[논문]808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저 조사 시 돼지 조직의 천공 특성 연구

김성준; 조지용; 최재순; 이돈행; 김중경

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.9.807

808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저 조사 시 돼지 조직의 천공 특성 연구
Characterization of Porcine Tissue Perforation Using High-Power Near-Infrared Laser at 808-nm Wavelength 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.9 = no.336, 2013년, pp.807 - 814

김성준 (국민대학교 대학원 기계공학과) , 조지용 (국민대학교 대학원 기계공학과) , 최재순 (울산대학교 의과대학 서울아산병원 아산생명과학연구원) , 이돈행 (인하대학교 의과대학 소화기내과, 국가지정 소화기질환 의료제품 유효성평가 서비스센터, (재)유타-인하 DDS 및 신의료기술 개발 공동연구소) , 김중경 (국민대학교 기계시스템공학부 및 대학원 의생명융합학과)

초록
AI-Helper

소화기 내시경에 장착된 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 장벽에 조사하여 병변을 제거할 수 있는 치료용 의료기기의 개발을 목적으로 레이저-조직 상호작용에 관한 기초 실험을 진행했다. 레이저 출력 3~12 W, 조사 시간 5~20 s 범위에서 각 변수의 증가에 따라 천공 깊이가 1~4 mm 범위에서 선형적으로 증가했다. 돼지에서 적출한 각 장기에 대한 레이저 조사 시 천공 깊이가 조직 특성에 따라 달라짐을 확인했다. 온도 측정 결과로부터 열에너지가 레이저 조사 지점에 집중되고 심부로 전달되어 주변 조직의 열손상은 방지됨을 알 수 있었다. 본 연구 결과는 위, 대장 등의 소화기 조직에서 일정한 절개 깊이를 얻기 위해 필요한 근적외선 레이저의 구동 조건을 결정하는데 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A fundamental study on laser-tissue interaction was conducted with the aim of developing a therapeutic medical device that can remove lesions on the intestinal wall by irradiating a high-power 808-nm infrared laser light incorporated in an endoscopic system. The perforation depth was linearly increased in the range of 1~4 mm in proportional to laser output (3~12 W) and irradiation time (5~20 s). We demonstrated that the perforation depth during laser irradiation was varied according to the tissue property of each extracted porcine organ. The measurement of the temperature distribution suggests that the energy is localized in the irradiation spot and transferred to deep tissue, which protects the surrounding tissue from thermal injury. These results can be used to set the driving parameters for a laser incision technique as an alternative to conventional surgical interventions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구진의 선행 연구에서 열전대와 열화상 카메라를 이용해 조직 심부 및 표면에서 온도를 측정하는 방법을 고안한 바 있다. ^(6,11) 레이저 출력 변화에 따른 조직의 온도 상승 경향을 알아보고자 심부 온도를 측정했다. 광섬유로부터 10 mm 거리, 샘플 표면으로부터 5 mm 깊이에 열전대(K-Type) 를 위치시킨 후 6 W와 9 W의 출력으로 조사했다.
⁽⁶⁾ 또한 유연한 광섬유를 통해 레이저 빛을 전달할 수 있으므로 복잡한 구조를 갖는 소화기 내에서 조작이 유용하고, CO₂ 레이저와 달리 접촉 및 비접촉 방식이 모두 가능하여 시술자의 피로도가 감소된다는 장점을 갖는다.⁽⁷⁾ 따라서 본 연구에서는 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 이용해 소화기에서 조직 절개를 할 수 있는 의료기기 개발을 목적으로 레이저-조직 상호작용에 관한 이론적 고찰과 기초 실험을 수행하여 절개 깊이에 영향을 미치는 레이저 구동조건과 조직의 광열특성을 파악하고 주변 조직의 열손상 방지 방안을 도출하고자 한다.
내시경적 점막하 박리술과 같이 좁은 공간에서 조직의 일부를 절제하는 장치를 구상함에 있어 소화기 내시경에 장착된 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 장벽에 조사하여 병변을 제거 할 수 있는 기기 개발을 목적으로 레이저-조직 상호작용에 관한 기초 실험을 돼지 조직을 이용 하여 수행했다. 천공 깊이에 영향을 미치는 다양한 레이저 구동 파라미터를 파악하였고 각 장기별 조직의 특성이 추가적인 변수가 될 수 있음을 확인했다.
본 실험에서는 레이저 출력과 샘플에 조사되는 총 에너지(Energy [J] = Laser power [W] × Frequency [Hz] × Pulse Width [s] × Irradiation Time [s])를 동일하게 설정한 상태에서 펄스폭과 주파수를 변화시켜 돼지 조직의 천공 깊이에 미치는 영향을 살펴보았다.
본 연구는 임상에서 인체 소화기에 적용할 내시경적 절제 장치 개발을 위해 진행되었다. 기존에 의료용으로 많이 사용된 CO₂레이저의 비접촉식 시술로 제한되는 단점을 보완하기 위해 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 이용했다.
본 연구에서와 같이 조직 절개 목적으로 레이저를 활용할 때 주변 조직의 열손상을 방지하고자 펄스파 레이저의 펄스 지속시간(τ)을 짧게 하여 생성된 열이 조사 부위에 집중되도록 하는 방법이 있다.
기존에 의료용으로 많이 사용된 CO₂레이저의 비접촉식 시술로 제한되는 단점을 보완하기 위해 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 이용했다. 최종 목표는 근적외선 파장대의 고출력 레이저 빛을 소화기 내시경에 장착한 광섬유를 통해 소화기 내벽까지 전달시켜 용종 등의 병변을 제거하는 기기 개발이다. 레이저-조직 상호작용에 관한 실험적 연구를 통해 연속파와 펄스파 조건에서 레이저의 다양한 구동 조건에 따른 돼지 조직의 천공 깊이 측정 자료를 확보했다.

