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의료용 빔 전달 파이버를 개선하는 플랫탑 빔 기술

타의 추종을 불허하는 가시성 및 UV 신뢰성

"플랫탑" 또는 "탑햇" 분포라고도 불리는, 균일한 강도 프로필을 갖는 레이저 빔은 일반적으로 기존의 가우스 강도 프로필보다 더 높은 효율성과 더 나은 외과적 결과를 제공합니다. 그러나 대부분의 레이저는 본질적으로 가우스 강도 출력을 생성하며, 의료용 레이저 시스템에서는 이를 플랫탑 분포로 전환하는 것이 보통 비용 및 성능상의 이유로 실용적이지 않습니다. 이러한 요구를 해결하기 위해 Coherent는 입력 가우스 빔을 플랫탑으로 변환하도록 내부적으로 구성된 새로운 세대의 빔 전달 파이버를 개발했습니다. 이러한 파이버는 시스템 비용 또는 복잡성을 크게 증가시키지 않고 파이버 빔 전달 시스템에서 플랫탑 출력을 얻을 수 있는 간단한 방법을 제공합니다.

레이저는 여러 가지 이유로 의학 및 치의학의 다양한 외과적 및 치료적 응용 분야에 널리 사용됩니다. 여기에는 고도로 선택적인 조직 제거 또는 치료를 수행하는 능력, 경우에 따라 동일한 소스로 조직을 절단, 절제 및 응고할 수 있는 능력 및 내시경 전달과의 호환성이 포함됩니다. 레이저 치료는 수술 결과가 더 낫고, 수술 후 통증 및 부종이 감소하고, 회복이 빠르다는 이점이 있습니다.

이러한 이점은 레이저의 특별한 특성으로 인해 발생합니다. 예를 들어 레이저는 매우 작은 스폿 크기에 포커스를 맞출 수 있어서 공간을 더 세밀하게 선택할 수 있습니다. 그 결과 주변 조직의 손상을 줄일 수 있습니다. 또한 경우에 따라 감광제와 결합해서 특정 조직에서 특정 출력을 생성하도록 레이저 파장을 선택할 수 있으므로, 주변 조직 또는 구조에 대한 손상을 방지할 수 있습니다. 또한 레이저는 사용 중 진동 또는 압력을 발생시키지 않으므로 수술 외상을 더욱 최소화합니다.

 

레이저 효과 극대화

대부분의 레이저 절차는 광열 모드에서 작동합니다. 즉, 레이저 광이 조직 또는 감광제에 흡수되어 열을 발생시키고, 이는 조직의 파괴 또는 제거로 이어집니다. 실제로 이를 달성하기 위해 레이저는 일반적으로 비교적 작은 스폿에 포커스를 맞춥니다. 이렇게 해서 레이저 광을 집중시키고 강도를 늘려서 원하는 결과(예: 절제, 응고 또는 둘 다)를 얻는 데 필요한 임계값을 초과할 수 있습니다. 또한 가열 발생 영역을 제한하여, 레이저 공간 선택성을 향상시킵니다.

수술에 사용되는 대부분의 고체 레이저(Er:YAG, Nd:YAG, Ho:YAG 포함)는 가우스 강도 분포를 갖는 빔을 생성합니다. 내시경에서 이러한 빔을 전달하는 데 사용되는 광섬유는 대부분 이러한 강도 프로필을 유지합니다.

하지만 이러한 가우스 강도 프로필은 대부분의 의료 용도에 불리합니다. 빔의 강도를 위치의 함수로 표시하는 그림에서 볼 수 있듯이 가장 중요한 것은 이러한 강도 분포가 에너지를 낭비한다는 것입니다.

Figure 1

그림 1: 플랫탑 강도 프로필은 원하는 의료 시술을 수행할 수 있도록 에너지를 보다 효율적으로 활용합니다. 가우스 빔은 강도가 너무 낮아서 조직을 변형시키지 않고 가열하거나 너무 높아서 에너지를 낭비하는 넓은 영역을 갖습니다.

가우스 분포의 경사가 비교적 완만하기 때문에 중심 영역 밖에서 빔의 상당 부분이 조직의 절제 임계값에 도달할 만큼 충분히 강력하지 않습니다. 즉, 이러한 에너지가 조직을 가열하지만 이를 제거하거나 무엇이든 원하는 다른 효과를 발생시키지 않는다는 것을 의미합니다. 수술 부위에 과도한 열, 방사선 또는 기타 요인이 가해지면 주변의 건강한 조직에 의도하지 않은 손상을 초래할 수 있습니다. 또한 가우스 빔이 서서히 사라지기 때문에 영향을 받는 부위의 가장자리가 선명하게 잘 정의되지 않습니다. 이로 인해 공정의 공간 선택성이 줄어듭니다.

