WO2022265193A1 - 조직 치료를 위한 광 전달기기 - Google Patents

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WO2022265193A1
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강현욱
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부경대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a light delivery device for tissue treatment, and more particularly, to a light delivery device for improving light diffusion of laser, near-ultraviolet, visible, and near-infrared rays irradiated from an optical fiber probe into a lumen or tubular tissue.
  • a conventional light delivery device for tissue treatment irradiates energy such as a high-output laser to the tissue in a straight line, There is a risk of perforation of the tubular tissue, heat damage of the surrounding tissue, hemorrhage, or photosensitivity sequelae.
  • a conventional light delivery device for tissue treatment transmits light laterally using an optical fiber probe when optical treatment (low power treatment, photodynamic treatment, photothermal treatment, etc.) is attempted on a lesion in a lumen or tubular tissue.
  • optical treatment low power treatment, photodynamic treatment, photothermal treatment, etc.
  • a certain amount of energy from the end of the optical fiber is transmitted to the front of the end of the optical fiber probe due to the refractive index of the optical fiber and the geometric structure of the optical fiber, so that the light is delivered to the undesired tissue part during optical treatment.
  • it can cause burns or damage to tissues.
  • the optical fiber probe transfers light during optical treatment to raise the temperature to the lesion
  • the optical fiber during light irradiation due to direct contact between the surface of the coating material protecting the optical fiber probe and the lesion tissue
  • the performance of the fiber optic probe may deteriorate or thermal damage may occur to the fiber optic probe and the outer protective sheath.
  • the temperature of the lesion tissue is non-uniform due to the non-uniform diffusion or transmission of light emitted from the optical fiber probe, the efficiency of optical treatment is low, and improvement is required.
  • Patent Application No. 10-2014-0117908 (2014.09.04.), 10-2007-0084404 (2007.08.22.), etc. may be referred to.
  • an object of the present invention is to treat cancer or other symptomatic diseases such as digestive system through an optical fiber probe, targeting luminal or tubular lesion tissue.
  • an optical fiber probe targeting luminal or tubular lesion tissue.
  • light such as laser, near-ultraviolet, visible, and near-infrared, it diffuses and transmits wide and uniform light to the tissue and generates a partial insulation effect where the tissue and the light transmission device come into contact.
  • a light delivery device for tissue treatment for achieving the above object includes an optical probe including a light emitting portion at a long end; and a covering part surrounding the optical probe, wherein the covering part includes a light diffusing part having a plurality of grooves formed at an end portion covering the light emitting part.
  • the light transmission device may further include a second enclosing portion surrounding the enclosing portion.
  • the plurality of grooves are formed on an outer surface of the enclosing portion.
  • the plurality of grooves may be formed on the inner surface of the enclosing part.
  • a plurality of grooves may be formed in the second enclosing portion from a position of the light emitting portion to an end end in a longitudinal direction, and the plurality of grooves of the second enclosing portion may be formed on an outer surface of the second enclosing portion; , When the refractive index of the external medium is smaller than the refractive index of the second enclosing portion, the plurality of grooves of the second enclosing portion may be formed on an inner surface of the second enclosing portion.
  • the optical probe may include a plurality of optical elements such as LEDs and laser elements as the light emitting part at the end of the flexible wire or tube.
  • the optical probe may include a second light diffusing part formed with a plurality of second grooves as the light emitting part at the end of the optical fiber wire.
  • the refractive index of the enclosing portion is greater than the refractive index of the core of the optical fiber wire.
  • the second plurality of grooves may be formed by mechanically processing grooves in a core portion from which a clad is removed from the end of the optical fiber wire.
  • the shape of the core portion obtained by removing the clad from the end portion may include a tapered shape, and the shape of the core portion obtained by removing the clad portion from the end portion may have a shape in which a ball shape with a larger diameter is additionally included at the tapered end portion.
  • the shape of the core portion obtained by removing the cladding from the end portion may include a cylindrical shape, and the shape of the core portion obtained by removing the cladding from the end portion may include a shape in which a ball shape with a larger diameter is additionally included at the end portion of the cylindrical shape.
  • the light delivery device for tissue treatment by changing the surface structure of a coating material that protects the tip of an optical fiber probe or by applying a coating material with a dual structure, laser, near-ultraviolet, visible When irradiating light such as light rays and near-infrared rays, wide and uniform light is diffused and delivered to tissues, and a partial insulation effect can be obtained where tissues and light transmission devices come into contact.
  • the light delivery device for tissue treatment it is possible to induce wide and uniform light delivery to the side of the end of the light delivery device, and the uniform light delivery to the side can predict/induce a constant light response in the tissue. It is possible, and front surface light transmission toward the end of the fiber optic probe can be minimized. In addition, it is possible to selectively adopt various light transmission methods according to the deformation of the coating material surface structure.
  • the light delivery device for tissue treatment according to the present invention, overheating and damage inside the fiber optic probe that occurs during tissue treatment are prevented, and damage to surrounding tissues is minimized by minimizing light transmission from the front surface of the fiber optic probe, During tissue heat/photothermal treatment, efficient light action or tissue temperature rise can be induced due to partial insulation effect at the contact area between the surface of the coating material and the lesion tissue.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of a light transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a light transmission device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an example of a shape of a light diffusing part of the optical probe of FIG. 2, in which a ball shape having a larger diameter is additionally included at the tapered end.
  • FIG. 4 is an example of a shape of a light diffusing portion of the optical probe of FIG. 2 including a ball shape having a larger diameter at the end of a cylindrical shape.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a light transmission device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining various shapes of grooves formed in light diffusing parts in the above embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining how the grooves formed in the light diffusing parts of the enclosing part are formed on the inside in the above embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining light diffusion of side grooves formed in light diffusion parts of a covering part in the above embodiments of the present invention.
  • Fig. 11 is a view for explaining light diffusion in grooves formed at the ends of the long direction end ends of the light diffusing parts of the enclosing part in the above embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the heat insulation effect of the grooves formed in the light diffusing parts of the enclosing part in the above embodiments of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph comparing measurement and comparison of light transmittance transmitted to the front end of a conventional general light transmission method according to the present invention and a secondary diffusion type light transmission method in a light transmission device according to the present invention.
  • FIG. 14 is a graph comparing internal temperatures of coating materials of a conventional general light transmission method according to the present invention and a secondary diffusion type light transmission method in a light transmission device according to the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used for the purpose of distinguishing one component from another. used only as
  • the delivery device of the present invention stimulates or destroys cancerous or other symptomatic lesion tissues such as the digestive system by irradiating light such as laser, near-ultraviolet rays, visible rays, and near-infrared rays to target luminal or tubular lesion tissues. , explains the principle of treating disease by inducing incision or coagulation.
  • Low-power light therapy generally irradiates light in a wavelength range of 400 to 1000 nm at an intensity of less than 100 J/cm 2 , and uses a non-invasive and non-thermal method to promote cell activity and bioactivity without tissue damage as a treatment principle.
  • Such low-power light therapy can obtain clinical effects by irradiating a certain level of electromagnetic energy to stimulate or inhibit cell functions.
  • Low-power light therapy can maximize the treatment effect according to the precise wavelength required for treatment, appropriate power, distribution of electromagnetic energy, and control of the amount of electromagnetic energy.
  • ATP adenosine triphosphate
  • calcium ions increase, and the energy generated at this time can increase the mitochondria potential, activate second messengers (cAMP, cGMP, heat shock protein, etc.) and regulate the amount of ROS (Reactive oxygen species) generated. It can “induce” differentiation, migration, and proliferation, and “antioxidant effect” and “inflammation” effect can be induced by “reducing” the amount of “ROS” in the “damaged” state.
  • ROS reactive oxygen species
  • low-power lasers for cellular function relies on photon absorption by cytochrome c (CCO), which plays an important role in oxygen metabolism and adenosine triphosphate (ATP) production.
  • CCO cytochrome c
  • ATP adenosine triphosphate
  • a low-power laser can elicit longer-lasting metabolic effects by increasing the concentration of cytochrome c, and as a result, has the effect of enhancing cellular oxygen metabolism.
  • Low-power lasers can modulate molecular-dependent biological processes such as growth factor production, cell proliferation, migration and cell death.
  • Fibroblasts which are the main mechanism of fibrosis, are transformed into myofibroblasts by growth factors during wound healing. In this process, excessive expression of growth factors causes abnormal expression of the extracellular matrix and formation of collagen, resulting in fibrosis.
  • Red light in the wavelength range of 600 to 800 nm has the effect of reducing the expression of induced growth factors that cause strictures, that is, fibrotic diseases, as a treatment principle.
  • Blue light in the 400nm wavelength band functions to directly generate reactive oxygen species (ROS) and light-stimulate flavins attached to the mitochondrial electron transport chain complex, and induce changes in cytokines, growth factors, and inflammatory mediators that promote inflammatory responses. and can be adjusted.
  • ROS reactive oxygen species
  • Laser irradiation with red light not only has the effect of normalizing excessive fibrotic activity in metastasis-induced fibroblasts by regulating growth factors, but also has anti-inflammatory effects by regulating prostaglandin E2 production and cyclooxygenase (COX) m-RNA expression. there is.
  • the laser with a wavelength of 600 to 800 nm reduces the inflammatory response against the background of the mechanisms of active oxygen suppression and calcium (Ca2) movement change in blood pressure through the action of superoxide removal enzyme and catalase activity.
  • the blue light laser in the 400 nm wavelength range can function to directly generate reactive oxygen species (ROS) and light-stimulate flavins attached to the complex of the mitochondrial electron transport chain, cytokines, growth factors, and inflammatory mediators that promote inflammatory responses.
  • ROS reactive oxygen species
  • Infrared laser in the 900nm wavelength band has an anti-inflammatory effect that alleviates the inflammatory response against the background of the mechanism of reducing the immune response to allergens by suppressing histamine release.