제안 방법

열화상 카메라는 샘플 표면에서 방출되는 적외선을 검출해 온도를 측정하는 비침습적 방법으로 많이 사용되고 있다. ⁽¹²⁾ 샘플과 광섬유를 맞닿게 설치한 후 9 W의 출력으로 30초간 레이저를 조사하면서 표면 열화상 영상을 획득했다. 초기 5초간 가이드 레이저를 조사하고 이후 근적외선 레이저를 조사했다.
영상에서 Fig. 5(a)와 같이 광섬유가 맞닿은 부분으로 부터 일정한 간격으로 총 5개 지점을 선택하여 온도를 분석했다. Fig.
Fig. 4(a)와 같이 광섬유를 통해 레이저가 조사되는 지점으로부터 10 mm 거리, 샘플 표면으로부터 5 mm 깊이 지점에 열전대를 삽입해 6 W 와 9 W 출력으로 레이저를 조사했을 때 온도 변화를 측정했다. Fig.
천공된 돼지고기 샘플을 수술용 칼을 이용해 수직으로 절단한 후 버니어캘리퍼스로단면의 천공 깊이를 측정했다. 각 레이저 구동 조건에서 5회 반복 측정하여 평균 깊이를 구했다. 다른 방법으로 절개 단면의 사진을 촬영한후 컴퓨터에서 영상처리 및 분석을 통해 천공 깊이를 측정할 수도 있다.
저장된 동영상을 프로그램 (Guide IrAnalyser)을 이용해 분석했다. 광섬유가 맞닿은 부분으로부터 일정한 간격으로 5개의 지점을 설정하고 각 지점에서의 온도 변화를 도시 했다.
^(6,11) 레이저 출력 변화에 따른 조직의 온도 상승 경향을 알아보고자 심부 온도를 측정했다. 광섬유로부터 10 mm 거리, 샘플 표면으로부터 5 mm 깊이에 열전대(K-Type) 를 위치시킨 후 6 W와 9 W의 출력으로 조사했다. 초기 10초 동안 열전대의 안정화를 거친 후 120초간 레이저를 조사하면서 온도를 측정했다.
돼지 조직에 레이저 조사 시 발생하는 열확산 효과를 파악하고자 샘플 심부에서 온도를 측정했다. Fig.
본 실험에 사용한 레이저는 출력, 주파수, 펄스폭, 조사시간과 같은 네 가지 파라미터의 설정이 가능하다. 레이저 구동 조건의 변화가 돼지고기 샘플의 천공 깊이에 미치는 영향을 살펴보고자 일정한 크기로 자른 돼지고기 샘플을 광섬유 아래 놓은 후 연속파 조건에서 3, 6, 9, 12 W의 출력으로 각각 5, 10, 20초간 레이저를 조사했다. 레이저를 조사했다.
레이저 주파수와 펄스폭의 다양한 조합에 따라 돼지 조직에서 천공 깊이의 변화를 측정했다. 레이저 출력은 9 W로 설정하고 조사시간은 10초로 설정했다.
6과 같이 돼지에서 적출한 각 장기에 레이저를 조사하여 위와 동일한 방법으로 천공 깊이를 측정했다. 레이저 출력은 9 W, 조사시간은 20초로 설정한 후 돼지의 등갈비, 대장, 심장, 위를 대상으로 실험을 진행 했다. 레이저 조사 후 각 장기에서 5회 반복 측정한 천공 깊이의 평균값을 동일한 레이저 구동 조건에서 측정한 살코기의 천공 깊이와 비교하여 Fig.
최종 목표는 근적외선 파장대의 고출력 레이저 빛을 소화기 내시경에 장착한 광섬유를 통해 소화기 내벽까지 전달시켜 용종 등의 병변을 제거하는 기기 개발이다. 레이저-조직 상호작용에 관한 실험적 연구를 통해 연속파와 펄스파 조건에서 레이저의 다양한 구동 조건에 따른 돼지 조직의 천공 깊이 측정 자료를 확보했다. 이와 함께 향후 임상 적용을 위해 해결해야 할 몇 가지 문제점도 파악했다.
