제거 횟수가 증가함에 따라 파이버와 조직 표면간의 실제 거리가 조직 제거로 인해 증가하였으나, 이번 실험에서는 그 부분의 영향을 고려하지 않기로 하였다. 각 조건에서는 5개의 조직이 사용되었으며(N=5), 실험 후 조직들은 데이터 처리를 위해 4℃에서 보관되었다.
제안 방법
- 또한 매 실험 시 파이버의 출력 파워를 파워 미터(FL-250, Ophire, Logan, UT, USA)를 이용해 측정하여 전달율을 계산하였으며, 계산 값의 차이가±5% 이하일 경우 정상으로 고려하여 실험을 진행하였다.
- 시스템 출력의 제한으로 인해 40W를 최대 출력으로 전 실험에서 사용하였으며, 퀄츠 코어 사이즈가 600 μm인 side-firing(반사각 75°, 발산각 8°, 횡측 전달비 1:1.7)광학 파이버를 통해 각각의 레이저 빛을 조직에 측면에서 전달하였다.
- 실험을 위해 조직을 2×2 cm 크기로 준비하였으며, 제거 실험 중 자체 제작된 홀더에 고정시켜, 생리적 식염수 하에서 실험을 실시하였다(그림 1).
- , Japan)를 이용하여 단면을 찍었으며, Image J(National Institute of the Health, Bethesda, MD, USA)를 이용하여 제거된 면적을 측정하였고, 제거 부피를 측정된 면적들을 적분함으로써 계산하였다. 열손상 측정의 경우 조직 단면에서 발생된 색깔의 변화가 응고 괴사와 일치하기 때문에[10], 다섯 방향(3, 5, 6, 7, 9시 방향)으로 그 변화의 길이를 Image J를 이용하여 측정하고 통계 처리 하였다(N=10). 통계적 비교를 위해 Student’s t-test(two-tailed) 를 이용하였으며, p 값이 0.
- 일단 조직이 생리적 식염수에 잠겼을 때, 밀도 차로 인한 부력을 막기 위해 조직을 메탈 커버로 고정하였으며, 1×1 cm 크기의 창을 통해 노출된 조직만을 레이저를 이용해 선택적으로 제거하였다.
- 본 연구는 레이저 전립선 치료에 사용되는 두 파장을 이용하여 치료 중 조직에 발생하는 제거 메커니즘 및 효율을 이해하고, 치료 후 어떤 식의 열 손상이 조직에 유발이 되는지 알아내는데 그 목적이 있었다. 임상적 조건들을 만족시키기 위해 3개의 축상 모터들을 이용하여 광학적 파이버와 조직 표면간의 거리 및 파이버의 이동속도를 일정하게 유지시켰으며, 각 조건에 따른 조직 반응을 정량적으로 측정하였다.
- 조직 제거 효율을 알아내기 위해, 실험 후 보관된 조직들을 병리학용 칼을 이용하여 1 mm 간격으로 잘라냈는데, 처음과 끝의 2 mm 부분은 열적 경계 조건이 다르다고 보고, 고려하지 않았다. 잘라낸 10개의 조직(총 제거 길이 = 1 cm)을 디지털 카메라(9.1M DSC-H50, Sony Corp., Japan)를 이용하여 단면을 찍었으며, Image J(National Institute of the Health, Bethesda, MD, USA)를 이용하여 제거된 면적을 측정하였고, 제거 부피를 측정된 면적들을 적분함으로써 계산하였다. 열손상 측정의 경우 조직 단면에서 발생된 색깔의 변화가 응고 괴사와 일치하기 때문에[10], 다섯 방향(3, 5, 6, 7, 9시 방향)으로 그 변화의 길이를 Image J를 이용하여 측정하고 통계 처리 하였다(N=10).
- 전립선 비대증 치료를 위해 사용되는 두 가지 파장의 레이저 시스템을 비교하였다. 각각의 레이저가 가지는 광학적 특징에 의해 조직 제거 후 발생하는 광열적 반응이 다르게 나타났다.
