열손상·화학반응 다양한 적용 가능
"기적의 칼"이라 불리는 레이저는 에너지가 조직에 흡수되어 열에너지로 전환되면서 세포 또는 조직에 열 손상과 화학반응을 일으키는 원리를 이용하며, 진단과 치료목적으로 의료분야에서 다양하게 이용할 수 있다.
진단목적으로는 레이저 도플러측정이나 광영상단층 촬영에 응용될 수 있고 임상적으로는 암 조직의 조기발견에도 응용될 수 있다.
치료적인 목적으로는 레이저의 열적인 상호작용을 이용하여 수술에 응용될 수 있다.
세포조직은 60℃에서 단백질이 응고되기 시작하고, 100℃에서 세포조직의 수분이 증발하며, 더 높은 온도에서는 세포조직의 탄화가 이루어진다.
이러한 레이저와 세포의 상호작용에 의하여 조직층에 특별한 변화가 일어나고 이를 치료에 응용한다.
임상의료의 각 분야별로 자세한 레이저의 응용은 다음과 같이 나뉜다.
임상에서의 레이저 응용
1. 안과
파장에 따라 눈에서 흡수되는 정도가 다른 것으로 알려져 있는데, 마이크로파나 감마선은 눈을 그냥 투과한다.
자외선(엑시머 레이저)이나 적외선(CO2 레이저)영역은 눈의 각막과 렌즈에서 벌써 흡수가 일어나고, 300nm 영역의 자외선은 각막은 투과하여 수정체에서 흡수가 시작된다.
가시광선내의 레이저 빔은 망막조직이나 헤모글로빈에 선택적으로 매우 높은 흡수율을 나타낸다.
◇녹내장=높아진 안압이 중요한 요소이다. 녹내장은 완치가 어렵고 레이저치료나 약물, 수술 등의 방법으로 안압을 조절하여 시신경의 장애를 최소화하는 것이 최선의 방법이다.
레이저를 이용한 모양주 성형수술은 레이저로 모양주에 구멍을 뚫어 모양주의 그물 섬유를 수축하게 하여 방수의 흐름을 증가시켜 안압을 조절하는 방법이며 이때 아르곤이온 레이저의 열적인 상호작용에 의해 모양주의 그물 섬유가 수축한다.
◇백내장=Nd:YAG 레이저를 이용하여 레이저 capsu-lotomy를 시행하는데 약물로 마취된눈에 특수한 안경을 씌우고 수정체 뒷면에 정확하게 레이저빔의 초점을 맞추며 안전하게 광학적 파괴를 유발하게 된다.
◇굴절이상(근시, 원시)=레이저를 이용한 각막절제술은 1983년에 미국의 안과의사 트로겔에 의해 처음 시도되었으며 최근 들어 레이저의 발전과 함께 임상적 응용범위를 활발하게 넓혀가고 있다.
파장 193nm의 엑시머 레이저는 펄스의 지속시간이 짧아 각막 연마시 주위조직에 영향이 거의 없으며 한번의 펄스에 의해 절제되는 각막의 층은 1/1000mm로서 아주 정밀하게 절제할 수 있다.
눈에 점안 마취제와 항염증 안약을 투여한 뒤에 안과 외래에서 레이저빔의 노출시간이 1분 이내로 짧은 순간에 간단히 시술이 이루어진다.
라식(LASIK)은 근시, 원시 그리고 난시도 교정할 수 있는데 엑시머 레이저를 사용하지만 보우만층 및 각막의 스트로마층을 포함하는 부위를 미세한 칼로 각막층을 만들어 레이저에 의해 손상되지 않게 외부로 밀어낸 후 각막의 실질 부위에만 레이저를 조사하고 각막층을 다시 덮어 원래의 상태로 환원하는 방법이다.
최근에 Holmium/Yag 레이저를 사용하여 원시와 노안의 치료를 위한 각막 작열 치료에 사용하고 있다.
◇유리체 출혈 및 망막질환=Argon, Holmium/Yag 등의 레이저를 노인성망막질환, 당뇨성증식성망막병, 망막박리, 망막출혈, 망막혈관병변 등에 활용하여 치료한다.
2. 피부과
피부과에서의 레이저 사용은 일반적으로 레이저 빔과 세포조직과의 열적인 상호작용을피부치료에 응용한다.
