성형 수술의 레이저

지난 세기 초, 아인슈타인은 "복사의 양자 이론"이라는 논문에서 레이저가 에너지를 방출할 때 발생하는 과정을 이론적으로 설명했습니다. 마이먼은 1960년에 최초의 레이저를 개발했습니다. 그 이후 레이저 기술은 빠르게 발전하여 전자기 스펙트럼 전체에 걸쳐 다양한 레이저를 생산해 왔습니다. 이후 레이저 전달의 정밀도를 높이기 위해 영상 시스템, 로봇 공학, 컴퓨터 등 다른 기술과 결합되었습니다. 물리학과 생체공학 분야의 협력을 통해 의료용 레이저는 외과의의 치료 도구에서 중요한 부분을 차지하게 되었습니다. 처음에는 부피가 커서 레이저 물리학 전문 교육을 받은 외과의만 사용했습니다. 지난 15년 동안 의료용 레이저 설계는 사용이 더욱 편리해졌으며, 많은 외과의가 대학원 교육 과정에서 레이저 물리학의 기본을 배우고 있습니다.

이 기사에서는 레이저의 생물물리학, 레이저 방사선과 조직의 상호작용, 현재 성형 및 재건 수술에 사용되는 장치, 레이저 작업 시 일반적인 안전 요구 사항, 피부 치료에 레이저를 추가로 사용하는 데 따른 문제점에 대해 논의합니다.

레이저의 생물물리학

레이저는 일반 빛과 유사한 파동 형태로 이동하는 광 에너지를 방출합니다. 파장은 파동의 두 인접한 피크 사이의 거리입니다. 진폭은 피크의 크기로, 빛의 세기를 결정합니다. 광파의 주파수 또는 주기는 파동이 한 주기를 완료하는 데 걸리는 시간입니다. 레이저의 작동 원리를 이해하려면 양자역학을 이해하는 것이 중요합니다. 레이저(LASER)는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자입니다. 빛 에너지 단위인 광자가 원자에 충돌하면 원자의 전자 중 하나가 더 높은 에너지 준위로 점프합니다. 원자는 이 들뜬 상태에서 불안정해지며, 전자가 원래의 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 광자를 방출합니다. 이 과정을 자발 방출이라고 합니다. 원자가 고에너지 상태에 있을 때 다른 광자와 충돌하면 저에너지 상태로 돌아갈 때 파장, 방향, 위상이 동일한 두 광자가 방출됩니다. 이 과정을 자극방출이라고 하며, 레이저 물리학을 이해하는 데 기본이 됩니다.

모든 레이저는 종류에 관계없이 네 가지 기본 구성 요소로 이루어져 있습니다. 여기 메커니즘 또는 에너지원, 레이저 매질, 광 공동 또는 공진기, 그리고 방출 시스템입니다. 안면 성형 수술에 사용되는 대부분의 의료용 레이저는 전기 여기 메커니즘을 사용합니다. 일부 레이저(예: 플래시램프 여기 색소 레이저)는 여기 메커니즘으로 빛을 사용합니다. 다른 레이저는 고에너지 고주파 또는 화학 반응을 사용하여 여기 에너지를 제공합니다. 여기 메커니즘은 고체, 액체, 기체 또는 반도체 물질일 수 있는 레이저 매질이 들어 있는 공진 챔버로 에너지를 펌핑합니다. 공진기 공동으로 방출된 에너지는 레이저 매질 내 원자의 전자를 더 높은 에너지 준위로 상승시킵니다. 공진기 내 원자의 절반이 강하게 여기되면 밀도 반전이 발생합니다. 광자가 사방으로 방출되고 일부는 이미 여기된 원자와 충돌하여 쌍을 이루는 광자의 유도 방출이 발생하면서 자발적 방출이 시작됩니다. 유도 방출은 거울 사이의 축을 따라 이동하는 광자가 우선적으로 앞뒤로 반사됨에 따라 강화됩니다. 이러한 광자가 다른 여기된 원자와 충돌하면서 순차적인 자극이 발생합니다. 한 거울은 100% 반사하고, 다른 거울은 공진기 챔버에서 방출된 에너지를 부분적으로 투과합니다. 이 에너지는 방출 시스템을 통해 생물 조직으로 전달됩니다. 대부분의 레이저는 광섬유를 사용합니다. 주목할 만한 예외는 힌지 암에 거울 시스템이 있는 CO2 레이저입니다. CO2 레이저에는 광섬유를 사용할 수 있지만, 스팟 크기와 출력 에너지가 제한됩니다.