- 04 cm-1 at 1064 nm)[11]. 즉, 레이저 빛의 흡수가 인간 조직보다 더욱 높게 나타날 수 있기 때문에, 사용된 모델은 조직 제거가 더욱 쉽고 빠르게 일어날 수 있는 극단적 조건을 반영하였으며, 조직 구조가 매우 균일하기 때문에 반복 실험이 용이함으로써 생체 밖 실험의 모델로 선택되었다. 그러나 콜라겐의 성분의 차이로 인해 조직 제거 시작점이 다르기 때문에, 전립선 조직과 간 조직의 기계적 특성차이를 이해하기 위해 제거 시작점의 비율을 확인하는 추가 실험을 계획 중이다.
대상 데이터
- 비교 실험을 위해 전립선 치료에 자주 사용되는 두 가지 파장, 즉 가시광선 영역인 532 nm와 근적외선 영역인 980 nm를 사용하였으며, 실험을 위해 각각의 시스템을 제작하였다. 532 nm의 경우 KTP를 이용해 펌핑 소스 1064 nm를 주파수 더블링하였고, 음향-광학 장치를 이용해 큐-스위칭 시켰다(펄스 길이=100 ns at FWHM operating at 20 kHz).
데이터처리
- 통계적 비교를 위해 Student’s t-test(two-tailed) 를 이용하였으며, p 값이 0.05보다 작을 경우 통계적으로 다르다고 간주하였다.
이론/모형
- 먼저 각각의 파장으로 인해 조직 내에서 발생하는 광학 침투 깊이를 효율적 광학 흡수율(μeff)의 공식을 이용하여 계산 하였다[9].
성능/효과
- 이와 같은 두께는 출혈 방지 효과에 필요한 길이보다 훨씬 길기 때문에 회복 시 파이버가 많은 콜라겐 형성을 유발할 수 있으며, 부드러운 전립선 기능을 상대적으로 잃을 수 있게 되며, 이러한 점들은 생체 내 연구를 통해 확인할 계획이다. 따라서 높은 광학적 흡수율을 통해 조직 제거율이 뛰어나면서 최소한 지혈을 위한 응고 괴사를 가질 수 있는 532 nm 파장이 전립선 치료에 있어서 매우 효과적임을 본 연구를 통해 알 수 있었다.
- 즉, 초반의 조직 제거 효율은 매우 높으나, 횟수를 증가할수록 에너지 커플링이 현격하게 떨어짐으로써 비효율적으로 변함을 알 수 있었다. 따라서 전립선 치료 시 높은 제거 효율을 유지하기 위해 파이버와 조직 표면간의 거리를 일정하게 유지해야 함을 알 수 있었으며, 치료 훈련을 통해 이 점을 부각시킴으로써 수술 시간을 단축시킬 수 있으며, 보다 나은 임상 결과를 얻기 위해 매우 필요함을 알 수 있었다.
- 이는 제거 횟수가 높아지면서 크레이터의 깊이가 깊어지게 되고, 더 깊은 층에 존재하는 조직의 제거된 부분들이 크레이터의 길을 통해 나올 때 연속적으로 전달되어 들어오는 레이저 에너지를 부분별 흡수나 산란 시킴으로써(먼지 방해 현상), 레이저의 빛 전달율이 감소되었음을 알 수 있었다[12, 13]. 또한 파이버를 통해 레이저 빛이 전달되기 때문에 직진하는 빛이 아니라 발산하는 빛의 성질을 가지고 있었으며, 6 mm에서의 복사 조도가 200 W/cm2로 표면에서의 복사 조도 308 W/cm2 보다 훨씬 낮았음을 알 수 있었다. 따라서 먼지 방해와 빛 발산(낮은 복사 조도) 현상으로 인해 제거 횟수에 따른 조직 제거율의 감소를 설명할 수 있다.