특히 광응고나 광증발을 많이 이용하고 있다.
사용되는 레이저의 종류가 다양하며 많은 질환에 응용되고 있다.
아르곤 레이저는 피부에서 투과깊이가 적고 헤모글로빈에 강한 흡수를 나타내기 때문에 모세혈관확장증이나 거미양 혈관종 등에 이용된다.
CO2, Er/Yag 레이저는 표피를 절개하거나 층층으로 증발시킬 수 있으며 조직부위의 정확한 절개를 가능하게 한다.
또 Ruby, Alexandrite 레이저 등과 같이 피부에 있는 문신제거, 제모에 유용하다.
Nd:YAG(KTP), Dye 레이저는 섬유종이나 색소성 모반, 티눈, 각화증 등에 이용된다.
Nd:YAG 레이저는 투과깊이가 다른 종류에 비해서 가장 깊어서 6㎜까지 광응고를 일으킬 수 있다. 피부암이나 기저세포 상피종 등에 이용된다.
Dye 레이저는 파장이 577nm로 안면홍조증이나 화염상 모반, 모세혈관 확장성 모반 등에 이용될 수 있다.
또 탈모증 환자에서 레이저를 이용한 모 이식술이 최근에 시도되고 있다.
3. 이비인후과
◇귀=청력저하가 일어나는 이경화증에서 등자골절제술(stapedectomy)을 시행할 때 KTP, Argon 레이저를 이용하여 청력회복을 기대할 수 있으며 최근에는 레이저를 이용한 고막절개술을 시행하여 삼출성 중이염 환자에서 중이 삼출액의 배액을 유발하여 중이염을 치료에 사용하고 있다.
◇코=코의 혈관종이나 표재성 암종의 절제 등에 이용할 수 있고 알레르기성 비염이나 비후성 비염에서 레이저를 이용한 하비갑개 성형술을 시행하여 증상을 호전시킬 수 있다. 비점막의 표재성 혈관의 노출로 인한 반복적인 비출혈에도 레이저를 이용한 광응고가 사용되며, 수면무호흡증에서 유발되는 코골이의 치료에서도 CO₂ 레이저가 사용된다.
◇목=초기 후두암이나 후두의 양성종양, 유두종 등의 절제에 Nd/YAG, CO₂ 레이저를 사용하여 재발률이 낮고 출혈이 거의 없는 수술로 이용된다.
4. 산부인과
1970년대 말 이후로 다양한 종류의 레이저들이 산부인과용 내시경에 사용되어져 왔다.CO₂ 레이저와 같은 기체 레이저와 Nd:YAG 레이저와 같은 고체 레이저들이 여기에 속하며, CO₂ 레이저는 주로 복강경 수술에 Nd:YAG 레이저는 주로 자궁경 수술에 사용되어 진다.
CO₂ 레이저는 산부인과 응용에 표준되는 레이저로 자궁암외에도 외음부 상피내종양 그리고 질 상피내종양에도 응용된다. 연속발진(CW mode), 슈퍼펄스(SP wave mode), 촙 펄스(Chopped wave mode)의 3가지 다른 모드로 사용될 수 있다.
Holmium, Diode 레이저도 복강경, 질경, 자궁경 수술에서 활용되고 있다.
5. 비뇨기과
비뇨기과의 레이저 사용은 처음에는 외성기의 치료로부터 시작하여 요도관, 방광, 요관으로 그리고 신장까지 확장되었다.
방광암에는 오래전부터 Argon 레이저나 Nd:YAG 레이저를 광응고에 사용하여 왔으며 최근에는 광역학적인 치료를 성공적으로 수술에 이용하고 있다.
요관결석이나 신장결석의 제거에도 레이저의 충격파 치료를 응용할 수 있다.
◇외성기종양=외성기의 병변은 주로 Nd:YAG 레이저나 CO₂ 레이저를 이용하여 치료한다. 외성기나 항문에 생기는 첨규 콘딜롬(condyloma acuminata)이나 혈관종의 치료시에 재발률을 10% 미만으로 떨어뜨리고 주위 조직에 대한 영향이 적으며 외관상 흉터가 적으므로 많이 이용되고 있다.
