생체계측 및 의료기기 (2004, 3rd quarter) 의과대학 의학공학교실 김 덕 원 교수 의과대학 종합관 501호 361-5402 (kdw@yumc.yonsei.ac.kr)

최신 치료장비 선형가속기의 원리 및 임상응용 Gamma Knife의 원리 및 임상응용 전기수술기의 원리 및 임상응용 레이저의 원리 및 임상응용 PDT 체외충격파쇄석기의 원리 및 임상응용 심실세동제거기의 원리 및 임상응용 Pacemaker 인공호흡기 온열치료기 Robotic Surgery Microsurgery

선형가속기 (Linear Accelerator) 전자나 양자 같은 하전입자를 고주파를 이용해 직선상으로 주행시켜(원형으로 주행시키는 것도 있음, betatron, microtron, cyclotron) 높은 에너지를 얻는 장치 전자선은 가속된 전자 자체를 치료에 바로 사용하는 경우로  유방암, 피부암 등의 표피층에 발생한 종양치료와 두경부 암의 림프절 치료에 이용 엑스선은 가속된 전자가 금속판(target)에 부딪혀 나오며 침투력이 좋아 인체 깊숙히 있는 종양을 치료하는데 사용

Gamma Knife 방사성 동위원소(코발트60) 201개를 반구형으로 배치하여 동위원소에서 방출되는 감마선으로 종양 치료 여러 방향에서 조사되는 감마선이 한 점에 집중적으로 모이게 함 MRI를 이용한 뇌의 형태 관찰 및 종양 위치 파악 -> 컴퓨터로 방사선 조사량과 분포 계산 -> 치료 개두술에 필적할 만한 치료 효과 청신경종양, 뇌수막종, 전이성 뇌종양, 뇌혈관기형, 파킨슨씨병 등 뇌종양과 뇌기능성 질환 치료에 사용

감마나이프 치료대 “감마 유니트”. 본체내부에 감마선을 조사하는 코발트 60선원 201개가 있다. 뇌종양을 보여주는 3D 영상. MRI등의 영상정보를 감마나이프 전용 컴퓨터로 처리하여 치료계획을 세운다

PRS(Photon Radiosurgery System)은 X선 발생장치가 있는 본체, 전력을 공급하고 방사선량을 결정하는 제어장치, 조사(照射)의 여러가지 측정을 행하는 컴퓨터로 되어 있다. 본체내부에서 발생되는 전자선은 직경 3mm, 길이 10cm의 진공의 타겟관을 통과하여 그 끝부분에 있는 금판과 충돌하여 X선을 발생시켜 종양에 조사된다.

전기수술기 (Electrosurgical unit) 일명 ‘Bovie’라고 불림 High-frequency electric currents: 100 kHz - 5 MHz Usage incision, destruction, and removal of tissue to seal blood vessels for maintaining hemostasis Mode: cutting, coagulation, or blending of cutting/coagulation (a) Continuous cutting arc, (b) Interrupted random coagulation arc

(a) Continuous cutting waveform, (b) Blended cutting waveform with coagulation, (c) Blended-mode waveform obtained by modifying duty cycle, (d) Low-duty-cycle coagulation waveform, (e) Open-circuit coagulation waveform for fulguration.

Classification of Electrosurgical Generator Mode (a) Biterminal-unipolar (b) Biterminal-bipolar (c) Monoterminal-monopolar

Hazards of ESU 4 major categories: burns, neuromuscular stimulation, ignition of flammables, electrical interference Electrical burns: poor contact btw the patient and the return electrode (a) accidental alternative high-frequency current pathway (b) (b) (a) 12/40

Neuromuscular stimulation caused by contraction of the adductor brevis muscle obturator muscle is involved: obturator spasm Neuromuscular stimulation Hazards presented with isolated output ESU when surgical table is energized with active lead

레이저 (Laser) High intensive light consisting of a single photon can be amplified through the repeated collision of the stimulated photon : LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Monochrome: one wavelength Coherent: in phase Collimated: parallel

Structure of Laser system Laser head : a resonator tube containing a laser medium, an excitation source, an aiming beam Support elements : a power amplifier, a cooler, and a transmitter Delivery systems : an optical fiber, an articulated arm Lasers in Medicine Chemical-metabolic effects (low power) Thermal destruction (high power) Non-thermal mechanical destruction (very high power)

좌측은 8세 남아의 색소성 모반. 수회의 조사(照射)후 흉터없이 치료가 가능 우측은 시술중인 사진. 눈보호용 렌즈를 장착하고 조사하고 있다.

