2. 레이저의 의학적 사용

 

사진 1-2-1. 레이저의 의학적 이용

 

1960년 처음으로 레이저가 발명되자, 이미 햇빛이나 인공 광원으로 질병을 치료하고 있던 의학자들에 의해 레이저를 이용한 의학적 연구가 시작되었다. Maiman의 발명 1년 후, Zaret 등은 펄스 optical maser에 의해 실험적으로 눈의 병변이 유발되었음을 보고하였다. 0.5 msec 단일 펄스로 전달된 높은 에너지밀도의 레이저빔은 토끼의 색소가 있는 망막과 홍채에 즉각적인 열 손상을 유발하기에 충분하였다고 하였으며, 검안경 검사에서 망막 병변은 섬광화상과 유사하다고 하였다. 이러한 연구가 있고 나서 곧 Campbell 등에 의해 망막의 째짐, 박리, 혈관종 및 종양을 레이저로 치료한 임상 경험에 대한 보고가 이어졌다.

 한편 피부과학에서 피부질환에 대한 광선치료는 매우 오랜 역사를 가지고 있다. 특히 1801년 Ritter에 의해 자외선이 발견되고 나서는 여러 질환에 대한 자외선을 이용한 광선치료에 관심이 집중되었는데, Finsen이 '핀센램프'에서 나오는 자외선을 이용하여 심상성 루푸스를 치료한 결과가 발표되고, 이로 인해 1903년 노벨상을 수상하면서 절정에 달하게 된다. 1904년 Bernhard는 피부궤양의 치료 방법으로서의 광선치료를 기술하였고, 1925년 Goeckerman은 콜타르와 고압 수은등에서 나오는 자외선 B를 건선 치료에 사용하였고, 이러한 치료법은 오랜 기간 유행하였다.

 그러므로 미국레이저의학회(American Society for Laser Medicine and Surgery)가 피부과 의사이자 외과 의사인 Leon Goldman에게 '미국 레이저 의학의 아버지'라는 명예를 부여한 것은 그리 놀랄 일이 아니다. 그는 Maiman의 루비레이저 발명에 대한 소식을 듣고 나서, 의학 분야에 있어서 레이저의 무한한 가능성을 확신하고, 1961년 신시내티 대학에 처음으로 의학레이저연구소를 개설하였다. 1963년 그는 루비레이저를 사용하여 레이저빔의 피부에 대한 효과와 피부 내의 레이저빔 반응의 병리소견에 대해 처음으로 자세히 기술하였으며, 이러한 타입의 레이저는 모낭을 포함한 피부의 색소 조직에 선택적으로 흡수되어 이를 파괴한다고 처음으로 보고하였다.

 이후 Goldman은 펄스 루비레이저를 사용한 모반, 흑색종, 문신 치료의 가능성에 대해 발표하면서, 특히 큐스위치 레이저를 이용한 문신 제거에서 가장 현저한 결과를 얻었다고 하였다. 그는 피부암 치료에 레이저가 도움이 될 것으로 기대했으며, 아르곤레이저를 이용하여 혈관기형에 대한 임상적, 병리조직학적 연구를 수행하였고, 연속파 엔디야그레이저의 혈관종에 대한 가능성 있는 효과를 보고하였다. 특히 그는 당시 의학 분야에 있어서 레이저 사용과 관련하여 가능성, 문제점 및 사용 아이디어 등에 대한 포괄적인 견해를 발표하였으며, 진단적 장치로서의 레이저의 이용에 대한 생각도 토로한 바 있다. 

표1-1. 레이저 역사의 랜드마크

 레이저의 ‘수술칼’로서의 역할은 1964년에 발명된 모든 연속파레이저(CO₂레이저, 엔디야그레이저, 아르곤레이저)에 의해 가능해졌다. 주로 외과 영역에서 광범위하게 사용하게 되었으며, 이 3가지 레이저가 모두 작동 방법은 비슷하나 각각의 고유 파장 때문에 임상적 적용이 다르다. 특히 CO₂레이저는 표적 부위의 색조와는 별 관련이 없으며, 디포커싱과 더 큰 스폿크기를 사용한 지혈 효과는 혈관이 많은 장기(간, 구강 점막, 산부인과 등)의 수술 시 도움이 되는 장비가 될 수 있게 하였다. 또한, 광섬유의 발달은 이러한 원적외선 레이저빔의 전달을 가능하게 하여 내시경 수술에 대한 CO₂레이저의 유연성을 증가시켰다. 아르곤레이저는 헤모글로빈에 잘 흡수되어 얼굴의 포도주색모반 및 모세혈관확장증과 초기 비류의 치료에 사용되었다.