◇방광암=Nd:YAG 레이저로 방광암을 치료하는 광역학적인 치료는 육안으로 볼 수 없는암조직을 내시경을 거쳐서 치료할 수 있는 유용한 방법이다. 레이저 치료는 방광벽에는 구멍을 내지 않으며 주위 조직의 손상도 거의 없으며 적절하게 광학적인 요인을 조절하면 무혈의 광응고를 수행하여 완벽한 절제술을 가능하게 한다.
요로결석 치료에 레이저는 내시경을 이용하여 결석에 에너지를 집중하여 전달할 수 있으며 Nd:YAG 레이저가 주로 응용된다.
◇전립선 비대=치료에 holmium 레이저를 사용하고 있다.
6.소화기내과
소화기내과에서의 레이저 사용은 유연한 내시경과 결합되어 있다.
CO₂ 레이저의 파장은 유리에 흡수되므로 광섬유에 사용할 수 없고 대신 투과율이 높은 아르곤 레이저나 Nd:YAG 레이저가 사용된다.
출혈부위의 응고나 지혈에 이용되고 협착증에 의해 막혀진 통로를 다시 열거나 암 조직을 절제해야 하는 부위의 치료에 사용되고 있다.
또한 Gold-vapor 레이저나 Dye 레이저를 이용한 광역학적 치료도 많은 응용이 기대되고 있다.
◇소화기 암=식도암과 결장암에서 내시경을 통해 종양부위에 초점을 맞추고 종양을 증발시킴으로써 치료에 응용된다. 주로 Nd:YAG 레이저가 사용된다.
◇양성종양=식도에서의 협착이 일어나거나 폴립같은 표피성 양성종양이 대장에서 생겼을 경우 레이저를 이용하여 절제한 후 확장시킴으로써 정상적인 소화기능을 가능하게 한다.
◇출혈치료=Nd:YAG 레이저는 물을 포함하는 조직에 높은 흡수율을 나타내므로 혈관조직을 응고하기에 적합하다. 궤양성 병변이나 식도 정맥류에 의한 출혈 등에 이용될 수 있다.
7. 정형외과
◇Holmium=YAG 레이저가 각종의 관절 내시경하의 연골절제, 연골재건, 인대, 건의 수술 등에 활용되며 추간판탈출증의 수술에도 활용되고 있다.
8. 외과영역
복강경을 통한 각종의 수술에 레이저가 이용되고 있고, 치질의 수술에는 Diode, CO₂ 레이저가 활용된다.
뇌기저부의 뇌하수체 종양을 치료하는데 레이저를 이용하거나 재발성의 유방암에서 레이저를 이용한 절제가 최근 시도되고 있다.
9. 광영상단층촬영기(Optical Coherence Tomography)
레이저 빔을 피부와 점막 등 조직의 표면에 조사하여 최고 3㎜ 깊이의 조직의 단층면을 세포단위까지의 상을 볼 수 있는 기술로서 현재 초기단계의 시제품이 활용되고 있으며 아직까지도 좀더 좋은 제품을 개발하기 위하여 많은 연구가 진행중이다.
10. 광역학치료(photodynamic therapy, PDT)
이처럼 개별적인 영역에서의 레이저의 이용 이외에도 거의 모든 임상분야에 걸쳐서 최근에 각광받고 있는 것이 레이저를 이용한 광역학 치료이다.
광역학치료는 종양세포에만 선택적으로 축적되는 광감각제를 체내에 주입한 후 그 광감각제에 가장 잘 흡수되는 특정파장의 레이저를 조사하면 각종의 반응이 일어나서 종양조직만 선택적으로 괴사시키는 새로운 암치료법이다.
레이저 빛은 내시경과 광섬유를 통하여 필요한 종양조직에 정확하게 조사되므로 선택적인 종양파괴가 가능하고, 항암제나 방사선치료같이 몸 전체에 영향을 미치지 않고 빛의 조사부위에만 작용하여 부작용이나 통증이 상대적으로 경미한 장점이 있다.
광감각제는 독성이 적고, 물이나 지방에 잘 녹으며, 광흡수 스펙트럼이 600~800㎜ 범위에 있으며, 악성종양 부위에 선택적으로 축적되는 것이 광역학치료에 적합하다.
