1. 서 론

병원성 감염(nosocomial infection)은 이전에 감염되지 않았던 사람이 병원성 미생물에 노출되어 발생하는 감염증으로, 삶의 질 저해와 경제적 손실을 야기하며 심하게는 사망까지 이를 수 있는 주요 건강 관리 문제이다^(1,2). 인체 내에 삽입되는 카테터, 인공 호흡기, 이식 장치와 같은 의료기기는 다양한 감염의 원인이 된다⁽³⁾. 특히, 중증 환자에게 사용되는 비뇨기 카테터는 요로감염(urinary track infection, UTI)의 위험요소가 되며, 병원성 감염의 약 75 %를 차지한다고 보고되었다⁽⁴⁾. 카테터 요로감염(catheter-associated urinary track infection, CAUTI)의 원인은 카테터 표면에 형성된 바이오 필름(biofilm)과 관련된 것으로 알려져 있다. 바이오 필름은 카테터 표면에 균이 부착되고 성장, 탈착의 과정을 거쳐 증식하여 생성된다⁽⁵⁾. 요도 카테터 내 감염 관련 균으로는 대장균(escherichia coli, E. coli)이 가장 흔히 나타났으며, 이외에도 그람양성균인 포도상구균종(staphylococcus spp.)과 그람음성균인 녹농균종(pseudomonas spp.)등 다양한 균주들이 발견되었다⁽⁶⁾. 이러한 의료기기에 형성되어 생명을 위협하는 바이오 필름을 제거하고 형성을 억제하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 현재 흡입 장치, 항생제, 표면 코팅 등의 방법들이 있으나, 바이오 필름의 제거 및 억제 효과가 미미하고 항생제 내성균의 제거가 어려운 문제점들이 여전히 남아있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위한 대안으로 광섬유를 이용한 레이저 응용 소독법이 새로운 접근법으로 대두되고 있다.

레이저 응용 소독법은 레이저 광원을 박테리아에 조사하여 광화학 및 광열 효과에 의해 빛에 노출된 박테리아의 사멸을 유도하고 생존력을 감소시키는 방법이다⁽⁷⁾. 400 nm에서 1000 nm 까지 다양한 파장대의 레이저를 적용할 수 있으며, 그 중 405 nm 파장대의 광원은 소독을 위해 널리 사용되고 있다. 405 nm의 빛의 소독 원리는 포피린 반응분해로, 박테리아 내에 존재하는 포피린과 관련이 있다. 포피린은 405 nm 파장에서 가장 높은 흡광을 보이며 크게 반응하는 물질이다. 405 nm의 빛이 박테리아에 조사되면 포피린에 흡수되어 이를 활성화하고, 활성화된 포피린은 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)의 생성을 촉진한다. 이렇게 생성된 활성산소종은 세포 내 산화 스트레스(oxidative stress)를 유발하여 박테리아의 사멸을 유도한다. 더욱이, 405 nm 레이저는 DNA를 파괴하고 인체에 유해한 자외선(ultraviolet, UV)과는 달리, 포르핀 반응과 같은 광화학적 효과를 통해 인체 내에 삽입된 카테터의 소독에 보다 안전하게 적용될 수 있다.

그러나, 포피린 반응을 통한 소독에는 일정 수준 이상의 광 조사가 요구되며 이에 따라 레이저 광 전달에 의한 열이 발생할 수 있다. 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC)은 우수한 내식성으로 카테터와 같은 의료기기에 가장 보편적으로 사용되는 재질이지만, 60 ℃ 이상의 온도에서는 다이옥신(dioxin)과 염소가스(chlorine gas) 등의 인체 유해한 물질을 생성한다⁽⁸⁾. 또한, 인체 조직의 온도가 일정 수준(48 ℃)을 넘어가게 되면 조직에 비가역적 열 손상이 일어나며, 심하게는 조직의 응고(coagulation, 60 ℃), 기화(vaporization, 100 ℃), 탄화(carbonization, 150 ℃ 이상) 등의 문제가 발생한다⁽⁹⁾. 따라서, 인체 내에 삽입된 카테터에 레이저 응용 소독법을 적용하기 위해서는 레이저에 의해 유도된 열 발생을 예측하고 카테터 및 조직의 열 손상을 유발하지 않는 조건을 사용하는 것이 중요하다.

