KR101516073B1 - 뇌질환 치료를 위한 경두개 근적외선 레이저 치료장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저출력 레이져 요법(Low Level Laser Therapy)을 뇌-중추조직에 응용함으로서 제반 뇌신경 계통의 질병, 예를 들면 허혈성 뇌졸중,외상성 뇌장애, 파킨슨 병, 알쓰하이며 병, 인지장애, 우울병, 수면장애, 만성실어증 등을 비침습성 방법으로 치유할 수 있도록 하는 경두개 근적외선 치료(Transcranial Near-Infrared Light Therapy :TLT)를 위한 레이져 치료기에 관한 것이다.

Description

뇌질환 치료를 위한 경두개 근적외선 레이저 치료장치{Apparatus for Transcranial Near-Infrared Light Therapy Designed for Enhancement of Neurologic Function}

본 발명은 근적외선 영역의 저출력 레이져 광을 두개골을 경유하여 대뇌피질에 인가함으로서 각종 뇌중추계 조직의 질병을 비침습적으로 치료하는 것을 목적으로 하는 경두개골 근적외선 요법(Transcranial Near-Infrared Light Therapy :TLT) 의 치료방법 및 장치와 관련한 것으로, 더욱 상세히는 레이져 광이 두개골에 침투할 때 발생하는 열을 펠티어소자 (TEC)를 이용하여 간편하게 제거함으로서 대뇌피질에 소정의 광 에너지를 원활하게 인가할 수 있도록 하는 어플리케이터 셀과 이것을 장착한 캡 형을 적용한 치료방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명 치료기는 난치로 알려져 있는 허혈성 뇌졸중,외상성 뇌장애, 파킨슨 병, 알쓰하이며 병, 인지장애, 우울병, 수면장애, 만성실어증 등을 비침습적이고 비약물적인 수단으로 환자에 대한 큰 부담없이 간편하게 치료할 수가 있는 것을 특징으로 한다.

인체조직에 적색-근적외선 영역의 광선을 조사하면 생체조직의 창상. 염증, 부종 등이 치유되고, 말초신경통이 경감되는 등 많은 유익한 효과를 얻을 수 있다는 것이 증명되어 이 효과를 이용한 저출력 레이져 치료(Low Level Laser Therapy: LLLT)가 많은 주목을 받고 있다. 일반적으로 LLLT는 치유효과의 발현이 비교적 완만하다는 결점은 있지만, 극히 안전하고 부작용이 없으며 경제적이라는 특징이 있기 때문에 특히 비전문인에 의한 재택치료에 적합한 치료법이라 할 수가 있다.

LLLT는 적색~ 근적외선 (Near Infrared Radiation:NIR)영역의 광을 생체조직에 조사할 때, 그 부위의 혈류가 증가하고 ATP 레벨이 현저히 높아지고 그 결과, 1) 모세혈관의 생성이 활발해지고, 2) DNA의 생성이 촉진되며, 3) 혈액의 산소담지량(酸素擔持量)이 증가하고, 4) 콜라겐과 의 생성이 촉진되고, 5) 인파류의 활동이 증가하고, 6) 육아발생(tissue granulation)이 촉진되며, 7) 식세포 작용 (phagocytosis)이 활성화 된다는 효과를 이용한 것이다.

이러한 효과는 결과적으로 생체의 1) 세포조직의 신진대사의 활성화, 2) 손상된 세포조직의 치유촉진 3) 가령과 병변에 의핸 세포조직의 재생과 퇴화방지(rejuvnate) 4) 세포조직의 면역력의 향상 등을 가능케 하기 때문에 인체의 각종 질병의 치료를 비롯하여 재활치료 분야, 공중 보건분야에 폭 넓게 응용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.

이러한 NIR 에너지의 광-생물효과는 이 파장 범위의 광이 생체조직에 입사하면 그 광 에너지(photon)가 세포내의 세포막과 미트콘드리어(Mitochondria) 내부의 사이토크롬 C 산화효소(Cytochrome C Oxidase:CCO)과 포피린(Porphyrins) 등에 흡수되어 일중항 산소(singlet oxygen)을 발생하고, 세포막과 미토콘드리아 막 간의 전위경사를 조성하여 세포막의 투과성이 증가되고 ATP (Adenosine Triphosphate)의 레벨을 상승시킨다는데 원인이 있는 것으로 밝혀져 있다. 복합효소체 CCO는 두 개의 동 중심(copper center)인 CuA와 CuB에서 각 각 830nm(NIR)와 665 nm(적색광) 에 최대 흡수점이 있는데 이것이 주 광수용체(photoacceptor)로 작용하는 것으로 보고 있다. 따라서 LLLT에 적합한 광 에너지는 파장범위는 대체로 600~850nm 인 적색~NIR 영역이고 인가 에너지 의 량은 대체로 4~6 범위 인 것으로 알려져 있다.

이와 같은 LLLT 효과는 대뇌의 세포조직에 대해서도 당연히 기대할 수가 있는데, 특히 뇌경색환자(AIS)와 외상성 뇌장애(TBI)환자의 치료와 재활훈련을 비롯하여 파킨슨 병(PD), 알츠하이머 병(AD), 우울병, 기억상실증, 불면증, 심적외상후 스투레스 정신장애( PTSD), 측색경화증(FALS),만성실어증, 등 많은 퇴행성 뇌신경장애의 치료에 응용할 수 있다는 것이 보고되어 있다.