현재 전세계적으로 개발되어 임상적으로 사용되고 있는 광감각제는 크게 두 부류가 있는데 이미 각국의 보건성으로부터 허가를 받은 제 1세대 Porphyrin계인 Photofrin(캐나다), Photogem(러시아), Photosan(독일), FDA에 신청중인 ALA(캐나다) 등과 제 2세대 Chlorin계 및 Cyanine계 화합물이다.
제 3세대 광감각제는 1, 2세대 광감각제에 다른 화학적인 조작을 가해 아미노산, 폴리머, 특이항체 등을 붙여서 특정한 세포조직에 더욱 흡수가 잘 되도록 고안한 것이다.
현재 제 1세대 광감각제는 상업적으로 구매 가능하나 각 나라의 보건성으로부터 판매허가를 받은 제품부터 구입할 수 있으며 우리나라에서는 Photofrin과 Photogem이 식약청의 허가를 받아 활용될 수 있다.
광역학치료의 또다른 필수요건인 레이저는 Diode, Dye, Gold-vapor, He-Ne, KTP 레이저를 포함해서 다양한 레이저가 사용되고 있다.
자신이 사용하고자 하는 광감각제의 흡수파장과 일치하고, 비용이 저렴하며, 사용시 편리하고 유지 비용이 적은 것이 좋은 광역학치료용 레이저의 조건이다.
광역학치료는 피부와 점막에 발생하는 각종의 암을 피부에 직접 조사하거나 또는 내시경을 통하여 레이저를 조사할 수 있는 곳이면 다 활용이 가능하다. 따라서 피부, 비강, 구강, 인두, 후두, 식도, 위장, 대장, 직장, 방광, 기관지를 통한 폐 부위의 암에 활용될 수 있으며 증식성 종양, 조기의 크지 않은 악성종양에 적용이 되고, 진행된암에서도 기관지, 식도, 장 등의 폐쇄를 열어 증세를 경감시킬 수 있는 고식적 수술에 활용될 수 있다.
광역학치료의 악성종양 파괴 기전으로는 산소 라디칼에 의한 직접적인 세포파괴 효과,종양내 영양 혈관의 손상유발, 면역학적인 매개물질의 유리효과 그리고 세포괴사라 불리는 apoptosis반응의 유도 등으로 생각되어진다.
직접적인 세포파괴는 광역학치료에 의해 발생한 산소 라디칼이 세포내 구성조직인 미토콘드리아 등의 세포 소기관에 물리화학적인 손상을 일으켜 종양세포 고유의 작용이 중지되고 종양세포 조직이 파괴되는 것이다.
또 종양내의 혈관세포의 손상과 혈류의 정체를 유발하여 종양파괴가 일어나며 광역학치료에 의해 cytokine, prostaglandin, growth factor 등의 다양한 면역학적 염증매개물질이 유리되어 종양세포의 제거가 일어난다.
그리고 광역학치료후 보통 30분 이내에 apoptosis가 일어나서 능동적인 세포괴사가 진행되기도 한다.
우리보다 새로운 치료기술의 시도가 엄격한 미국에서도 1995년부터 광감각제의 일종인photofrin을 이용한 광역학 치료를 말기 식도암, 방광암, 폐암 등에 시술하는 것을 FDA에서 승인하였다.
이를 계기로 세계의 수많은 레이저연구센터에서 광역학치료의 광범위한 임상적 응용을위한 연구가 진행되고 있고 우리나라에서도 과학기술부 과학재단지정 단국대학교 의학레이저연구센터를 비롯한 여러기관에서 임상적 효과가 기대되는 여러 연구를 진행하고 있다.
현재 피부암, 유방암, 대장암, 직장암, 자궁경부암등에서 실제적인 광역학 치료의 시술이 시행되고 있으며 그 치료성적도 우수한 것으로 보고되고 있다.
뿐만 아니라 PDD(photodynamic diagnosis)라 불리는 광역학 암진단도 현재 활발히 연구되는 분야인데, 이는 종양선택성을 가진 광감각제를 조직에 주입한 후 의심되는 부위에 형광자극 레이저를 조사하여 염료의 형광 영상과 spectroscopy로 암부위를 조영하는 방법이다.