  • infrared laser has effects of cell proliferation, neovascularization, collagen accumulation, and re-epithelialization in the wound healing process based on its high transmittance.
  • Such low-power light therapy is currently mostly applied only to the outer skin, and treatment using an optical fiber is required to treat internal tubular or luminal tissue.
  • treatment using an optical fiber is required to treat internal tubular or luminal tissue.
  • a method of uniformly transmitting light to the side of the optical fiber is proposed.
  • Photodynamic therapy uses light energy to inject and accumulate a photosensitizer (or photosensitizer) into the body and destroy disease or tumor.
  • a photosensitizer absorbs light energy, reactive singlet oxygen 0
  • the wavelength band used for photodynamic therapy often uses wavelengths between 600 and 800 nm, and light energy is irradiated several days after a photosensitizer is injected. Photodynamic therapy effects vary depending on the type and dose of photosensitizer, drug-light interval time, wavelength (nm), irradiation intensity (mW), irradiation energy (J), and number of irradiations.
  • Photothermal therapy unlike low-power laser therapy or photodynamic therapy, transmits light energy to tissues using high energy. It absorbs light from the chromophore of the tissue and raises the temperature to disease or tumor tissue. It is a treatment for necrosis of the back. After the light energy is first absorbed by the tissue, heat is generated, the temperature rises, and as the heat is conducted to the surrounding tissue, it affects the composition or coupling of the tissue. Depending on the temperature generated within the tissue, various biological changes occur. At 42°C, the thermal effect and protein contraction, at 50°C, enzymatic activity decreases and cell movement slows down, and at 60 ⁇ 70°C, protein denaturation and coagulation occur.
  • ⁇ T, °C The temperature rise ( ⁇ T, °C) can be predicted using [Equation 1], where ⁇ a is the tissue absorption rate (1/cm), H is the light energy per unit area (J/cm 2 ), and ⁇ is the tissue density ( kg/cm 3 ), and c is the tissue specific heat (J/kgK).
  • ⁇ a the tissue absorption rate (1/cm)
  • H the light energy per unit area
  • ⁇ the tissue density ( kg/cm 3 )
  • c the tissue specific heat
  • light such as laser, near-ultraviolet, visible, and near-infrared is diffused and delivered to the tissue through the side of the optical fiber through the optical fiber probe, and the tissue
  • the light transmission device of the present invention for generating a partial insulation effect at the place where the light transmission device and the light transmission device contact each other will be described in detail.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of a light transmission device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a light delivery device 100 for tissue treatment includes an optical probe 110 and an enclosing unit 120, and the enclosing unit 120 is provided as necessary. It may further include a second enclosing portion 130 surrounding it. The second enclosing unit 130 may be added for additional diffusing of light, heat insulation, or protection from foreign substances, so as to have a double-clad structure together with the enclosing unit 120 .
  • the light transmitting device 100 can be directly inserted into and removed from a lumen or tubular lesion tissue of the human body, or another tube can be pushed into the lumen or tubular lesion tissue of the human body and the light transmitting device 100 can be inserted into and removed from the tube. It is made of a thin and long flexible material.
  • the optical probe 110 is a part that emits necessary light such as laser, near-ultraviolet rays, visible rays, and near-infrared rays at the end, and the light provided from a light source (not shown) is a light emitting portion of the long-direction end of the optical probe 110. It diverges and diffuses through (111).
  • the enclosing portion 120 is a portion covering the optical probe 110 and includes a light diffusing portion 121 having a plurality of grooves formed at an end portion covering the light emitting portion 111 . Although it is shown that no grooves are formed in the second enclosing portion 130 in the drawing, no grooves may be formed in the second enclosing portion 130, and if necessary, from the position of the light emitting portion 111 in the long direction. A plurality of grooves similar to the shape of the grooves of the light diffusing portion 121 may be formed to the end.
  • the role and function of the grooves of the light diffusing portion 121 of the first enclosing portion 120 can be applied as it is to the grooves formed in the second enclosing portion 130, and as described below, the second enclosing portion 130
  • a plurality of grooves of may also be formed on the outer surface, and when the refractive index of the external medium is smaller than the refractive index of the second enclosing part 130, the corresponding grooves of the second enclosing part 130 are of the second enclosing part 130. It may be formed on the inner surface.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a light transmission device 200 according to another embodiment of the present invention.
  • a light delivery device 100 for tissue treatment includes an optical probe 210 and an enclosing unit 220, and if necessary, enclosing unit 220. It may further include a second enclosing portion 230 surrounding it. The second enclosing unit 230 may be added for additional diffusing of light, heat insulation, or protection from foreign matter so as to have a double clad structure together with the enclosing unit 220 .
  • the light transmission device 200 is also directly inserted into and removed from the lumen or tubular lesion tissue of the human body, or another tube is pushed into the lumen or tubular lesion tissue of the human body, and the light transmission device 200 is inserted and removed from the tube. , made of a thin and long flexible material.
  • the optical probe 210 is a part that emits necessary light such as laser, near-ultraviolet rays, visible rays, and near-infrared rays at the end, and the light provided from a light source (not shown) is a light emitting portion of the long-direction end of the optical probe 210. It diverges and diffuses through (211).
  • the optical probe 210 may be made of an optical fiber wire composed of a core 215 and a clad 216, and includes a light diffusing portion 211 formed with a plurality of grooves as a light emitting portion 211 at an end in a long direction. can do.
  • External optical devices such as LEDs (light emitting diodes), laser generating devices (e.g., semiconductor laser diodes, or optical devices such as DPSS (Diode Pumped Solid State), LP (Lamp Pumped), etc. for pulsed lasers or continuous wave lasers
  • a light source such as a lamp
  • the refractive index of the covering portion 220 is greater than or equal to the refractive index of the light diffusing portion 211.
  • the refractive index of the second enclosing portion 230 is greater than or equal to the refractive index of the enclosing portion 220 .
  • the refractive index of the core 215 is greater than the refractive index of the clad 216, and the plurality of grooves of the light diffusing portion 211 correspond to the core portion from which the clad is removed from the end of the optical fiber wire, and the grooves in the core portion from which the clad is removed. They may be formed by mechanically processing (eg, grinding, polishing, laser processing, etc.). In some cases, a method such as chemical etching may be used in addition to the above mechanical processing.
  • the shape of the core portion from which the cladding is removed from the end of the optical fiber wire may be a tapered (or conical) shape in which the diameter decreases toward the end end as shown in the drawing, or a cylindrical shape having a constant diameter (but, the end can be rounded). It could be.
  • the shape of the core part from which the clad is removed from the end of the optical fiber wire is a shape in which a ball shape with a larger diameter is additionally included at the tapered end, or as shown in FIG. 4, the core part from which the clad is removed from the end of the optical fiber wire
  • the shape of may be a shape including a ball shape having an additionally increased diameter at the end of the cylindrical shape.
  • Such grooves of the light diffusing portion 211 allow the light to diffuse uniformly from the side surface and to the end of the end of the long direction extending therefrom. It can be minimized and most of the light energy can be evenly transmitted to the side. As shown in FIGS. 3 and 4, by applying the combined shape, the grooves of the light diffusing portion 211 further minimize the light directed forward toward the long end of the optical probe 210 and absorb most of the light energy. can be evenly transmitted to the side.
  • the enclosing portion 220 is a portion wrapped around the optical probe 210 and includes a light diffusing portion 221 having a plurality of grooves formed at an end portion covering the light emitting portion 211 .
  • a light diffusing portion 221 having a plurality of grooves formed at an end portion covering the light emitting portion 211 .
  • grooves may not be formed in the second enclosing portion 230, and if necessary, the light emitting/light diffusing portion 211 is formed in the long direction.
  • a plurality of grooves similar to the shape of the grooves of the light diffusing portion 221 may be formed from the position of ) to the end.
  • the role and function of the grooves of the light diffusing portion 221 of the first enclosing portion 220 can be applied as it is to the grooves formed in the second enclosing portion 230, and as described below, the second enclosing portion 230
  • a plurality of grooves of may also be formed on the outer surface, and when the refractive index of the external medium is smaller than the refractive index of the second enclosing portion 230, the corresponding grooves of the second enclosing portion 230 are of the second enclosing portion 230. It may be formed on the inner surface.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a light transmission device 300 according to another embodiment of the present invention.
  • a light delivery device 300 for tissue treatment includes an optical probe 310 and an enclosing unit 320, and if necessary, an enclosing unit 320 A second covering part 330 surrounding the may be further included.
  • the second enclosing unit 330 may be added for additional diffusing of light, heat insulation, or protection from foreign matter so as to have a double clad structure together with the enclosing unit 320 .
  • the light transmitting device 300 is also directly inserted into and removed from the lumen or tubular lesion tissue of the human body, or another tube is pushed into the lumen or tubular lesion tissue of the human body, and the light transmitting device 300 is inserted into and removed from the tube. , made of a thin and long flexible material.
  • the optical probe 310 is a part that emits necessary light such as laser, near ultraviolet ray, visible ray, and near infrared ray at the end, and the light provided from the light source 312 is a light emitting portion of the long direction end of the optical probe 310 ( 311) to diverge and diffuse.
  • the optical probe 310 includes a plurality of optical elements 312 as light emitting parts 311 at the end of a flexible wire or tube.
  • the plurality of optical elements 312 of the light emitting unit 311 may generate light by receiving power wired through the wire or tube.
  • the plurality of optical elements 312 of the light emitting unit 311 may be remotely supplied with a power source provided in a radio frequency (RF) method.
  • RF radio frequency
  • the light emitting unit 311 may include an antenna for receiving a wireless signal and a power unit for converting an output of the antenna into a predetermined power supply voltage.
  • the optical element 312 is a light emitting diode (LED), a laser generating element (eg, a semiconductor laser diode, pulse laser, or continuous wave laser, diode pumped solid state (DPSS), lamp pumped (LP), etc. element) and the like.