레이저 광은 일반 광보다 더 조직적이고 질적으로 강합니다. 레이저 매질이 균질하기 때문에 유도 방출에 의해 방출되는 광자는 단일 파장을 가지며, 이로 인해 단색성이 발생합니다. 일반적으로 빛은 광원에서 멀어질수록 심하게 산란됩니다. 레이저 광은 시준되어 산란이 거의 없어 먼 거리에 걸쳐 일정한 에너지 강도를 제공합니다. 레이저 광의 광자는 같은 방향으로 이동할 뿐만 아니라 시간적, 공간적으로 동일한 위상을 갖습니다. 이를 결맞음(coherence)이라고 합니다. 단색성, 시준, 그리고 결맞음의 특성은 레이저 광을 일반 빛의 무질서한 에너지와 구별합니다.

레이저-조직 상호작용

생물 조직에 대한 레이저의 영향 범위는 생물학적 기능의 조절부터 기화까지 다양합니다. 임상적으로 사용되는 대부분의 레이저-조직 상호작용은 응고 또는 기화하는 열적 능력과 관련이 있습니다. 미래에는 레이저가 열원이 아닌, 세포독성 부작용 없이 세포 기능을 제어하는 탐침으로 사용될 수 있을 것입니다.

기존 레이저가 조직에 미치는 영향은 조직 흡수, 레이저 파장, 레이저 에너지 밀도라는 세 가지 요인에 따라 달라집니다. 레이저 빔이 조직에 닿으면 에너지가 흡수, 반사, 투과 또는 산란될 수 있습니다. 이 네 가지 과정은 조직-레이저 상호작용에서 다양한 정도로 발생하며, 그중 흡수가 가장 중요합니다. 흡수 정도는 조직의 발색단 함량에 따라 달라집니다. 발색단은 특정 길이의 파장을 효과적으로 흡수하는 물질입니다. 예를 들어, CO2 레이저 에너지는 신체의 연조직에 흡수됩니다. 이는 CO2에 해당하는 파장이 연조직의 최대 80%를 구성하는 물 분자에 잘 흡수되기 때문입니다. 반면, 뼈에서는 CO2 레이저 흡수가 최소화되는데, 이는 뼈 조직의 수분 함량이 낮기 때문입니다. 조직이 레이저 에너지를 흡수하면 처음에는 분자가 진동하기 시작합니다. 추가 에너지의 흡수는 단백질의 변성, 응고, 그리고 최종적으로 증발(증발)을 유발합니다.

레이저 에너지가 조직에 반사될 때, 표면 방사선의 방향이 바뀌기 때문에 조직은 손상되지 않습니다. 또한, 레이저 에너지가 표층 조직을 통과하여 심부 조직으로 전달될 경우, 중간 조직은 영향을 받지 않습니다. 레이저 빔이 조직 내에서 산란될 경우, 에너지는 표면에 흡수되지 않고 심부 조직에 무작위로 분포됩니다.

조직과 레이저의 상호작용에 관한 세 번째 요소는 에너지 밀도입니다. 레이저와 조직의 상호작용에서 다른 모든 요소가 일정할 때, 스팟 크기나 노출 시간을 변경하면 조직 상태에 영향을 미칠 수 있습니다. 레이저 빔의 스팟 크기가 감소하면 특정 조직 체적에 작용하는 파워가 증가합니다. 반대로, 스팟 크기가 증가하면 레이저 빔의 에너지 밀도가 감소합니다. 스팟 크기를 변경하기 위해 조직에 분사 시스템을 집중시키거나, 사전 초점 맞추기(prefocused) 또는 초점 맞추기(defocused)를 할 수 있습니다. 사전 초점 맞추기 및 초점 맞추기 빔에서는 스팟 크기가 집중된 빔보다 크기 때문에 파워 밀도가 낮아집니다.

조직 효과를 변화시키는 또 다른 방법은 레이저 에너지를 펄스화하는 것입니다. 모든 펄스 모드는 켜짐과 꺼짐 주기를 번갈아 가며 반복합니다. 꺼짐 주기 동안에는 에너지가 조직에 도달하지 않으므로 열이 방출될 가능성이 있습니다. 꺼짐 주기가 표적 조직의 열 이완 시간보다 길면 전도에 의한 주변 조직 손상 가능성이 줄어듭니다. 열 이완 시간은 표적 열의 절반이 방출되는 데 걸리는 시간입니다. 활성 간격과 활성 및 수동 펄스 간격의 합에 대한 비율을 듀티 사이클이라고 합니다.

