레이저 치의학 소개

1. 레이저의 정의
레이저(LASER)란 Light(빛) Amplification(증폭) by Stimulated(유도) Emission(방출) of Radiation(복사에너지)의 영문 각 단어의 머리글자를 딴 말로서 “에너지의 유도방출에 의한 빛의 증폭”을 뜻한다.

2. 레이저 빛의 특성
(1) 일치성(Coherence)
레이저 빛은 간섭성이 우수하다. 레이저 빛의 파는 정점은 정점끼리 골은 골끼리 모두 일치하여 시간적으로나 공간적으로나 같은 위상을 유지하고 있다. 전등 또는 형광등의 보통 광원은 공간적, 시간적으로 일정하지 못함은 물론 광파의 진폭, 주파수가 서로 다른 불규칙한 파의 집합으로 간섭현상이 일어나지 않는다.

(2) 직진성(Collimation)
레이저 광은 간섭성이 좋기 때문에 매우 뛰어난 지향성을 나타낸다. 일반 빛은 전구와 같은 광원에서 나오면서 사방으로 퍼져버리지만 레이저 빛은 단일 방향으로 평행하게 진행하며 멀리까지 퍼지지 않는다.

(3) 단색성(Monochromacity)
단색성이란 단일 주파수, 즉 단일 색으로 구성된 빛을 말한다. 일반 빛은 여러 가지 파장과 색으로 구성되어 있지만 레이저 빛은 단일 파장과 단일 색으로 구성된다.

3. 생체조직에 대한 레이저의 작용
모든 파장의 레이저광은 생체조직에 입사되어 흡수된 경우, 매우 낮은 출력에서는 세포의 파괴 없이 특정한 화학적 반응과 신진대사 반응을 일으키고, 높은 출력에서는 조직의 온도를 높여 열파괴 작용이 발생하며, 지극히 높은 출력에서는 열파괴 작용이 발생하기 전에 비열적, 기계적 파괴가 일어난다(그림 1).

그림 1. 레이저 에너지의 작용 형태와 출력밀도 및 작용 시간 사이의 관계(Harris and Werkhaven, 1989)

임상적으로 레이저의 출력에 따라 저출력으로는 화학적, 신진대사 반응용으로 통증치료, 항염증 치료 및 생체자극요법에 활용하며, 중간 출력으로는 열파괴를 이용한 수술용으로, 마지막으로 매우 높은 출력을 이용하여 비열적, 기계적 파괴용으로 적용한다.

4. 레이저 치료의 장점
(1) 지혈(Hemostasis)
레이저 광이 헤모글로빈(hemoglobin)을 target으로 직접 작용하거나 또는 미세혈관을 폐쇄시켜 연조직 술식을 출혈 없이 혹은 최소한의 출혈로 진행할 수 있다. 이러한 충분한 지혈효과로 인해 시야확보가 용이하여 수술의 정밀도(precision)를 높여주고, 주변조직에 대한 손상이 적으므로 향후 조직의 괴사나 퇴축이 적게 일어난다. 또한 보존치료 시에는 수복 부위 노출을 위한 수술 후에도 건조 상태에서 접착성 레진을 즉시 충전할 수 있게 되어, 환자는 시간을 절약할 수 있고 여러 번 재내원해야 하는 불편이 감소될 수 있다.

(2) 진통 효과(Analgesia)
진통 효과에 관한 정확한 기전은 아직 연구 중이나, 신경섬유의 신경전달을 일시적으로 차단함으로써 발생되는 것으로 알려져 있으며, 이외에 베타 엔돌핀(β-endorphin)과 같은 신경전달물질의 분비를 촉진시키거나, 프로스타글란딘(prostaglandin)과 같은 통증전달물질의 분비를 감소시켜 진통효과를 나타내기도 한다. 이러한 진통효과로 인해 시술을 위한 마취의 필요성을 줄일 수 있으며, 이러한 점은 환자에게 가장 중요한 장점이 될 수 있다.