  • the enclosing portion 320 is a portion wrapped around the optical probe 310 and includes a light diffusing portion 321 having a plurality of grooves formed at an end covering the light emitting portion 311 . Although it is shown that no grooves are formed in the second enclosing portion 330 in the drawing, no grooves may be formed in the second enclosing portion 330, and if necessary, the light emitting portion/optical elements 312 are formed in the long direction. A plurality of grooves similar to the shape of the grooves of the light diffusing portion 321 may be formed from the position of ) to the end.
  • the role and function of the grooves of the light diffusing portion 321 of the first enclosing portion 320 can be applied as it is to the grooves formed in the second enclosing portion 330, and as described below, the second enclosing portion 330
  • a plurality of grooves of may also be formed on the outer surface, and when the refractive index of the external medium is smaller than the refractive index of the second enclosing portion 330, the corresponding grooves of the second enclosing portion 330 are of the second enclosing portion 330. It may be formed on the inner surface.
  • Such an optical transmission device (100/200/300), it is preferable to enable transmission of a transmission wavelength of 400 nm to 3000 nm and a transmission power of 0.01 W or 100 W.
  • the above coating part (120/220/320) is made of a coating material having heat resistance, chemical resistance, and biological safety, and is made of glass (SiO2), quartz, PEEK (Poly Ether Ether Ketone), ETFE (Ethylene Tetra Fluoro Ethylene) ), PFA (PerFluoro Alkoxy), PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene), and the like.
  • the second enclosing portion 130/230/330 is made of a coating material having heat resistance, chemical resistance, and biological safety, and may be made of the same material as the first enclosing portion 120/220/320. However, the second covering portion 130/230/330 may transmit light having a wavelength of 400 nm to 3000 nm in whole or in part.
  • the second enclosing part (130/230/330) is made of PTFE (Polytetrafluoroethylene), Polyethylene, Polyvinyl Chloride, Nylon 66, 11, 12, Urethanes, Polyurethanes, Polypropylene for additional diffusion of light, insulation, or protection from foreign substances. , Polycarbonate, ABS, Pebax, PEEK (Polyetheretherketone), PET (Polyethylene Terephthalate), etc.
  • the figure on the left is a side view and the figure on the right is a front view viewed from the end side. 6 and 7, the light diffusion parts 211/121/221/321, that is, the light diffusion part 211 of the optical probe 210 (FIG. 2) and the covering part 120/220/320
  • the shapes of the grooves of the light diffusing parts 121/221/321 are curved as shown in Fig. 8 (a), V-shaped as shown in Fig. 8 (b), or As shown in (c), it may be formed on the outer surface in various shapes such as polygons such as rectangles.
  • the grooves of the light diffusing parts 211/121/221/321 may be formed by irregularly combining dimple shapes or linear shapes.
  • the diffusion parts 211/121/221/321 have a dimple shape or a linear shape along the corresponding surface for uniform light diffusion from the side surface and the end of the long direction end extending therefrom. It is desirable to have uniformly (partially or entirely optionally) formed grooves.
  • the dimple-shaped grooves may include curved, V-shaped, polygonal, and the like grooves in a two-dimensional array at predetermined intervals.
  • the linear grooves may include linear grooves parallel in one direction (grooves having a predetermined width are formed consecutively) and linear grooves parallel in another direction.
  • the groove pattern of the diffusion parts 211/121/221/321 may have a diameter or width of several ⁇ m to hundreds of ⁇ m (eg, 5 to 500 ⁇ m) according to design.
  • the grooves of the light diffusing parts 211/121/221/321 allow the light to diffuse uniformly from the side surface and to the end of the end of the long direction extending therefrom. 310) It is possible to minimize the forward direction toward the long end and to allow most of the light energy to be evenly transmitted to the side.
  • the dimples or linear grooves of the light diffusing parts 211/121/221/321 as described above allow air to be trapped in the internal space of the grooves, so that the trapped air layers are formed on the surface of the tissue.
  • a partial insulation effect may be induced so that the heat generated in the first encapsulation unit 120/220/320, the second enclosing unit 130/230/330, or the optical probe 110/210/310 is not transferred to the inside. there is.
  • the tissue when the tissue is irradiated with light, some of the tissue adheres to the first enclosing portion (120/220/320) or the second enclosing portion (130/230/330) when the temperature rises on the tissue surface due to the trapped air layers as above. phenomena can be prevented and minimized.
  • FIG. 9 is a view for explaining how grooves formed in the light diffusing parts 121/221/321 of the enclosing part 120/220/320 are formed on the inside in the above embodiments of the present invention.
  • grooves (curved, V-shaped, polygonal, etc.) formed in the light diffusing parts 121/221/321 of the enclosing part 120/220/320 are It may be formed on the inner surface of. This enables light to be easily diffused to the outside even when the refractive index of an external medium of the enclosing part 120/220/320 is smaller than the refractive index of the enclosing part 120/220/320.
  • FIG. 10 is a view for explaining light diffusion of side grooves formed in the light diffusing parts 121/221/321 of the enclosing part 120/220/320 in the above embodiments of the present invention.
  • the conventional fiber optic probe does not have a light diffusing groove pattern on the side of the end like the light diffusing parts 121/221/321 of the present invention, so a very small amount of light is scattered/dissipated only on the surface of the fiber optic probe. is emitted, and light is irradiated non-uniformly in a narrow range. As a result, a relatively large amount of light can be uniformly diffused to the side through the side grooves of the light diffusing parts 121/221/321 of the present invention.
  • light is primarily irradiated, scattered, or diffused and emitted from the light emitting portion 111/211/311 inside the coating, and the light diffusing portions 121 of the coating portion 120/220/320 /221/321) additionally diffuses the light at a large angle so that the light is uniformly emitted over a wide range.
  • Such two-step light irradiation, scattering, or diffusion is performed to further increase the light diffusion effect, and to transmit more light energy while uniformly distributing light energy in the lateral direction.
  • the groove pattern of the grooves formed in the light diffusing parts 121/221/321 of the enclosing part 120/220/320 has a diameter or width of several ⁇ m to hundreds of ⁇ m, thereby diffusing light in the lateral direction.
  • the range and transmitted light energy can be adjusted to suit the purpose.
  • the groove pattern of the light diffusing parts 121/221/321 of the covering part 120/220/320 is periodic, continuous (eg, linearly continuous), or discrete. (eg, linear non-continuous), partial, etc., the light diffusion range and light irradiation shape in the lateral direction can be adjusted.
  • the light cross-sectional light distribution is flat-top, Gaussian, left-skewed, right-skewed, and partially crossed. It can be formed in a fractional, diffuse, or radial shape.
  • FIG. 11 is a view for explaining light diffusion in grooves formed at the ends of the longitudinal ends of the light diffusing parts 121/221/321 of the enclosing part 120/220/320 in the above embodiments of the present invention.
  • the conventional fiber optic probe does not have a light diffusing groove pattern at the end end like the light diffusing parts 121/221/321 of the present invention, much light is scattered/dissipated only on the surface of the fiber optic probe. It is emitted forward of the elongated end of the probe. As a result, it is possible to minimize forward transfer of light from the light diffusing portion 111/211/311 through the longitudinal grooves of the light diffusing portions 121/221/321 of the present invention.
  • the light coming forward from the light emitting part 111/211/311 is distributed at various angles through the longitudinal grooves of the light diffusing parts 121/221/321 of the present invention so that the light can be distributed uniformly and widely toward the side. do.
  • light is primarily irradiated, scattered, or diffused and emitted from the light emitting portion 111/211/311 inside the coating, and the light diffusing portions of the coating portion 120/220/320 ( 121/221/321) additionally diffuses the light so that the light is emitted to the side in a wide range.
  • Light is irradiated, scattered, or diffused in two stages at the end to further increase the light diffusing effect, and to prevent unwanted burns or damage to tissue areas due to light being transmitted to the front of the end. there is.
  • the groove pattern of the longitudinal grooves formed in the light diffusing portions 121/221/321 of the enclosing portion 120/220/320 has a diameter or width of several ⁇ m to hundreds of ⁇ m, thereby providing a longitudinal forward direction.
  • the light diffusion range and transmitted light energy can be adjusted to suit the purpose.
  • the longitudinal groove pattern of the light diffusing parts 121/221/321 of the covering part 120/220/320 is also periodic, continuous (eg, linear continuous), or discrete. ) (eg, linear discontinuous), partial, etc., the light diffusion range in the longitudinal forward direction and the light irradiation shape can be adjusted.
  • the light cross-section light distribution in the longitudinal forward direction is flat-top, Gaussian, left-skewed, and right-skewed. It can be formed in skewed, fractional, diffuse, radial, etc.
  • FIG. 12 is a view for explaining the insulation effect of the grooves formed in the light diffusing parts 121/221/321 of the enclosing part 120/220/320 in the above embodiments of the present invention.
  • the temperature of the tissue may be raised, and heat may be transferred between the tissue and the device.
  • an insulation effect occurs through the light diffusing part 121/221/321.
  • the light diffusing part (121/221/321) of the long distal end of the light delivery device When the light diffusing part (121/221/321) of the long distal end of the light delivery device (100/200/300) is brought into contact with the tissue for light therapy, air enters the concave space formed in the groove pattern on the surface. It can become partially trapped and form an air layer.
  • the light emitted from the optical probe 110/210/310 is additionally diffused by the surface structure change of the enclosing portion 120/220/320 to uniformly and widely distribute the light into the tissue to be treated.
  • light of high energy is irradiated to the tissue, heat is generated in the tissue and the temperature rises, and as the temperature rises, the heat is conducted into the covering material of the covering portion 120/220/320.
  • the thermal conductivity of the covering material of the covering part (120/220/320) is at least 0.2W/mK, and in the case of quartz, it is as high as 1.5 W/mK, so that a large amount of heat generated from the tissue 220/320) and the optical probe 110/210/310, such as an optical fiber therein. As the amount of transferred heat increases, the heat inside the light transmission device (100/200/300) depends on the thermal durability of the coating material of the coating part (120/220/320) and the volume in which the optical probe (110/210/310) is located. Thermal stresses can occur and cause damage or fracture.
