[논문]펨토초 레이저 유발 shock 형성 및 그 응용

정세채; 이흥순; 시두; 문혜영

문제 정의

다음은 레이저 파워를 바꾸어서 충격파의 진폭을 측정하여 둘의 상관관계를 알아보고자 하였다. 충격파 발생을 위한 임계값은 레이저 파워가 5mW에서였다.
본 연구 목적은 펨토초 레이저가 물에 조사 한 ㄹ 경우 유도된 충격파생성에 대한 실험적인 연구결과 및 척추동물의 안구내 유리체에서의 레이저 유발 충격파의 효과가 박리된 망막층에 어떠한 효과에 있는지에 대한 시험적 연구결과를 제시하고 이를 논의하고자 한다.
본 연구에서는 초고속 레이저를 기반으로 하여 순간적인 압력을 생성하는 방법에 관한 연구를 수행하였다. 레이저를 물속 및 적출된 돼지안구 내 유리체에 집속시킴으로서 발생하는 충격파에 대한 측정결과와 그 효과를 정량적으로 평가하는 방법 및 결과를 제시하였다.
이상 본 연구는 펨토초 레이저 펄스를 안구 내 유리체에 집속시킴으로 박리된 망막과 관련된 질병에 대한 새로운 치료 방법을 제시하였다고 판단된다.

가설 설정

¹¹ 이러한 조성의 유리액의 물리적 상태는 일반적으로 젤인 것으로 여겨지며, 안구의 상태에 따라 젤의 점도 등 물리적인 특성이 매우 상이한 것으로 알려져 있다. 한편, 이러한 상태는 광학적인 투과도에는 큰 영향을 주지 않을 것으로 가정하였다.

제안 방법

2mw-90mw의 단일 펨토초 레이저 펄스를 조사 이후 발생되는 음향파 신호(acoustic wave signal)는 추가적인 분석을 위해 오실로스코프로 기록되었다. Fig.
눈의 유리체(vitreous body)에 대해 공동현상(cavitation)의 임계 플루언스(threshold fluence)보다 높은 5mW와 20mW의 파워의 펨토초 레이저가 1Hz의 반복률로 180초 동안 지속적으로 조사되었다. 레이저 파워는 초점거리 200mm의 평면 볼록 렌즈(plano convex lens)를 사용하여 빔을 평행하게 만든 후 검안경(ophthalmoscope) 렌즈를 통과한 이후에 측정되었다. 안구렌즈, 각막 및 홍채의 투과효과를 무시할 수 있기 때문에, 유리체로 조사된 레이저 파워는 적출된 돼지 안구 자체에 의해서는 영향을 받지 않을 것이다.
본 연구에서는 초고속 레이저를 기반으로 하여 순간적인 압력을 생성하는 방법에 관한 연구를 수행하였다. 레이저를 물속 및 적출된 돼지안구 내 유리체에 집속시킴으로서 발생하는 충격파에 대한 측정결과와 그 효과를 정량적으로 평가하는 방법 및 결과를 제시하였다. 병든 돼지 안구의 망막 두께는 건강한 눈과 비교할 때 약 10-15% 정도 관찰되어졌다.
적출된 돼지안구의 유리체내 망막 표면 위 5mm에서 1Hz의 반복률로 180초 동안 지속적으로 핌토초 레이저를 조사함으로써 망막에 충격파 효과를 유도했다. 초고속레이저에 의한 돼지 안구 망막두께의 상대적인 변화를 알아보기 위해 먼저 건강한 돼지 안구들을 펨토초 레이저로 처리하고, 그것을 양성대조군으로 사용하였다.
적출된 돼지안구의 유리체내 망막 표면 위 5mm에서 1Hz의 반복률로 180초 동안 지속적으로 핌토초 레이저를 조사함으로써 망막에 충격파 효과를 유도했다. 초고속레이저에 의한 돼지 안구 망막두께의 상대적인 변화를 알아보기 위해 먼저 건강한 돼지 안구들을 펨토초 레이저로 처리하고, 그것을 양성대조군으로 사용하였다. Fig.

