KR100551762B1 - 엘이디 판넬과 집속 광학계를 이용한 의료용 광원 및 빔전달시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최근 효과적인 암치료법으로 각광받고 있는 광역학 치료(PDT: photodynamic therapy)의 임상적용이나 광감작제(photo-sensitizer)개발 등 다양한 용도로 사용하기 위한 의료용 광원 및 빔 전달시스템을 개시한다.

본 발명은 기존의 광역학 치료용 레이저 광과 유사한 수준의 출력을 제공하면서도 염가로 제작이 가능하고 파장의 선택폭이 넓은 의료용 광원 및 빔 전달 시스템을 제공하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 출력이 낮은 염가인 LED광원을 다수 배열하여서 된 대면적의 광원과 이를 일차적으로 집속시키기 위한 렌즈 시스템 또는 반사경, 일차 집속된 광을 광도파로에 효율적으로 수용시키기 위한 테이퍼드 웨이브가이드(tapered waveguide; 이하 "경사 도파관"이라 함) 등으로 구성하여서 된 것이다.

이에 따라 본 발명은 여러 개의 LED광원을 사용하여 효율적으로 합침으로써 기존의 광역학 치료용 레이저 광에 못지 않은 큰 출력을 낼 수 있어서 적은 비용으로 완벽한 PDT용 광원을 제공할 수 있게 되는 효과가 있는 것이다. 뿐만 아니라, 본 발명은 다양한 LED의 선택에 따라 사용할 수 있는 파장의 선택 폭이 넓으므로 이미 개발 완료된 거의 모든 종류의 광감작제에 대하여 흡수 스펙트럼의 최대치와 일치시키는 것이 가능하여 효과적으로 광감작제를 여기시킬 수 있게 되어 광역학 치료에 이용하는 것 이외에 새로운 광 감작제의 개발 및 특성분석에 직접 적용할 수도 있게 된다. 이에 따라 본 발명은 검사 또는 개발기간의 단축과 소요 비용 절감을 꾀할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

엘이디 판넬과 집속 광학계를 이용한 의료용 광원 및 빔 전달시스템 {Light Source and Beam Delivery System for Medical Application By Using an LED Pannel and a Focusing Optical System}

도 1은 종래 기술에 따른 전형적인 광역학 치료용 레이저 및 광도파관을 개략적으로 보인 설명도.

도 2는 유럽 특허에 개시된 치료용 광원 장치의 요부 구성을 보인 설명도.

도 3은 대구경 포물면경을 활용한 의료용 광원 및 빔 전달시스템을 개략적으로 도시한 설명도.

도 4는 도 3의 의료용 광원 및 빔 전달시스템의 구조를 도시한 단면도.

도 5는 렌즈 시스템을 이용한 의료용 광원 및 빔 전달시스템을 보인 설명도.

도 6은 본 발명에 의한 원통형렌즈 및 경사 도파관을 이용한 의료용 광원 및 빔 전달시스템의 구조를 도시한 설명도.

도 7은 대구경 포물면경 또는 구면경을 이용한 예의 구조를 보인 설명도.

도 8은 도 7로 보인 의료용 광원 및 빔 전달시스템의 구조를 도시한 단면도.

도 9는 대구경 구면경을 이용한 또 예를 보인 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 집광 수단 11:LED 판넬

12:포물면경 13:통공

14:쌍곡면경 15:경사 도파관

16:커플러 17:광섬유

18:엔도 프로브 19:렌즈 시스템

20:렌즈 21:원통형 렌즈

22:연장부 23:광섬유 다발

24 :구면경 25:통공

26:평면경 27:렌즈1

28:렌즈2

본 발명은 의료용 광원 및 빔 전달시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암치료법으로 각광받고 있는 광역학 치료(PDT: photodynamic therapy)의 임상적용이나 광감작제(photo-sensitizer)개발 등 다양한 용도로 활용하기 위한 의료용 광원 및 빔 전달시스템에 관한 것이다.