  • the structure of the diffusion-type enclosing unit (120/220/320) of the present invention is used, an air layer is formed on the surface, and even when the temperature rises due to heat generated in the tissue, heat is generated in the enclosing unit (120/220/320). ) conduction into the interior and into the air trapped on its surface. Since the thermal conductivity of air is 0.02 W/mK, which is more than 10 times lower than the thermal conductivity of the covering material, it can act as a heat insulator during heat conduction from the tissue to the covering material.
  • Thermal stress generated inside the coating 120/220/320 or optical probe (110/210/310) by minimizing the conduction of heat generated in the tissue to the coating material due to the partial insulation effect generated by the trapped air layer as above (thermal stress) can be reduced. In addition, more heat is retained and transferred to the tissue surface or inside due to the partial insulation effect generated in the air layer, thereby increasing the treatment effect.
  • FIG. 13 is a graph comparing the measurement and comparison of light transmittance transmitted to the front end of the conventional general light transmission method of the present invention and the secondary diffusion type light transmission method in the light transmission device (100/200/300) of the present invention.
  • the light transmittance to the front is as high as 30% due to the light energy emitted from the fiber optic probe to the front end.
  • a high forward light transmission rate may cause burns or damage to the tissue as unwanted light is transmitted to the tissue site during light treatment of the tissue.
  • the end of the light transmission device (100/200/300)
  • the light energy emitted forward from the optical probe 110/210/310 is further diffused by the light diffusion by the longitudinal groove pattern of the covering part 120/220/320 located at . Due to this additional light diffusion, the light transmittance transmitted to the front of the end was as low as 10% or less. Such a low forward light transmittance induces more light energy to be transmitted to the side during tissue treatment, and unnecessary burns or damage to tissue can be minimized.
  • FIG. 14 is a graph comparing internal temperatures of coating materials of a secondary diffusion type light transmission method in a conventional general light transmission method of the present invention and a light transmission device (100/200/300) of the present invention.
  • the diffusion of light is small at a region in contact with a tissue when light is irradiated, and the internal temperature of the coating may rapidly rise due to the overall insulation effect.
  • the maximum temperature is measured up to 300 °C, and depending on the thermal characteristics of the coating material, damage to the coating material or fiber optic probe may occur.
  • the end of the light transmission device (100/200/300) Due to the partial formation of the air layer by the longitudinal groove pattern of the covering part (120/220/320) located at the inside of the covering material by inducing light diffusion widely in the contact area with the tissue during light irradiation and inducing a partial insulation effect Temperature rise can be minimized.
  • the maximum temperature is determined according to the light irradiation time, but by lowering the temperature to 60 ° C. under the above conditions, thermal deformation of the coating material or temperature rise of the optical fiber of the light emitting portion 111/211/311 can be prevented.
  • the covering material that protects the end of the optical fiber or the like of the light emitting part (111/211/311), that is, the first By changing the surface structure of the first coating unit (120/220/320) or applying a coating material with a dual structure in which the second coating unit (130/230/330) is added, laser, near-ultraviolet, When irradiating light such as visible and near infrared rays, wide and uniform light is diffused and delivered to the tissue, and a partial insulation effect can be obtained at the place where the tissue and the light transmission device come into contact.
  • the light delivery device (100/200/300) for tissue treatment according to the present invention, it is possible to induce wide and uniform light transmission to the side of the end of the light delivery device (100/200/300), and Uniform light transmission enables prediction/induction of a constant light response in the tissue, and front surface light transmission toward the end of the optical fiber or the like of the light emitting portion 111/211/311 can be minimized.
  • the light delivery device (100/200/300) for tissue treatment according to the present invention, overheating and damage to the inside of the optical fiber of the light emitting unit (111/211/311) that occurs during tissue treatment is prevented. damage to surrounding tissues is minimized through minimization of frontal light transmission of optical fibers, etc., and efficient light action or tissue temperature rise is induced due to partial insulation effect at the contact area between the surface of the coating material and the lesion tissue during tissue heat/photothermal treatment can do.

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Abstract

본 발명은 조직 치료를 위한 광 전달 기기에 관한 것으로서, 본 발명의 광 전달 기기는, 장방향 단부에 광 발산부를 포함하는 광 프로브, 및 상기 광 프로브를 감싸는 피복부를 포함하고, 상기 피복부는, 상기 광 발산부를 커버하는 단부에 복수의 홈이 형성된 광 확산부를 포함한다.

Description

조직 치료를 위한 광 전달기기
본 발명은 조직 치료를 위한 광 전달기기에 관한 것으로서, 특히, 광섬유 프로브에서 내강 또는 관형 조직으로 조사되는 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 광 확산을 개선하기 위한 광 전달기기에 관한 것이다.
인체 내부의 식도, 위, 대장 등 소화 기관계의 암이나 기타 증상이 있는 질환의 치료를 위해, 종래의 조직 치료용 광 전달기기는 고출력의 레이저 등의 에너지가 직진형으로 조직에 조사되어, 내강 또는 관형 조직의 천공이나 주변 조직의 열에 의한 손상, 출혈 또는 광과민성 후유증 등이 나타나는 위험성을 가지고 있다.
예를 들어, 종래의 조직 치료용 광 전달기기는, 내강 또는 관형 조직의 병변에 대해 광학 치료(저출력 치료, 광역동 치료, 광열 치료 등)를 시도할 때 광섬유 프로브를 이용하여 광을 측면으로 전달하는 경우가 있으나, 광섬유의 굴절률과 광섬유 표면의 구조적 형태에 의해 광을 측면으로 균일하게 발산시키는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 조직 치료용 광 전달기기는, 광섬유의 굴절률과 광섬유 기하적 구조에 의해 광섬유 끝단에서 나오는 일정량의 에너지가 광섬유 프로브 끝단 전면 방향으로도 전달되어 광학 치료 때 원하지 않는 조직 부위로 광이 전달되면서 조직에 화상이나 손상을 유발할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 조직 치료용 광 전달기기에서, 광학 치료 시 광섬유 프로브가 광을 전달하여 병변에 온도를 상승시킬 때, 광섬유 프로브를 보호하는 피복제 표면과 병변 조직 간의 직접적인 접촉으로 인해 광 조사 시 광섬유 프로브 내부가 과열되면서, 광섬유 프로브의 성능이 저하되거나 광섬유 프로브 및 외부 보호 피복제에 열 손상이 발생할 수 있다.
따라서, 이와 같이 광섬유 프로브에서 나오는 불균일한 광 확산 또는 전달로 인해 병변 조직의 온도가 불균일하게 발생하기 때문에 광학 치료 효율이 떨어져 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
관련 선행 문헌으로서 특허출원 제10-2014-0117908호 (2014.09.04.), 제10-2007-0084404호 (2007.08.22.) 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 광섬유 프로브를 통하여 소화 기관계 등의 암이나 기타 증상이 있는 질환의 치료를 위해, 목표로 하는 내강 또는 관형 병변 조직으로 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 광 조사 시, 조직에 넓고 균일한 광을 확산 및 전달하고, 조직과 광 전달기기가 접촉하는 곳에서 부분적 단열 효과를 발생시키기 위한, 광 전달기기를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 조직 치료를 위한 광 전달 기기는, 장방향 단부에 광 발산부를 포함하는 광 프로브; 및 상기 광 프로브를 감싸는 피복부를 포함하고, 상기 피복부는, 상기 광 발산부를 커버하는 단부에 복수의 홈이 형성된 광 확산부를 포함한다.
상기 광 전달 기기는, 상기 피복부를 감싸는 제2 피복부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 홈이 상기 피복부의 외측 표면에 형성된다. 다만, 외부 매질의 굴절률이 더 상기 피복부의 굴절률 보다 작은 경우 상기 복수의 홈이 상기 피복부의 내측 표면에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제2 피복부에 장방향으로 상기 광 발산부의 위치로부터 단부 끝까지 복수의 홈이 형성될 수 있으며, 상기 제2 피복부의 상기 복수의 홈이 상기 제2 피복부의 외측 표면에 형성될 수도 있고, 외부 매질의 굴절률이 더 상기 제2 피복부의 굴절률 보다 작은 경우 상기 제2 피복부의 상기 복수의 홈이 상기 제2 피복부의 내측 표면에 형성될 수도 있다.
상기 광 프로브는 유연한 와이어 또는 튜브의 상기 단부에 상기 광 발산부로서 LED, 레이저 소자 등 복수의 광 소자를 포함할 수도 있다.
상기 광 프로브는 광섬유 와이어의 상기 단부에 상기 광 발산부로서 제2 복수의 홈이 형성된 제2 광 확산부를 포함할 수도 있다.
상기 피복부의 굴절률은 상기 광 섬유 와이어의 코어의 굴절률 보다 큰 것이 바람직하다.
상기 제2 복수의 홈은 상기 광섬유 와이어의 상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분에 홈들을 기계적으로 가공하여 형성될 수 있다.
상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 테이퍼형을 포함할 수 있으며, 상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 테이퍼형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상일 수도 있다.
상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 원기둥형을 포함할 수 있으며, 상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 원기둥형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 조직 치료를 위한 광 전달기기에 따르면, 광섬유 프로브의 끝을 보호하는 피복제의 표면 구조를 변경하거나 이중 구조의 피복제를 적용함으로써, 내강 또는 관형 병변 조직으로 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 광 조사 시, 조직에 넓고 균일한 광을 확산 및 전달하고, 조직과 광 전달기기가 접촉하는 곳에서 부분적 단열 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 조직 치료를 위한 광 전달기기에 따르면, 광 전달기기 단부의 측면으로 넓고 균일한 광 전달 유도가 가능하고, 측면으로의 균일한 광 전달로 조직 내 일정한 광 반응 예측/유도가 가능하고, 광섬유 프로브 단부 방향으로의 전면 광 전달은 최소화될 수 있다. 또한, 피복제 표면 구조 변형에 따라 선택적으로 다양하게 광 전달방식 채택이 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 조직 치료를 위한 광 전달기기에 따르면, 조직 치료 시 발생하는 광섬유 프로브 내부의 과열 현상 및 손상이 방지되고, 광섬유 프로브의 전면 광 전달 최소화를 통한 주변 조직의 손상이 최소화되며, 조직의 온열/광열 치료 시 피복제 표면과 병변 조직의 접촉 부위에서 부분적 단열효과로 인한 효율적 광 작용이나 조직 온도 상승을 유도할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 전달 기기의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광 전달 기기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 광 프로브의 광 확산부의 형상으로서, 테이퍼형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상의 예이다.