- 세 개의 축상 모터를 이용해 x, y, z 축으로 각각 파이버의 위치를 정밀하게 조정할 수 있었으며(그림 1), 임상 조건에 부합하도록 파이버의 움직이는 속도(1 mm/s)와 파이버와 조직 간의 거리(1 mm)를 일정하게 유지하여 실험 오차를 최소화 하였다. 또한 파이버의 전달 효율을 일정하게 유지하기 위해 파이버 팁 방향으로 또 다른 생리적 식염수를 보급하였으며(그림 1), 실험 시 발생하는 이물질이 파이버 팁에 재 부착되어 전달 효율을 떨어뜨리고 심지어 유리캡이 심하게 비결정화되는 것을 방지하였다. 또한 매 실험 시 파이버의 출력 파워를 파워 미터(FL-250, Ophire, Logan, UT, USA)를 이용해 측정하여 전달율을 계산하였으며, 계산 값의 차이가±5% 이하일 경우 정상으로 고려하여 실험을 진행하였다.
- 그러나 똑같은 에너지를 공급하였다는 면에서, 제거 횟수에 따른 조직 제거율이 크게 증가하지 않았음을 그림을 통해 알 수 있었다. 또한 하얗게 색이 변한 응고 괴사가 제거 횟수와 상관없이 매우 일정하게 나타났으며, 대략 1 mm 내외로 존재함을 알 수 있었다. 이와 반대로 980 nm의 경우 크레이터가 매우 얕게 형성되었으며(1~2 mm) 제거 횟수가 다름에도 불구하고 제거율이 거의 변하지 않았음을 알 수 있었다(그림 2(b)와 2(c)).
- 파장에 관계없이 제거 횟수를 증가시킬 경우, 레이저 빛의 발산과 더불어 제거 조직의 기하적 깊이에 의한 먼지 방해 현상 및 레이저 빛의 발산으로 제거 효율이 빠르게 감소하였다. 본 연구의 생체 밖 상황에서 제한된 열 손상과 높은 흡수율을 통한 빠른 조직 제거로 가시광선 영역인 532 nm가 근적외선 영역인 980 nm에 비해 더욱 효율적인 레이저 파장임을 보여주었다.
- 파이버 팁은 15°로 기울었으며, 레이저 빛이 물 속에서 조직 표면에 수직으로 들어가도록 도와주었다. 세 개의 축상 모터를 이용해 x, y, z 축으로 각각 파이버의 위치를 정밀하게 조정할 수 있었으며(그림 1), 임상 조건에 부합하도록 파이버의 움직이는 속도(1 mm/s)와 파이버와 조직 간의 거리(1 mm)를 일정하게 유지하여 실험 오차를 최소화 하였다. 또한 파이버의 전달 효율을 일정하게 유지하기 위해 파이버 팁 방향으로 또 다른 생리적 식염수를 보급하였으며(그림 1), 실험 시 발생하는 이물질이 파이버 팁에 재 부착되어 전달 효율을 떨어뜨리고 심지어 유리캡이 심하게 비결정화되는 것을 방지하였다.
- 이와 반대로 980 nm의 경우 크레이터가 매우 얕게 형성되었으며(1~2 mm) 제거 횟수가 다름에도 불구하고 제거율이 거의 변하지 않았음을 알 수 있었다(그림 2(b)와 2(c)). 오히려 응고 괴사가 제거된 조직보다 상대적으로 크게 생성되었으며, 그 두께가 3 mm까지 측정되었고, 이는 위에서 언급되었던 깊은 광학적 침투 깊이 및 비열적 제한과 관련됨을 알 수 있었다.
- 이와 반대로 980 nm의 경우 처음 제거 시 매우 비슷한 열손상 (1.2±0.3 mm at 1 sweep)을 유발하였으나, 제거 횟수가 증가함으로써 열손상의 깊이가 선형적으로 증가하였으며 125%까지 차이가 발생하였다 (2.7±0.5 mm at 5 sweeps).