듀티 사이클 = 켜짐/켜짐 + 꺼짐

다양한 펄스 모드가 있습니다. 레이저가 방출되는 주기(예: 10초)를 설정하여 에너지를 버스트 형태로 방출할 수 있습니다. 에너지는 차단될 수 있는데, 여기서는 기계식 셔터를 사용하여 일정 간격으로 일정한 파장을 차단합니다. 슈퍼펄스 모드에서는 에너지가 단순히 차단되는 것이 아니라, 꺼진 기간 동안 레이저 에너지원에 저장되었다가 켜진 기간 동안 방출됩니다. 즉, 슈퍼펄스 모드의 피크 에너지는 상시 또는 차단 모드의 피크 에너지보다 훨씬 높습니다.

거대 펄스 레이저에서는 오프 기간 동안 에너지가 레이저 매질에 저장됩니다. 이는 두 거울 사이의 공동 챔버에 있는 셔터 메커니즘에 의해 이루어집니다. 셔터가 닫히면 레이저는 레이저를 방출하지 않지만, 셔터 양쪽에 에너지가 저장됩니다. 셔터가 열리면 거울들이 상호 작용하여 고에너지 레이저 빔을 생성합니다. 거대 펄스 레이저의 최대 에너지는 매우 높고 듀티 사이클이 짧습니다. 모드 잠금 레이저는 공동 챔버의 두 거울 사이에 셔터가 있다는 점에서 거대 펄스 레이저와 유사합니다. 모드 잠금 레이저는 빛이 두 거울 사이에서 반사되는 시간에 맞춰 셔터를 열고 닫습니다.

레이저의 특성

• 이산화탄소 레이저

이산화탄소 레이저는 이비인후과/두경부 수술에서 가장 흔히 사용됩니다. 파장은 10.6nm로, 전자기 스펙트럼의 원적외선 영역에 있는 눈에 보이지 않는 파장입니다. 수술자가 수술 부위를 볼 수 있도록 헬륨-네온 레이저 빔을 따라 유도하는 것이 필수적입니다. 레이저 매질은 이산화탄소입니다. 이 파장은 조직의 물 분자에 잘 흡수됩니다. 높은 흡수율과 최소한의 산란으로 인해 효과는 표피적입니다. 방사선은 관절형 막대에 부착된 거울과 특수 렌즈를 통해서만 투과됩니다. 크랭크 암은 현미경에 부착하여 확대된 상태에서 정밀한 작업을 수행할 수 있습니다. 관절형 막대에 부착된 초점 조절 핸들을 통해 에너지를 방출할 수도 있습니다.

• Nd:YAG 레이저

Nd:YAG(이트륨-알루미늄-가닛과 네오디뮴) 레이저의 파장은 1064nm, 즉 근적외선 영역입니다. 인간의 눈에는 보이지 않으며 헬륨-네온 레이저 빔의 유도가 필요합니다. 레이저 매질은 이트륨-알루미늄-가닛과 네오디뮴입니다. 대부분의 신체 조직은 이 파장을 잘 흡수하지 못합니다. 그러나 색소가 있는 조직은 색소가 없는 조직보다 흡수율이 높습니다. 에너지는 대부분 조직의 표층을 통과하여 심부층으로 흡수됩니다.

이산화탄소 레이저와 비교했을 때 Nd:YAG 레이저의 산란은 훨씬 더 큽니다. 따라서 침투 깊이가 더 깊어 Nd:YAG 레이저는 심부 혈관의 응고에 매우 적합합니다. 실험에서 최대 응고 깊이는 약 3mm(응고 온도 +60°C)였습니다. Nd:YAG 레이저를 이용한 심부 구주위 모세혈관 및 해면상 형성물의 치료에서 좋은 결과가 보고되었습니다. 혈관종, 림프관종 및 동정맥 선천성 형성물의 성공적인 레이저 광응고에 대한 보고도 있습니다. 그러나 더 깊은 침투 깊이와 비선택적 파괴는 수술 후 흉터 발생을 증가시킵니다. 임상적으로 안전한 출력 설정, 병변에 대한 점 접근, 그리고 피부 부위 치료 회피를 통해 이러한 문제를 최소화할 수 있습니다. 실제로, 진한 적색 Nd:YAG 레이저는 스펙트럼의 노란색 부분에 있는 파장을 가진 레이저로 사실상 대체되었습니다. 그러나 진한 붉은색(포트와인) 결절성 병변에 대한 보조 레이저로 사용됩니다.

Nd:YAG 레이저는 섬유아세포 배양액과 정상 피부 모두에서 콜라겐 생성을 억제하는 것으로 나타났습니다. 이는 비대성 흉터와 켈로이드 치료에 효과적임을 시사합니다. 그러나 임상적으로 켈로이드 절제술 후 재발률은 강력한 보조적 국소 스테로이드 치료에도 불구하고 높습니다.