도 4는 도 2의 광 프로브의 광 확산부의 형상으로서, 원기둥형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상의 예이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 전달 기기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 상기 실시예들에서 광 확산부들에 형성된 홈들의 예이다.
도 7은 본 발명의 상기 실시예들에서 광 확산부들에 형성된 홈들의 다른 예이다.
도 8은 본 발명의 상기 실시예들에서 광 확산부들에 형성된 홈들의 다양한 모양을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부의 광 확산부들에 형성된 홈들이 내측에 형성된 모양을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부의 광 확산부들에 형성된 측면 홈들의 광 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부의 광 확산부들의 장방향 단부 끝의 종단에 형성된 홈들의 광 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부의 광 확산부들에 형성된 홈들의 단열 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 종래의 일반 광 전달 방식과 본 발명의 광 전달 기기에서의 2차 확산형 광 전달 방식의 종단 전방으로 전달되는 광 전달율을 측정 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 종래의 일반 광 전달 방식과 본 발명의 광 전달 기기에서의 2차 확산형 광 전달 방식의 피복 물질의 내부 온도를 측정 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
먼저 본 발명의 전달기기가, 목표로 하는 내강 또는 관형 병변 조직으로, 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 광 조사에 의해, 소화 기관계 등의 암이나 기타 증상이 있는 병변 조직의 자극, 파괴, 절개 또는 응고를 유도해 질환을 치료하는 원리를 설명한다.
<광 치료　원리>
저출력 광 치료는 보편적으로 400에서 1000 nm 범위 파장대의 빛을 100 J/cm2 이내의 세기로 조사하여 비침습적, 비열적 방법으로 조직 손상 없이 세포의 활성 및 생체 촉진하는 효과를 치료 원리로 한다. 이와 같은 저출력 광 치료는 일정한　수준의　전자기　에너지를　조사하여　세포의 기능을　자극하거나　억제함으로써　임상효과를 얻을 수 있다. 여기서, 근자외선，　가시광선，　근적외선　광원　등을　이용하여　고통완화，　염증，　부종，　조직　회복，　조직　괴사　방지　등 적용이　가능하다. 저출력 광 치료는 치료에　필요한　정확한　파장，적절한　출력，전자기 에너지의　분포，전자기　에너지　양의　제어에　따라　치료　효과를　극대화할 수 있다. 또한, 전자기 에너지　발생을　위해　LED 칩의　사용이　가능하며，　출력은　파장에　따라　차이가　존재하는데，400nm 대역의　근자외선　영역은　광출력이 20mW, 850-900 nm　대역은　10 mW 이상，　상처　치유 및　통증　완화에　효과가　있는　600-700 nm　대역의 경우　평균 40mW　까지　개발되어 왔다.
광 조사에 따라　세포　초기　반응은　ATP(adenosine triphosphate)와　칼슘　이온의　증가가　대표적이다. ATP와 칼슘이온이　증가하고　이때　발생한　에너지는　mitochondria potential 증가，second messenger (cAMP, cGMP, Heat shock protein 등의　활성화 및　ROS(Reactive oxygen species) 발생량을　조절할　수 있다. 특히 ROS　에　대한　조절로　정상　세포의　분화，이동，증식을　유도할　수 있으며，　손상　상태에서는　ROS의　양을　감소시켜　항산화 효과와　염증　완화　효과를　유도할 수 있다.
세포 기능에 대한 저출력 레이저의 기전은 사이토크롬c(CCO)에 의한 광자 흡수에 의존하며, 이는 산소 대사 및 아데노신 3인산 (ATP) 생산에 중요한 역할을 한다. 저출력 레이저는 사이토크롬c의 농도를 증가시켜 더 오랜 시간의 대사 효과를 이끌어 낼 수 있으며, 결과적으로 세포 산소 대사를 향상시키는 효과가 있다. 저출력 레이저는 성장 인자 생산, 세포 증식, 이동 및 세포 사멸과 같은 분자 의존적인 생물학적 과정을 조절할 수 있다. 섬유증의 주요 메커니즘이 되는 섬유 아세포는 상처 치유 과정에서 성장인자에 의해 근섬유 아세포로 전이된다. 이 과정에서 성장인자의 과도한 발현에 의해 세포 외 기질이 비정상적으로 발현 및 콜라겐이 형성되어 섬유증을 유발한다. 600에서 800nm 파장대의 적색광은 협착 즉, 섬유성 질환을 유발하는 유도 성장인자의 발현을 감소시키는 효과를 치료 원리로 한다. 400nm 파장대의 청색광은 활성 산소（ROS)의 직접 생성과 미토콘드리아 전자 수송 사슬의 복합체에 부착된 플래빈의 광 자극을 하는 기능을 하며, 염증 반응을 촉진하는 사이토 카인, 성장 인자 및 염증 매개체의 변화를 유도하고 조절할 수 있다.
적색광의 레이저 조사는 성장인자를 조절함으로써 전이-유도 섬유 아세포에서 과도한 섬유화 활성을 정상화하는 효과가 있을 뿐만 아니라, 프로스타글란딘 E2 생성 및 시클로옥시게나아제 (COX) m-RNA 발현을 조절함으로써 항 염증 효과가 있다. 또한, 600에서 800nm 파장대의 레이저는 과산화물제거효소 작용과 카탈라아제 활성을 통한 혈압 내 활성 산소 억제와 칼슘(Ca2) 이동 변화의 기전을 배경으로 염증 반응을 감소시킨다. 400 nm 파장대의 청색광 레이저는 활성 산소（ROS)의 직접 생성과 미토콘드리아 전자 수송 사슬의 복합체에 부착된 플래빈의 광 자극을 하는 기능을 할 수 있으며, 염증 반응을 촉진하는 사이토 카인, 성장 인자 및 염증 매개체의 변화를 유도하고 조절한다. 900nm 파장대의 적외선 레이저는 히스타민 방출을 억제하여 알레르기 항원에 대한 면역 반응을 감소시키는 기전을 배경으로 염증 반응을 완화하는 항염증 효과가 있다. 또한, 적외선 레이저는 높은 투과율을 바탕으로 상처 치유 과정에서 세포 증식, 신 혈관 형성, 콜라겐 축적 및 재 상피화의 효과가 있다.
이러한 저출력 광 치료는 현재 대부분 외부 피부에만 적용되고 있으며, 내부 관형 또는 내강 조직을 치료하기 위해서는 광섬유를 이용한 치료법이 필요하고, 본 발명에서는 이와 같은 저출력 치료뿐만아니라, 광역동 치료, 광열 치료 등 광섬유를 이용하는 경우 광을 광섬유 측면으로 균일하게 전달하는 방법을 제안하고자 한다.
광역동 치료(Photodynamic therapy)는 광과민제(또는 광감작제)를 체내에 투입하여 축적시키고, 질환이나 종양을 파괴하기 위해 광 에너지를 사용한다. 광과민제가 광 에너지를 흡수하면 활성 산소(reactive singlet oxygen)0| 생성되어, 직접 세포의 괴사나 사명을 초래하여 질환이나 조양을 제거한다. 광역동 치료에 사용되는 파장대는 600~800nm 사이의 파장을 자주 사용하며, 광과민제 투입한 다음 수일 후에 광 에너지를 조사한다. 광 과민제 종류와 용량, 약물-광 간 시간, 파장(nm), 조사 강도(mW), 조사 에너지(J), 조사 횟수에 따라 광역동 치료효과가 달라진다. 광역동 치료는 열을 생성하지 않고 결합조직에 거의 영향이 없는 광화학 과정이기 때문에 열을 이용한 치료에 비해 기저 조직의 변형이 적으나, 광섬유 측면으로 광을 균일하게 전달하는 것이 치료 효과에 많은 영향을 미친다.
광열치료(Photothermal therapy)는 저출력 레이저 치료나 광역동 치료와 달리 높은 에너지를 이용하여 조직에 광 에너지를 전달하는 것으로 조직이 가진 흡수체(chromophore)에서 광을 흡수하여 온도를 높게 발생시켜 질환이나 종양 조직 등을 괴사시키는 치료법이다. 광 에너지가 조직에 먼저 흡수된 후 열이 발생하여 온도가 상승하고 주변 조직으로 열이 전도되면서 조직의 구성이나 결합에 영향을 미치게 된다. 조직 내에서 생성되는 온도에 따라 다양한 생물적 변화가 발생하는데 온도가 42℃일 경우 온열 효과와 단백질 수축, 50℃일 경우 효소 활동의 저하와 세포 움직임 둔화, 60~70℃일 경우 단백질 변성 및 응고, 80℃일 경우 세포막의 삼투, 100℃일 경우 기화, 열 분해, 제거, 파괴, 100℃ 이상일 경우 용해, 탄화 등이 발생하게 된다. 온도 상승에 따라 조직 변화를 유도하기 위해 광 에너지가 균일하게 전달되어야 높은 치료 효과와 안전성을 확보할 수 있다. 온도 상승(△T, ℃)은 [수학식1]을 이용하여 예측 가능하며, μa는 조직 흡수율 (1/cm), H는 단위 면적당 광 에너지(J/cm2), ρ는 조직 밀도(kg/cm3), c는 조직 비열 (J/kgK) 이다. 광열치료 효과를 높이기 위해 광 에너지, 펄스 길이, 빔 크기, 반복율, 파장, 조직의 광학적/열적 특성 등을 잘 고려하여 선택하여야 한다.