대상 데이터

특히 망막 층 구조물 내에 일정한 낭성 공간(cystic spaces)은 노화에 따른 시력감퇴의 증상으로서 이 공간이 증가한다고 알려져 있다. 병든 돼지 안구는 기저부 이미지들을 기본으로 하여 도살장에서 얻어진 적출된 돼지 안구들을 무작위로 선택했다. 대개 도살장에서 얻은 병든 돼지 안구의 기저부 이미지들은 망막 색소 상피(retinal epithelial pigment)의 손실 및 망막 표면과 맥락막내 신생혈관 구조물(neovascular structures)에 높은 광학적인 반사율을 가진다.
2에 나타내었다. 실험에 사용된 레이저는 증폭된 800nm Ti:sapphire 레이저로서(Quantronix, USA) 100fs의 펄스폭과 1kHz의 반복률을 갖는다. 초기에 guide 빔(635nm, spectra physics)과 visualization 빔(white light super continuum)은 시각적인 축선에 따라 돼지 망막의 중심와(foveal) 부분에 정확하게 초점이 맞추어진다.

이론/모형

충격파의 전파는 일반적으로 모든 방향에 대하여 균일(homogeneous)하다. 각 파워 범위에서 관찰된 충격파 신호는 발생된 광음향파(optoacoustic wave)의 주파수를 밝히기 위해 푸리에 변환(Fourier transformation)을 적용하여 해석하였다. Fig.