• 접촉 Nd:YAG 레이저

Nd:YAG 레이저를 접촉 모드로 사용하면 방사선의 물리적 특성과 흡수도가 크게 달라집니다. 접촉 팁은 레이저 파이버 끝에 직접 부착된 사파이어 또는 석영 크리스털로 구성됩니다. 접촉 팁은 피부와 직접 상호 작용하여 열 메스 역할을 하여 동시에 절단하고 응고합니다. 다양한 연조직 중재술에서 접촉 팁을 사용한 사례가 보고되었습니다. 이러한 응용 분야는 비접촉 Nd:YAG 모드보다 전기 응고에 더 가깝습니다. 일반적으로 외과의는 이제 레이저의 고유 파장을 조직 절단이 아닌 팁 가열에 사용합니다. 따라서 레이저-조직 상호 작용의 원리는 여기에 적용되지 않습니다. 접촉 레이저의 반응 시간은 자유 파이버만큼 직접적인 관련이 없으므로 가열 및 냉각에 지연 기간이 있습니다. 그러나 경험을 통해 이 레이저는 피부 및 근육 플랩을 분리하는 데 편리해집니다.

• 아르곤 레이저

아르곤 레이저는 488~514nm 길이의 가시광선을 방출합니다. 공진기 챔버의 설계와 레이저 매질의 분자 구조로 인해 이 유형의 레이저는 장파장 영역을 생성합니다. 일부 모델에는 방사선을 단일 파장으로 제한하는 필터가 있을 수 있습니다. 아르곤 레이저의 에너지는 헤모글로빈에 잘 흡수되며, 산란은 이산화탄소와 Nd:YAG 레이저의 중간 수준입니다. 아르곤 레이저의 방사선 시스템은 광섬유 캐리어입니다. 헤모글로빈에 대한 높은 흡수율로 인해 피부의 혈관 신생물 또한 레이저 에너지를 흡수합니다.

• KTF 레이저

KTP(potassium titanyl phosphate) 레이저는 Nd:YAG 레이저로, 레이저 에너지를 KTP 결정에 통과시켜 주파수를 두 배로 높이고(파장은 절반으로 줄임) 레이저입니다. 이 레이저는 헤모글로빈의 흡수 피크에 해당하는 녹색광(파장 532nm)을 생성합니다. 조직 침투 및 산란은 아르곤 레이저와 유사합니다. 레이저 에너지는 파이버를 통해 전달됩니다. 비접촉 모드에서는 레이저가 기화되어 응고됩니다. 반접촉 모드에서는 파이버 끝이 조직에 거의 닿지 않아 절단 도구가 됩니다. 에너지가 높을수록 레이저는 이산화탄소 레이저와 유사하게 열 칼날처럼 작용합니다. 저에너지 레이저는 주로 응고에 사용됩니다.

• 플래시 램프 여기 염료 레이저

플래시 램프 여기 색소 레이저는 피부의 양성 혈관 병변 치료를 위해 특별히 설계된 최초의 의료용 레이저였습니다. 585nm 파장의 가시광선 레이저입니다. 이 파장은 옥시헤모글로빈의 세 번째 흡수 피크와 일치하므로 이 레이저의 에너지는 주로 헤모글로빈에 흡수됩니다. 577-585nm 범위에서는 멜라닌과 같은 경쟁 발색단의 흡수가 적고 진피와 표피에서 레이저 에너지의 산란도 적습니다. 레이저 매질은 플래시 램프에 의해 광학적으로 여기되는 로다민 색소이고 방출 시스템은 광섬유 캐리어입니다. 색소 레이저 팁에는 3, 5, 7 또는 10mm의 스팟 크기를 생성할 수 있는 교환식 렌즈 시스템이 있습니다. 레이저 펄스 주기는 450ms입니다. 이 맥동 지수는 피부의 양성 혈관 병변에서 발견되는 확장된 혈관의 열 이완 시간을 기준으로 선택되었습니다.

• 구리 증기 레이저

구리 증기 레이저는 512nm의 녹색 펄스파와 578nm의 노란색 펄스파, 두 가지 파장의 가시광선을 생성합니다. 레이저 매질은 구리이며, 전기적으로 여기(기화)됩니다. 파이버 시스템은 150~1000µm의 가변 스팟 크기를 가진 팁으로 에너지를 전달합니다. 노출 시간은 0.075초에서 일정 시간까지이며, 펄스 간격 또한 0.1초에서 0.8초까지 다양합니다. 구리 증기 레이저의 노란색 빛은 얼굴의 양성 혈관 병변 치료에 사용됩니다. 녹색 파장은 주근깨, 흑자, 모반, 각화증과 같은 색소 병변 치료에 사용할 수 있습니다.

