교신저자：이정구, 330-715 충남 천안시 안서동 산 16-5  단국대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실
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서     론

   레이저는 1960년 Maiman¹⁾²⁾에 의하여 최초로 발명된 루비 레이저가 의학 분야에 치료 목적으로 이용되기 시작한 이후 지속적인 기술의 발전과 함께 현재 많은 의료용 레이저가 개발되었고, 의학의 각 분야에서 여러 질환의 치료에 사용되고 있다. 레이저는 사용되는 매질에 따라 자외선, 가시광선, 적외선 등의 여러 파장을 갖게 되며 일광이나 백열등에서 발생되는 빛과는 물리적 특성이 다른 빛이 만들어지게 된다. 이렇게 만들어진 레이저광은 피부표면에 조사되었을 때 입사에너지의 일부분은 반사되고 나머지는 피부조직을 투과하게 된다. 투과된 에너지는 피부 내에 존재하는 교원섬유와 같은 자연 발색단에 의해서 산란되거나 반사되고 일부분은 헤모글로빈이나 멜라닌 같은 발색단에 흡수되어 광열반응, 광화학반응, 광파괴반응, 형광, 플라즈마(plasma) 형성, 충격파 발생 등 다양한 반응들이 일어나게 된다.³⁾⁴⁾⁵⁾
   기존의 의료용 레이저 중에서 Kalium-Titanyl Phosphate(KTP) 레이저는 Neodymium：Yttrium-Aluminum-Garnet(Nd：YAG) Rod를 Flash Lamp로 pump한 Flash Lamp Pumped Solid State(FPSS) 레이저의 일종으로 이 Nd：YAG 레이저 공진기 내부에 KTP 결정체를 삽입하여 Nd：YAG 레이저 빛이 이 결정체를 통과할 때 파장이 1064 nm에서 532 nm로 변화되면서 발생하는 532 nm의 녹색광이다. KTP 레이저는 맥동형(pulse type)의 레이저이지만, 펄스 폭이 길고, 펄스의 반복률이 높아지게 되면 지속적인 연속출력의 레이저와 같은 효과를 낼 수 있다. 이런 특성을 가진 KTP 레이저는 멜라닌에 흡수가 높고 피부 침투는 적어서 표피, 색소성 병변, 적색 문신, 혈관성 병변의 치료에 효과적인 특성을 갖고 있다.⁶⁾⁷⁾
   Diode Pumped Solid State(DPSS) 레이저 기술이란 Nd：YAG Rod의 pumping 광원으로 방전관을 사용하던 기존의 FPSS 레이저와는 달리 고출력 반도체 레이저를 사용하는 기술이다. 고체 레이저의 pumping 광원으로 방전관 대신 반도체 레이저를 쓸 경우 파장은 같지만 펄스 폭의 변화를 통해 레이저의 첨단출력특성이 향상되며 또한 수명이 늘어나는 등 많은 장점이 있다. 이에 따라 1980년대 후반 이후 DPSS 레이저 기술에 대한 연구가 활발해졌으며, 특히 고체 레이저를 pumping할 수 있는 고출력 반도체 레이저가 실용화되기 시작한 1990년대에 들어 다양한 형태로 상용화되고, 빠른 속도로 각종 레이저 응용장치에 도입되고 있다. 또한 기존의 레이저들과 비교할 때 출력 효율이 높아 열 발생이 작음으로 인하여 축소된 냉각장치로 작동되므로 크기가 더욱 작아지게 되어 사용상 간편하고 유지경비도 저렴하다.
   본 연구의 목적은 파장이 532 nm인 FPSS 레이저와 DPSS 레이저 조사 후 표피 및 진피와 근육의 변화를 육안적, 조직학적으로 살펴보고, 펄스 폭의 차이가 조직에 어떤 영향을 미치는가를 조사 분석하여 DPSS 레이저와 FPSS 레이저를 비교하고 각각의 장단점과, 임상적인 사용에 있어 어떤 형태의 레이저가 의료용으로 적용될 때에 더 적절한지를 규명하고자 하였다.

재료 및 방법

실험동물 및 레이저
   실험동물은 체중 250~300 g의 외견상 건강한 기니픽을 사용하였다. 레이저는 FPSS 레이저(Laserscope, San Jose)와 DPSS 레이저(금광, 대전)를 사용하였다.

FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 파형 분석
   532 nm의 FPSS와 DPSS 레이저는 동일한 진동수(25 KHz)와 동일한 에너지 세기(2 watt)의 조건 하에서 오실로스코프(Le Croy, New York)를 이용하여 파형 분석을 시행하였다.

근육조직에서 레이저의 반응
   기니픽의 근육에 대한 실험은 상술된 두 레이저로 각각 피부를 제거한 기니픽 근육에 127.3 J/cm²(2 watt), 254.6 J/cm²(4 watt), 509.3 J/cm²(8 watt)의 에너지를 2 mm의 빔 직경(spot size)으로 각각 1, 5, 10, 15, 20, 25초간 조사하였다. 레이저 조사 직후 조직에 미치는 영향을 평가하기 위해 10배 확대의 수술현미경(Carl Zeiss, Germany) 관찰방법을 이용하여 기니픽 근육에 나타난 광증발(vaporization)과 광괴사(necrosis)를 관찰 비교하였다. 조사한 레이저의 광세기별, 노출시간별로 광증발과 광괴사가 가장 심하게 변화된 부분의 깊이와 넓이를 10배 확대의 수술현미경과 미세전자측정자로 측정하여 반응이 일어난 곳의 부피를 계산하고 비교하여 광세기 및 시간에 따라 조직에 미치는 영향을 분석하였다.

피부조직에서 레이저의 반응
   네 마리의 기니픽에 FPSS와 DPSS 레이저를 각각 63.7 J/cm²(1 watt), 127.3 J/cm²(2 watt), 254.6 J/cm²(4 watt), 509.3 J/cm²(8 watt)의 에너지로 한 마리 당 네 곳의 피부에 빔 직경 2 mm로 2초간 조사하였다. 레이저 조사 후 모든 조직 표본은 10% 포르말린에 고정시키고 파라핀을 이용하여 포매(embedding) 단계 후 5 μm의 두께로 박절(cutting)하여 hematoxylin and eosin 염색과 Masson’s trichrome 염색을 시행하여 표피와 진피의 변화를 관찰하였다. 표피 병변의 크기와 광증발과 광괴사의 측정은 40배율의 현미경의 한 시야에서 변화를 보이는 표피의 병변의 크기를 측정하였다.

통계처리
   근육조직 및 표피와 진피의 반응이 일어난 곳의 병변의 크기와 깊이는 one-way ANOVA test를 이용하였다.

결     과

FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 파형 분석
   사용된 532 nm 레이저는 동일한 진동수(25 kHz)와 동일한 에너지 세기(2 watt)의 조건 하에서 파형 분석을 시행하였다. FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 펄스 폭(pulse width)은 각각 635 ns와 153 ns로 FPSS 레이저에 비해 DPSS 레이저의 펄스 폭이 약 4배 정도 짧은 것을 알 수 있었다. 또한 FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 펄스의 높이는 각각 3.6 mV와 15 mV로, DPSS 레이저 첨두 광세기(혹은 첨두 에너지 밀도)는 FPSS 레이저와 비교할 때 이론적 예측치와 일치하게 4.2배 높음을 확인 할 수 있었다(Fig. 1).

근육조직에서 FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 반응
   근육조직에 레이저를 조사한 후 광세기별, 노출시간별로 나타난 광증발과 광괴사의 부피를 수술현미경으로 측정하여 비교분석 하였다(Table 1). One-way ANOVA로 비교한 결과 1초 이상 조사한 경우 유의성 있게 FPSS 레이저가 DPSS 레이저보다 광증발과 광괴사가 더 크게 나타남을 알 수 있었고(p<0.05), 특히 광증발이 다른 반응보다 FPSS 레이저에서 시간과 광세기가 증가함에 따라 DPSS 레이저보다 더 크게 나타남을 보였다(p<0.05).

