H. 포커싱(focusing)과 스폿크기(spot size)

H. 포커싱(focusing)과 스폿크기(spot size)

사진 3-6-H-1. 포커싱과 디포커싱

 열로 조직을 파괴하는 작용기전을 가진 레이저(열파괴용 레이저)들은 피부병변의 치료 및 수술용으로 널리 이용되고 있다. 동일한 출력이라도 넓게 조사할수록 출력밀도는 감소하고, 좁게 조사할수록 출력밀도는 증가한다. 예컨대, 레이저 출력이 같은 경우 조사직경이 2배 증가하면 면적은 4배 커지므로 레이저는 분산되어 단위면적당 가해지는 출력은 1/4로 감소하며, 조사직경이 1/2로 감소하면 레이저는 집중되어 단위면적당 가해지는 출력은 4배로 증가한다. 즉, 동일한 양의 레이저 에너지를 초점거리에 맞추어(focusing) 스폿크기를 작게 하여 조사하면 그 효과가 최대로 나타나 조직이 절개되지만, 초점거리를 벗어나게 하여(defocusing) 스폿크기를 크게 한 후 조사하면 그 효과가 거리의 제곱에 반비례하여 감소되므로 조직 깊은 곳에는 영향을 주지 않고 목표로 하는 표재성 병변만 응고된다.

 레이저빔의 출구와 표적 조직 간의 거리가 초점거리보다 멀어질수록 스폿크기가 커지고, 초점거리에 도달하면 스폿크기가 최소가 되지만, 초점거리가 이보다 더 가까워지면 스폿크기가 다시 커지게 된다. 그러므로 동일한 출력이라면 레이저빔의 출구와 표적조직 간의 거리를 초점에 맞추어 사용하여야 출력밀도가 최고가 된다.

 

그림 3-6-H-2. 포커싱과 디포커싱

 직경이 매우 작은 0.2mm의 스폿크기로 5-25W 출력의 CO₂레이저를 조사하면 피부에 대략 12,000~60,000W/㎠의 출력밀도가 전달되어 조직이 용이하게 절개되는 것으로 알려진다. 이보다 높은 출력을 이용하면 더 깊게 절개되며, 절개선의 폭은 레이저빔의 직경인 0.2mm와 같다. 핸드피스를 조직표면에서 멀리하여 초점거리를 벗어나게 하거나, 스폿크기가 2~5mm인 핸드피스를 사용하면 조직이 증발하는데, 2~5mm 스폿크기와 5W의 출력을 이용하면 피부에는 대략 50~150W/㎠의 출력밀도가 전달되어 0.2mm 스폿크기에 5W를 조사할 때 출력밀도인 12,000W/㎠보다 훨씬 적게 된다.

  출력밀도가 증발속도를 결정하므로, 스폿크기가 큰 것을 이용할 때는 높은 출력밀도를 피부에 전달하기에 충분한 출력이어야 조직이 빨리 증발할 수 있다. 스폿크기 5mm는 스폿크기 0.2mm보다 크기가 25배나 크지만, 스폿크기 5mm로 스폿크기 0.2mm의 경우와 동일한 속도와 깊이로 절개하려면 625배의 출력이 요구된다. 즉, 5mm 스폿크기 12,000~60,000W/㎠ 출력밀도인 경우 0.2mm 스폿크기로 절개할 때와 같은 속도로 5mm 폭의 절개가 이루어지려면 무려 3,000~15,000W의 출력이 필요하다는 것이다.

 