광역학 치료는 최근에 활발히 연구되기 시작한 난치성 암에 관련한 임상 및 의학연구분야로서 암 발병부위에 광감작제를 투여한 후 레이저를 조사하면 광감작제가 흡수한 광의 여기작용으로 독성물질인 슈퍼옥사이드 레디칼(superoxide radical) 이나 싱글렛 산소(singlet oxygen)가 발생하여 암세포를 괴사시키는 방법이다. 이 방법은 종래의 수술에 의한 후유증이나 흉터가 거의 없어 최첨단 치료법으로 각광받고 있으며, 이러한 대표적인 광역학 치료 시스템을 도1로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이 일반적인 광역학 치료 시스템(100)은 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생 장치(101)의 출력측에 전송을 위한 광섬유(102)가 설치되고, 상기 광섬유(102)의 단부에 용도 및 적용 부위에 따라 다양한 형태로 된 엔도 프로브(103)가 설치된 것이다.

또한, 광역학 치료에 사용되는 광감작제는 우리 몸에 투과도가 높은 가시광선 및 근적외선 영역의 파장에서 흡수가 높은 물질로 개발되어야 한다. 현재 가장 많이 이용되는 광감작제는 porfimer 나트륨 (상표명: photofrin)으로서 630 nm의 파장대에서 광흡수도가 높은 물질이다. 따라서 이러한 파장에 맞는 출력을 내는 레이저의 사용이 필수적인데 현재까지 이러한 영역의 파장으로 발진하는 레이저는 금 증기(gold vapor) 레이저, 다이오드(diode) 레이저, 색소(dye) 레이저 등에 불과하 다.

첫째로, 금증기 레이저를 살펴보면 이는 628 nm의 파장으로 발진하며, 그 출력은 높으나 대기시간이 길고 유지관리가 어렵다는 단점이 있다.

둘째로, 다이오드 레이저는 부피가 작고 작동이 손쉬울 뿐 아니라 수명이 긴 장점이 있는 반면 출력이 약하여 모듈 등의 형태로 출력을 높이고 있는데 이 경우 제작비용이 만만치 않다. 또한 출력을 높이는 종래의 다른 기술에 의하면 레이저 다이오드를 어레이(array)로 제작하고 각 소자의 발광부위에 광섬유를 결합시킨 후 이들을 묶은 끝단을 연마 가공하고 이 부분에 렌즈계를 이용하여 단일 광섬유로 집속시키는 방법을 사용하고 있다.

셋째로, 색소레이저는 유지관리가 어렵고 색소자체의 교체에 따른 독성물질 배출등 의학용으로 사용하기에는 여러 면에서 부적합하다.

참고로, OPO(optical parametric oscillation)를 이용하는 파장변환 방법이 있으나 이것 역시 출력이 낮을 뿐 아니라 정밀한 장비의 구입과 유지관리에 많은 비용과 노력을 투자해야 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 광역학 치료에 있어서 레이저 광원의 사용은 레이저가 특성상 단일파장만을 발생하기 때문에 다양한 광감작제의 개발을 오히려 저해하는 요소로 작용하고 있다. 레이저와 같은 고가의 광원을 사용하지 않고도 다양하고 저렴한 광감작제를 개발하고 광역학 치료를 시행할 수 있다면, 광역학 치료의 시술단가를 현저히 낮출 수 있기 때문에 현재 소수의 암환자만이 누리는 이러한 편리한 치료법을 대중화시킬 수 있어서 국민보건 복지향상에 크게 기여할 수 있으므 로, 저가이면서도 충분한 출력과 다양한 파장 범위의 출력을 낼 수 있는 광원 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.

그러므로, 최근에는 유럽 특허 EP 1138349 (발명의 명칭: 치료용 광원 (Therapeutic Light Source);이하 "선행발명"이라 함)에 의하여 넓은 면적의 LED 판넬(200)에서 나오는 발산되는 빛이 원뿔형 도파로(201)에 의하여 좁은 면적으로 축소되고, 좁은 면적의 휘도가 상승되도록 한 내용이 공개된 바 있으며, 이를 도 2로 도시하였다.

이러한 선행발명에 따르면 이는 LED 판넬(200)을 광원으로 사용하는 것이므로 전원공급장치가 간단하게 되고, 그 수명이 장수명이 되며, 전반적인 제작비용이 감소하게 되는 잇점이 있는 등의 효과가 있다.

반면에 이러한 선행 발명은 LED 판넬(200)의 빛이 평행광선이 아니고 발산되는 광선임에도 불구하고 직접 LED 판넬과 같은 크기의 면적이 넓은 원뿔형 도파로(201)에 입사되는 것이므로, 기하광학적 원리상 내부 전반사가 어렵게 되어 손실이 매우 크게 되는 것이어서 실용화에 어려움이 발생한다.