건강한 뇌 조직 세포는 미토콘드리아(Mitochondria)가 산소를 흡수하여 ATP를 생성한다. 뇌경색 등으로 혈류가 차단된 세포는 산소부족으로 사멸하게 되는데 NIR를 조사하는 경우, 미토콘드리아는 광 에너지를 흡수하여 양자 전위를 발생하고 그 결과 ATP가 생성되어 손상된 신경세포를 소생시키는 것으로 알려져 있다. 이 밖에도 NIR를 조사하는 경우, 시신경 장애가 개선되고, 임파구의 ATP레벨이 상승하고, 도파민 (dopamene) 작동성 신경세포에 대한 보호효과가 있으며, 신경세포의 발아(sprouting )와 이동성(migration)이 촉진된다 는 등의 효과도 보고되어 있다.

LLLT 기술을 뇌조직 관련 질병의 치료에 응용하는데 있어서 가장 큰 장애는 뇌실질이 두피와 두개골 그리고 경막, 지주막 등에 의해 보호되어 있어서 직접 광 에너지를 인가할 수가 없다는 점이다. 따라서 광원을 두피 밖에 두고 두개골을 경유하여 대뇌실질에 광 에너지를 투사하는 경두개골 레이져 요법(Transcranial Low level Lazar Therapy: TLT) 또는 경두개골 근적외선 요법(Transcranial Near-infrared Laser Therapy:NILT)이 제안되어 있다. 이 방법은 두개골을 열지 않고서도 대뇌의 질환을 치료할 수가 있기 때문에 본질적으로 비침습성 치료에 속하며, 환자에게 주는 심적 육체적 부담이 적고 극히 경제적이라는 특징이 있다.

TLT는 종래의 약물치료나 이화학치료로서는 난치로 알려져 있는 뇌중추계통의 퇴행성, 만성질환의 치료에 효과가 있다는 것이 많은 in vivo 실험에서 밝혀져 있는데 다음은 그 대표적인 사례이다.

뇌경색(AIS)

현재, 뇌경색의 치료는 발증 3시간 이내에 혈전용해제인 tPA( tissue Plasminogen Activator) 를 정맥주사 하는 방법에 의존하고 있는데, TLT 를 시술하면 발증 후, 24시간 이내의 뇌경색증에 대해서도 주목할 만 한 효과가 있다는 것이 보고되어 있다. 이것은 NIR의 광 에너지에 의해 ATP 레벨이 증가하는 동시에 특히 혈류가 증가하여 허혈부위 주변조직의 고사(apotosis)현상이 크게 방지되기 때문으로 알려져 있다.

한 보고에 의하면 뇌졸중 발작 후, 18시간 경과한 환자의 두부에 단 1 회 에 TLT를 시술하였는데, 5일 후 부터 증상이 현저히 개선되었으며 발작 90일이 경과하여도 전체 TLT시술환자의 70% 에서 만족한 증상개선이 확인되었다는 보고가 있다. 이 실험에서는 808nm 레이져 다이오드 (LD)를 사용하여 두부 전체 표면에 0.9 J/cm2 를 인가하였다고 한다. 또, 658명의 급성 뇌졸중환자 중에서 임의로 선정한 중증환자 434명에 대하여 동일한 TLT 실험을 실시하였는데, 위장(sham) TLT를 받은 참조군 환자는 전혀 개선되지 않았는데 비해 TLT를 받은 환자에서는 모두 현저한 증상개선 (P<0.04)을 보았다는 보고도 있다.

외상성 뇌장애(Traumatic Brain Injury: TBI)

TBI는 두부에 대한 대,소의 기계적 충격으로 뇌의 백질(white matter)과 수질(grey matter)에 발생한 미소한 손상이 원인이 되어 발증한다. A. Oron 등이 2007년에 인위적으로 TBI를 방생시킨 24마리의 쥐에 대하여 발증 4시간 후에 808nm 광으로 TLT 시술하고 그 운동기능의 경과를 조사하였는데, 시술 후, 5 일에서 28일 사이에 TLT 를 투사한 쥐는 비투사 군(control group)에 비해서 NSS (Neurological Severity Score)가 p<0.05 정도로 현저하게 개선되었고 손상부위의 크기도 크게 축소되어 있었다고 한다.

또한, Qiuhe Wu 등은 24 마리의 쥐를 3 군으로 나누어 1 군에는 파장 670nm, 출력 150mW/cm2 (36J/cm2)의 레이져광을, 2 군에는 파장 810nm, 출력 150mW/cm2 (36J/cm2)의 레이져광을 상해발생 1 시간 후에 각 각 4 분간식 1 회 인가하였는데, TLT 시술 24시간 후부터, 9 일 후 까지 통계한 NSS는 비교군(TLT 비시술 군)이 3.5, 1 군에서는 1.5, 2 군에서는 2.5 로 나타나서 TLT 시술의 효과가 현저한 것을 확인하였다.

한편, 별도로 980 nm 광을 투사한 경우는 시술 24 시간 후의 NSS치는 조회군에 비하여 2 정도 개선되어 있으나, 9 일 이후가 되면 분산이 커져서 평균치는 조회군과 거의 차이가 없게 된다는 것을 지적하고 있다. 이상의 보고에서 TLT를 적용하면 TBI의 예후는 분명히 개선되지만, 광 파장이 980nm 이상이 되면 그 효과는 대상에 따라 분산이 커져서 평균해서는 큰 효과를 기대할 수 없다는 것을 알 수가 있다.

