KR100406317B1

KR100406317B1 - 레이저를 이용한 암치료시스템

Info

Publication number: KR100406317B1
Application number: KR10-2000-0027600A
Authority: KR
Inventors: 임현수
Original assignee: 임현수
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2003-11-22
Also published as: WO2001089404A1; KR20010106697A

Abstract

본 발명은 광역학적 레이저 암치료의 효율을 극대화하기 위한 레이저 방사모드를 갖는 암치료 레이저 시스템에 관한 것으로, 기존의 Continuous 방사모드와 Pulsed 방사모드에 비해 환자의 안전과 치료의 효율을 향상시키기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 시스템본체(17)에 숫자키(21), DEL키(22), CANCEL키(23), UP키(24), DOWN키(25), ENTER키(26) 및 LCD출력창(11)으로 된 키보드(3), 냉각팬(6), 인터락(9) 및 광섬유(10)등이 구비되어, DC ±12V, 5V의 전원부(12), 레이저 방사모드를 구현을 위한 원칩마이컴(13)과 제어부(14), 스위치모드 파워써플라이구조로 레이저의 출력 및 방사모드를 제어하는 레이저전원공급부(15) 및, 다이오드레이저를 매질로 600∼1000nm의 레이저파장을 가진 레이저공진기(16)로 구성되며, Continuous, Pulse, Burst Pulse 세 가지 방사모드를 가진 시스템으로 구성된다.

Description

레이저를 이용한 암치료시스템 {A treatment system of cancer by laser}

본 발명은 광역학적 암치료(Photodynamic Therapy : PDT)에 해당하는 기술로서, 특정파장대의 광에 민감하게 반응하는 약물(Photosensitizer : 광과민제)과 이 약물을 활성화시킬 특정파장대의 레이저를 이용하여 암을 치료하는 방법이다. 광과인제를 활성화시키기 위한 레이저의 파장은 주로 600-800nm대를 이용하며 레이저의 출력은 인체조직을 직접적으로 파괴하거나 해를 입히지 않는 정도로 한다. 더욱 상세하게는, 광과민제를 암 조직 주위에 정맥주사 또는 스프레이 등으로 광과민제를 주입하고 약 24-48시간이 경과하면 정상조직 내에 있던 광과민제는 체순환을 통해 외부로 배출되고, 암조직에만 남아있게 된다. 이 때, 광과민제를 머금고 있는 암조직 주위에 이 약물을 활성화시킬 수 있는 파장대의 레이저광을 조사하면, 레이저 광에 의해 암 조직 내의 광과민제는 광화학반응을 일으킨다. 흡수된 광에너지의 일부는 형광을 발하는데 사용되고, 일부는 산소분자를 준안정상태로(triplet state) 만든다. 이 상태의 산소는 높은 산화작용을 일으키는 단일 상태가 된다. 그렇기 때문에 광감작제를 포함한 세포나 균은 빛에 의해 파괴되는 것이다. 광감작제의 농도와 세포내의 산소가 결정정인 레벨에 다다르면 암세포에 선택적으로 비가역적 광손상을 일으켜 암세포를 괴사하게 되는 것이다. 이 때 정상세포에는 손상을 입히지 않는데 이는 광과민제가 암세포에만 남아있기 때문이다. PDT의 표적은 종양세포의 mitochondria, lysosomes, plasma membrane, nuclei 와 tumor vasculature등이 가능한 표적이 된다. 상기와 같은 장점에 비해 광역학적 암치료 방법은 체내 산소를 지속적으로 소비함으로써 환자의 저산소증을 야기시킬 우려가 있다. 저산소증은 환자로 하여금 뇌사상태에 이르게 할 수 있으며 한편, 최근 연구를 통해 continuous 모드보다 pulse 모드가 생체조직에 광을 더 깊이 침투시킬 수 있다는 연구와 펄스당 방사 에너지량과 치료효과가 비례하지 않다는 연구결과가 보고되고 있어 pulse 모드가 선호되고 있다.