그러므로, 선행 발명의 경우 원뿔형 도파로(201)의 길이를 매우 길게 하여 내부 전반사율을 높이는 방법을 고려할 수 있으나, 이 경우는 장비가 장대화되어 문제점이 발생한다.

본 발명은 선행 발명의 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 저가로 제작이 가능하면서도 광역학 치료나 광감작제 여기에 충분한 정도의 고휘도 광원을 제공할 수 있는 고효율의 의료용 광원 및 빔 전달시스템을 제공함을 목적으로 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 평판형 회로기판(circuit board)에 고밀도로 부착시킨 다수의 LED를 동시 동작·발광시키되, 이를 렌즈 시스템 또는 반사경 시스템등 집광수단으로 집광시킨 다음 경사 도파관을 사용하여 빔(beam)의 단면적을 재차 축소시키는 방법을 통하여 단위면적당 고휘도의 광원을 확보할 수 있도록 한 의료용 광원 및 빔 전달시스템을 제안한다.

이에 따라 본 발명에 의한 LED 광원은 그 효율이 대폭 향상되어 기존의 레이저와 같은 수준의 출력을 얻고 지향성을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이 이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3, 4는 광역학 치료용 광원시스템을 도시한 개략도 및 그 구조를 보인 단면도이다. 이는 LED를 인쇄회로기판에 다수 배열하여서 된 LED 판넬(11)과, 포물면경(12)과, 포물면경(12)의 중앙에 위치한 쌍곡면경(14)과, 포물면경(12) 중앙의 통공(13)에 고정되거나 인접하여 설치된 경사 도파관(15)으로 구성된 집광수단(10)과 커플러(16)와 광섬유(17)와 다양한 형태로된 엔도 프로브(18)(Endo Probe)가 결합하여서 된 것이다.

이는 LED 판넬(11)로부터 출력된 빔(beam)을 가운데 구멍이 뚫려있는 포물면경(12)(parabolic mirror)과 쌍곡면경(14)(hyperbolic mirror)을 이용하여 초점에 모으고 이러한 초점위치에 설치된 경사 도파관(15)을 이용하여 2차적으로 집속시키게 된다. 이때 제작의 편의성을 도모하기 위하여 경사 도파관(15)은 포물면경(12)의 구멍에 끼울 수 있도록 되는 것이 이상적이나 필요에 따라 구멍으로부터 떨어져 있어도 무방하다.

이는 LED 판넬(11)에서 발산되는 빛이 평행광선이 아니므로, 포물면경(12)에 입사되는 빛의 각도가 불균일하게 되고 반사되는 빛의 각도 역시 불균일한 것이기 때문에 쌍곡면경(14)에서 반사된 빛은 원래의 카세그레인(Cassegrain) 반사망원경과 같이 한 점으로 모이지는 않는다. 그러나 초점 부근에 확대된 빔의 크기를 고려한 적절한 크기의 입사면적을 갖는 경사 도파관(15)을 설치하면 초점에서 벗어난 빛까지 최대한 집광시킬 수 있도록 설계할 수 있다. 이렇게 1차적으로 집광된 빛을 경사 도파관(15)에 입사시키기 때문에 선행발명과는 달리 경사 도파관(15)의 입사면적이 현저히 작아져서 경사 도파관(15)의 끝단으로 집광되는 과정에서 내부 전반사가 가능하게 되어 효율이 크게 향상될 수 있는 것이며, 그러므로 경사 도파관(15)의 길이를 길게 할 필요가 없게 되며, 이는 장비의 단소화(短小化)에 기여하게 된다.

도 5는 LED를 인쇄회로기판에 다수 배열하여서 된 LED 판넬(11)과, 집광을 위한 렌즈 시스템(19)과 렌즈시스템(19)의 중앙에 고정되거나 인접하여 설치된 경사 도파관(15)으로 구성된 집광수단(10)과 커플러(16)와 광섬유(17)와 다양한 형태로된 엔도 프로브(18)(Endo Probe)가 결합하여서 된 것이다. 이는 LED가 다이오드 레이저와 달리 빔의 발산이 크기 때문에 크게 발산하는 광원을 평행광으로 모아주는 렌즈시스템(19)을 응용한 것이다.

