생체조직 내 광 밀도 향상을 위한 Tissue Optical Clearing methods 정량화에 대한 연구 : positive pressure, glycerol injection, laser pulse modulation and Tissue temperature

Abstract

생체조직은 조직 광학적으로 강한 산란특성을 가지고 있어, 광자가 발색단이 위치한 조직의 심부에 도달하기 전, 상피 및 진피층 상부에서의 강한 산란현상과 이로 인한 감쇠현상으로 광자가 조직 깊이 투과하지 못하기 때문에 광을 이용한 진단 및 치료의 효율성이 떨어지는 본질적인 한계점이 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 생체조직 내 광 산란현상을 줄이고 결과적으로 광 투과를 증가시켜 심부조직의 발색단에 도달하는 광 밀도를 증가시키는 Tissue Optical Clearing(TOC) 방법들이 다양하게 연구되고 있는데, 광 산란 감쇠물질 적용, 생체조직에 압력인가, 생체조직의 온도제어, 펄스모드 레이저 조사 등의 방법이 임상적용 측면에서 가장 효과적인 것으로 판단된다.본 연구에서는 TOC방법들의 각기 혹은 복합 적용시 생체조직 내 광 투과 깊이 향상 및 광 밀도 향상에 대하여 객관화, 정량화를 하기 위해 압력인가형 레이저 프로브와 온도제어형 레이저 프로브를 설계하였으며 해당 프로브의 제어변수들을 제어하기 위한 통합 시스템을 설계하여 1)생체조직에 특정압력인가, 2)생체조직의 온도변화, 3)생체조직에 펄스모드 레이저 조사, 4)생체조직에 광 산란 감쇠물질 주입시 광 투과패턴 변화 정량화 등의 실험을 각기 진행하여 정량적 분석을 진행하였고, 최종적으로 각기 실험을 통해 생체조직 내 광 밀도를 향상시키기 위한 최적 제어변수를 도출하여 5)생체조직에 Tissue Optical Clearing 방법(펄스모드 레이저 조사, 생체조직 온도제어, 광 산란 감쇠물질 주입) 복합 적용시 광 투과패턴 변화 정량화 실험을 진행하였다. 실험 결과로는 1)생체조직에 0kPa∼-30kPa의 범위로 압력을 인가하였을 때, 생체조직을 투과한 peak intensity는 -30kPa의 압력인가시(0kPa 기준) 프로브의 직경 20Ø에서는 2.74배, 30Ø에서는 3.22배, 40Ø에서는 3.64배 증가하였다. 2)생체조직의 진피층(외피포함)의 온도를 40℃에서 10℃로 감소시킬 경우, total intensity(at FWHM)가 (조직의 온도 40℃ 기준) 30℃에서는 1.04배, 20℃에서는 1.32배, 10℃에서는 1.37배 증가하였고 생체조직의 환산 광 산란계수(reduced scattering coefficient)는 40℃일 때 1.71mm-1, 30℃일 때 1.66mm-1, 20℃일 때 1.56mm-1, 10℃일 때 1.42mm-1 로 점차 감소하였다. 3)생체조직에 동일한 average power에서 5Hz∼30Hz의 범위로 펄스모드 레이저를 조사할 경우, total intensity(at FWHM)는 동일한 실험 조건에서 연속파 레이저 조사의 경우보다 레이저의 펄스 5Hz에서 1.22배, 10Hz에서 1.11배, 15Hz에서 1.10배, 20Hz에서 1.07배, 25Hz에서 1.09배, 30Hz에서 1.10배 증가하였다. 4)생체조직에 95% 글리세롤 주입시(injection), 주입 전에 비하여 주입 후 peak intensity는 2.13배, total intensity(at FWHM)는 1.81배 증가하였다. 5)마지막으로 각기 TOC 방법들의 정량화 실험에서 도출된 최적 제어변수들을 복합적으로 적용한 실험에서는, 동일한 실험 조건에서 복합 적용한 경우와 각기 제어변수 적용 경우와의 비교를 위하여 2)~4)의 실험에서 도출된 제어변수들(펄스모드 레이저 조사(5Hz),생체조직 온도제어(10℃), 광 산란 감쇠물질 주입(95% 글리세롤))에 대해서 각각의 실험을 진행하고 복합 적용시의 실험을 진행한 결과, peak intensity는 펄스모드 레이저 조사(5Hz)시 1.49배, 생체조직 온도제어(10℃)시 1.39배, 95% 글리세롤 주입시 2.14배, 마지막으로 복합적용시 3.40배 증가하였다. total intensity(at FWHM)의 경우 펄스모드 레이저 조사(5Hz)시 1.22배, 생체조직 온도제어(10℃)시 1.21배, 95% 글리세롤 주입시 1.64배, 마지막으로 복합적용시 1.86배 증가하였다.본 연구에서는 생체조직 내 광 투과 효율성을 극대화시킬 수 있는 Tissue Optical Clearing 방법들에 대하여 정량적 분석을 진행하였고, 이를 위하여 생체조직에 대하여 레이저 조사와 동시에 각 제어변수의 적용이 가능한 레이저 프로브를 설계하였으며 이를 제어하기 위한 통합 시스템을 설계하여 임상적용 가능성을 높였다. 향후 연구과제는 본 연구에서 설계된 레이저 프로브를 개선하여 임상적용 가능성을 보다 향상시키고, 본 연구에서 사용된 생체조직과 동일한 광 흡수계수와 산란계수를 가진 optical phantom을 설계하여 동일한 실험조건 및 방법으로 in-vitro 연구를 진행하여 비교/분석이 필요하며 이를 통해 생체조직의 온도제어 및 레이저의 펄스모드 조사시 일어나는 생체조직의 광 특성변화에서 흡수 및 산란 인자가 미치는 영향을 제외한 다른 조직학적 기전에 대한 추가연구가 필요하다.