성능/효과

비록 레이저-물질간의 상호 작용이 일어나는 동안 충격파 발생을 위한 근본적인 메커니즘이 완전히 이해되지 않더라도, 펨토초 레이저와 물질들 (예를 들면, 실리콘, 알루미늄 및 물 같은 액체류)간의 상호작용으로부터 생성되는 충격파에 관해서는 충분한 증거들이 보고되었다.¹ 이상의 설명에서 우리는 레이저 유발 충격파 발생은 다양한 망막 질환들을 치료하기위해 큰 중요성을 가질 것으로 예측할 수 있다.
8(A)의 노란색 표기 부분 참조) 이것은 시력감퇴(visual acuity)와 시야의 흐림(blurriness in vision)을 유발시키는 빛 투과에 있어 장벽과 같은 역할을 할 것이다. 4개의 다른 망막지역에서 건강한 안구와 비교했을 때, 망막 두께에 상대적인 증가를 확인할 수 있었다. 즉, 시신경 원판(optic disc)에서 12.
레이저를 건강한 눈에 조사했을 경우, 망막 두께의 변화가 매우 작음을 확인하였다. 그러나 병든 안구에 레이저를 조사한 경우 망막의 부분적인 박리 현상이 현저히 감소하며 특히 망막 두께의 변화율은 20mW의 파워보다는 5mW파워에서 더욱 현저함을 확인할 수 있었다.
그 이후에 초점 위치를 망막 표면위로 약 5mm지점에 맞추었다. 눈의 유리체(vitreous body)에 대해 공동현상(cavitation)의 임계 플루언스(threshold fluence)보다 높은 5mW와 20mW의 파워의 펨토초 레이저가 1Hz의 반복률로 180초 동안 지속적으로 조사되었다. 레이저 파워는 초점거리 200mm의 평면 볼록 렌즈(plano convex lens)를 사용하여 빔을 평행하게 만든 후 검안경(ophthalmoscope) 렌즈를 통과한 이후에 측정되었다.
레이저가 조사되지 않았을 경우와 비교할 때, 20mW의 레이저 파워보다는 5mW 파워에서 망막 두께의 상대적인 감소현상이 훨씬 더 두드러졌다. 특히, 중심와 주변 지역(-26%)에서 감소가 가장 현저 했으며, 시신경 원판(optic disc)을 향한 방향에서는 약 16%의 변화율 값을 보여 주었다.
반면, 두 레이저 파워 모두(5 & 20mw) 중심와 부근(sub-foveal)에서는 약 -9%값을 가졌으며, 망막 주변 지역에서는 거의 무시할 수 있을 정도로 그 변화율 값이 낮았다.
신호의 진폭은 레이저 펄스 조사 후 200-300μs에서 최대값을 가지며, 그 이후에 서서히 감소하다가 약 1ms 이후에는 진폭이 현저하게 감소하였다.
5에서와 같이 신호 진폭(signal amplitude)은 5mW에서 20mW의 레이저 파워에서 지수 적으로 상승하고, 파워가 더 증가함에 따라 오히려 진폭이 감소하였다. 실험적인 결과는 본 논문에 제시하지 않았지만 30mW 이사의 출력에서는 큐벳에서 전형적인 super continuum현상을 관찰 할 수 있었다. 즉 광학 filamentation 현상은 충격파 (optoacoustic shockwave)의 신호 진폭의 증가를 방해한다.
한편 사용된 큐벳 내부에서 발생한 충격파는 10mm 큐벳의 벽에서 반사하여 마이크로폰에 측정되는 점을 이용하여 충격파의 전파 속도는 약 3,120m/sec 임을 알 수 있다. 이러한 전파속도는 정상상태에서의 음파의 물속에서의 전파속도인 1,483m/sec에 비하여 상당히 높다는 점에서 레이저 유발 충격파가 생성됨을 알 수 있었다.
8은 건강한 안구에서와 유사한 방법으로 펨토초 레이저를 약 3분 동안 병든 안구내 유리체에 조사한 후, 60μm 두께의 냉동 절편을 얻어 분서한 결과를 보여주고 있다. 전체적으로 대조군으로 사용된 안구의 결과와 비교하여 레이저를 처리한 경우 망막 층 내에 존재하였던 부분적인 박리 현상의 현저한 감소를 확인할 수 있었다.
4개의 다른 망막지역에서 건강한 안구와 비교했을 때, 망막 두께에 상대적인 증가를 확인할 수 있었다. 즉, 시신경 원판(optic disc)에서 12.8%, 중심와(foveal) 지역에서 16.7%, 중심와 부근(sub-foveal)에서 18.1%, 그리고 주변(peripheral)지역에서 18%로써, 망막 두께내의 증가가 망막 전체에서 확인되었다.
레이저가 조사되지 않았을 경우와 비교할 때, 20mW의 레이저 파워보다는 5mW 파워에서 망막 두께의 상대적인 감소현상이 훨씬 더 두드러졌다. 특히, 중심와 주변 지역(-26%)에서 감소가 가장 현저 했으며, 시신경 원판(optic disc)을 향한 방향에서는 약 16%의 변화율 값을 보여 주었다.
한편 5mW의 레이저 파워에서 건강한 돼지 안구 내 충격파 효과에 의한 망막 두께의 상대적인 변화가 시신경 원판(optic disc)에서 최대값(약 14.2%)을 보였으며, 레이저 에너지를 20mW로 증가시키면 그 변화율이 절반으로 떨어졌다. 한편 중심와 지역에서는 충격파 효과는 레이저 에너지가 5mW 그리고 20mW일때 각각 약 9%와 6%의 값을 가졌다.
2%)을 보였으며, 레이저 에너지를 20mW로 증가시키면 그 변화율이 절반으로 떨어졌다. 한편 중심와 지역에서는 충격파 효과는 레이저 에너지가 5mW 그리고 20mW일때 각각 약 9%와 6%의 값을 가졌다. 반면, 두 레이저 파워 모두(5 & 20mw) 중심와 부근(sub-foveal)에서는 약 -9%값을 가졌으며, 망막 주변 지역에서는 거의 무시할 수 있을 정도로 그 변화율 값이 낮았다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노화에 따른 시력 감퇴의 초기 단계는?	가까운 미래에 점점 사람들은 시력 감퇴로 인한 시각 손상으로 고통 받을지도 모른다. 일반적으로, 노화에 따른 시력 감퇴의 초기 단계에서 작은 낭종 공간이 망막 층 사이에서 형성되며, 맥락 막으로부터 망막이 박리(retinal detachment)되거나, 혹은 망막 세포층이 부어서 시력이 크게 감소하는 현상이 발생한다. 그러한 변형은 궁극적으로 망막 혈액 장벽(retinal blood barrier)을 파괴할 수 있다.
	유도 광 브레이크다운 현상은 언제 발생하는가?	1,2 펨토초 레이저와 같이 펄스폭이 매우 빠른 경우, 이 펄스폭의 제한으로 인하여 재료에 에너지가 투여된 이후에 에너지 전이가 이루어지기 때문에 오직 펨토초 레이저와 물질간의 상호작용만을 고려하면 된다.3 한편 레이저의 파워를 매우 높여 물질 내부에 집속하는 경우 유도 광 브레이크다운(LIOB; Laser Induced Optical Breakdown) 현상이 발생하며, 단열 상승에 의하여 물질 내부에 유도된 플라스마의 온도는 -수 10,000K까지 증가한다. 이러한 온도 상승은 샘플 내에 존재하는 자유 전자의 운동 에너지에 기인한다.
	유도 광 브레이크다운 현상에서 온도 상승은 무엇에 기인하는가?	3 한편 레이저의 파워를 매우 높여 물질 내부에 집속하는 경우 유도 광 브레이크다운(LIOB; Laser Induced Optical Breakdown) 현상이 발생하며, 단열 상승에 의하여 물질 내부에 유도된 플라스마의 온도는 -수 10,000K까지 증가한다. 이러한 온도 상승은 샘플 내에 존재하는 자유 전자의 운동 에너지에 기인한다. 즉, 높은 운동 에너지 때문에 플라스마 전자들은 레이저 광원의 초점 영역에 국한되지 않고 주변으로 확산된다.

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