사람에 관한 것으로는 경증TBI (mTBI)환자의 인지능력이 TLT 시술결과 크게 향상된 것이 보고 되어 있다. 첫 번째 사례는 차사고가 원인이 된 66세의 여성 TBI 환자에 대하여 사고 7년 후에 TLT를 시술한 결과, 시술 이전에는 PC작업을 20분 밖에 할 수 없었는데, 8 주간의 TLT를 받고 난 이후에는 3시간이나 계속하여 작업에 집중할 수 있게 되었다고 한다. 이 치료에서는 복수개의 633nm 의LED 와 870nm의 LD를 조합하여 환자의 이마 부위에 광 파워 22.2 mW/cm2 로서 13.3 J/cm2 의 광 에너지를 인가하였다고 한다.

또, 이 TLT시술 후, 2,3 개월 내에 수면장애와 심적외상후 스트레스 정신장애(posttraumatic stress disorder: PTSD)가 현저히 경감되었다고 한다.

또,Schiffer 등의 보고에 의하면, 10명의 TBI 환자에게 TLT를 시술한 결과, 3명에게 있어서 PTSD 우울증 증세가 크게 개선되었다고 한다.

각종 퇴행성 뇌장애

고령화 사회가 됨에 따라 각종 퇴행성 중추신경계 환자가 급격히 증가하고 있는데 이 분야에 대한 LLLT 또는 TLT의 적용가능성이 활발히 논의되고 있다.

Parkinson 병(PD)에 대한 LLLT의 적용 가능성에 관해서는 Trimmer 등이 보고한 갓이 있다. 그는 잡종 신경세포(cybrid neuron cell)에 810nm의 LD를 50mW/cm2의 강도로 40초 간 조사한 후, 2 시간 후의 미토콘리아의 이동도를 측정하였는데, 광 에너지를 투사한 세포군은 비투사군에 비하여 ATP의 이동도가 현저히 증가한다는 것을 확인 하였다. 그는 미토콘드리아가 공급하는 ATP는 신경세포의 생존에 필수적인 까닭에 그 이동도의 증가는 곧 신경세포의 활성화를 의미함으로 결과적으로 PD에 대한 효과적인 치료수단이 될 수가 있다고 결론짓고 있다.

또, Alzheimer 병에 대해서는 Zhang 등이 5mW HeNe 레이저로서 0.156-0.624 J/cm2를 인가하면 피질신경세포를 고사로부터 보호할 수 있다는 것을 보고하고 있다. 그는 이것을 근거로 하여 LLLT 혹은 TLT를 Alzheimer 병에 대해서도 적용할 것을 제안하였다.

한편, Michalikova 등은 중년이 된 쥐(생후 12개월된 CD-1 쥐)에 대하여 1072nm 의 LED광을 매일 6 분씩 10일간 조사하여 삼차원 미로시험을 한 결과, 심한 기억력상실 상태였던 쥐가 LLLT 조사 후에는 기억력을 크게 회복하였을 뿐 아니라, 운동의 결정에 신중성을 나타내었고, 일반적인 인지기능에도 상당한 향상을 보였다고 한다. 그는 이러한 결과에 근거하여 인지기능이 상실된 고령자에게 TLT 를 시술 할 것을 제안하고 있다.

또한, Naeser M. 등은 뇌졸중으로 인한 비능변적 실어증(nonfluendt aphasia) 환자3 명에 대하여 두개골에 22.2 mW/cm2 강도로 13 J/cm2 의 NIR 영역 LED 광을 매주3회씩 6주간 인가한 후, BDAE 법으로 언어능력을 시험하였는데, 모든 3명의 환자에 있어서 현저한 개선이 나타났다고 보고하고 있다.

TLT 는 광원이 두피 밖에 위치하며 그 방출 광은 두피,골막,두개골,지주막, 연막 등을 지나서 뇌질에 도달하게 된다. 따라서 광 에너지는 이러한 많은 조직 층을 경유해 오면서 흡수, 산란되고 그 나머지가 대뇌피질에 도달하게 된다. 광의 경로에서 가장 감쇄가 큰 부분은 두피와 두개골 층으로서 가시광의 경우는 여기서 거의 차단된다. 그러나 파장이 길수록 감쇄율은 적어져서 NIR 영역에서는 대체로 두피에 조사한 광 에너지의 1%~10% 정도는 대뇌피질에 도달한다. 뇌에 유익한 광-생체효과를 일으키는 것은 대뇌피질의 미토콘드리아의 CCO에 흡수되는 광 에너지로 알려져 있으며 대뇌피질에 도달한 광 에너지의 35-50% 정도가 여기서 흡수되어 ATP의 생성에 기여한다. CCO의 흡수특성은 830nm(NIR)와 665 nm에 최대치가 있음이 알려져 있음으로 광원이 될 발광체는 이 파장의 광을 출력 스펙터에 포함하고 있어야 한다.

지금까지의 보고에 의하면 이 영역의 광 에너지가 생체조직에 유의한 광-생체 효과를 나타내기 위해서는 대체로 3~50 mW/cm2 범위의 강도로 2~4 J/cm2 범위가 대뇌피질에 투사되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 위의 조건을 갖춘 광 빔이 대뇌피질 표면에 형성될 수 있는 광 에너지 어플리케이터(applicator)를 구현하여야만 한다.

상기한 바와 같이 두피에 투사되는 광 에너지의 97% 이상은 대뇌피질에 도달하기 전에 흡수 또는 산란되는데, 흡수된 에너지는 대부분 열로 변환되어 두피와 두개골을 가열한다. 발생한 열은 전도와 대류에 의해 발산되기 때문에 발산열량과 발생열량이 평형 되는 시점에서 온도상승은 멈춘다. 그러나 발생열의 발산속도가 늦으면 온도상승이 계속되어 투사된 부위의 세포조직이 과열되어 화상을 입게 된다. 따라서 효과적인 TLT를 위해서는 광 투사 부위에 대한 적절한 냉각수단이 필요하다.