(3) 살균효과(Bactericidal effect)
레이저 조사 부위의 세균 감소 효과가 보고되고 있으며, 이러한 효과는 시술부위의 염증을 감소시켜 치유를 촉진시킬 뿐만 아니라, 잠재적인 혈행성 감염의 위험을 줄여 술 후 감염이나 균혈증에 대한 예방효과를 기대할 수 있다.

4) 창상 치유(Wound healing)
저출력 레이저 치료에 의한 생체자극 효과(biostimulation effect)와 레이저 광의 세균 감소 효과로 인해 상처부위의 치유가 촉진된다. 지혈효과를 포함한 이러한 여러 가지 효과로 인하여 레이저 시술 시 봉합의 필요성이 감소되어 환자에게 주는 손상이 적고 치료 기간이 단축된다.

5. 치과용 레이저의 임상적 활용(Clinical Applications of Dental Lasers)

레이저는 사용되는 레이저의 활성매질에 따라 이름이 명명되며, 각기 고유의 파장을 지닌다. 치과 영역에서 사용되는 레이저의 파장은 대부분 가시광선과 적외선 영역에 속하며, 여기에는 아르곤(Ar), 헬륨네온(He-Ne), 다이오드(AlGa, AlGaAs), 엔디야그(Nd:YAG), 홀뮴야그(Ho:YAG), 어븀크롬YSGG(Er,Cr:YSGG), 어븀야그(Er:YAG), 이산화탄소(CO2) 레이저 등이 있다(그림 2).

그림 2. 전자기파 스펙트럼에서 치과용 레이저의 파장 위치
그림 3은 현재 치과에서 사용되고 있는 다양한 종류의 레이저에 대해 각 파장대 별 흡수계수(absorption coefficient)를 보여주고 있으며, 표 1은 임상에서 사용되고 있는 치과용 레이저의 종류, 파장, 사용되는 활성매질, 레이저의 중요 적용 물질 등을 보여주고 있다.

그림 3. 치과용 레이저의 흡수 곡선

(1) 엔디야그(Nd:YAG) 레이저
엔디야그 (Nd:YAG) (Neodymium doped Yttrium Aluminum Garnet) 레이저는 1064nm 파장의 근적외선 영역의 고체레이저로서, 멜라닌 색소에 흡수가 잘 되며, 헤모글로빈과 같은 어두운 색소에도 높은 흡수도를 보인다. 물, 상아질(dentin) 등에는 약하게 흡수되며, 조직에 포함된 수분에 대한 흡수도가 매우 낮기 때문에 조직에 조사하면 레이저 에너지가 수 mm 깊이로 멀리 전달된다. 엔디야그 레이저의 활성매질은 소량의 neodymium (Nd) 성분이 균일하게 도포된 yttrium aluminum garnet (YAG) 결정체이며, 발생된 레이저 광의 전달시스템으로서 광섬유를 사용한다. 광섬유를 이용한 전달시스템은 원하는 부위에 접근성이 용이하며, 접촉식 레이저 조사가 가능하다. 광섬유를 이용하여 접촉식으로 사용되는 레이저는 가는 광섬유 첨단에 의해 세밀하게 연조직을 절개할 수 있으며, Hot-tip fiber effect를 이용하여 연조직 절개 및 소산이 가능하다. 이는 광섬유 첨단에서 발생된 고열에 의한 효과로 레이저의 파장별 특성과는 무관하다.
엔디야그 레이저는 연조직에는 조직생검(biopsy), 치은연하소파(subgingival curettage), 치은판 절제술(operculectomy), 치은절제술, 소대절제술, 아프타성 궤양 등에 적용하며, 경조직에는 지각과민처치(desensitization), 치면열구 처치(pit and fissure therapy), 초기 우식증의 제거, 근관치료에서 치수절제 및 근관소독에 사용할 수 있고, 근관충전에도 응용할 수 있다. 그러나 현재 경조직에는 어븀야그(Er:YAG) 레이저와 같은 경조직용 레이저를 사용하는 것이 보다 보편화되어 있다.