[수학식1]
△T=μaH/ρc
이하 이와 같은 저출력 치료, 광역동 치료, 광열 치료 등을 위해, 광섬유 프로브를 통해 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 광을 광섬유 측면을 통해 조직에 넓고 균일한 광을 확산 및 전달하고, 조직과 광 전달기기가 접촉하는 곳에서 부분적 단열 효과를 발생시키기 위한 본 발명의 광 전달 기기에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 전달 기기(100)의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조직 치료를 위한 광 전달 기기(100)는, 광 프로브(110) 및 피복부(120)를 포함하며, 필요에 따라 피복부(120)를 감싸는 제2 피복부(130)를 더 포함할 수 있다. 제2 피복부(130)는 광의 추가적인 확산, 단열, 또는 이물질로부터의 보호 기능 등을 위해 추가되어 피복부(120)와 함께 이중 피복제 구조가 되도록 할 수도 있다.
광 전달 기기(100)는, 인체 등의 내강 또는 관형 병변 조직으로 직접 넣고 빼거나, 또는 다른 튜브를 인체 등의 내강 또는 관형 병변 조직으로 밀어 넣고 해당 튜브 내에 광 전달 기기(100)를 넣고 뺄 수 있도록, 가늘고 긴 유연한 재질로 이루어진다.
광 프로브(110)는 단부에서 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 필요한 광을 발산하는 부분으로서, 광원(미도시)에서 제공된 광은, 광 프로브(110)의 장방향 단부의 광 발산부(111)를 통해 발산되고 확산된다.
피복부(120)는 광 프로브(110)를 감싸 피복한 부분으로서, 피복부(120)는 광 발산부(111)를 커버하는 단부에 복수의 홈이 형성된 광 확산부(121)를 포함한다. 도면에서 제2 피복부(130)에는 홈들이 형성되지 않은 것으로 도시되었으나, 제2 피복부(130)에는 홈들이 형성되지 않을 수도 있고, 필요한 경우, 장방향으로 광 발산부(111)의 위치로부터 단부 끝까지 광 확산부(121)의 홈들의 형태와 같은 복수의 홈이 형성될 수 있다. 제1 피복부(120)의 광 확산부(121)의 홈들의 역할과 기능은 제2 피복부(130)에 형성되는 홈들에도 그대로 적용될 수 있으며, 하기하는 바와 같이, 제2 피복부(130)의 복수의 홈들 역시 외측 표면에 형성될 수도 있고, 외부 매질의 굴절률이 더 제2 피복부(130)의 굴절률 보다 작은 경우 제2 피복부(130)의 해당 홈들이 제2 피복부(130)의 내측 표면에 형성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광 전달 기기(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 조직 치료를 위한 광 전달 기기(100)는, 광 프로브(210) 및 피복부(220)를 포함하며, 필요에 따라 피복부(220)를 감싸는 제2 피복부(230)를 더 포함할 수 있다. 제2 피복부(230)는 광의 추가적인 확산, 단열, 또는 이물질로부터의 보호 기능 등을 위해 추가되어 피복부(220)와 함께 이중 피복제 구조가 되도록 할 수도 있다.
광 전달 기기(200) 역시 인체 등의 내강 또는 관형 병변 조직으로 직접 넣고 빼거나, 또는 다른 튜브를 인체 등의 내강 또는 관형 병변 조직으로 밀어 넣고 해당 튜브 내에 광 전달 기기(200)를 넣고 뺄 수 있도록, 가늘고 긴 유연한 재질로 이루어진다.
광 프로브(210)는 단부에서 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 필요한 광을 발산하는 부분으로서, 광원(미도시)에서 제공된 광은, 광 프로브(210)의 장방향 단부의 광 발산부(211)를 통해 발산되고 확산된다. 여기서, 광 프로브(210)는 코어(215)와 클래드(216)으로 이루어진 광섬유 와이어로 이루어질 수 있으며, 장방향 단부에 광 발산부(211)로서 복수의 홈이 형성된 광 확산부(211)를 포함할 수 있다. LED(light emitting diode), 레이저 발생 소자(예, 반도체 레이저 다이오드, 또는 펄스 레이저, 또는 연속파 레이저를 위한, DPSS(Diode Pumped Solid State), LP(Lamp Pumped) 등의 광 소자)와 같은 외부 광 소자 등의 광원에서 제공된 광은 상기 광섬유 와이어를 통해 전달되고 광 확산부(211)의 복수의 홈을 통해 확산될 수 있다. 광 확산부(211)의 효과적인 확산을 위하여, 피복부(220)의 굴절률은 광 확산부(211)의 굴절률 보다 크거나 같다. 또한, 제2 피복부(230)의 굴절률은 피복부(220)의 굴절률 보다 크거나 같다. 코어(215)의 굴절율은 클래드(216)의 굴절률 보다 크며, 광 확산부(211)의 복수의 홈은 상기 광섬유 와이어의 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분에 해당하고, 상기 클래드를 제거한 코어 부분에 홈들을 기계적으로 가공(예, 연삭, 연마, 레이저 가공 등)하여 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 상기 기계적 가공 이외에도 화학적 에칭 등의 방법이 사용될 수도 있다.
상기 광섬유 와이어의 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상은, 도면과 같이 단부 끝쪽으로 갈수록 직경이 감소하는 테이퍼형(또는 원뿔형)일 수도 있으며, 이외에도 직경이 일정한 원기둥형(다만, 끝쪽은 둥근형 가능)이 될 수도 있다. 도 3과 같이, 상기 광섬유 와이어의 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상은, 테이퍼형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상이거나, 도 4와 같이, 상기 광섬유 와이어의 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상은, 원기둥형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상일 수도 있다. 광 확산부(211)의 이와 같은 홈들은, 측면 및 그로부터 연장되는 장방향 단부 끝의 종단까지 균일하게 광 확산이 일어나도록 하며, 특히, 광이 광 프로브(210) 장방향 단부쪽 전방을 향하는 것을 최소화하고 대부분의 광 에너지가 측면으로 골고루 전달되게 할 수 있다. 도 3 및 도 4와 같이, 조합된 형상을 적용함으로써, 이와 같은 광 확산부(211)의 홈들은, 더욱 더 광이 광 프로브(210) 장방향 단부쪽 전방을 향하는 것을 최소화하고 대부분의 광 에너지가 측면으로 골고루 전달되게 할 수 있다.
피복부(220)는 광 프로브(210)를 감싸 피복한 부분으로서, 피복부(220)는 광 발산부(211)를 커버하는 단부에 복수의 홈이 형성된 광 확산부(221)를 포함한다. 도면에서 제2 피복부(230)에는 홈들이 형성되지 않은 것으로 도시되었으나, 제2 피복부(230)에는 홈들이 형성되지 않을 수도 있고, 필요한 경우, 장방향으로 광 발산부/광 확산부(211)의 위치로부터 단부 끝까지 광 확산부(221)의 홈들의 형태와 같은 복수의 홈이 형성될 수 있다. 제1 피복부(220)의 광 확산부(221)의 홈들의 역할과 기능은 제2 피복부(230)에 형성되는 홈들에도 그대로 적용될 수 있으며, 하기하는 바와 같이, 제2 피복부(230)의 복수의 홈들 역시 외측 표면에 형성될 수도 있고, 외부 매질의 굴절률이 더 제2 피복부(230)의 굴절률 보다 작은 경우 제2 피복부(230)의 해당 홈들이 제2 피복부(230)의 내측 표면에 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 전달 기기(300)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조직 치료를 위한 광 전달 기기(300)는, 광 프로브(310) 및 피복부(320)를 포함하며, 필요에 따라 피복부(320)를 감싸는 제2 피복부(330)를 더 포함할 수 있다. 제2 피복부(330)는 광의 추가적인 확산, 단열, 또는 이물질로부터의 보호 기능 등을 위해 추가되어 피복부(320)와 함께 이중 피복제 구조가 되도록 할 수도 있다.
광 전달 기기(300) 역시 인체 등의 내강 또는 관형 병변 조직으로 직접 넣고 빼거나, 또는 다른 튜브를 인체 등의 내강 또는 관형 병변 조직으로 밀어 넣고 해당 튜브 내에 광 전달 기기(300)를 넣고 뺄 수 있도록, 가늘고 긴 유연한 재질로 이루어진다.
광 프로브(310)는 단부에서 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 필요한 광을 발산하는 부분으로서, 광원(312)에서 제공된 광은, 광 프로브(310)의 장방향 단부의 광 발산부(311)를 통해 발산되고 확산된다. 여기서, 광 프로브(310)는 유연한 와이어 또는 튜브의 단부에 광 발산부(311)로서 복수의 광 소자(312)를 포함한다. 광 발산부(311)의 복수의 광 소자(312)는 상기 와이어 또는 튜브를 통해 유선으로 전원을 공급받아 광을 발생시킬 수 있다. 또는 경우에 따라서는, 광 발산부(311)의 복수의 광 소자(312)는 원격에서 무선(RF, Radio Frequency) 방식으로 제공되는 전력원을 공급받을 수도 있다. 이와 같은 무선 전력 공급을 수신하기 위하여 광 발산부(311)는 무선 신호를 수신하는 안테나와 안테나의 출력을 소정의 전원 전압으로 변환하는 전력부를 구비할 수 있다. 광 소자(312)는, LED(light emitting diode), 레이저 발생 소자(예, 반도체 레이저 다이오드, 또는 펄스 레이저, 또는 연속파 레이저를 위한, DPSS(Diode Pumped Solid State), LP(Lamp Pumped) 등의 광 소자) 등일 수 있다.