• 퇴색되지 않는 노란색 염료 레이저

노란색 연속파(CW) 색소 레이저는 577nm 파장의 노란색 빛을 생성하는 가시광선 레이저입니다. 플래시램프 여기 색소 레이저와 마찬가지로, 레이저 활성화 챔버에서 색소를 변화시켜 조율합니다. 색소는 아르곤 레이저에 의해 여기됩니다. 이 레이저의 방출 시스템 또한 광섬유 케이블로, 다양한 스팟 크기에 초점을 맞출 수 있습니다. 레이저 광은 기계식 셔터 또는 광섬유 시스템 끝에 부착된 헥사스캐너(Hexascanner) 팁을 사용하여 펄스화할 수 있습니다. 헥사스캐너는 육각형 패턴 내에서 레이저 에너지 펄스를 무작위로 유도합니다. 플래시램프 여기 색소 레이저 및 구리 증기 레이저와 마찬가지로, 노란색 연속파 색소 레이저는 얼굴의 양성 혈관 병변 치료에 이상적입니다.

• 에르븀 레이저

Erbium:UAS 레이저는 수분의 3000nm 흡수 대역을 사용합니다. 2940nm 파장은 이 피크에 해당하며 조직 수분에 강하게 흡수됩니다(CO2 레이저보다 약 12배 더 많음). 이 근적외선 레이저는 눈에 보이지 않으므로 가시광선 조준 빔과 함께 사용해야 합니다. 레이저는 플래시 램프로 펌핑되며, 일련의 마이크로펄스로 구성된 200~300μs 지속 시간의 매크로펄스를 방출합니다. 이 레이저는 관절형 암에 부착된 핸드피스와 함께 사용됩니다. 스캐닝 장치를 시스템에 통합하여 더욱 빠르고 균일한 조직 제거를 구현할 수도 있습니다.

• 루비 레이저

루비 레이저는 694nm 파장의 빛을 방출하는 플래시램프 펌핑 레이저입니다. 스펙트럼의 적색 영역에 있는 이 레이저는 눈으로 볼 수 있습니다. 짧은 펄스를 생성하고 더 깊은 조직 침투(1mm 이상)를 달성하기 위해 레이저 셔터가 있을 수 있습니다. 장펄스 루비 레이저는 레이저 제모 시 모낭을 우선적으로 가열하는 데 사용됩니다. 이 레이저 광은 거울과 관절형 붐 시스템을 통해 전달됩니다. 물에는 잘 흡수되지 않지만 멜라닌에는 강하게 흡수됩니다. 문신에 사용되는 다양한 색소도 694nm 광선을 흡수합니다.

• 알렉산드라이트 레이저

플래시 램프로 펌핑할 수 있는 고체 레이저인 알렉산드라이트 레이저는 755nm의 파장을 가지고 있습니다. 스펙트럼의 적색 영역에 속하는 이 파장은 눈에 보이지 않기 때문에 가이드 빔이 필요합니다. 청색 및 흑색 문신 색소와 멜라닌에는 흡수되지만 헤모글로빈에는 흡수되지 않습니다. 비교적 작은 크기의 레이저로, 유연한 광 가이드를 통해 방사선을 투과시킬 수 있습니다. 레이저는 비교적 깊이 침투하여 제모 및 문신 제거에 적합합니다. 스팟 크기는 7mm와 12mm입니다.

• 다이오드 레이저

최근 초전도체 소재의 다이오드가 광섬유 소자에 직접 결합되어 다양한 파장(사용되는 소재의 특성에 따라 다름)의 레이저 광을 방출합니다. 다이오드 레이저는 효율이 특징입니다. 입력되는 전기 에너지를 50%의 효율로 빛으로 변환할 수 있습니다. 낮은 발열량과 낮은 입력 전력을 특징으로 하는 이러한 효율 덕분에 대형 냉각 시스템 없이도 소형 다이오드 레이저를 설계할 수 있습니다. 빛은 광섬유를 통해 전송됩니다.

• 필터링된 플래시 램프

제모에 사용되는 필터링된 펄스 램프는 레이저가 아닙니다. 대신, 강하고 비간섭성인 펄스 스펙트럼입니다. 이 시스템은 크리스털 필터를 사용하여 590~1200nm 파장의 빛을 방출합니다. 펄스의 폭과 적분 밀도는 가변적이며, 선택적 광열분해 기준을 충족하여 제모용 레이저와 동등한 성능을 발휘합니다.

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