전자소자의 냉각수단으로는 대기를 강제순환시켜 냉각하는 공냉방식, 액체를 순환시키는 액냉방식, 그리고 펠티어소자(Peltier)를 이용하는 고체냉각방식(Thermoelectric Cooler:TEC) 등을 생각할 수 있으나, 시스템의 간편성과 경제성을 동시에 만족할 수 있는 방열 시스템은 아직 개발되어 있지 않다.

일반적으로 뇌 중추계의 질환은 증상이 발현하는 위치와 환부의 위치가 상이한 경우가 많고, 그 크기도 두부 전체가 대상이 되는 것으로부터 직경 수 cm 이하의 적은 부위일 수도 있다. 또한, 치료효과를 나타낼 수 있는 광 에너지의 파장과 필요량, 그리고 투사시간도 대상 질환에 따라, 개인에 따라 많은 차이가 있기 때문에 가능한 한 여러 경우에 적응할 수 있는 융통성이 큰 방식이 요구된다.

또한, TLT 용 광 에너지 어플리케이터는 모든 발광소자가 각 개인에 따라 최적합한 위치에 고정시킬 수 있어야 할 것은 물론이지만, 비전문인이라도 간편하게 조작할 수 있고 안전하며 견고하고 유지비와 제작비가 염가인 구조로 되어 있어야만 한다.

TLT 는 광원이 두피 밖에 위치하기 때문에 그 광 에너지는 두피,골막,두개골,지주막 연막 등을 통과하면서 많은 량이 흡수되어 대뇌질에는 그 나머지가 도달하여 이것이 치료효과를 나타내게 된다. 그 중에서도 두개골이 광선에 대하여 가장 큰 장애가 되는데, NIR 영역 이상의 긴 파장의 광은 상당 수준 이것을 통과한다는 것이 실험결과 밝혀저 있다.

광이 생체의 연조직을 투과하는데 있어서 가장 큰 감쇄요인은 헤모글로빈(hemoglobin) 과 멜라닌 ( melanin) 그리고 체액에 포함된 물 분자로 알려져 있는데, 전 2 자에 의한 감쇄는 600nm 이하의 파장이 짧은 영역에서 매우 크고, 후자는 1500 nm 이상의 긴 장파장에서 급격히 증가한다. 따라서 600~1500 nm 영역이 가장 감쇄율이 적은데, 이 부분은 스펙터 상으로는 적색~근적외선(NIR) 영역에 속한다. 이 보다 긴 파장의 적외선(IR) 영역의 광은 수분에 의한 감쇄가 클 뿐 아니라, 설혹 대뇌피질에 도달한다고 하여도 양자 에너지 가 적어서 광-화학효과는 미약하다. 반면 이 범위보다 짧은 파장인 청, 녹, 흰색광은 양자 에너지가 커서 투명 배양액 내부의 세포증식에서는 매우 큰 효과를 나타내지만 경두개골 투사에서는 헤모글로빈과 멜라닌 등에 의한 감쇄가 커서 광은 대뇌피질까지 도달 하지를 못한다.

광 에너지가 인체조직에 광-생체효과를 나타내는 것은 주로 미토콘드리아의 광수용 특성에 의거하는 것인데, 이 들 광수용체는 620-860 nm 근방에 최대 흡수점이 존재한다. 따라서 대뇌피질에는 이 파장범위의 광 에너지가 입력되어야 만 소기의 치료효과를 기대할 수가 있는데, 다행히 이 파장대는 바로 biological window 영역에 속하고 있다.

이 파장대에서는 두피에 투사된 광 에너지는 대뇌피질에는 투사광의 1%~10% 정도가 도달하고 도달한 에너지의 35-50% 정도가 미토콘드리아의 CCO에 흡수되어 ATP의 생성에 기여한다고 알려져 있다. 한 실험에 의하면 10 mW/cm2 의 808nm CW광을 두피에 인가하여 NIR 광이 두부 내부에 20mm 까지 투과하는 것도 확인되어 있다.

따라서, 인간의 두개골 두께를 평균 7-10mm, 두개골 내벽에서 뇌질 까지를 1-2mm 로 본다면, 두피에 조사된 NIR 광은 12mm 를 투과 하여 뇌 표면에 도달하고, 거기서 다시 뇌실질 내에 진입하여 최대 8mm 정도 까지 침투한다고 볼 수가 있다. 실지로 Margaret A 등은 이마(forehead) 부분의 두피에 25 mW/cm2 를 인가했을 때, 두개골에서 10mm 침투한 거리에는 그 2-3% 가, 20mm 거리에 있는 백질(white matter)에는 0.2-0.3% 가 도달한다고 보고하고 있다.

상기한 바와 같이 두피에 투사된 광 에너지는 대뇌피질에 도달 할 때 까지 도중의 세포조직에서 97% 이상이 흡수되어 열로 변하고 나머지 3% 가 대뇌피질에 입사하여 ATP 증산에 기여한다. 여러 실험결과에 의하면 효과적인 LLLT 를 위해서는 대체로 2~25 mW/cm2 범위의 광 파워, 보다 여유 있게는 1~50mW 범위의 광 파워를 대뇌 피질에 인가하여야 하는데 이 값은 상기한 바와 같이 두피에 투사된 광 파워의 3%에 지나지 않는다. 따라서 두피에는 최소한 66.6~833 mW, 바람직하게는 33.3~1666 mW/cm2 의 광 파워를 투사할 필요가 있다.