광감각제를 주입하기 전에는 정상조직에서 더 많은 형광의 발광이 보이고 광감각제의 조사후에는 종양부위에서 더 많은 형광의 발광이 보이므로 종양부위와 정상부위를 구별할 수 있다.
현재 식도와 상부호흡기, 방광 등에서 형광세기를 검출하거나 형광물질의 반감기를 측정하여 이차원적 영상으로 나타내는 방법이 개발되었다.
11. 저출력 레이저(Low Power Laser)
최근에는 레이저의 새로운 응용으로 각종의 저출력 레이저가 연구되고 있고 또 임상에환자의 치료에 활용되고 있다.
피부절개부위나 만성적인 피부 궤양 등에 저출력의 레이저를 반복적으로 조사하여 피부재생을 촉진하고 궤양의 치료를 도와주는 연구도 활발히 진행되고 있다.
통증의 조절 등 재활치료에 활용되고 있으며, 정형외과 영역에서는 골절 등의 손상을 입은 환자에서 수술 후 레이저를 조사하면 뼈와 골수의 재생이 빨라져서 회복이 빠르다는 연구와 상처부위에 이차적 감염이 적다는 보고가 있다. 이 저출력 레이저는 향후 많은 연구가 필요하다.
이처럼 이전에는 치료가 어렵거나 불가능하다고 생각되던 여러 분야에서 레이저를 이용하여 치료함으로써 환자의 만족과 생존율을 높일 수 있게 되었다. 그리고 현재의 피부미용, 성형, 안과영역에서의 응용뿐 아니라 정밀한 무혈수술, 최소침습수술(minimally invasive surgery), 체내미세정밀수술 등으로 광범위하게 응용될 것으로 기대된다.
맺는 말
12. 레이저의 고려할 점
우리가 환자의 치료에 사용하고 있는 각종 레이저 장비는 안전하게 사용하지 않을 경우 많은 위험이 따를 수 있다.
그 위험은 환자, 시술하는 의사, 시술을 돕는 각종 의료인들이 다 위험에 노출되게 된다.
눈에 노출될 때에 실명의 위험이 있고, 치료를 의도하지 않는 피부에 노출되면 화상을입게 되고, 잘못 사용할 경우 화재와 전기감전의 위험이 있고, 레이저 사용 시 방출되는 연기는 흡입하면 우리 몸에 많은 피해를 줄 수 있고 심하면 우리의 생명을 잃을 수도 있다.
상하기도의 수술시에는 기도관이 쉽게 발화될 수 있어 마취의사와 협조하여 특별한 관리가 필요하다.
이러한 레이저 사고의 예방을 위하여 각종의 의료기관은 위험한 레이저 장비를 특별관리하며 그 활용과 사용하는 인력을 관리하는 레이저 위원회를 구성 운영함이 바람직하고, 또 레이저를 사용하는 의료요원들은 레이저 사용 전에 사용할 레이저에 대한 강의와 hands-on training을 포함한 특별한 훈련을 받아야 안전하게 레이저로 환자를 치료할 수 있다.
다양한 새로운 레이저의 개발과 많은 임상적인 기전에 대한 연구가 병행됨으로써 의학의 혁명적 변화를 선도해 온 레이저 의학은 앞으로도 환자들에 보다 좋은 의료진료를 제공하기 위하여 기초 생명공학 연구분야와 의료자원 절약이란 차원에서 의학의 발전에 지대한 공헌을 할 것은 자명한 바이다.
우리나라의 레이저 의학계에는 대한의학레이저학회가 구성되어 우리나라의 의학레이저의 발전을 위하여 많은 활동을 하고 있다. 또 2001년도에는 과학기술부와 과학재단이 지원하는 의학레이저 연구센터가 단국대학교내의 지역협력연구센터로 발족하였다.
본 센터는 첫째로 의료용 레이저 장비 제조에 대한 기술을 개발하고 이를 레이저 산업체에 기술 이전함으로 새로운 의료용 레이저 장비의 제조 기술개발의 한 역할을 담당하고 있으며 둘째로 레이저의 의학적 활용에 대한 기초 및 임상적 적용에 대한 연구를 활발히 하여 우리나라에서의 의학용 레이저의 활용이 크게 발전하고 널리 보급되는데 일익을 담당할 것이다.