Medical Applications of Light Absorption of light Process Electronic excitation Dissipation mechanisms Radiative (1) Fluorescence (2) Phosphorescence Net effect Light Light hv hv Diagnostic Radiationless Light Chemistry hv G Light Heat hv Q PDT Surgery, PWS Chemical (1) Singlet (2) Triplet Physical (1) Internal conversion (2) Intersystem crossing

PDT (Photodynamic Therapy) Localization of photoactivatable molecules(photosensitizers) in target tissue/cells. 2. Activation of photosensitizer with appropriate light energy to generate toxic species leading to tissue/cell destruction.

The amount of light delivered(L) PDT depends on The amount of light delivered(L) The amount of photosensitizing drug(D) The amount of oxygen(O2) 1. Wavelength of irradiated Laser light source 2. Irradiation method of Light source Continuous / Pulse / Burst Pulse Wave 4. Light Power Density(mW/cm2) 3. Thermal Relaxation & Oxygen Recovery Time Mode

체외충격파쇄석기 (ESWL) Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy 고에너지의 충격파를 발생시켜 이를 신장이나 요관의 결석에 집중시켜 파괴시키는 방법 (요로 결석 치료) 수중에서 발생된 충격파는 연부 조직이 거의 물과 같은 음향 특성을 가지고 있어 인체 조직에는 영향이 거의 없으나, 결석에 에너지가 집중되어 파괴 됨 결석의 위치 파악 및 치료상태를 보기 위하여 X-ray system과 통합 구성

In extracorporeal shock-wave lithotripsy, a biplane x-ray apparatus is used to make sure the stone is at the focal point of spark-generated shock waves from the ellipsoidal reflector.

체외충격파결석파쇄술 충격발생장치의 원리 고전압 에너지를 전자 (電磁)코일에 흘려 자계를 발생시키면 전자(電磁)유도로 금속진동판에 자계가 발생한다. 이 자계가 반발을 일으켜 진동판이 순간적으로 전면으로 휘게 되고 이때 평면충격파가 발생한다. 이것을 볼록형 음향렌즈를 이용하여 치료 목표물에 집중시킨다.

금은 충격파가 닿은 면 뿐만 아니라 통과한 반대편에도 발생하여 파쇄 체외충격파결석파쇄술 충격파를 이용한 결석파쇄 매카니즘 충격파가 결석을 압축시킴. 내부에 금이 생기기 시작함. 충격파의 일부가 더 한층 결석 내부로 들어감. 금은 충격파가 닿은 면 뿐만 아니라 통과한 반대편에도 발생하여 파쇄

도르니에사가 만든 체외충격파결석파쇄장치 “도르니에 리소토리푸타-S” 파쇄전의 결석 충격파에 의해 파쇄된 결석 도르니에사가 만든 체외충격파결석파쇄장치 “도르니에 리소토리푸타-S”

심실제세동기(Defibrillator) 심장은 많은 근육들이 동기 되어 일시에 수축될 때 혈액을 뿜어내는 작용을 함 신경계를 통해 전달된 신호에 의해 심장 근육들이 제각기 불규칙하게 수축하여 전체적인 펌프 역할을 하지 못할 때 심실세동과 심장마비 초래 심실세동 시 심장 근육에 동시에 순간적으로 큰 전류 자극을 주어 그 충격으로 심장근육이 동기에 맞춰 활동하도록 하는 장치

(a) Basic circuit diagram for a capacitive–discharge type of cardiac defibrillator. (b) A typical waveform of the discharge pulse. The actual waveshape is strongly dependent on the values of L, C, and the torso resistance RL.

페이스 메이커 (Cardiac Pacemaker) 일시적으로 심장이 정지하거나 박동 주기가 고르지 못한 심장에 정상적인 심장의 주기와 같은 주기를 같는 전기적 펄스를 연속적으로 가하여 심장 박동을 정상적으로 회복시키는 기능 흉벽위에 전극을 놓고 생체 조직을 통하여 심장에 전류를 가하는 방법 생체 외부로 부터 심장까지 전극을 삽입하고, 외부의 펄스 장치로 자극을 가하는 방법 전지가 포함된 소형 펄스 장치를 이식하는 방법 피부 표면에 송신 코일을 놓고, 생체 내에는 수신 코일을 삽입하여 무선 방식으로 생체 외부에서 내부로 자극을 전달하는 방법 (직접유도형) 특정 주파수에서 공진하는 수신 코일을 체내에 삽입시켜 고주파 펄스 발생 장치에서 발생된 무선 전파로 자극하는 방법