지금, 이 투사광의 97% 가 두피와 두개골에서 열로 변한다고 가정한다면 투사부위에는 매초 0.015~0.38 cal/cm2 의 열이 발생한다. 이 열은 두피, 두개골 그리고 경막 등의 온도를 상승 시켜서 원치 않는 부작용을 초래할 수가 있는데, 특히 두피층은 최외부에 있으며 두께가 엷은 까닭에 온도 상승속도가 빨라서 화상을 입게 될 위험이 있다. 따라서 광 빔 조사 시에는 조사부위를 적절히 냉각하여 온도상승을 방지할 필요가 있다.

가장 간단한 방법은 소출력의 LD를 사용하고, 두피에 투사되는 광 빔의 면적 당 투사 에너지를 줄이는 방법이다. 그러나 이 방법은 결과적으로 뇌질에 도달하는 광 에너지를 감소시키는 것으로 소정의 유효 에너지 량을 공급하는데 장시간이 소요되어 치료효과가 저조하게 된다. 따라서 극히 미약한 광 에너지로서도 충분한 LLLT 효과를 얻을 수 있는 특정한 케이스에 한정된다.

보다 효과적인 치료를 위해서 수 10 mW/cm2 이상의 광 파워를 대뇌피질에 공급해야 할 경우, 두피에는 수100 mW/cm2 이상의 큰 광 에너지를 투사할 필요가 있는데, 이 때는 적극적인 강제 냉각 수단인 강제공냉방식, 액체냉각방식, 고체 냉각소자(Thermoelectric Device:TEC )등을 고려하게 된다. 그러나 이러한 냉각방식은 많은 부수기구가 필요해서 구조가 복잡하고 취급이 불편할 뿐 만 아니라 경제적으로도 부담이 된다. 따라서 이러한 복잡한 구조를 선택하지 않아도 광 빔 조사점을 효과적인 냉각시킬 수 있는 간편한 TLT 치료기가 필요해 진다.

본 발명이 제안하는 치료기는 그림 2,3,4,5와 갈은 광 어플리케이터 셀(Light Applicator Cell: LAC) 21n 을 그림 6 , 그림 7 과 같이 탄성재료로 된 캡 형의 기판 20 에 배열한 구조로 되어 있다. 치료시에는 이 캡을 쓰고 고정 벤드 11 를 조이면, 모든 LAC 가 그림 8 과 같이 두피에 밀착하여 각 LAC 의 광 빔이 두피와 두개골에 투사되도록 되어 있다.

각 LAC 는 그림 2,3,4,5 와 갈이 단일 또는 복수개의 발광소자 212를 방열체(heat sink) 215와 그 위에 접착시킨 투명 냉각판 213 으로 구성되어 있는 소형 모듈이다. 투명 냉각판 213은 방열체 215에 접착이 되어 있어서 항상 방열판과 동일한 온도로 유지되어 있다. 사용시에는 이것을 두피에 압착됨으로 광 빔에 의해 두피에 발생한 열을 흡수하게 된다. 이 투명 방열판은 필요에 따라서는, 집속 렌즈 모양으로 가공하여 광 빔을 정형하는 역할도 겸하도록 한다. 발광소자로서는 레이져 다이오드(LD)를 주로 사용하지만 발광 다이오드 (LED)를 사용할 수도 있다.

LD는 미토콘드리아의 흡수파장이 포함되는 630nm~904nm 영역에서 가급적 현재 상용화 되어 있는 품목을 선택하되, 모듈 전체의 LD의 출력이 두개골을 경유하여 대뇌피질에 형성될 때, 그 면적당 강도가 0.01~20 mW/cm2 범위가 될 수 있는 것을 채택한다. 전술한 바와 갈이 두피에 투사된 광 에너지 중에서 3% 정도가 대뇌두피에 인가됨으로 필요로 하는 모듈의 총출력은 0.3~1000mW 범위가 된다.

투사광의 광-생체효과는 치료대상과 환경조건에 따라 차이 커서 대뇌피질이 필요로 하는 광 에너지의 분산도 매우 크다. 따라서 LD의 소요 출력은 상기 범위를 초과할 수도 있다.

모든 LAC 21n 은 그림 7 과 같이 탄성소재로 된 캡 모양의 회로 기판을 겸한 내부 캡 20 에 적절한 간격으로 배열, 부착하되 투명냉각판 213 측은 내부 캡 20 의 내측 면에, 방열판은 내부 캡 20의 외측 면에 오도록 한다. 내부 캡은 시용시에 고정용 벤드 11 로서 환자의 두부에 고정되는데, 내부 캡에 장착되어 있는 모든 LAC 의 투명냉각판이 일정한 압력으로 두피에 압착이 되도록 구성된다.

외부 캡 10은 경질 플라스틱 소재로 만들어지며 내부 캡 위에 간격편 202를 지지체로 하여 1~5 범위의 간격을 두고 덮는 구조로 구성한다. 외부 캡 10 은 내부 캡을 보호하는 동시에 내부 캡 20 과의 사이에 만들어진 공간을 통해 냉각용 공기를 유통시키는 작용을 한다.

상기 내부 캡 20 과 외부 캡 10 은 용도와 냉각방식에 따라, 각 각 상이한 구성과 형태가 될 수 있으며 본 설명서의 그림6,7 에 표시된 것은 그 대표적인 사례에 불과하다.