피부조직에서 FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 반응
   FPSS 레이저를 조사 한 모든 조직에서 표피의 큰 부분이 증발하여 제거가 되었으며 레이저 조사부위 주위의 표피 손상이 비교적 컸다. 63.7 J/cm²(1 watt), 127.3 J/cm²(2 watt)의 광세기에서는 진피 표면부에만 부분적인 광증발과 광괴사가 관찰되었고, 254.6 J/cm²(4 watt), 509.3 J/cm²(8 watt)의 광세기에서는 진피의 하부까지 광범위한 광증발과 광괴사가 관찰되었다. 조직학적 검사에서는 표피 및 진피의 증발(dermal vaporization)이 보였고 증발된 진피 깊은 부위에 핵과 단백의 변성을 동반한 괴사(dermal necrosis)를 보였다. 이러한 변화의 양상은 광세기를 높여가면서 더욱 두드러지는 것으로 관찰되었다. 반면에 DPSS 레이저는 모든 광세기에서 표피 병변의 크기가 FPSS 레이저보다 작았으며, 63.7 J/cm²(1 watt), 127.3 J/cm²(2 watt)의 경우 표피의 괴사가 주로 나타났고 254.6 J/cm²(4 watt), 509.3 J/cm²(8 watt)의 경우 표피의 작은 부위의 증발과 약간의 진피의 괴사만 나타났다. 이 경우에도 레이저의 광세기를 점차로 높여 갈수록 조직학적 변화의 양상은 확연하게 나타났다(Figs. 2 and 3).
   표피 병변의 크기 및 표피와 진피의 광증발과 광괴사가 일어난 곳의 크기와 깊이는 63.7 J/cm², 127.3 J/cm², 254.6 J/cm², 509.3 J/cm²의 모든 광세기에서 one-way ANOVA test를 이용해 조사한 결과 통계적으로 유의하게 DPSS 레이저보다 FPSS 레이저에서 표피 병변의 크기가 더 크고(p<0.05), 더욱 깊은 진피 층까지의 광증발과 광괴사의 조직 변성을 유발함을 확인할 수 있었다(Figs. 4, 5, 6 and 7).