이는 다이오드 레이저와 같이 광 출력부분의 면적이 매우 작거나 또는 원래부터 평행광인 경우는 간단한 렌즈시스템을 통과시켜 한 점으로 모으기 쉬우나 상용화되어 있는 LED를 광원으로 사용하는 예에서는 광선빔이 매우 작은 초점으로 모이지 않으며, 따라서 앞서 설명한 바와 같이 발산하는 LED의 빛을 렌즈 시스템(19)의 렌즈(20)를 이용하여 평행광선으로 한 후 경사 도파관(15)의 전단에 초점을 형성하도록 함으로써 경사 도파관(15)을 이용하여 내부전반사가 가능하도록 하여 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명은 특히, 도 6에서 LED를 인쇄회로기판에 다수 배열하여서 된 LED 판넬(11)과, 원통형 렌즈(21)와, 원통형 렌즈(21)의 초점 라인에 따라 배열된 경사 도파관(15)으로 구성된 집광수단(10)과, 경사도파관(15)의 끝단 직경을 광섬유(17)의 직경 정도로 축소시켜 주기 위한 연장수단(22)과, 커플러(16)와 광섬유(17)와, 다양한 형태로된 엔도 프로브(18)(Endo Probe)가 결합하여서 된 특징적 실시예를 보이고 있다.
이러한 본 발명에 의한 실시예에서는 원통형 렌즈(21)를 이용하여 LED광원을 1차 집속시키는 경우로서 초점거리에 횡상으로 긴 직선형태의 집속된 광선 촛점을 만들어 다수의 경사 도파관(15)에 입사되도록 하여 경사 도파관(15)의 종단에서 집속되도록 한다. 또한, 이때 경사 도파관(15)의 끝단은 다발(bundle) 형태로 묶은 후 열을 가하여 매끈하게 인발시켜 연장부(22)를 형성시킴으로서, 광섬유(17) 정도의 매우 작은 구경으로 합체시킬 수 있다. 특히 600 nm 부근의 파장을 갖는 광선에는 합성수지 광섬유를 사용하더라도 전달 손실이 적으므로 이러한 합성수지 광섬유를 인발시켜 가는 광섬유로 뽑아내어 연장부(22)가 형성되도록 하여 활용하면 실리카 광섬유를 사용하는 경우보다 염가로 쉽게 제작할 수 있다. 또한, 이러한 본 발명의 실시예에서는 도6으로 보인 바와 같이 횡상으로 경사도파관(15)을 배열하게 되는 것이므로, 원형 포물면경, 렌즈시스템, 구면경을 사용하는 경우보다 그 두께를 현저하게 감소시켜 시스템의 스림화, 경량화가 가능하게 되어, 사용 및 보관, 운반이 편리하게 된다.

도 7, 8에 도 3으로 예에서의 쌍곡면경(14) 사용을 배제한 예를 도시하였다. 즉, 이는 LED를 인쇄회로기판에 다수 배열하여서 된 LED 판넬(11)과, 포물면경(12) 또는 구면경(24)과, LED 판넬(11)의 중앙에 위치한 통공(25)과, 통공(25)의 중앙에 고정되거나 인접하여 설치된 경사 도파관(15)으로 구성된 집광수단(10)과 커플러(16)와 광섬유(17)와 다양한 형태로된 엔도 프로브(18)(Endo Probe)를 결합하여서 된 것이다. 이는 도 3의 포물면경(12)에 구멍을 뚫은 것과 달리 LED 판넬(11)의 중앙에 통공(25)을 뚫고 이곳에 LED 광원으로부터 출발하여 포물면경(12) 또는 구면경(24)에서 반사되어 돌아오는 광선이 초점을 맺도록 설계되어 있다. 이는 실질적으로 하나의 반사경만이 필요하므로 제작비용 절감 효과를 획득할 수 있다.

삭제

삭제

도 9는 LED를 인쇄회로기판에 다수 배열하여서 된 LED 판넬(11)과, 구면경(24)과, 구면경(24)의 중앙에 위치한 평면경(26)과, 구면경(24)의 중앙에 고정되거나 인접하여 설치된 광섬유다발(23)과, 광선 정렬과 집광을 위한 렌즈1(27) 및 렌즈2(28)로 구성된 집광수단(10)과 광섬유(17)와 다양한 형태로 된 엔도 프로브(18)(Endo Probe)가 결합하여서 된 것이다.