TLT 가 각종 뇌 중추관련 만성질환에 효과적이고 경제적인 비침습성 치료수단으로 특히 재활치료에 적합한 특성을 지니고 있음에도 불구하고 광에 대해서는 거의 불투명체인 두피, 두개골, 경막등을 경유하여야만 대뇌피질에 광 에너지를 전달할 수 있다는 문제점 때문에 아직 널리 활용되지 못하고 있다. 특히 지금까지는 광 빔에 의한 두피와 두개골의 과열현상을 적절히 해결할 경제적 수단이 실용화되지 못하여 임상에 활용하기에는 어려움이 많았다. 본 발명은 LD 전면에 대형 방열체에 접착된 투명 냉각판을 두고 치료시에는 이 투명 냉각판을 두피에 접촉하여 광 빔의 발생열을 흡수토록 한 소형 광 어플리케이터 셀(LAC)과 이것을 장착한 치료기에 관한 것으로서 비전문인인 일반환자나 간병인이 간편하게 장소와 시간에 구애됨이 없이 시술할 수 있는 것이 특징이다. 따라서 이 장치는 앞으로 도래하는 고령화사회에 있어서 격증할 것으로 예상되는 인지장애자, 알쓰하이머 병, 파킨스씨 병, 우울병 환자 등의 치료와 재활분야에 널리 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

도1 은 본 발명에 의한 내부 캡 베이스에 광 어플리케이터 셀 (LAC : Light Application Cell)이 취부된 구조도
도2 는 LAC 절단면을 나타내는 도면
도3 은 복수개의 LD/LED 와 방열체등이 구성된 구조도
도4, 5는 본 발명에 의한 LAC의 다른 실시예
도6 은 공기유통을 원활히 하도록 설치된 외부 캡에 LAC 이 설치된 구조도
도7 은 본 발명의 일 실시예로 내부,외부 캡 과 LAC 이 설치된 구조도
도8 은 LAC 이 두피에 밀착된 모습을 보여주는 도면
도9 는 발사광을 방사형으로 방사 또는 집속시키는 렌즈가 부착된 LAC 를 나타낸 도면
도10은 두피의 상부에서 투사한 광빔의 확산을 도시한 도면
도11은 복수개의 LAC를 사용하여 두피와 밀착시킨 모습으로 도시한 도면
도12는 본 발명에 의한 System 구성의 Block Diagram
도13는 발광소자의 작동시간 Flow Chart
도14 본 발명의 다른 실시예로 냉각을 고려한 베이스에 취부된 LAC 가 두피에 밀착된 모습을 보여주는 도면

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 이하의 실시예를 들어 상세히 설명한다.

실시예 1

본 발명 TLT 치료기는 자연 대류에 의한 공냉 방식을 채택한 것으로서 그림1 과 같이 복수개의 소형 LAC 21n 를 탄성 재료로 된 내부 캡 20에 어레이 형으로 부착하여 경성 플라스틱으로 된 외부 캡 10에 고정시킨 구조로 되어 있다. 치료 시에는 이 캡을 환자의 두부에 장착하고 제어/전원 유닛 을 접속하여 각각의 진료목적에 적합한 광 에너지를 두부에 투사한다.

LAC 21n 는 그림2,3 처럼 복수개의 LD 212,방열체 215, 광 빔 투사 부위의 접촉냉각을 위한 투명 냉각판 213, 그리고 상기 부품을 고정하고 배선하는 회로판 213으로 구성되며, 두께 1~2 cm, 면적 5~20cm2 크기인 소형 원판형 모듈으로 되어 있음을 특징으로 한다.

LD는 파장범위가 대체로 630nm~904nm 범위, 바람직하게는 780nm~840nm 범위에 속하고, 그 광 출력은 대체로 0.3~1600mW 범위, 바람직하게는 30mW~100mW 의 범위에 들어있는 것을 선택한다. 이 경우, 대뇌피질에 투사되는 광 파워는 대체로 1~50 mW/cm2 범위가 된다.

투명 냉각판 213은 비교적 비열이 크고, 열전도율이 높은 무색 투명한 재질로 된 두깨 0.2~3 mm 정도의 박판을 사용한다.

각 LAC 21n 은 결합단자 216을 사용하여 복수 개를 서로 결합시켜 필요한 치료 부위를 카버 할 수 있는 넓이의 어레이를 형성할 수 있다. 어레이에 필요한 LAC의 수는 LD의 출력, 조사대상 부위의 면적 그리고 치료대상에 따라 결정된다. 또한 부위를 한정하여 특정 LD 를 개별적으로 발광토록 회로를 구성할 수도 있다.

LAC 21n은 방열판 215 가 내부 캡20의 외면에, 투명 냉각판 213 은 내부 캡20 의 내면을 향하도록 캡 면에 고정시킨다. 캡20은 탄성소재로 되어 있어서 두부에 착용하여 고정 벤드 11 를 매면 그림 8 처럼 모든 LAC가 두피에 밀착되도록 되어 있다.

사용할 때는 모든 LAC의 투명냉각판 213이 두피내의 혈류를 차단할 정도의 압력으로 두피를 압박할 수 있도록 캡 벤드 11을 단단히 조인다. 이렇게 하면 냉각판의 압력에 의해 두피내의 모세혈관이 차단됨으로 헤모글로빈에 의한 광 빔의 흡수 손실이 적어져서 두피에서의 발열량이 줄어드는 동시에 대뇌피질에 인가되는 광 에너지가 그 만큼 증가하게 된다.