본 연구의 목적은 시뮬레이션을 통해 광섬유 기반 405 nm 레이저에 의한 인체 삽입된 비뇨기 카테터의 열 발생을 예측하고 소독을 위해 적용 가능한 레이저 조사 조건을 확인하는 것이다. 원통형 구조를 통해 관형 조직의 모델을 구현하였고, 카테터 내 효과적인 광 전달을 위해 확산형 광섬유(diffusing optical fiber)를 사용하였다. 또한, 405 nm 레이저에 대한 조직과 카테터의 서로 다른 광학적 특성(optical properties)과 열-물리적 특성(thermo-physical properties)을 고려하여 인체 내 삽입된 카테터와 주변 조직의 예상 온도 변화를 계산하였다. 따라서, 제안된 시뮬레이션 모델은 비뇨기 카테터 소독을 위한 광섬유 기반 레이저의 열 발생 정도를 파악하고 카테터와 조직에 열 손상을 유발하지 않는, 적용 가능한 소독 조건을 예상할 수 있다.

2. 실험 원리

2.1 시뮬레이션 모델의 형상

비뇨기 카테터와 요도 조직의 405 nm 레이저 빛 흡수를 시뮬레이션하기 위해 콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics) 프로그램을 생체 열 전달 방정식과 함께 사용하였다. 요도에 삽관된 카테터와 카테터 내 레이저를 전달하는 확산형 광섬유로 구성된 시뮬레이션 모델은 그림 1에 표현된 기하구조로 구축되었다.

Fig. 1. The geometry of diffusing fiber-inserted urinary cathether model: (a) isotropic, (b) cross-sectional, (c) longitudinal view images of heat transfer simulation.

요도의 점막층은 외경 9 mm, 두께 0.5 mm, 높이(길이) 20 mm으로 가장 바깥 쪽 부분을 둘러싸고 있다. 요도 내에는 외경 5.3 mm, 내경 4 mm인 카테터가 위치했고 요도 조직과 카테터 사이에는 공기로 채워졌다. 가장 안쪽 부분인 카테터 내부의 중심에는 지름 1 mm의 확산형 광섬유가 배치되었다. 광섬유의 발광부(active element)는 5 mm로 z축의 7.5 mm에서 12.5 mm로 설정되었고, 그 외 언급되지 않은 모든 공간은 공기로 지정되었다. 표 1에 요약된 조직 및 카테터의 열-물리적 특성은 각각 균일(homogeneous)한 것으로 가정되었다.

Table 1. Thermo-physical properties of simulated catheter and tissue

Layer	Thick (mm)	k (W/m⦁K)	c (J/kg⦁K)	ρ (kg/$m^{3}$)
Catheter	0.65	0.17	110	1700
Tissue	0.5	0.49	3568	1080

2.3 PVC 온도 변화 측정

시뮬레이션을 통해 계산된 카테터의 열 발생을 확인하기 위해 PVC 튜브 표면의 온도 변화를 IR 카메라(FLIR A300, FLIR System, Wilsonville, USA)를 사용하여 측정하였다. 의료기기로 사용되는 튜명한 PVC 튜브(Portex Blue Line Ultra, Smiths Medical, Minneapolis, USA)의 중심에 5 mm 발광부를 가진 확산형 광섬유를 위치시키고 405 nm 레이저를 5 W로 조사하였다. 레이저의 출력은 광섬유가 연결되지 않은 자체출력으로, 파워 디텍터(PD-300-3W, Ophir, Jerusalem, Israel)와 파워미터(Nova Ⅱ, Ophir, Jerusalem, Israel)를 사용하여 측정하였다. 시뮬레이션 조건과 동일한 75 s를 조사하였고, IR 카메라를 통해 PVC 튜브 표면의 온도 변화를 실시간으로 측정하였다. 시뮬레이션 결과와 실제 측정값의 비교를 위해 초기 온도(0 s)와 최고 온도(75 s)의 변화를 평가하였다(ΔT).

Fig. 2. (a) Cross-sectional view of spatial temperature distribution for various irradiation conditions. Note that a color legend is on the right side. (b) Temperature distribution as function of radial distance (r-direction). Center of structure with diffuser; r = 0.