샘플 심부 온도 측정과 더불어 표면에서의 온도를 측정했다. 샘플에 레이저를 조사하면서 열화상 카메라를 통해 표면 영상을 획득했다.
레이저를 조사했다. 샘플은 표면이 평평한 상태를 유지하도록 위치시켰고 광섬유의 끝단은 샘플과 맞닿은 상태에서 힘이 작용하지 않도록 높이를 조정했다. 천공된 돼지고기 샘플을 수술용 칼을 이용해 수직으로 절단한 후 버니어캘리퍼스로단면의 천공 깊이를 측정했다.
샘플의 표면 온도 측정은 열화상 카메라 (MoblR® M8, Wuhan Guide Infrared)를 이용했다.
2(d) 와 같이 광섬유가 샘플에 접촉한 상태에서 레이저를 조사하였다. 실제 돼지 장기에 대한 천공 깊이 측정 실험에서는 돼지 등갈비, 심장, 대장, 위 네 가지 부위를 사용해 각각의 장기 특성에 대한 결과를 비교했다.
온도는 샘플의 심부와 표면에서 측정했다. 본 연구진의 선행 연구에서 열전대와 열화상 카메라를 이용해 조직 심부 및 표면에서 온도를 측정하는 방법을 고안한 바 있다.
실험에 사용한 샘플인 돼지고기 살코기와 실제 사용될 부위인 위나 대장은 점액질과 표면 주름 구조 등으로 인해 조직 특성에 차이가 있다. 이러한 조직 특성 차이가 레이저-조직 상호작용에 미치는 영향을 확인하고자 Fig. 6과 같이 돼지에서 적출한 각 장기에 레이저를 조사하여 위와 동일한 방법으로 천공 깊이를 측정했다. 레이저 출력은 9 W, 조사시간은 20초로 설정한 후 돼지의 등갈비, 대장, 심장, 위를 대상으로 실험을 진행 했다.
초기 5초간 가이드 레이저를 조사하고 이후 근적외선 레이저를 조사했다. 저장된 동영상을 프로그램 (Guide IrAnalyser)을 이용해 분석했다. 광섬유가 맞닿은 부분으로부터 일정한 간격으로 5개의 지점을 설정하고 각 지점에서의 온도 변화를 도시 했다.
샘플은 표면이 평평한 상태를 유지하도록 위치시켰고 광섬유의 끝단은 샘플과 맞닿은 상태에서 힘이 작용하지 않도록 높이를 조정했다. 천공된 돼지고기 샘플을 수술용 칼을 이용해 수직으로 절단한 후 버니어캘리퍼스로단면의 천공 깊이를 측정했다. 각 레이저 구동 조건에서 5회 반복 측정하여 평균 깊이를 구했다.
광섬유로부터 10 mm 거리, 샘플 표면으로부터 5 mm 깊이에 열전대(K-Type) 를 위치시킨 후 6 W와 9 W의 출력으로 조사했다. 초기 10초 동안 열전대의 안정화를 거친 후 120초간 레이저를 조사하면서 온도를 측정했다.
⁽¹²⁾ 샘플과 광섬유를 맞닿게 설치한 후 9 W의 출력으로 30초간 레이저를 조사하면서 표면 열화상 영상을 획득했다. 초기 5초간 가이드 레이저를 조사하고 이후 근적외선 레이저를 조사했다. 저장된 동영상을 프로그램 (Guide IrAnalyser)을 이용해 분석했다.
본 실험에서는 레이저 출력과 샘플에 조사되는 총 에너지(Energy [J] = Laser power [W] × Frequency [Hz] × Pulse Width [s] × Irradiation Time [s])를 동일하게 설정한 상태에서 펄스폭과 주파수를 변화시켜 돼지 조직의 천공 깊이에 미치는 영향을 살펴보았다. 총 세 가지의 레이저 펄스 에너지 8.1, 7.2, 5.4 J에 대해 실험을진행했으며 연속파 조건에서 수행한 실험 결과와 비교했다.