 중단 없이 레이저빔을 방출하는 초기의 연속파레이저는 원하는 표적을 파괴하는 데는 효과적이지만, 주위의 건강한 조직도 장시간 레이저 에너지에 노출된다는 문제가 있었다. 이러한 부수적인 손상의 결과는 원치 않는 비대흉터와 색소이상이 높은 비율로 나타난다는 문제를 야기시켰는데, 이러한 비특이적인 손상을 최소화하기 위한 첫 번째 시도는 기계적 셔터를 이용하여 레이저빔의 연속성을 없애는 것이었다. 혈관성 병변의 치료에 있어서 초기의 아르곤레이저보다 산화헤모글로빈에 더 최대로 흡수될 수 있는 가변형 황색광 다이레이저의 개발은 부작용의 위험을 감소시켰다.

 한편 레이저가 처음 발명되던 초기에 외과 의사들의 관심은 펄스레이저보다는 연속파에 있었는데, 루비레이저는 절단이나 응고를 위한 광선 칼로 사용하는 경우 효과가 없었고, 높은 에너지 펄스를 사용하였을 때는 증기 기포 때문에 효과를 예측할 수 없었으며, 펄스 엔디야그레이저를 사용하였을 때는 조직편이 온 수술방에 흩어져 더욱 성공적이지 못했다. 1980년대 펄스 루비레이저가 문신 치료와 색소 병변의 치료를 위해 일본에서 시판되었지만, CO₂레이저로 문신을 제거하던 미국과 유럽에서는 호응을 받지 못했다.

 1983년 Anderson과 Parrish는 표적 조직에만 열 손상을 입히고 그 주위 조직에는 열 손상이 생기지 않게 하는 선택광열융해(selective photothermolysis)라는 획기적인 레이저 치료 개념을 발표하였다. 치료하고자 하는 피부 병변의 표적 조직에만 선택적으로 잘 흡수되는 레이저빔을 열이완시간(TRT)보다 더 짧은 기간만 조사하면, 표적 조직에 선택적으로 열 손상이 일어나고 주위의 정상 조직은 영향을 받지 않는다는 것이다. 그러므로 이러한 개념으로 레이저 시술을 하게 되면, 병변만 제거되고 주위의 정상 조직은 열 손상을 입지 않아 흉터가 생길 위험이 없게 된다.

 펄스 레이저의 장점으로 이해될 수 있는 이 새로운 개념은 문신과 제모를 포함한 양성 색소성 피부 병변의 치료에 대한 큐스위치 레이저들(루비, 알렉산드라이트, 엔디야그)의 리바이벌을 가능하게 하였으며, 1963년 Goldman이 사용하였던 것과 거의 같은 루비레이저가 오랜 시간이 지난 후 1989년 색소성 모발의 영구 제모에 대해 FDA의 승인을 받은 첫 번째 장비가 되었으며, 큐스위치 엔디야그레이저는 1991년 문신 치료 방법의 하나로 FDA의 승인을 받게 되었다.

 1996년에는 2,940nm의 매우 짧은 파장을 가지는 어븀야그레이저가 조직을 더 얇게 기화시킬 수 있어서 CO₂레이저와 함께 레이저박피에 사용되었다. 또한, 2004년 Manstein 등은 어븀글라스 레이저로 피부 표면에 ‘미세열치료구역’이라고 불리는 분할 열 손상을 만들어 피부 재생을 유도하여 이것을 분획광열융해(fractional photothermolysis)라고 기술하였다. 기존의 침습성 레이저와 비침습성 레이저의 단점들을 극복하기 위한 방편으로 개발된 분획광열융해의 개념은 실제로 치료 효과는 높이면서, 다운타임은 최소화하는 새로운 기술로서, 2004년 피부재생술과 2005년 기미치료에 대해 FDA의 승인을 받았다.

 이처럼 레이저의 의료분야에 대한 응용은 레이저가 거의 모든 산업 전반에 걸쳐서 발전되어 온 것과 발맞추어 빠르게 확대되었으며, 기술의 발전으로 인체의 닿기 힘든 부분까지 전달이 가능해지면서부터 레이저는 임상용으로 가장 강력하고 편리한 도구의 하나로 자리 잡게 되었다. 이러한 이유로 오늘날 의료용 레이저는 난치성 전문의학 연구는 물론 질병의 진단과 치료 등 임상 분야에서의 사용 범위가 점점 더 광범위해지고 있으며 사용 빈도도 증가하는 추세에 있다.

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레이저의 구조와 원리