반면에 빔의 많은 중앙 부분에서는 광 강도가 절제 임계값보다 상당히 높습니다. 즉, 필요한 효과보다 많은 에너지를 전달합니다. 따라서 레이저 전력이 상당히 낭비됩니다.

플랫탑 빔 프로필은 최대 강도가 절제 임계값 바로 위에 오도록 레이저 강도를 설정함으로써 이러한 모든 문제를 방지할 수 있습니다. 그리고 나서 레이저 에너지의 대부분이 원하는 공정을 수행하는 데 들어가고, 단순히 조직을 가열만 하는 데 들어가거나 낭비되는 에너지가 거의 없습니다. 또한 빔 강도가 절제 임계값 미만인 영역이 매우 작습니다. 이로 인해 공정의 정확도가 향상되고 레이저 시술 부위의 가장자리가 보다 선명하게 정의됩니다.

 

빔 강도를 변환하기 위한 기존 부품

플랫탑 레이저 빔은 의료 이외에도 많은 응용 분야에서 사용이 바람직하기 때문에, 가우스 빔을 그러한 형식으로 변환하기 위한 여러 가지 방법들이 수년간 개발되었습니다. 이것들은 일반적으로 레이저 자체 외부에서 출력 강도 분포를 변환하기 위해 사용되는 광학 부품 또는 부품 어셈블리입니다. 

이러한 부품은 크게 기존의 굴절 또는 반사 광학을 사용하는 것과 회절 부품을 사용하는 것으로 분류할 수 있습니다. 굴절 방법에는 기존의 구면 렌즈, 비구면 또는 자유형 광학 장치가 포함될 수 있습니다. 궁극적으로, 이러한 모든 방법은 강도 프로필을 평탄화하기 위해 빔의 중심에서 가장자리로 빛을 선택적으로 리디렉션합니다. 

이러한 접근 방법은 매우 높은 수준의 빔 균일성을 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템은 종종 여러 요소를 사용함으로써 물리적으로 더 크고 일반적으로 비용이 많이 듭니다. 또한 일반적으로 입력 빔 지름의 변화에 상대적으로 민감합니다. 

회절 방법에는 기존의 표면 완화 격자와 홀로그램 부품이 모두 포함됩니다. 이것들은 입력 빔을 여러 개의 서로 다른 빔으로 분해한 후 원거리 필드에서 플랫탑 프로필을 생성하도록 조합하는 렌즈렛 배열 형태일 수 있습니다. 마찬가지로 홀로그램 격자는 포커스 평면에서 플랫탑 프로필을 생성하는 여러 중첩 빔렛으로 입력 빔을 회절시킬 수 있습니다. 

회절 방법은 부품이 하나만 필요한 경우가 많아서 굴절 시스템보다 비용이 덜 들고 물리적으로도 더 작습니다. 그러나 일반적으로 강도 균일성 측면에서 동일한 결과 품질을 생성하지 않습니다. 또한 회절 부품은 일반적으로 굴절 방법보다 정렬 및 파장에 더 민감합니다. 

 

플랫탑 빔 전달 파이버

이산 광학 부품에 의존하는 방법은 어떤 것도 의료 응용 분야에 필요한 광학적, 기계적 및 비용적 특성의 조합을 제공하지 않습니다. 많은 외과적 및 치료적 레이저 시술은 이미 파이버 전달을 수반하기 때문에 강도 분포 변환을 위해 파이버를 사용하는 것 자체로 이상적인 해결책을 제공합니다. 시스템을 더 크고 복잡하게 만들지 않고 전체 시스템 비용에 대한 영향도 비교적 낮습니다. 

빔 및 강도 프로필 형성을 위한 특수 광섬유도 한동안 사용할 수 있었습니다. 여기에는 성형 코어, 장기 격자 및 다중 모드 간섭 방법을 포함한 여러 가지 기술이 활용됩니다. 이러한 모든 방법은 낮은 삽입, 작은 크기 및 높은 신뢰성을 포함하여 파이버 기술과 관련된 이점을 제공합니다. 그러나 이것들은 다양한 이유로 인해 구현이 비실용적이거나 필요한 성능을 제공하지 못합니다. 따라서 빔 프로필을 변환하기 위한 고성능의 확장 가능한 전체 파이버 방식에 대한 요구가 남아 있었습니다. 