(2) 어븀야그(Er:YAG) 레이저
어븀야그 (Er:YAG) (Erbium doped Yttrium Aluminum Garnet) 레이저는 2940nm 파장의 근적외선 영역의 고체 레이저로서, 물과 수산화인회석, 콜라겐(collagen)에 흡수가 잘되며, 접힘팔이나 광섬유로 전달된다.
어븀야그 계열 레이저의 치아 삭제 기전은 미세폭발(microexplosion)과 음파충격(acoustic shock)인데, 미세폭발이 90%, 음파충격이 10% 정도의 역할을 한다. 어븀야그 레이저와 어븀크롬YSGG 레이저는 특히 수분에 잘 흡수되어 레이저가 조직내 수분에 집중적으로 흡수되어 온도를 급상승시켜 기화되게 함으로써 그 압력에 의해 폭발이 일어나게 되며 이 조직 내 미세폭발에 의해 조직이 절제된다. 이외에도 수분에 레이저가 흡수되면 물 내부에 음파가 발생되고 그 음파의 충격에 의해 조직이 파괴되기도 한다. 이와 같은 미세폭발이나 음파충격으로 인한 물리적인 조직의 절제는 조직이 용융되기 전에 발생하는 것이므로 열에 의한 손상이 적고 깨끗하게 절제된다는 장점이 있다.
어븀야그 레이저는 치아우식 제거뿐만 아니라 법랑질의 삭제도 가능하며, 골의 삭제 및 연조직 수술 등에도 적용된다. 치아우식 제거, 법랑질 삭제, 골 삭제의 경우 열적 손상이 적은 장점을 가지고 있는 반면 물과 함께 사용하므로 연조직 수술 시 지혈 효과가 낮다.

(3) 어븀크롬YSGG(Er,Cr:YSSG) 레이저
어븀크롬YSGG (Er,Cr:YSGG) (Erbium, Chromium doped Yttrium Scandium Gallium Garnet) 레이저는 2780nm 파장의 고체 레이저로서 물과 수산화인회석에 흡수가 잘 된다. 펄스 방식으로 조사되며 물과 공기의 분사와 함께 사용된다.
어븀크롬YSGG 레이저는 연조직 수술뿐만 아니라 법랑질, 상아질, 골을 삭제하는데 효과가 있다. 어븀크롬YSGG 레이저의 치아삭제 기전은 어븀야그 레이저의 삭제 기전과 기본적으로 같으며 삭제효율도 비슷하다. 물을 분사하면서 사용하면 치아의 경조직에 조사해도 온도가 올라가지 않고 절삭능력이 우수하다. 또한 어븀크롬YSGG 레이저는 다른 레이저에 비해 임플란트 표면의 열손상이 적고 오염물질의 제거에 효과가 탁월한 것으로 보고되고 있다.

(4) 이산화탄소(CO2) 레이저
이산화탄소 레이저는 10600nm 파장의 원적외선 영역에 속하는 기체 레이저로서, 물과 수산화인회석(hydroxyapatite)에 흡수가 잘 된다. 접힘팔이나 파도관을 통하여 레이저 광의 전달이 가능하며, 방출 방식은 연속파와 개폐형 펄스이다. 레이저 적용방식 면에서 이산화탄소 레이저는 대표적인 비접촉형으로서, 정초점 기법(focusing)과 탈초점 기법(defocusing)을 모두 사용할 수 있다. 접힘팔 방식은 구강 내의 병소에 접근하고 시술하기에 불편한 점이 많았지만, 최근에는 파도관 전달계를 장착한 레이저 장비가 나와서 구강의 모든 부위에 쉽게 접근할 수 있게 되었다.
이산화탄소 레이저는 구강 연조직의 절제 또는 절개에 주로 사용되며, 평균출력 설정은 대부분 4-6W이다. 또한 탈초점 방식으로 2-3W의 낮은 출력을 적용하여, 조직을 응고 표백시켜 하부조직과 분리시킴으로써 넓고 얕은 연조직 표층부 병소를 완전히 박리해내는 데에도 매우 효과적이다. 이산화탄소 레이저는 지혈효과와 절개능력이 뛰어나 치은절제술(gingivectomy), 치은성형술(gingivoplasty), 소대절제술(frenectomy), 임플란트 2차 수술(second-stage implant surgery), 레이저 박피술(laser peel), 구강 점막병소에 대한 저출력 레이저 요법 등 구강 연조직 병소의 치료에는 매우 효과적이나 치아삭제 등 경조직 관련 치료에는 거의 사용되지 못하고 있는 것이 단점이다.
이산화탄소 레이저는 국산화와 함께 장비의 가격이 매우 저렴해짐으로써 치과에서 보편적인 레이저가 되어가고 있다.