치료를 위하여 LD를 작동사키면 광 빔이 투명 냉각판 213을 통과하여 두피에 조사된다. 이 때 두피의 흡수손실에 의해 광 빔 투사점이 가열되지만 투명 냉각판 213에 의해 열이 흡수되기 때문에 발열량이 과다하지 않는 한, 두피의 온도는 방열체의 온도인 대기온도 근방에 유지된다. 대기의 온도가 낮고 방열체의 방열특성이 좋은 경우에는 자연대류에 의해서도 충분한 냉각이 가능한데, 이 경우는 외부 캡을 경성 플라스틱이나 경금속으로 된 그림 6 와 같은 모양의 망 구조로 함으로서 공기의 유통을 원활하게 한다.

자연대류에 의한 방열만으로 충분한 냉각이 어려운 경우에는 외부에서 팬을 돌려 강제송풍에 의한 공냉 시스템으로 운용할 수가 있다. 이때는 내부 캡 20의 구조를 그림14과 같이 하고 흡입구 201 에 배기용 팬을 장착하고 그림7과 같은 경질 플라스틱으로 된 외부 캡을 그 위에 배치한다. 일반적으로 범용 LD 는 방출 광 빔의 발산각 이 10~40도 범위에 있으므로 LD 의 위치가 두피에 근접해 있으면 좁은 빔 폭으로 인하여 뇌질의 극히 좁은 부위만이 광 에너지를 받게 된다. 예로서 그림10의 경우는 두피에서 10mm 되는 위치에서 투사한 광 빔의 확산 모양인데, 두피에서 12mm 하부에 있는 대뇌피질의 위치에서는 피사 면적이 40mm2 이고 20mm 침투된 곳에서도 1cm2 이하의 좁은 면적이다. 따라서 치료 부위에 따라서는 복수개의 LAC를 동시에 작동하여야만 필요한 넓이에 충분한 광 에너지를 인가할 수가 있다. 또, 두피의 일점을 과열 시키지 않고 뇌질의 특정 부위에 광 에너지를 집중할 필요가 있는 경우에는 그림 11 과 같이 복수개의 LAC를 사용하고 각 각의 장착 각도를 조금 씩 미세 조정하여 해당 부분에 빔을 집중시킬 수 있도록 하는 장착구를 추가한다.

LPC에 사용되는 발광소자는 단일 또는 복수개의 LD 이외에도 단일 또는 복수개의 LED를 사용할 수도 있고 고체소자 대신에 광 파이버를 사용할 수도 있다.

발광소자는 LD 대신에 LED를 사용하는 경우는 파장 범위와 출력은 LD와 동일한 영역의 것을 선택한다.

대뇌피질에 인가하는 광 에너지는 치료 대상에 따라 각 각 최적치가 존재할 수가 있다. 본 발명에서는 그림 13 처럼 발광소자의 작동시간을 단속시킴으로서 환부에 인가되는 총 에너지 량을 조절한다. 그림 12 은 이것을 위한 제어/전원 유닛 의 블록도이다. 여기서 전원부 31은 전지 312와 회로 모듈 311로서 구성되며 회로 모듈 311에는 인번터 회로, 레귤레이터 회로 등이 내장되어 있어서 전지 전원으로부터 송풍 팬의 구동전압 Va 과 LD 소자를 위한 구동전압 Vb 를 생성하여 스위쳐 33에 공급한다. 스위쳐 33에는 게이트 331 과 게이트 332 이 콘트롤러 32에서 보내온 송풍 팬의 트리거 신호 vta 과 LD 트리거 신호 vt2 에 의해 on,off 되어 그림13 과 같이 주기 T 로 반복하는 길이가 각 각 Wb 와 Wa 인 TEC 구동전압 va 와, LD 구동전압 vb 로 만들어져서 전원케이블 301 에 보내진다.

va와 vb 는 그림 13와 같은 주기가 긴 펄스 형으로 되어 있는데, on,off 시점을 결정하는 tn 는 프로그램머블 콘트롤러 32 에 의해 제어되어 각 각의 치료에 최적합한 Wb 와 Wa 를 제공한다. 그림 13에서 Wb 가 LD의 작동기간을 나타내는데, 주기 T 와 도통율 vb/T 그리고 총 도통기간 는 치료부위에 인가되는 광 에너지 량을 나타내며 이 값은 각 치료대상에 따라 최적치가 존재한다. 이 최적치에 관한 데이터는 과거의 임상결과와 문헌 등으로부터 도출되어 외부저장수단 323에 저장되어 있으며, 필요에 따라 입력수단 324에 의해 호출되어 콘트롤러 322에 의해 트리거 신호 를 생성하는데 사용된다.

실시예 2

본 발명 TLT치료기는 그림 4,5 와 같이 직경 D = 30~30 mm 의 컵형의 방열체 215의 저면에 발산 빔 형 LD를 1 개 위치시키고, 방열체 컵 215 의 개구부에는 투명냉각판을 겸한 집속렌즈 213를 장착한 LAC를 사용한다. 이 LAC에 장착되는 LD는 발산 렌즈가 내장되어 있어서 발사광은 그림9 과 같이 방사형으로 방출되는 형을 사용한다. 집속렌즈 213 은 이 방사광을 받아서 직경(D)이 10~30 mm 범위의 광 빔을 만들어 두피에 투사한다. 따라서 이 LAC 가 투사하는 광 에너지는 두피의 넓이 1~7 cm2 의 범위에 분산되기 때문에 단위면적당 발열량이 적어서 그 만큼 방열도 용이하다. 또 이 렌즈는 방열체 215에 밀착되어 있어서 언제나 대기온도로 유지되고 있음으로 이 렌즈를 두피에 압착하고 광 빔을 투사하면 열이 발생하여도 여기에 흡수되기 때문에 보다 고출력의 광 빔을 사용할 수가 있다.