Coherent는 특히 이러한 요구를 충족할 수 있도록 새로운 파이버 기술을 개발했습니다. 이 기술은 대부분의 광섬유가 수백 또는 수천 개의 서로 다른 가로 모드를 적어도 잠재적으로 지원할 수 있다는 사실에 의존합니다(그림 2 참조). 파이버 및 파이버 결합 광학은 높은 고차 모드로의 결합을 최소화하도록 특별히 설계되는 것이 가장 일반적입니다. 이를 통해 집중 스폿 크기가 늘어나고 빔 중심에서 강도가 멀어지기 때문입니다.  

Figure 2

그림 2: 일반적인 다중 모드, 스텝 인덱스, 원형 코어 광섬유에 대한 일부 가로 모드의 강도 프로필 갤러리.

그러나 이 경우에는 고차 모드로 결합하는 것이 유용합니다. 하지만 필요한 크기 및 발산 각도를 갖는 플랫탑 강도 분포를 생성할 수 있도록 완전히 결정적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 수행되어야 합니다. 

이를 달성하기 위한 핵심은 적절한 비율로 중첩될 때 필요한 출력 분포를 정확하게 제공할 수 있는 여러 특정 모드를 선택하는 것입니다. Coherent는 이제 "모드 혼합" 요소를 파이버 코어로 통합하여 이를 안정적이고 반복적으로 수행하는 파이버를 만들었습니다. 이러한 모드 혼합 요소에는 굴절률 및 정렬 변동의 조합이 사용됩니다. 이것들은 필요한 양의 빛을 선택한 고차 모드로 분포합니다. 

그림은 NuBEAM 플랫탑이라고 부르는 Coherent 플랫탑 파이버에 대한 샘플 가로 모드 분포 및 결과 플랫탑 출력 강도 프로필을 보여줍니다. 구체적으로, 단일 모드 레이저 빔이 플랫탑 파이버로 발사될 때 처음 400개 가로 모드의 상대 에너지 분포를 보여줍니다. 비교를 위해서는 동일한 작동 조건에서 표준 멀티 모드 파이버의 모드 구성을 보여줍니다.

Figure 3

그림 3: 플랫탑 파이버 및 표준 다중 모드 빔 전달 파이버의 처음 400개 가로 모드에서의 상대 전력 결과 플랫탑 빔 프로필도 보여줍니다. 

결과 플랫탑 출력이 상당히 균일하고, 감쇠는 순수 실리카 코어를 갖는 표준 스텝 인덱스 파이버의 감쇠와 크게 다르지 않습니다. 또한 이 특정 플랫탑 파이버는 표준 빔 전달 파이버와 동일한 사양으로 설계되었습니다(표 참조). 따라서 NuBEAM 플랫탑은 표준 파이버의 다른 모든 물리적 및 광학적 특성을 유지하면서 원하는 출력 특성을 제공합니다. 따라서 재설계를 최소화하면서 기존 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다. 

매개변수 표준 BD 케이블 NuBEAM 플랫탑 파이버

코어 지름(µm)

100

100

내부 클래드 지름(μm)

120

120

외부 클래드 지름(μm)

360

360

코어 NA

0.22

0.22

모드 수

~1700

~1700

길이(m)

5~30

5~30

모드 혼합 요소 

아니요

표 1: NuBEAM 플랫탑 파이버는 다른 일반적인 빔 전달 파이버와 동일한 특성을 가지므로 시스템을 크게 재설계하지 않아도 쉽게 사용할 수 있습니다.

NuBEAM 플랫탑 기술의 또 다른 중요한 측면은 쉽게 확장 가능하다는 것입니다. 특히 균질화된 플랫탑 빔 프로필을 유지하면서도 이러한 파이버 유형에 대한 BPP(빔 매개변수 곱)를 변경할 수 있습니다. 이를 위해 모드 혼합 요소의 설계를 조정해서 지원되는 모드와 각 모드에 결합된 에너지량의 정확한 조합을 변경합니다. 따라서 응용 분야의 요구에 맞게 파이버 출력을 조정할 수 있습니다.

 

Conclusion

Flat-top beam profiles offer better outcomes in a variety of surgical and therapeutic applications. But, the cost and practical difficulties of converting the Gaussian intensity profile output from most lasers into this format have prevented widespread use of flat-top beams in medical systems. The NuBEAM Flat-Top technology provides an easy way to obtain the flat-top beam profile from a delivery fiber which is in other all respects substantially the same as those already in use. This makes the technology easy to adopt, without risk or technical difficulty, and without impact time-to-market.

 

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