따라서 본 발명은 펄스형태의 광을 일정시간 동안 조사(Duration On)한 후 생체내 산소포화도의 회복을 위해 일정시간 동안 기다리는(Duration 0ff) 버스트펄스(Burst pulse)를 레이저 암치료 시스템에 적용함으로써 종래 암치료 레이저 시스템이 지니고 있는 저산소증 위험 및 환부의 열손상의 가능성을 해소하고 치료효과가 우수하고 안전한 암치료 레이저 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 레이저를 이용한 암치료시스템을 나타낸 전제외관도

도 2 는 레이저를 이용한 암치료시스템을 도시해 놓은 블록도도 7 은 레이저 암치료 시스템의 레이저빔 방사모드 중 Continuous wave 모드도 8 은 레이저 암치료 시스템의 레이저빔 방사모드 중 Pulse wave 모드도 9 는 본 발명의 대표도로서 레이저빔 방사모드 중 Burst Pulse wave 모드

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

1 : 전원램프 2 : 키스위치

3 : 키보드 6 : 냉각팬

9 : 인터락 10 : 광섬유

11 : LCD 출력창 12 : 전원부

13 : 원칩마이컴 14 : 제어부

15 : 레이저전원공급부 16 : 레이저 공진기27 : pulse on time 28 : Pulse off time29 : Pulse wave 모드의 전체 방사시간30 : Duration(펄스다발) on time31 : Duration(펄스다발) off time32 : Burst pulse wave모드의 전체 방사시간

상기 목적을 달성하기 위한 본 레이저 암치료시스템은, 시스템본체(17)에는 숫자키(21), DEL키(22), CANCEL키(23), UP키(24), DOWN키(25), ENTER키(26) 및 LCD출력창(11)으로 된 키보드(3), 냉각팬(6), 인터락(9) 및 광섬유(10)등이 구비되어, DC ±12V, 5V의 전원부(12), 레이저 방사모드를 구현을 위한 원칩마이컴(13)과 제어부(14), 스위치모드 파워써플라이구조로 레이저의 출력 및 방사모드를 제어하는 레이저전원공급부(15) 및, 다이오드레이저 레이저를 매질로 600∼1000nm의 레이저파장을 가진 레이저공진기(16)로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 관한 레이저를 이용한 암치료시스템을 나타낸 전체외관도로서, 레이저를 이용한 암치료시스템은 예컨데 600∼1000nm의 레이저파장과 10W 이하(연속출력), 100W(피크출력)의 레이저출력을 가진 다이오드 레이저공진기를 시스템본체(17)내에 설치하고 이에 적합한 레이저전원공급부를 회로구성한 광역학적 암치료를 위한 레이저시스템인 것이다.

광역학 암치료를 위한 레이저시스템에서 중요한 부분은 파장대의 선택인데, 여기서 광파장의 선택기준은 피부조직의 투과 깊이와 광과민제(Photosensitizer)의 흡수율이고, 광과민제로서 포토프린(Photofrin) 또는 HPD, 포토겜(Photogem)이 사용되고 있다.

상기 시스템본체(17)는 뒤면으로 AC 220V의 전원을 입력하는 전원입력부(8), 내부장치의 이상으로 과도한 전류가 흐를 경우 장비를 보호하기 위한 휴즈(7), 내부에서 발생하는 열량을 외부로 빼내기 위한 냉각팬(6) 및, 레이저빔으로부터 보호하기 위하여 설치된 단자로 설치된 방이나 공간에 센서나 스위치를 설치하여 인터락에 연결하여 임의의 신호에 의해 장비의 동작을 차단하여 레이저빔이 발생하지 못하도록 하는 인터락(9)등이 각각 설치되어 있다.

상기 시스템본체(17)의 전면에는 전원을 인가하기 위한 키스위치(2)를 동작시킬 경우 전원이 인가된 상태를 나타내는 전원램프(1), 각종 데이터의 입력이나 신호를 입력받은 키보드(3), 방사되는 레이저를 전달하는 레이저전달장치인 광섬유(10), 레이저가 방사되는 것을 알려주는 방사경고램프(4) 및 비상시에 장비의 전원을 신속히 차단하기 위한 비상스위치(5)가 각각 설치되어 있다.

상기 키보드(3)는 치료를 실시하기 전에 필요한 값 등을 입력하기 위한 숫자키(21)으로 레이저의 출력을 설정하거나 설정된 출력을 불러올 때 필요하다. DEL키(22)는 잘못 입력한 수치를 지울 때 사용하는 버튼이고, CANCEL키(23)는 실행취소/이전메뉴로 이동시키며, UP키(24)는 상위 메뉴선택, 메모리 인덱스증가 및 입력값 증가시키며, DOWN키(25)는 하위 메뉴선택, 메모리 인덱스감소 및 입력값 감소시키고, ENTER키(26)는 실행/입력설정(출력, ON/OFF TIME, DURATION TIME)/선택된 메뉴로 이동시킨다. 그리고 LCD출력창(11)에는 출력, 방사모드 및 출력시간 등이 디스플레이 된다.