방열체의 길이 h 는 LD 가 방사하는 광 빔의 방사각과 냉각판/렌즈 213 의 직경 D 와의 관계로부터 결정이 되는데, 광의 집속효율이 허용하는 범위 내 에서 최소로 한다.

이 LAC는 그림 9과 같이 내부 캡 내면에 투명 냉각판/렌즈 213 이 하부를 향하도록 장착하고 사용시에는 그림 8과 같이 두피에 압착이 되도록 고정벤드11를 단단히 매어 고정한다. 이 LAC 는 빔의 두피 투사면적이 비교적 크기 때문에 방열문제는 상기한 여러 형식 보다는 용이하다. 또한, 광 빔의 폭이 투명 냉각판/렌즈 213 의 직경 D 에 의해 정해지는 까닭에 뇌질에 투사되는 빔 폭을 상당수준 넓힐 수가 있다는 장점이 있다.

이 LAC의 방열체 215로서 만으로는 충분한 자연방열효과가 얻어지지 않을 때는 송풍 팬을 사용하여 강제공냉을 할 수도 있다. 이 때는 그림 14와 같은 내부 캡을 사용하여 통풍구 201을 통해서 강제 환기시키는 방법을 채택한다.

내부 캡20을 튜브 형태로 하지 않고 단일 판으로 하고 내부캡 20 과 외부 캡 10 사이의 공간을 공기의 유통공간으로 활용할 수도 있다. 이 경우는 외부캡과 내부 캡의 주위를 밀폐하고 흡출구 201a 와 흡입구 201b 를 서로 반대측에 설치하여 캡 간격 내부의 공기의 흐름을 원활하게 한다.

사용 LD는 파장범위가 대체로 630nm~904nm 범위, 바람직하게는 780nm~840nm 범위에 속하되, 그 광 출력은 대체로 10 mW/cm2 ~10 W/cm2 범위, 바람직하게는 3 mW/cm2 ~500 mW/cm2 의 범위에 들어있는 것을 선택한다. 이 경우, 대뇌피질에 투사되는 광 파워는 대체로 0.1~50 mW/cm2 범위가 된다.

1 외부 캡 (Outer Cap) 10 외부 캡 기체 (Outer-Cap Base)
11 고정 스트랩 (Fixing Strap)
12 스트랩 걸이 (Strap Clamp)
2 내부 캡( Inner Cap) 20 내부 캡 기체( Inner-Cap Base)
201 송풍구,배출구
21 LAC (Light Application Cell: 광 에플리케이터)
211 TEC (Thermoelectric Cell :Pertier 소자)
212 LD/LED 소자 (laser Diode/ Light Emitting Diode)
213 투명 냉각판 ( Transparent Cooling Plate)
214 회로판 (Circui Board) 215 방열판 (Heat SinK)
216 연결단자 (Connector) 217 광 파이버 (Optical Fiber)
3 제어/전원 유닛
30 본체 (Main Body) 301 전원/신호코드
31 전원부
311 레귤레이터(Regulator) 312 전지
32 제어부
322 콘트롤러(Controller) 323 외장 메모리
324 키패드 325 LCD
33 변환부
331 펠티어소자 스위쳐 332 LD 스위쳐

Claims (10)

1. 두개골을 경유하여 대뇌피질에 광 에너지를 조사하는 기능을 지닌 장치로서,
   적어도 1개의 레이져(LD)소자와, 방열체에 부착된 투명냉각판과, 수용체인 동시에 TEC의 방열을 겸한 방열체로서 구성되어 있는 광선 어플리케이터 셀(Light Applicator Cell:LAC):
   상기 LAC를 부착한 캡: 및
   상기 LAC에 제어된 치료용 전력을 공급하는 제어 및 전원 유닛으로 구성되어 뇌 중추계통의 기능장애를 치료할 목적의 경두개 레이져 치료장치
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   LD 소자는 파장이 630nm~904nm 범위 또는 780nm~840nm 범위에 있으며, 대뇌피질 위치에서의 광 강도가 0.1~50mW/cm2의 범위가 되는 출력을 특징으로 하는 경두개 레이져 치료장치
   
4. 제1항에 있어서,
   투명냉각판은 광 빔 조사 시 두피에 밀착하여 두피에 발생하는 열을 흡수하는 동시에 두피조직의 모세혈관을 압박함으로서 헤모그로핀을 배제하여 광 흡수를 방지하는 것을 특징으로 하는 경두개 레이져 치료장치
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   LAC의 총 소요수와 배열은 개개의 LAC의 총 광출력과 치료 부위의 위치 및 크기에 따라 결정되며, 내부 캡에 투명냉각판이 두피측에, 방열체는 외부 캡측을 향하도록 단단히 부착되는 것을 특징으로 하는 경두개 레이져 치료장치
   
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   내부 캡은 LAC의 강제공냉을 위해서 튜브 모양으로 제작될 수도 있으며 냉각용 공기 도입구에는 환풍 팬을 장착할 수도 있는 것을 특징으로 하는 경두개 레이져 치료장치
   
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    LD소자는 동일 파장대를 포함하는 동일 출력의 LED로서 대치할 수 있는 것을 특징으로 하는 경두개 레이져 치료장치
    
    

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