대상 데이터

본 연구는 임상에서 인체 소화기에 적용할 내시경적 절제 장치 개발을 위해 진행되었다. 기존에 의료용으로 많이 사용된 CO₂레이저의 비접촉식 시술로 제한되는 단점을 보완하기 위해 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 이용했다. 최종 목표는 근적외선 파장대의 고출력 레이저 빛을 소화기 내시경에 장착한 광섬유를 통해 소화기 내벽까지 전달시켜 용종 등의 병변을 제거하는 기기 개발이다.
본 실험에 사용한 레이저는 출력, 주파수, 펄스폭, 조사시간과 같은 네 가지 파라미터의 설정이 가능하다. 레이저 구동 조건의 변화가 돼지고기 샘플의 천공 깊이에 미치는 영향을 살펴보고자 일정한 크기로 자른 돼지고기 샘플을 광섬유 아래 놓은 후 연속파 조건에서 3, 6, 9, 12 W의 출력으로 각각 5, 10, 20초간 레이저를 조사했다.
본 실험에는 808 nm 파장과 15 W의 최대 출력을 갖는 고출력 근적외선 레이저(Passive Cooled Ocla Laser, NDLUX)가 사용되었다. Fig.
본 연구에 사용한 근적외선 레이저와 유사한 파장인 800 nm에서 α = 0.020 cm-1 , CO2 레이저의 파장 10,600 nm에서 α = 860 cm -1로 측정된 바 있다.
샘플은 돼지 조직을 이용했다. 비계의 경우 결과에 상당한 차이가 있기에 살코기만 있는 돼지 등심을 1 cm 두께로 실험에 사용했다. Fig.
샘플 심부 온도 측정과 더불어 표면에서의 온도를 측정했다. 샘플에 레이저를 조사하면서 열화상 카메라를 통해 표면 영상을 획득했다. 영상에서 Fig.
샘플은 돼지 조직을 이용했다. 비계의 경우 결과에 상당한 차이가 있기에 살코기만 있는 돼지 등심을 1 cm 두께로 실험에 사용했다.