피복부(320)는 광 프로브(310)를 감싸 피복한 부분으로서, 피복부(320)는 광 발산부(311)를 커버하는 단부에 복수의 홈이 형성된 광 확산부(321)를 포함한다. 도면에서 제2 피복부(330)에는 홈들이 형성되지 않은 것으로 도시되었으나, 제2 피복부(330)에는 홈들이 형성되지 않을 수도 있고, 필요한 경우, 장방향으로 광 발산부/광 소자들(312)의 위치로부터 단부 끝까지 광 확산부(321)의 홈들의 형태와 같은 복수의 홈이 형성될 수 있다. 제1 피복부(320)의 광 확산부(321)의 홈들의 역할과 기능은 제2 피복부(330)에 형성되는 홈들에도 그대로 적용될 수 있으며, 하기하는 바와 같이, 제2 피복부(330)의 복수의 홈들 역시 외측 표면에 형성될 수도 있고, 외부 매질의 굴절률이 더 제2 피복부(330)의 굴절률 보다 작은 경우 제2 피복부(330)의 해당 홈들이 제2 피복부(330)의 내측 표면에 형성될 수도 있다.
이와 같은 광 전달 기기(100/200/300)에서, 전달 파장은 400nm 내지 3000nm까지, 전달 전력은 0.01W 매지 100W 까지 전달이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
상기한 피복부(120/220/320)는, 내열성, 내화학성, 생물학적 안전성을 갖는 피복제 물질로 제조되며, 유리(SiO2), Quartz, PEEK(Poly Ether Ether Ketone), ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene), PFA(PerFluoro Alkoxy) PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 등으로 제조될 수 있다.
상기한 제2 피복부(130/230/330)는 내열성, 내화학성, 생물학적 안전성을 갖는 피복제 물질로 제조되며, 제1 피복부(120/220/320)와 동일한 물질로 이루어질 수도 있다. 다만, 제2 피복부(130/230/330)는, 파장 400nm~3000nm의 광을 전체 또는 부분적으로 투과시킬 수 있다. 제2 피복부(130/230/330)는 광의 추가적인 확산, 단열, 또는 이물질로부터의 보호 기능 등을 위해, PTFE(Polytetrafluoroethylene),Polyethylene, Polyvinyl Chloride, Nylon 66, 11, 12, Urethanes, Polyurethanes,Polypropylene, Polycarbonate, ABS, Pebax, PEEK (Polyetheretherketone), PET(Polyethylene Terephthalate) 등으로 제조될 수 있다.
도 6은 본 발명의 상기 실시예들에서 광 확산부들(211/121/221/321)에 형성된 홈들의 예이다.
도 7은 본 발명의 상기 실시예들에서 광 확산부들(211/121/221/321)에 형성된 홈들의 다른 예이다.
도 6 및 도 7에서, 좌측 그림은 측면도이고 우측 그림은 단부쪽에서 바라본 정면도이다. 도 6 및 도 7과 같이, 광 확산부들(211/121/221/321), 즉, 광 프로브(210)의 광 확산부(211)(도면 2), 피복부(120/220/320)의 광 확산부(121/221/321) (도면 1,2,5)의, 홈들의 모양은 도 8의 (a)와 같이 곡면형, 도 8의 (b)와 같이 V자형, 또는 도 8의 (c)와 같이 직사각형 등 다각형 등의 다양한 모양으로 외측 표면에 형성될 수 있다.
경우에 따라 광 확산부들(211/121/221/321)의 홈들은 딤플 형태나 선형 형태가 불규칙하게 조합되어 형성되어 있는 것도 가능하다. 다만, 도 6 및 도 7과 같이, 확산부들(211/121/221/321)은 측면 및 그로부터 연장되는 장방향 단부 끝의 종단까지 균일한 광 확산을 위하여 해당 면을 따라 딤플 형태나 선형 형태로 균일하게(일부분 또는 전체를 선택적으로 가능) 형성된 홈들을 가지는 것이 바람직하다. 상기 딤플 형태의 홈들은 2차원 어레이 형태로 소정의 간격으로 상기와 같은 곡면형, V자형, 다각형 등의 홈들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 선형 형태의 홈들은 어느 한 방향으로 평행한 선형 홈들(소정의 폭을 가진 홈이 연이어 형성된 것) 및 다른 방향으로 평행한 선형 홈들을 포함할 수 있다. 이와 같은 확산부들(211/121/221/321)의 홈 패턴은 설계에 따라 직경 또는 너비가 수 μm에서 수백 μm의 크기(예, 5~500μm)로 형성될 수 있다.
이와 같은 광 확산부들(211/121/221/321)의 홈들은, 측면 및 그로부터 연장되는 장방향 단부 끝의 종단까지 균일하게 광 확산이 일어나도록 하며, 특히, 광이 광 프로브(110/210/310) 장방향 단부쪽 전방을 향하는 것을 최소화하고 대부분의 광 에너지가 측면으로 골고루 전달되게 할 수 있다.
또한, 조직에 광 조사 시에 위와 같이 광 확산부들(211/121/221/321)의 딤플 또는 선형 형태의 홈들은, 그 홈들의 내부 공간에 공기가 갇히도록 하여, 해당 갇힌 공기층들은, 조직 표면에서 발생된 열을 제1 피복부(120/220/320), 제2 피복부(130/230/330) 또는 광 프로브(110/210/310) 내측으로 전달되지 않도록 부분적 단열 효과를 유도할 수도 있다. 이에 따라 조직에 광 조사 시 위와 같은 갇힌 공기층들에 의해, 조직 표면에서 온도 상승 시 일부 조직이 제1 피복부(120/220/320) 또는 제2 피복부(130/230/330)에 달라붙는 현상을 방지하며 최소화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부(120/220/320) 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 홈들이 내측에 형성된 모양을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 피복부(120/220/320)의 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 홈들(곡면형, V자형, 다각형 등)은, 피복부(120/220/320)의 내측 표면에 형성될 수도 있다. 이는 피복부(120/220/320)의 외부 매질의 굴절률이 피복부(120/220/320)의 굴절률 보다 작은 경우에도 광이 외부로 용이하게 확산될 수 있도록 한다.
도 10은 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부(120/220/320) 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 측면 홈들의 광 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 기존의 광섬유 프로브는 본 발명의 광 확산부들(121/221/321)과 같은 단부 측면의 광 확산 홈 패턴이 없으므로, 광섬유 프로브의 표면에서만 산란/발산되어 아주 적은 양의 광이 방출되고, 좁은 범위로 불균일하게 광이 조사된다. 결과적으로 본 발명의 광 확산부들(121/221/321)의 측면 홈들을 통해 상대적으로 많은 양의 광이 측면으로 균일하게 광 확산이 일어나도록 할 수 있다.
본 발명의 상기 실시예들에서 피복 내부의 광 발산부(111/211/311)에서 광이 1차로 조사, 산란, 또는 확산되어 방출되고, 피복부(120/220/320) 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 홈들은, 추가적으로 광을 큰 각도로 확산시켜서 광이 넓은 범위로 균일하게 방출되도록 한다. 이와 같은 2단계에 걸친 광 조사, 산란, 또는 확산이 이루어지도록 하여 더욱 광 확산 효과를 증가시키며, 측면 방향으로 광 에너지를 균일하게 분포시키면서 더 많은 광 에너지를 전달할 수 있도록 한다.
피복부(120/220/320)의 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 홈들의 홈 패턴은, 그 직경 또는 너비를 수 μm에서 수백 μm의 크기로 형성시킴으로써, 측면 방향으로의 광 확산 범위와 전달 광 에너지가 목적에 맞게 조절될 수 있다. 또한, 이와 같은 피복부(120/220/320)의 광 확산부들(121/221/321)의 홈 패턴은, 주기적(periodic), 연속적(continuous)(예, 선형 연속), 비연속적(discrete)(예, 선형 비연속적), 부분적(partial) 등으로 형성함으로써, 측면 방향으로의 광 확산 범위와 광 조사 형태가 조절될 수 있다. 광 확산부들(121/221/321)의 홈 패턴에 따라 광 횡단면 광 분포도는 사각형(flat-top), 가우시안(Gaussian), 좌측편향(left-skewed), 우측편향(right-skewed), 부분교차형(fractional), 산광형(diffuse), 원판형(radial) 등으로 형성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부(120/220/320) 광 확산부들(121/221/321)의 장방향 단부 끝의 종단에 형성된 홈들의 광 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 기존의 광섬유 프로브는 본 발명의 광 확산부들(121/221/321)과 같은 단부 끝 종단의 광 확산 홈 패턴이 없으므로, 광섬유 프로브의 표면에서만 산란/발산되어 많은 광이 광섬유 프로브의 장방향 단부의 전방으로 방출되게 된다. 결과적으로 본 발명의 광 확산부들(121/221/321)의 종단 홈들을 통해 광 발산부(111/211/311)로부터의 광이 전방으로 전달되는 것을 최소화시킬 수 있다. 광 발산부(111/211/311)로부터 전방으로 나오는 광은 본 발명의 광 확산부들(121/221/321)의 종단 홈들을 통해 다양한 각도로 분배하여 균일하고 넓게 측면 쪽으로 광을 발산시킬 수 있게 된다.
본 발명의 상기 실시예들에서 피복 내부의 광 발산부(111/211/311)에서 광이 1차로 조사, 산란, 또는 확산되어 방출되고, 피복부(120/220/320)의 광 확산부들(121/221/321)의 종단에 형성된 홈들은, 추가적으로 광을 확산시켜서 광이 측면으로 넓은 범위로 방출되도록 한다. 이와 같은 종단에서의 2단계에 걸친 광 조사, 산란, 또는 확산이 이루어지도록 하여 더욱 광 확산 효과를 증가시키며, 종단 전방으로 광이 전달되어 조직 부위에 원하지 않는 화상이나 손상을 발생하는 것을 방지할 수도 있다.