도 2 는 본 발명의 레이저를 이용한 암치료시스템을 도시해 놓은 블록도로서, 도 1 에 도시된 시스템본체(17)내에는 레이저공진기(16)가 설치되어 예컨데 600∼1000nm의 레이저파장과 10W 이하(연속 출력), 100W(피크출력)의 레이저출력을 광섬유 또는 굴절암(10)으로 레이저빔으로써 출력해주는 바, 이 레이저공진기(16)는 다이오드레이저 또는 골드베이퍼 레이저를 매질로 600~1000nm의 레이저파장을 가지고, 온도에 대한 특성이 좋고 순간 과전류에 대한 보호기능도 갖추며 열을 외부로 발산해 주는 방열판위에 설치되어 있다.

상기 레이저공진기(16)에는 레이저전원공급부(15)가 연결되어 있어, 이 레이저전원공급부(15)는 레이저 방사모드를 구현을 위한 원칩마이컴(13)과 제어부(14)로부터 받은 신호에 따라 레이저의 출력을 안정되게 하기 위해 레이저공진기(16)로부터 출력을 감지하여 레이저공진기(16)의 출력값을 수시로 제어한다. 따라서, 원하는 출력을 선택적으로 발생할 수 있을 뿐만 아니라 발생 가능한 저출력에서 최대출력까지 가변할 수 있다.

상기 원칩마이컴(13)과 제어부(14)는 연산처리과정을 거처서 상기 레이저전원공급부(15)에 레이저의 출력세기에 대한 정보와 레이저 방사를 제어하는 신호를 보내게 되고, 이때 레이저의 방사신호와 함께 방사경고램프(4)를 점등시키게 된다.

상기 원칩마이컴(13)에 각기 연결된 키보드(3)와 LCD 출력창(11)은 원칩마이컴(13)와 입출력 정보를 주고 받게 된다. AC 220V의 상용전원을 입력받아서 휴즈(7), 키스위치(2), 인터락(9)과 비상스위치(5)를 거쳐서 전원램프(1), 냉각팬(6), DC ±12V, 5V의 전원부(12) 및 레이저전원공급부(15)로 각각 전원을 보내게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 예컨데 600∼1000nm의 레이저파장과 10W 이하, 100W의 레이저출력을 가진 레이저공진기(16), 이에 적합한 레이저전원공급부(15) 및 원칩마이컴(13) 등을 이용하여 다양한 레이저출력시키게 되므로 정확도 및 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다이오드레이저 또는 골드베이퍼 레이저 등을 선택하여 사용할 수 있는 잇점도 있다.

상기 레이저전원공급부(15)에는 자체주파수 발진기능과 전압, 전류를 피드백받아서 보정해주는 전류모드 PWM제어기(27)가 설치되어 스위치모드 전원공급장치로 초기의 과도전류를 적절히 제어하도록 하고 도 2 에 도시된 레이저공진기(16)에 전달되는 손상을 최소화하며, 또 출력의 제어하고 시간적인 제어를 효과적으로 할 수 있다. 입력된 전원은 상기 전류모드 PWM제어기(27)에서 발생된 신호에 의해 FET(Q1, Q2)를 통해 고주파 트랜스포머(T2)를 상기 레이저공진기(16)로 출력하게 된다.

이때 원칩마이컴(13)과 제어부(14)에서 발생된 레이저출력 제어신호를 받아들여 상기 전류모드 PWM제어기(27)에서 처리하여 FET(Q1, Q2)를 동작시키게 되고, 상기 레이저공진기(16)를 통하여 흐르는 전류와 전압을 감지하여 레이저출력을 제어하게 된다.

즉, 상기 원칩마이컴(13)과 제어부(14)에서 원하는 출력과 방사형태를 입력받아 레이저전원공급부(15)를 구동되도록 제어하게되는 바, 도 1 에 도시된 시스템본체(17)의 키보드(3)로 변수를 초기화시킨 다음 데이터설정메뉴(1.디폴트(Default), 2.리콜, 3.설정값)를 해당 키패드에서 입력을 받는다.