성능/효과

2(c)는 광학레일에 부착된 스테이지를 나타낸다. 이를 통해 샘플로부터 광섬유 끝단 Y축 높이의 정량적 조절이 가능했고, X축 이동을 통해 실험의 편의성을 증대시켰다.
내시경적 점막하 박리술과 같이 좁은 공간에서 조직의 일부를 절제하는 장치를 구상함에 있어 소화기 내시경에 장착된 808 nm 파장의 고출력 근적외선 레이저를 장벽에 조사하여 병변을 제거 할 수 있는 기기 개발을 목적으로 레이저-조직 상호작용에 관한 기초 실험을 돼지 조직을 이용 하여 수행했다. 천공 깊이에 영향을 미치는 다양한 레이저 구동 파라미터를 파악하였고 각 장기별 조직의 특성이 추가적인 변수가 될 수 있음을 확인했다. 후속 연구에서는 절제 대상 병변 조직 및 주변 정상 조직의 광열특성을 고려한 레이저 구동조건 최적화 작업과 함께 점막하 유체 쿠션의 광열 특성 조절을 통해 레이저-조직 상호작용 시 주변 조직의 열손상을 최소화할 수 있는 기법을 확립하고자 한다.

후속연구

7에서 확인했듯이 실험에 사용된 돼지고기 샘플과 실제 소화기 조직의 물리화학적 특성 차이로 인한 천공 깊이의 변화가 있었다. 그러므로 향후 연구에서는 실제 적용 대상 장기 조직을 동물 또는 인체에서 적출하여 실험 샘플로 사용할 필요성이 있다. 또한 천공된 부위가 검게 탄화되는 문제점이 발생했는데 본 실험에 사용된 808 nm 레이저를 실제 임상에서 소화기 내시경에 적용하기 위해서는 레이저 에너지가 절제 대상인 병변 부위에만 집중되게 하여 주위 정상 조직의 열손상을 최소화할 필요가 있다.
그러므로 향후 연구에서는 실제 적용 대상 장기 조직을 동물 또는 인체에서 적출하여 실험 샘플로 사용할 필요성이 있다. 또한 천공된 부위가 검게 탄화되는 문제점이 발생했는데 본 실험에 사용된 808 nm 레이저를 실제 임상에서 소화기 내시경에 적용하기 위해서는 레이저 에너지가 절제 대상인 병변 부위에만 집중되게 하여 주위 정상 조직의 열손상을 최소화할 필요가 있다. 근적외선 레이저는 CO₂ 레이저에 비해 물과 조직에서 매우 큰 열이완시간을 가진다.
에너지가 낮을수록 천공 깊이가 넓게 분포되었는데 이는 출력 3 W에서 천공된 깊이가 작기 때문에 버니어캘리퍼스를 이용한 수작업으로 깊이를 측정하는 과정에서 발생한 오차에 기인하는 것으로 보인다. 레이저 출력과 조사시간의 다양한 조합에 대해 얻은 조직의 천공 깊이 자료는 조직을 특정한 깊이로 절개하는데 필요한 레이저 구동조건을 사전에 설정할 수 있게 해줄 것이다.
92 cm -1를 이용하면 열이완시간은 τ_t ≈ 5 s로 계산된다. 열이완 시간과 내시경을 통해 확인 가능한 절제 대상 조직의 크기를 고려하여 최적화된 레이저 출력과 조사 시간을 설정하고 빔 스캐너 등의 추가적인 구동 장치를 통해 사전 설정한 레이저 구동 조건을 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 주변 조직의 열손상 방지를 위한 추가적인 방안으로 점막하 박리술 적용 시 삽입되는 점막하 유체쿠션(submucosal fluidic cushion)^(14,15)의 광열특성을 조절하는 후속 연구를 진행하고자 한다.