피복부(120/220/320)의 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 종단 홈들의 홈 패턴은, 그 직경 또는 너비를 수 μm에서 수백 μm의 크기로 형성시킴으로써, 종단 전방 방향으로의 광 확산 범위와 전달 광 에너지가 목적에 맞게 조절될 수 있다. 또한, 이와 같은 피복부(120/220/320)의 광 확산부들(121/221/321)의 종단 홈 패턴 역시, 주기적(periodic), 연속적(continuous)(예, 선형 연속), 비연속적(discrete)(예, 선형 비연속적), 부분적(partial) 등으로 형성함으로써, 종단 전방 방향으로의 광 확산 범위와 광 조사 형태가 조절될 수 있다. 광 확산부들(121/221/321)의 홈 패턴에 따라 종단 전방 방향으로의 광 횡단면 광 분포도는 사각형(flat-top), 가우시안(Gausian), 좌측편향(left-skewed), 우측편향(right-skewed), 부분교차형(fractional), 산광형(difuse), 원판형(radial) 등으로 형성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 상기 실시예들에서 피복부(120/220/320) 광 확산부들(121/221/321)에 형성된 홈들의 단열 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 광 전달 기기(100/200/300)를 통해 높은 에너지를 가진 광이 조직에 조사될 경우, 조직의 온도 상승이 유발될 수 있고, 조직과 기기 간에 열전달이 이루어질 수 있지만, 본 발명의 피복부(120/220/320)에서는 광 확산부(121/221/321)를 통해 단열 효과가 발생한다.
광 치료를 위해 광 전달기기(100/200/300)의 장방향 원위 단부의 광 확산부(121/221/321) 쪽을 조직에 접촉시킬 경우, 표면의 홈 패턴에 오목하게 형성된 공간에 공기가 부분적으로 갇히게 되어 공기층을 형성할 수 있다. 이와 같은 피복부(120/220/320)의 표면 구조 변화로 광 프로브(110/210/310)에서 발산되는 광을 추가로 확산시켜 치료할 조직 내로 광을 균일하고 넓게 분포시킨다. 높은 에너지의 광이 조직에 조사되면 조직에서 열이 발생되어 온도가 상승하며, 온도 상승에 따라 열이 피복부(120/220/320)의 피복 물질 내부로 전도(heat conduction)되게 된다. 피복부(120/220/320)의 피복 물질의 열전도율(thermal conductivity)은 최소 0.2W/mK이상이며, Quartz의 경우 1.5 W/mK까지로 높아 조직에서 발생한 많은 양의 열이 피복부(120/220/320)의 피복 물질과 그 내부의 광섬유 등의 광 프로브(110/210/310)까지 전달될 수 있다. 전달된 열의 양이 증가할수록 피복부(120/220/320)의 피복 물질의 열적 내구성과 광 프로브(110/210/310)가 위치한 체적에 따라 광 전달기기(100/200/300) 내부에 열 응력(thermal stres)이 발생하여 손상 또는 파괴를 유발시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 확산형 피복부(120/220/320) 구조를 사용하면 그 표면에 공기층이 형성되고, 조직에서 열이 발생되어 온도가 상승할 경우에도 열이 피복부(120/220/320) 내부와 그 표면에 갇힌 공기층으로 같이 전도되게 된다. 공기의 열전도율은 0.02 W/mK로 피복 물질의 열전도율보다 10배 이상 낮기 때문에 조직에서 피복 물질로 열 전도 시에 단열제 역할을 할 수 있다. 위와 같이 갇힌 공기층에서 발생하는 부분적 단열 효과로 조직 내에서 발생한 열이 피복 물질로 전도되는 것을 최소화하여 피복부(120/220/320) 내부나 광 프로브(110/210/310)에 발생하는 열 응력(thermal stress)을 줄일 수 있다. 또한 공기층에서 발생하는 부분적 단열 효과로 조직 표면이나 내부에 더 많은 열이 유지 및 전달되어 치료 효과를 증가시킬 수도 있다.
도 13은 본 발명의 종래의 일반 광 전달 방식과 본 발명의 광 전달 기기(100/200/300)에서의 2차 확산형 광 전달 방식의 종단 전방으로 전달되는 광 전달율을 측정 비교한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 종래의 일반 피복의 경우 광섬유 프로브 등에서 종단 전방으로 발산되는 광 에너지로 인해 전방으로의 광 전달율이 30%까지 높게 나타났다. 높은 전방으로의 광 전달율은 조직의 광 치료 시 조직 부위로 원하지 않는 광이 전달되면서 조직에 화상이나 손상을 유발할 수 있는 문제가 있다.
반면, 본 발명의 피복부(120/220/320)의 광 확산부(121/221/321)와 같이 2차 확산형 광 전달 방식의 피복을 사용할 경우 광 전달기기(100/200/300) 끝단에 위치한 피복부(120/220/320)의 종단 홈 패턴에 의한 광 확산으로 광 프로브(110/210/310)에서 전방으로 발산되는 광 에너지를 추가로 확산시키게 된다. 이와 같은 추가적인 광 확산으로 인해 종단 전방으로 전달되는 광 전달율은 10% 이하로 낮게 나타났다. 이와 같은 낮은 전방 광 전달율은 조직 치료 시 측면 쪽으로 광 에너지가 더 전달되도록 유도하게 되며, 조직의 불필요한 화상이나 손상을 최소화시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 종래의 일반 광 전달 방식과 본 발명의 광 전달 기기(100/200/300)에서의 2차 확산형 광 전달 방식의 피복 물질의 내부 온도를 측정 비교한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 종래의 일반 피복의 경우 광 조사 시 조직과의 접촉 부위에서 광 확산이 작고, 전체적인 단열 효과로 인해 피복제 내부 온도가 급격히 상승할 수 있다. 광 조사 시간에 따라 최고 온도 300 ℃까지 측정되며, 피복제의 열적 특성에 따라 피복제나 광섬유 프로브 등에 손상이 발생할 수 있다.
반면, 본 발명의 피복부(120/220/320)의 광 확산부(121/221/321)와 같이 2차 확산형 광 전달 방식의 피복을 사용할 경우 광 전달기기(100/200/300) 끝단에 위치한 피복부(120/220/320)의 종단 홈 패턴에 의한 공기층의 부분적 형성으로 인하여, 광 조사 시 조직과의 접촉 부위에서 광 확산을 넓게 유도하고, 부분적인 단열효과를 유도함으로써 피복제 내부 온도 상승을 최소화할 수 있다. 광 조사 시간에 따라 최고 온도가 결정되나, 위와 같은 조건에서 온도 60 ℃까지 낮추어 피복제의 열적 변형이나 광 발산부(111/211/311)의 광섬유 등의 온도 상승을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조직 치료를 위한 광 전달 기기(100/200/300)에 따르면, 광 발산부(111/211/311)의 광섬유 등의 끝을 보호하는 피복제, 즉, 제1 피복부(120/220/320)의 표면 구조를 변경하거나 제2 피복부(130/230/330)를 추가한 이중 구조의 피복제를 적용함으로써, 내강 또는 관형 병변 조직으로 레이저, 근자외선, 가시광선, 근적외선 등의 광 조사 시, 조직에 넓고 균일한 광을 확산 및 전달하고, 조직과 광 전달기기가 접촉하는 곳에서 부분적 단열 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 조직 치료를 위한 광 전달기기(100/200/300)에 따르면, 광 전달기기(100/200/300) 단부의 측면으로 넓고 균일한 광 전달 유도가 가능하고, 측면으로의 균일한 광 전달로 조직 내 일정한 광 반응 예측/유도가 가능하고, 광 발산부(111/211/311)의 광섬유 등의 단부 방향으로의 전면 광 전달은 최소화될 수 있다. 또한, 피복제 표면 구조 변형에 따라 선택적으로 다양하게 광 전달방식 채택이 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 조직 치료를 위한 광 전달기기(100/200/300)에 따르면, 조직 치료 시 발생하는 광 발산부(111/211/311)의 광섬유 등의 내부의 과열 현상 및 손상이 방지되고, 광섬유 등의 전면 광 전달 최소화를 통한 주변 조직의 손상이 최소화되며, 조직의 온열/광열 치료 시 피복제 표면과 병변 조직의 접촉 부위에서 부분적 단열효과로 인한 효율적 광 작용이나 조직 온도 상승을 유도할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 조직 치료를 위한 광 전달 기기에 있어서,
    장방향 단부에 광 발산부를 포함하는 광 프로브; 및 상기 광 프로브를 감싸는 피복부를 포함하고,
    상기 피복부는, 상기 광 발산부를 커버하는 단부에 복수의 홈이 형성된 광 확산부를 포함하는 광 전달 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피복부를 감싸는 제2 피복부를 더 포함하는 광 전달 기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈이 상기 피복부의 외측 표면에 형성된 광 전달 기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈이 상기 피복부의 내측 표면에 형성된 광 전달 기기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 피복부에 장방향으로 상기 광 발산부의 위치로부터 단부 끝까지 복수의 홈이 형성된 광 전달 기기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 피복부의 상기 복수의 홈이 상기 제2 피복부의 외측 표면에 형성된 광 전달 기기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 피복부의 상기 복수의 홈이 상기 제2 피복부의 내측 표면에 형성된 광 전달 기기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 프로브는 유연한 와이어 또는 튜브의 상기 단부에 상기 광 발산부로서 복수의 광 소자를 포함하는 광 전달 기기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 프로브는 광섬유 와이어의 상기 단부에 상기 광 발산부로서 제2 복수의 홈이 형성된 제2 광 확산부를 포함하는 광 전달 기기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피복부의 굴절률은 상기 광 섬유 와이어의 코어의 굴절률 보다 큰 광 전달 기기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 복수의 홈은 상기 광섬유 와이어의 상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분에 홈들을 기계적으로 가공하여 형성된 광 전달 기기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 테이퍼형을 포함하는 광 전달 기기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 테이퍼형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상을 포함하는 광 전달 기기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 원기둥형을 포함하는 광 전달 기기.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 단부에서 클래드를 제거한 코어 부분의 형상이 원기둥형 끝에 추가적으로 직경이 커진 볼형이 포함된 형상을 포함하는 광 전달 기기.
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