인공호흡기 (Ventilator) Oxygen 농도 PEEP (Positive End Expiratory Pressure) 흡기시 흡입되는 산소의 농도 조절 PEEP (Positive End Expiratory Pressure) PEEP은 Expiration 종료시에 기도를 연상태로 유지시키기 위해서 사용. 폐의 functional size 즉, FRC (Functional residual capacity)을 증가 시키기 위해서 사용 CPAP (Continuous Positive Airway Pressure) 지속적 기도양압 : 흡기말의 압력으로 지속성인 양압으로 공급과 동시에 Ventilator가 환자의 폐에 흡기말에 일정량의 Pressure를 공급해서, 항상 환자의 폐가 부푼 상태에서 스스로 자발적인 호흡을 하도록 도와 줌 CPAP는 폐를 팽창시키는 치료를 목적으로 사용 Trigger : 기계적인 호흡의 시작 또는 자발적인 호흡의 시작 Pressure. Support 압력지지로서, 환자가 스스로 호흡을 하고자 할 때 사용되는 자발적인 호흡방식으로, 환자의 자발적인 호흡의 노력이 불충분할 때 미리 선정된 일정한 압력으로 흡기시 호흡을 도와주는 방식

초음파 치료기 초음파 온열 치료기 접속 초음파 장치 초음파를 환부에 조사하여, 그 온열 작용에 의해 치료 주파수 100 kHz – 1 MHz 출력 0.5 – 3 W/cm2 접속 초음파 장치 초음파 조직 파괴 장치 또는 초음파 메스 초음파를 초음파 렌즈 또는 오목 반사면을 가지는 진동자 등으로 접속하여 초점 부분에 체내의 특정 부분만 노출 시켜 치료 뇌와 내장의 장기 등 한정된 국부 조직만 파괴 혈관은 비교적 초음파에 강하기 때문에 환부 조직을 파괴하여도 혈관에는 상처를 주지 않는 무혈 수술 가능 초음파 진동자, 생체 고정 장치로 구성 주파수 1 – 5 MHz 출력 0.1 – 10 kW/cm2

초음파를 이용한 고온도치료를 하기 전에 실험을 해본 것으로 내부의 좁은 영역이 수초동안의 초음파조사에 하얗게 변한 것을 알 수 있다. 초음파를 이용하여 간장암을 치료하는 이미지. 치료효과와 안전성을 확보하기 위해서 영상을 보는 모니터의 정확한 조준이 중요하다.

온열치료기(Hyperthermia) 온열요법 : 역사적으로 이미 의성 히포크라테스에 의해 불치병의 최종치료법으로 소개된바 있는 치료법 열치료 기전 : 정상세포에 비해 암세포는 산도나 혈류가 낮아 열에 민감하므로 섭씨 42도 이상의 열로 암 세포막을 파괴 사멸시키는 것 항암제와 병용할 경우 상승효과가 크며 방선선치료와 달리 암유발의 소인이 없고 부작용이 적다는 장점 초음파 온열치료기 고주파 온열치료기 마이크로파 온열치료기 적외선 온열치료기

마이크로파 Hyperthermia 장치(430 MHz)를 이용한 치료 이미지 암치료에 유효한 온열치료방법인 Hyperthermier를 이용하여 외과적 수술이 불가능한 목 부위의 종양을 치료한 그림 마이크로파 Hyperthermia 장치(430 MHz)를 이용한 치료 이미지

Robotic Surgery RoboDoc : The first robotic surgical machine for artificial hip replacement Utah/MIT Dexterous Hand : Dexterity, tactile sensation and force feedback to the operator’s hand Master/Slave Teleoperator Micro robot

Microsurgery 미세현미경을 이용한 수술 입체 비디오 현미경을 이용한 수술

Micro surgery를 하는 모습. 현미경 아래서 0 Micro surgery를 하는 모습. 현미경 아래서 0.5~2 mm의 혈관, 아주 가는 신경 등을 문합하거나 기관, 조직의 이식을 한다.

입체비디오현미경(좌). 이것을 사용하여 뇌 수술을 하는 모습(우상). 수술 부위의 영상은 모니터에 표시(우하).

입체비디오현미경으로 본 영상 이미지(왼눈, 오른눈) 뇌동맥증의 컴퓨터 그래픽를 이용하여 같은 부위의 CT나 DSA의 영상을 합성하여(좌하) clipping 할 부위를 스케치하여 보여주어(우상) 시술자에게 정보를 표시한다.우하의 그림은 시술자의 현미경 영상에 보강현실법을 사용한 것이다. 안전한 조작 경로(녹색선)와 뇌종양의 윤곽(푸른색 프레임)을 시술자에게 가이드한다.