위와 대장은 점액질이 기관 내부를 덮고 있어서 천공이 덜 되고 심장은 근육이 단단하게 뭉쳐있어서 천공 깊이가 가장 작게 측정된 것으로 보인다. 이 측정 결과는 한가지 레이저 구동 조건에서 얻었으나 앞서 확보한 살코기의 천공 깊이 자료를 활용하면 소화기 조직과 레이저의 상호작용을 예측할 수 있다. 하지만 임상 적용에 앞서 소화기 조직의 광열특성 자료 확보와 함께 표면 구조 및 점액질이 레이저조직 상호작용에 미치는 영향을 파악하여 최적화된 레이저 구동 조건을 도출할 필요가 있다.
열이완 시간과 내시경을 통해 확인 가능한 절제 대상 조직의 크기를 고려하여 최적화된 레이저 출력과 조사 시간을 설정하고 빔 스캐너 등의 추가적인 구동 장치를 통해 사전 설정한 레이저 구동 조건을 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 주변 조직의 열손상 방지를 위한 추가적인 방안으로 점막하 박리술 적용 시 삽입되는 점막하 유체쿠션(submucosal fluidic cushion)^(14,15)의 광열특성을 조절하는 후속 연구를 진행하고자 한다.
천공 깊이에 영향을 미치는 다양한 레이저 구동 파라미터를 파악하였고 각 장기별 조직의 특성이 추가적인 변수가 될 수 있음을 확인했다. 후속 연구에서는 절제 대상 병변 조직 및 주변 정상 조직의 광열특성을 고려한 레이저 구동조건 최적화 작업과 함께 점막하 유체 쿠션의 광열 특성 조절을 통해 레이저-조직 상호작용 시 주변 조직의 열손상을 최소화할 수 있는 기법을 확립하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	10,600 nm 파장을 갖는 CO2 레이저의 장점은 무엇인가?	의료 분야에서는 다양한 레이저가 사용되고 있다. 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 레이저는 10,600 nm 파장을 갖는 CO2 레이저는 목표 조직에서의 에너지 흡수율이 높기 때문에 인접한 조직에 손상을 주지 않고 절개 시 지혈효과와 함께 깨끗한 절단면을 얻을 수 있다는 장점으로 인해 의료 분야에서 많이 사용되고 있다. 그러나 CO2 레이저는 전달 구조로 인해 좁은 공간에서 움직임에 제한이 생긴다.
	공간이 좁은 소화기 내시경 시술에서 고출력 레이저를 이용하는 이유는 무엇인가?	소화기 내시경 시술에서 용종을 제거하는 일반 적인 방법으로는 전기 집게나 스네어(snare) 등을 사용하는 용종 제거술, 점막하 조직에 젤 등을 삽입해 조직 전체를 제거하는 내시경적 점막하 박리술(Endoscopic Submucosal Dissection; ESD)이 있다.(1) 공간이 좁은 소화기 내에서 낮은 자유도를 갖는 내시경으로 이러한 시술을 하기에는 어려움이 있으므로 고출력 레이저를 이용한 소화기 조직 절제용 장비의 개발 필요성이 대두되었다.
	소화기 내시경 시술에서 용종을 제거하는 일반 적인 방법에는 무엇이 있는가?	소화기 내시경 시술에서 용종을 제거하는 일반 적인 방법으로는 전기 집게나 스네어(snare) 등을 사용하는 용종 제거술, 점막하 조직에 젤 등을 삽입해 조직 전체를 제거하는 내시경적 점막하 박리술(Endoscopic Submucosal Dissection; ESD)이 있다.(1) 공간이 좁은 소화기 내에서 낮은 자유도를 갖는 내시경으로 이러한 시술을 하기에는 어려움이 있으므로 고출력 레이저를 이용한 소화기 조직 절제용 장비의 개발 필요성이 대두되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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