상기 입력값은 ENTER키(26)로 1.디폴트, 2.리콜, 3.설정 값에 따라 각기 달리 설정하고, 상기 1.디폴트와 2.리콜에서는 상기 원칩마이컴(13)내 메모리에 저장된 데이터를 읽으며, 그리고 3.설정값에서는 전력값(일례로 1∼255mW)과 동작시간(일례로 1초∼30분)을 각각 설정한 다음 레이저타입메뉴[1.연속(CONTINUOUS), 2.펄스, 3.버스트(BURST)펄스]로한다. 여기서 UP키(24)와 DOWN키(25)로 메뉴증가/감소를 행한다.

이때 입력값은 ENTER키(26)로 1.연속, 2.펄스, 3.버스트펄스로하여 DRUATION(일례로1∼60초)설정과 ON/OFF TIME(일례로 1m초∼10초)설정한다. 여기서 UP키(24)와 DOWN키(25)로 메뉴증가/감소를 행할 수 있다.

그리고, 디폴트값을 저장에 따라 상기 원칩마이컴(13) 내 메모리에 설정하고, 설정값표시를 펄스 타입(PULSE TYPE), 파워/타임(POWER/TIME), 온/오프 타임 (ON/OFF TIME) 및 듀레이션 타임(DURATION TIME) 등으로 하여 본 발명의 암치료 시스템을 실행시킬 수 있고 해당시간 계산을 한 다음 종료한다.

따라서 본 발명의 암치료 시스템은 상기와 같은 레이저 방사 제어프로그램을 통해 원칩마이컴(13), 레이저전원공급부(15) 및 레이저 공진기(16)를 동작시켜 외부의 광섬유(10) 또는 굴절암으로 레이저 출력모드인 Continuous Wave, Pulse Wave, Burst Pulse Wave의 레이저 빔을 발생시켜 암치료를 시행할 수 있다.도 7은 상기 레이저 출력모드 중 Continuous wave 모드로서, 상기 원칩마이컴(13)에서 계산된 방사 시간동안 연속적으로 레이저 공진기(16)과 외부광섬유(10)를 통해 레이저를 방사하게 된다.도 8는 상기 레이저 출력모드 중 pulse wave 모드로서, 전체 방사시간(29) 내에서 일정한 시간동안 on time(27)과 off time(28)을 반복하여 레이저빔을 출력하게 된다.도 9는 상기 레이저 출력모드 중 Burst Pulse wave 모드로서, 전체 방사시간(32)중 일부시간 동안은 상기 pulse wave 모드와 같은 pulse on time(27)과 off time(28)을 갖는 Duration on time(30)과 레이저빔 방사를 일부 시간 동안 중단하는 Duration off time(31)을 갖는 일종의 펄스 다발 형태의 레이저빔 방사모드이다. 이러한 형태의 방사모드는 광역학적 암치료 시술중 차츰 감소하는 산소포화도를 회복할 수 있는 시간적 여유와 레이저의 조사로 기인되는 열적효과를 경감시킬 수 있으며, 펄스당 에너지량을 자유롭게 조절함으로써 최적의 암치료 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 광역학적 레이저 암치료시에 생체내에서 발생하는 지속적인 산소소비로 인한 환자의 저산소증 위험과 레이저의 조사로 기인될 수 있는 환부의 열적 손상의 위험을 경감하고, 펄스당 에너지량을 자유롭게 조절함으로써 광화학적, 광생물학적 치료 효율을 극대화할 수 있는 광역학적 레이저 암치료 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

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광역학적 레이저 암치료를 시행하는 동안 암환자의 저산소증 및 열손상을 방지하고 치료효율을 향상시키기 위한 광역학적 레이저 암치료 시스템의 발명에 있어서,

일부시간 동안 상기 pulse wave 모드(29)와 같은 레이저빔을 방사하는 Duration on time(30)과;

레이저빔 방사를 일부 시간 동안 중단하는 Duration off time(31)을 전체방사시간(32) 내에서 계속 반복하여 레이저빔을 방사하며;

상기 pulse on time(28), pulse off time(29), 및 Duration on time(30), Duration off time(31), 전체방사시간(32)의 길이를 자유롭게 조절할 수 있는 Burst Pulse wave 모드 레이저빔 방사기능을 가지는 광역학적 암치료 레이저 시스템.
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