(5) 다이오드(Diode) 레이저
812-980nm 파장의 근적외선 영역의 고체레이저로, 멜라닌 색소, 물, 헤모글로빈에 흡수가 잘된다. 광섬유로 전달되며 연속파 또는 펄스 방식이다. GaAs 레이저(904nm), GaAlAs 레이저(780-820-870nm), InGaAlP 레이저 (630-685nm) 등이 있으며 임상적 적용 영역은 연조직 수술, 생체자극 등이다.

6. 저출력 레이저 요법(Low Level Laser Therapy, LLLT)
(1) 정의 및 작용기전
저출력 레이저 요법(low level laser therapy)은 레이저 조사 시 조직에 발생되는 열적 효과보다 레이저 빛의 순수한 특성에 의해 생체자극 효과를 일으키는 것으로, 전형적인 출력은 10-50mW이며, 총 조사 에너지는 수 J(joule)이다. 저출력 레이저 치료에 사용하는 파장은 물에 대한 흡수율이 낮으며, 연조직 및 경조직 등에서의 조직 투과 범위는 3-15mm 정도로 알려져 있다. 생체자극을 일으키는 저출력 레이저 치료의 작용기전은 레이저 광원이 세포 내의 광수용체(photoreceptor), 특히 미토콘드리아(mitochondria) 생체막의 전자 전달계에 흡수되어 세포의 에너지원이라고 할 수 있는 ATP(아데노신삼인산염, adenosine triphosphate)를 증가시키는 것이다. 일련의 과정에 의해 전자전달계에서 ATP가 생성되어, 세포 내 에너지를 공급하고 세포 대사를 증가시켜 창상 치유 촉진, 항염증 효과, 통증 완화와 같은 다양한 생리학적 효과를 나타낸다고 알려져 있다.

(2) 저출력 레이저의 종류
임상에서 흔히 사용하는 저출력 레이저로는 632.8nm 파장의 적색광을 가지는 헬륨-네온(He-Ne, Helium-Neon) 레이저, 904 nm 파장의 GaAs(Galium Arsenide) 다이오드 레이저, 820 nm 파장의 GaAlAs(Galium Aluminum Arsenide) 다이오드 레이저 등이 있으며, 최근에는 수술용 레이저인 엔디야그 레이저, 아르곤 레이저, 이산화탄소 레이저 등도 출력을 낮추어 통증 치료, 항염증 치료 등 생체자극 요법에 적용이 가능하다는 보고가 있다.

(3) 임상적 적용
그동안 여러 연구를 통하여 실험적으로는 저출력 레이저의 세포 자극 효과가 충분히 입증되었지만, 저출력 레이저의 정확한 치료 기전에 대해서는 아직도 과학적인 증거가 충분하지 못한 실정이라서 그 치료 효과에 대해서도 논란이 많은 것이 사실이다. 하지만 현재까지 알려진 저출력 레이저의 다양한 생체자극 효과를 바탕으로, 턱관절 질환, 삼차신경통과 같은 구강안면통증, 아프타성 궤양 및 다양한 구강점막질환, 치태형성 억제, 발치와 및 창상 치유 촉진, 시린이 치료, 손상된 신경의 회복, 부종 감소 등에 다양하게 적용하고 있다.