- 또한 매 실험 시 파이버의 출력 파워를 파워 미터(FL-250, Ophire, Logan, UT, USA)를 이용해 측정하여 전달율을 계산하였으며, 계산 값의 차이가±5% 이하일 경우 정상으로 고려하여 실험을 진행하였다. 제거 횟수에 따른 조직 제거율의 변화를 보기 위해 제거 횟수를 1에서부터 5까지 변화시켰으며, 파이버의 위치는 처음과 같이 1 mm로 일정하게 유지되었다. 그러나 제거 횟수가 증가함에 따라 파이버와 조직 표면간의 실제 거리가 조직 제거로 인해 증가하였으나, 이번 실험에서는 그 부분의 영향을 고려하지 않기로 하였다.
- 8 mm로 계산되었으며, 980 nm의 경우 5 mm로 6배 가까이 차이가 있음을 알 수 있었다. 즉, 532 nm의 경우 전달된 광학적 에너지의 63%가 0.8 mm내에서만 축적되어 열 에너지로 바뀌어 조직 제거에 사용되었으나, 980 nm의 경우 에너지가 5 mm까지 분포됨으로써 조직 제거에 있어서의 시작점이 상대적으로 늦다는 것을 알 수 있었다. 또한 어느 정도의 에너지가 공급 시 보존되는지 이론적으로 알아내기 위해 열적 완화 시간(τth)을 다음 식을 이용하여 계산하였다.
- 열손상은 치료 후 발생되는 염증 과정 및 회복 속도와 밀접한 관계가 있다[7, 14]. 즉, 열손상이 짧을수록 염증과정이 줄어들어 회복 속도가 빠르며 파이버가 많은 콜라겐 생성을 억제하여 전립선 기능을 최대한 유지시켜 줄 수 있다. 그림 4는 열손상의 정도를 제거 횟수에 따라 나타내고 있다.
- 001). 즉, 초반의 조직 제거 효율은 매우 높으나, 횟수를 증가할수록 에너지 커플링이 현격하게 떨어짐으로써 비효율적으로 변함을 알 수 있었다. 따라서 전립선 치료 시 높은 제거 효율을 유지하기 위해 파이버와 조직 표면간의 거리를 일정하게 유지해야 함을 알 수 있었으며, 치료 훈련을 통해 이 점을 부각시킴으로써 수술 시간을 단축시킬 수 있으며, 보다 나은 임상 결과를 얻기 위해 매우 필요함을 알 수 있었다.
후속연구
- 즉, 레이저 빛의 흡수가 인간 조직보다 더욱 높게 나타날 수 있기 때문에, 사용된 모델은 조직 제거가 더욱 쉽고 빠르게 일어날 수 있는 극단적 조건을 반영하였으며, 조직 구조가 매우 균일하기 때문에 반복 실험이 용이함으로써 생체 밖 실험의 모델로 선택되었다. 그러나 콜라겐의 성분의 차이로 인해 조직 제거 시작점이 다르기 때문에, 전립선 조직과 간 조직의 기계적 특성차이를 이해하기 위해 제거 시작점의 비율을 확인하는 추가 실험을 계획 중이다. 실험을 위해 조직을 2×2 cm 크기로 준비하였으며, 제거 실험 중 자체 제작된 홀더에 고정시켜, 생리적 식염수 하에서 실험을 실시하였다(그림 1).
- 또한 응고층이 두꺼워질수록 레이저 빛이 흡수대신 더욱 산란함으로써 에너지 커플링이 현격하게 떨어지게 되고[12-14], 대신 온도 증가가 일어나면서 열 전달이 조직 내부로 깊게 발생함을 알 수 있었다. 이와 같은 두께는 출혈 방지 효과에 필요한 길이보다 훨씬 길기 때문에 회복 시 파이버가 많은 콜라겐 형성을 유발할 수 있으며, 부드러운 전립선 기능을 상대적으로 잃을 수 있게 되며, 이러한 점들은 생체 내 연구를 통해 확인할 계획이다. 따라서 높은 광학적 흡수율을 통해 조직 제거율이 뛰어나면서 최소한 지혈을 위한 응고 괴사를 가질 수 있는 532 nm 파장이 전립선 치료에 있어서 매우 효과적임을 본 연구를 통해 알 수 있었다.
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