[피부과] 레이저 기본 원리, 기초 내용 - (1) 레이저의 기본 성질

1. 레이저의 세 가지 주요 특성 (3C)

• Coherence (일관성): 레이저에서 나오는 빛의 파동은 시공간에서 같은 위상으로 함께 이동한다. 같은 위상이 합쳐져 레이저를 매우 집중된 에너지원으로 만든다.
• Collimation (평행성): 레이저 빛은 확산되지 않고 평행하게 이동한다. 따라서 빛이 멀리까지 퍼지지 않고 특정 지점에 집중된다.
• (mono)Chromaticity (단색성): 레이저 빛은 단일 파장을 갖는다. 즉, 같은 색상이다. 각기 다른 파장을 이용해 피부 속에서 다양한 깊이와 조직을 표적화할 수 있다.

Bogdan Allemann, Inja and Joely Kaufman. “Laser principles.”  Current problems in dermatology  42 (2011): 7-23 .

 

2. 매질 (medium)

레이저의 파장은 매질에 의해 결정된다. 레이저 빛은 광공진기(laser resonator) 내에서 매질을 통해 생성된다. 이 매질은 빛이나 전기의 에너지를 받아 들뜬 상태가 되며, 안정된 상태로 돌아올 때 광자를 방출한다. 매질에 따라 레이저의 종류를 다음과 같이 구분한다.

• 기체(Gas) - CO2, xenon chloride (excimer), krypton, argon, copper vapor, helium-neon
• 액체(Liquid) - rhodamine dye (PDL)
• 고체(Solid) - 1) Crystal: alexandrite, Er-YAG, Nd-YAG, potassium titanyl phosphate (KTP), ruby; 2) Semiconductor: diode

 

3. 선택적 광열분해(Selective Photothermolysis)

선택적 광열분해는 레이저를 사용하여 특정 구조물을 선택적으로 파괴하는 과정이다. 피부과에서는 레이저가 피부의 목표 조직을 정확히 파괴하면서 주변 조직에는 최소한의 손상을 주는 것을 목표로 한다. 선택적 광열분해는 다음 세가지 요소에 의해 좌우된다.

• 파장(Wavelength)
• 펄스 지속 시간(Pulse duration): 펄스 지속 시간이 목표 조직의 열 완화 시간(thermal relaxation time, TRT)보다 짧아야 한다. 열이 목표 조직 외부로 확산되는 것을 최소화하고 주변 조직에 발생할 수 있는 부작용을 줄이기 위해서이다.
• 에너지 밀도(Fluence): 목표 조직에 손상을 줄 만큼 충분히 높은 에너지가 필요하지만, 주변 조직을 손상시키지 않을 정도로 적절히 에너지 밀도를 조정해야 한다.

열 완화 시간은 분자가 가열된 후 50%까지 식는 데 걸리는 시간을 의미한다.

 

4. 레이저 파형의 종류

• 연속(Continuous): 빛을 연속적으로 방출하며, 저전력으로 동작한다. (CO2, argon)
• 준연속(Quasicontinuous): 연속 파형의 빛을 짧은 구간으로 나누어 방출한다. (KTP, copper vapor, krypton)
• 펄스형(Pulsed): 빛을 주기적으로 방출하며, 짧은 펄스 지속 시간(milliseconds)과 높은 전력을 특징으로 한다. (PDL, ruby, alex, Er:YAG, pulsed CO2)
• Q-스위치형(Quality switched, Q-switched): 펄스형 레이저의 변형으로, 매우 짧은 펄스 지속 시간(nanoseconds)과 매우 높은 전력을 갖는다. (QS laser)
• 피코초(Picosecond): 펄스형의 또 다른 변형으로, 극도로 짧은 펄스 지속 시간(picoseconds)과 매우 높은 전력을 특징으로 한다. (pico laser)

5. 레이저 빛과 피부의 상호작용

피부 표면에서 약 4~7%의 레이저 빛은 반사된다. 반사되지 않은 나머지 93~96%의 레이저 빛은 피부로 들어가 산란, 투과, 흡수의 과정을 겪는다.

• 산란(Scattering): 빛이 여러 방향으로 흩어지며, 이는 침투 깊이를 제한한다. 이를 해결하기 위해 레이저 빛이 피부에 닿을 때 차지하는 영역(spot size)을 늘리는 방법을 사용한다.
• 투과(Transmission): 피부를 통과하며 아무런 효과를 미치지 않고 지나간다.
• 흡수(Absorption): 원하는 효과로, 빛이 목표 조직에 흡수되어 치료 효과가 나타난다.

6. Q-스위치 (Quality switched)  / 피코초 (Picosecond) 레이저의 사용

Q-스위치 및 피코초 레이저는 색소 병변, 문신, 약물 전달(Laser-Assisted Drug Delivery, LADD)에 선호되는 레이저이다. 목표로 하는 입자들이 매우 작으며, 열 완화 시간(thermal relaxation time, TRT)이 매우 짧기 때문이다. 펄스 지속 시간이 목표 조직의 열 완화 시간보다 짧다는 점을 상기해보면, 매우 짧은 펄스 지속 시간을 가진 Q-스위치 및 피코초 레이저가 유용하다. 특히, 피코초 레이저는 주로 광음향 효과(photoacoustic effect)라는 과정을 통해 분자를 기계적으로 파괴하는 방식을 사용한다.

 

광음향 효과(photoacoustic effect)란 피코초(1조분의 1초)처럼 매우 짧은 시간에 발생하는 레이저 펄스에 의해 특정 물질이나 조직이 순간적으로 가열되어 압력 파동(음향)이 발생하는 효과를 뜻한다.