고     찰

   레이저는 그 빛의 특성상 모두 일정한 방향성을 가지고 일시적으로 원하는 부위만을 강한 전자장을 가하여 치료하고자 하는 병변에 변성력을 집중시킬 수 있는 특징이 있다.⁸⁾ 레이저의 피부에 대한 열 효과는 두 가지 요소의 관점에서 이루어진다. 첫째는, 생물리학적 요소로 조직내 수분의 빠른 기화작용에 의한 팽창효과이고, 둘째는, 생화학적 요소로서 조직의 단백질의 열에 의한 변성이다.⁹⁾ 열에너지에 의한 효과는 우선 레이저 빛이 조직에 흡수되어야 나타나며 빛에너지의 흡수정도는 레이저의 파장, 흡수 물질의 성질, 레이저 빛의 광세기, 조사시 초점의 크기, 노출시간에 따라 다르게 된다. Goldman⁶⁾의 보고에 의하면 레이저 치료는 열에너지에 의해 작용을 나타내기 때문에 정상 피부의 손상을 최소화하기 위하여 여러 가지 방법이 동원되고 있으며 레이저의 조사되는 형태가 연속적인 경우 조직의 손상이 심하게 나타나므로 맥동 형태로 조절하여 피부의 열 손상을 최소화하는 방향으로 연구되어 지고 있다. 그 예로 Janda P¹⁰⁾ 등이 각각의 레이저의 조사되는 파장에 대한 보고에 의하면 Nd：YAG, Diode, Argon-ion 레이저는 연속적인 파장으로 조사되어 응고 능력이 탁월하나 피부에 심한 손상을 일으키고, 맥동 형태의 CO₂, Ho：YAG 레이저로 조사되는 경우에는 응고 능력은 적으나 미세 절제 능력과 기화시키는 능력이 좋다고 함이 알려져 있다. 본 실험에 사용된 532 nm의 FPSS 레이저는 펄스의 폭이 넓으며 반복률 또한 빨라 유사 지속파(Quasi-continuous wave)로 지속파 레이저(continuous wave)와 같은 효과를 주므로 피부나 근육에 광범위하게 광증발이나 광괴사가 나타난 것으로 생각된다. 즉 pumping 광원으로 방전관을 사용한 532 nm FPSS 레이저는 펄스 폭이 앞서 기술된 바와 같이 635 ns이며 DPSS 시스템을 이용한 경우 펄스 폭이 153 ns 이었다. 따라서 같은 평균출력조건에서 두 레이저를 비교해 보면 FPSS와 DPSS 레이저는 1초당 에너지는 2 watt×1초=2 J로서 같은 에너지를 지니고 두 종류의 레이저의 펄스 반복률이 25 KHz/sec로 같으므로 펄스 한 개의 에너지도 2 J/25000=80 μJ로 같게 된다. 따라서 펄스의 최정점에서의 첨두 광세기는 FPSS 레이저가 126 watt를 가지나 DPSS 레이저는 523 watt를 보이게 된다. 즉 DPSS 레이저의 경우 노출 시간은 4.15배 작은 반면 피부조직에 짧은 시간에 강한 광에너지가 밀집되어 주위조직으로 열 전도효과가 최소화되어 FPSS 레이저의 경우보다 더 적은 피부손상을 일으킨다고 볼 수 있다. 기니픽의 근육조직에 실시한 실험 결과에서도 정확한 수치를 의미하진 못하지만 전반적인 결과에 있어서 DPSS 레이저가 FPSS 레이저보다 주위 조직에 대한 손상이 적음을 알 수 있었다.
   본 실험의 결과로서 DPSS 레이저는 FPSS 레이저에 비교해 동일한 시간 내에 레이저 광선에 의한 생체조직에 주는 손상이 적다. 따라서 DPSS 레이저 시술 시 피부에 손상을 적게 남기고 진피까지 영향을 적게 미치며 미세 절제 등에 유리하고 보다 더 정확한 시술을 할 수 있을 것으로 보인다. 뿐만 아니라 DPSS 레이저는 유지비용이 저렴한 이점이 있으므로 의료용으로 사용하기에 적합한 장점이 있는 것으로 알려져 있다.¹¹⁾
   DPSS 레이저는 pumping 광원으로 반도체 레이저를 사용하기 때문에 발생 기전의 차이에 의해서 에너지변환 효율성이 높아서 열냉각 장치가 크지 않아도 되므로 시스템이 작을 뿐 아니라 pumping 광원의 안정성이 뛰어나다. 이러한 이점으로 DPSS 레이저는 산업계에서 레이저 물질가공에 이미 널리 사용되어 오고 있으나 아직까지 피부에 레이저 조사시 표피나 진피에 어느 정도 영향을 미치는지에 대해서는 정확히 알려지지 않았다.¹⁰⁾ 따라서 표피와 진피에 DPSS 레이저 조사시 피부에 손상을 적게 남기고 진피까지 미치는 영향도 적어 미세 절제 등 보다 더 정확한 시술을 할 수 있음을 보인 본 연구결과는 향후 이 레이저가 의료용으로 더 효과적이고 더 유용하게 사용될 수 있음을 입증한 것으로, 기존의 레이저 사용시 발생하던 피부의 열변성 등의 부작용들을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 엑시머 레이저 등 고가의 진공장비에 의해서만 가능하던 미크론 크기의 극 미세 조작도 할 수 있으므로 앞으로 미세 수술이 필요한 여러 의료분야에 널리 활용되어질 수 있을 것으로 예상된다.¹¹⁾¹²⁾ 또 본 연구의 결과를 근거로 더 많은 연구와 개발을 통하여 더 미세하고 정확한 시술을 할 수 있는 레이저의 개발을 기대할 수 있을 것이다.

결     론

   본 연구는 FPSS 레이저와 DPSS 레이저의 비교를 통해 같은 파장이지만 파형의 변화가 조직에 어떤 영향을 미치는지 관찰 한 결과, DPSS 레이저 조사가 FPSS 레이저 조사보다 근육 그리고 진피와 표피에 조직학적 변성을 적게 초래하였고 이러한 효과는 파장은 같지만 파형이 달라짐에 따라 나타난 효과로 추정되었다. 이는 에너지가 높아질수록 확연하게 나타났다. 이러한 피부와 심부 조직의 손상이 적고 미세하게 절제가 가능한 DPSS 레이저의 특성을 이용하면 앞으로 많은 의료분야에서 더 유용하게 이용될 수 있을 것으로 보인다.

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