그림 3-6-H-3. 스폿크기와 조직의 절개 및 증발

 조직을 절개하고자 할 때에는 스폿크기가 더 작은 것을 이용해야 하고 피부재생술을 하고자 할 때에는 스폿크기가 큰 것을 사용하여야 한다. 연속파 CO₂레이저를 조직 절개의 목적으로 이용할 때에는 직경이 0.1~0.2mm인 매우 작은 스폿크기를 사용하고, 펄스 CO₂레이저를 넓은 피부병변을 파괴하고 증발시켜버릴 목적으로 이용할 때에는 직경이 2~5mm인 큰 스폿크기를 사용한다. 특히 조직을 증발시킬 목적으로 CO₂레이저를 사용할 때는 직경 2~5mm의 큰 스폿크기를 사용하고 펄스기간이 695-950µsec(피부의 열이완시간) 미만이며 에너지밀도가 4~5J/㎠(증발문턱값) 이상인 경우 이상적이라고 한다. 큰 스폿크기를 사용하면 조직이 더 매끈하게 그리고 더 균등하게 증발한다. 하지만 스폿크기가 큰 경우 출력밀도가 현저히 희박해지고 열 축적과 숯이 생겨 흉터가 생길 위험이 있다. 반면 작은 스폿크기를 이용하면 표면이 편평하지 못하게 된다는 단점이 있다.

  시술 시 출력이 너무 낮으면 조직이 증발해 버리지 않고 숯이 되어 버린다. 조직이 숯으로 변하는 경우 레이저빔의 스폿크기를 줄여 에너지밀도를 증가시켜서 조직의 증발속도를 빠르게 하여 방지할 수 있다. 또한, 절개를 하는 도중 지혈과 혈관 응고가 요구될 때에는 초점거리를 벗어나게 디포커싱하여 조사한다. 레이저박피술을 시행할 경우는 시술 중 스폿크기와 에너지밀도를 정확히 유지하기 위해 특수한 핸드피스(collimated hand piece)를 사용하여 오차가 생기지 않도록 하는 것이 좋다.

 하지만 조직의 수분을 공격하여 열로 피부조직을 파괴하는 형태의 레이저가 아닌, 색소병변이나 혈관병변들을 치료하는 계열의 레이저 및 IPL은 다른 개념으로 이해하여야 한다. 이 레이저들은 스폿크기가 클수록 주변부에 산란되는 양이 적고 특정 파장이 조직을 더 깊이 침투하게 하며, 일정 면적을 치료하는 소요시간이 짧아지게 된다. 레이저의 스폿크기가 작아지면 산란으로 인하여 피부 깊숙이 침투하는데 어려움이 발생하므로, 동일한 출력에서 스폿크기가 클 경우 레이저의 침투 효과가 높다. 그러므로 표피의 병변의 경우는 스폿크기에 관련없이 치료가 가능하지만, 진피의 병변들은 스폿크기가 작을 경우 침투가 되지 않기 때문에 치료에 어려움이 따르게 된다. 그래서 기본적으로 진피 병변을 치료할 경우 스폿크기는 3~5mm는 되어야 효과가 있다.

 참고로 산란의 정도는 조직의 치밀도와 빛의 파장이 관련되는데, 피부에서는 대개 치밀도가 사람마다 큰 편차를 보이지 않을 것이므로 파장의 길이가 침투에 중요한 역할을 할 것이다. 파장이 길수록 산란이 적어서 더 깊이 들어가며, 파장이 짧을수록 산란에 의해 깊게 투과되지 못하게 된다.

 

사진 3-6-H-4~5. CO₂ 레이저를 포커싱과 디포커싱하여 나무 설압자에 조사하는 모습

그림 3-6-H-6. 빛의 산란 때문에 스폿크기가 클수록 깊이 침투된다.

참고문헌

1. 강진성. 성형외과학. Third Edition. Volume 4. 얼굴(3). 군자출판사 2004; 2031-46.

2. 강진수. Useful method of CO₂Laser. 대한피부과학회 학술대회발표집 2013; 65 (2): 146-9.

3. 계영철. 피부질환에 대한 레이저의 임상적 이용. 개정2판. 고려의학 2002: 15.

4. 김덕원. 의료용 Laser. 한국광학회지 1990; 1 (1): 107-13.

5. 박승하. 레이저성형. 군자출판사 2008: 26-39.

6. 손정영. 레이저 응용 - 의과학분야. 전기의 세게 1993; 42 (6): 18-25.

7. 월간 전자기술 편집위원회. Electronics plus 전자용어사전. 성안당 2011: 977.

8. 허수진. 의학에서의 레이저의 응용. 울산의대학술지 1995; 4 (2): 1-7.

*1. Tunér J, Hode L. Laser Therapy Clinical Practice & Scientific Background. Prima Books 2002: 16-7.

- 123~129 -

레이저의 구조와 원리