이는 도3으로 보인 예와 유사하지만 포물면경과 쌍곡면경을 구면경(24)과 평면경(26)으로 대체하였으며, 구면경(24)과 평면경(26)을 사용하는 경우 가공이 쉽다는 장점이 있기는 하나 구면경(24)은 원리상 거울의 중심을 지나는 광축으로부터 먼 곳에서 반사하는 광선은 초점거리보다 거울면쪽으로 이동하여 상점이 맺게되는 구면수차가 발생하는 단점이 있다. 그러나 이러한 구면수차에 의한 초점의 부정확성은, LED로부터 출력되는 광선이 평행광이 아니기 때문에 발생하는 오차에 비하여, 심각하지 않기 때문에 도3에 도시된 예와 같은 원리로 설명할 수 있다. 구면경(24)의 중앙에 설치된 번들형태의 광섬유다발(23)의 입사면은 도3의 경사 도파로의 입사면과 유사하게 적절한 크기의 단면적을 갖도록 제작되므로써, 평면경(26)에서 반사되는 광선이 다수의 광섬유 다발(23)의 전단에 입사되고, 광섬유다발(23)의 끝단에서 출력되어 렌즈1(27)에 의하여 평행광선으로 바뀐 후 렌즈2(28)에 의하여 광섬유에 초점을 맺게 되어 출력되도록 함으로써 효율적으로 고휘도의 광선빔을 집속시킬 수 있게 되는 것이다.

삭제

상술한 바와 같이, 본 발명은 평면상으로 배열된 여러개의 LED 광원으로부터 출력된 발산되는 광선이 원통형 렌즈(21)에 의하여 횡상 촛점 상태로 집속된 후 경사 도파관(15)에 의하여 효율적으로 집속됨과 아울러, 경사 도파관(15)의 종단부를 가늘게 연장시켜서 된 연장부(22)에 의하여 광섬유(17)와 같은 직경으로 재차 집속된 후 광섬유(17)에 전달되는 것이어서 LED를 광원으로 사용하면서도 레이저 광선과 같이 광역학 치료나 광감작제의 여기에 충분한 고휘도 출력을 제공하게 된다. 이에 따라 본 발명은 기존의 치료용 레이저와는 달리 임의의 모든 파장영역의 필요한 광선을 손쉽게 얻을 수 있을 뿐 아니라, 구입비용 또는 제작비용이 레이저와 비교되지 않을 정도로 매우 경제적으로 되는 효과를 얻음과 아울러, 횡상 배열된 경사 도파관(15)은 도 6에 도시된 바와 같이 그 두께가 박형으로 되는 것이어서시스템의 슬림화가 가능하게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명에서는 종류가 다른 LED를 사용하여 몇 가지의 LED 판넬(11)을 준비하면 한대의 전원장치와 광학 시스템에 장착시켜 번갈아 동작시킴으로써 다양한 파장대의 광선을 언제든지 교체하여 발생시킬 수 있어서, 광역학 치료와 새로운 광감작제 개발 및 특성분석 뿐 아니라 피부과 질환을 포함한 각종 임상치료에도 유용하게 쓰일 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 다수의 LED를 인쇄회로 기판에 배열하여서 된 LED 판넬(11)과, LED 판넬(11)에서 나오는 발산되는 빛이 경사 도파관(15)에 입사되도록 하며, 광섬유(17)를 경유하여 엔도 프로브(18)로 전달되도록 하되, LED 판넬(11)과 경사 도파관(15) 사이에 LED의 발산광을 집광하여 경사도파관(15)의 전단에 입사되도록 하는 집광수단(10)을 구비함을 특징으로 하는 LED 판넬과 집속 광학계를 이용한 의료용 광원 및 빔 전달시스템에 있어서,

   전술한 집광수단(10)은 원통형 렌즈(21)와, 원통형 렌즈(21)의 초점 라인에 따라 횡상 배열된 경사 도파관(15)과, 경사도파관(15)의 종단에 연결되어 광섬유(17)와 같은 규격으로 직경이 축소되는 연장부(22)로 됨을 특징으로 하는 LED 판넬과 집속 광학계를 이용한 의료용 광원 및 빔 전달시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images