3. 실험 결과 및 고찰

그림 2(a)는 레이저가 조사되는 마지막 시점에서 온도의 공간적 분포를 횡단면으로 표현하였다. 중심에 위치한 원통 구조의 확산형 광섬유에 의해 주변으로 빛이 전달되어 열이 발생하였으며, 각 색상은 등온 영역을 나타낸다. 레이저에 의해 유도된 온도는 내부 공기와 카테터 인터페이스(interface)에서 시작되었으며, 열 확산은 카테터 내부 공기, 카테터, 요도 내부 공기, 요도 조직에 방사형으로 진행되었다. 온도 분포 결과는 광섬유 축을 중심으로 대칭적으로 나타났다. 동일한 조사선량을 세 가지 다른 레이저 출력 조건(1 W 375 s, 3 W 125 s, 5 W 75 s)으로 비교하였으며, 전반적으로 출력과 조사 시간이 증가함에 따라 온도가 상승하는 결과를 보였다. 온도의 공간적 분포는 –4.5에서 4.5 mm까지의 반경 거리(radial distance) 함수로 그림 2(b)에 표현되었다. 공간상의 온도 분포는 r=0에 위치에 위치한 광섬유를 기준으로 대칭적인 결과를 보였다. 모든 레이저 조건은 비가역적 열 손상이 발생하는 48 ℃ 이상으로 조직을 가열하지 않았다. 한편, 카테터의 결과에서는 현저한 변화가 관찰되었다. 광섬유에 의해 전달된 빛은 카테터에 가장 많이 흡수되어 온도를 증가시켰고, 이에 따라 최고 온도는 카테터에서 측정되었다. 1 W로 375 s 조사된 카테터의 온도는 405 nm 레이저에 의해 최고 45.2 ℃까지 증가하였고, 3 W로 125 s 조사된 카테터는 최고 53.7 ℃까지 가열되었다. 마지막으로, 5 W의 조사 조건에서는 카테터의 온도가 최고 61.7 ℃까지 증가하였다. 따라서, 요도 카테터 내 바이오 필름 소독을 위한 5 W의 405 nm 레이저 사용은 카테터의 온도를 60 ℃ 이상으로 높일 수 있고, 이에 따라 다이옥신과 염소가스 등의 유해한 물질이 방출될 위험이 있다는 것을 확인하였다.

Fig. 3. (a) Longitudinal view of spatial temperature distribution for various laser powers and irradiation times. Note that a color legend on the right side represents temperature (℃). Temperature increase is shown as a function of time (s) (b) at the center of catheter and (c) in tissue.

그림 3(a)는 레이저가 조사되는 마지막 시점에서 온도의 공간적 분포를 종단면으로 표현하였다. 광섬유를 중심으로 원형의 대칭적인 온도 분포 결과를 보였다. 그림 2(a)와 같이 출력과 조사 시간의 증가에 따라 온도가 상승하는 경향을 보였다. 또한, 시간에 따른 카테터와 조직의 온도 변화를 측정하기 위해 그림 3(a)에 나타낸 것과 같이 각 층의 중심부 온도를 측정하였고, 이를 그림 3(b)와 (c)에 그래프로 나타냈다. 그림 3(b)와 (c) 모두 레이저 조사 시간에 따라 온도가 상승하였고, 레이저 조사가 끝난 후 감소하여 40 ℃로 수렴하는 것을 확인하였다. 그림 3(b)와 같이 카테터의 온도는 초기 34.5 ℃에서 레이저 조사와 함께 온도가 상승하였다. 1 W는 다른 출력과 비교하여 서서히 온도가 증가하여 375 s에서 최고 45.2 ℃로 나타났고, 3 W는 보다 빠르게 가열시켜 125 s에서 최고 53.7 ℃의 온도 증가를 보였다. 반면, 5 W는 급격히 카테어의 온도를 증가시켜 레이저 조사 후 56 s 내 카테터의 온도가 60 ℃에 도달했으며, 75 s에서 최고 61.7 ℃로 나타났다. 한편, 그림 3(c)의 조직 온도는 카테터와 비교하여 낮은 수준의 변화를 보였다. 초기 온도가 36.5 ℃인 조직은 1 W의 레이저 조사에 의해 377 s에서 최고 41.7 ℃로 상승하였다. 또한, 3 W는 127 s에서 최고 43.2 ℃, 5 W는 77 s에서 최고 44 ℃로 조직의 온도를 증가시켰다. 따라서, 모든 레이저 조건은 조직의 온도를 비가역적 열 손상이 발생하는 48 ℃까지 가열시키지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 4. Temperature map of PVC tube acquired with an IR camera at (a) initial and (b) final point of laser irradiation.

시뮬레이션을 통해 계산된 결과와 실제 PVC 재질의 튜브에서 측정되는 결과를 비교하기 위해 그림 4는 IR 카메라로 측정된 온도 변화를 나타내었다. PVC 튜브 내부의 중심에 확산형 광섬유를 삽입한 형태로, 그림 4에 표시된 Laser point에서 확산형 광섬유를 통해 카테터로 빛이 전달되었다. 그림 4(a)는 레이저가 조사되기 전인 0 s에서의 온도를 나타낸 것으로, 카테터 표면의 초기 온도(TInitial)는 24 ℃로 측정되었다. 5 W의 레이저가 75 s 동안 전달된 카테터의 온도는 그림 4(b)와 같이 나타났으며, 최고 온도는 51 ℃로 측정되었다. 실제 PVC 튜브에서 0 s와 75 s에 측정된 온도 변화값(ΔT)은 27 ℃이며, 시뮬레이션에서 측정된 온도 변화값 27.7 ℃와 유사하였다.

방사형 거리의 함수에 따른 온도 결과는 조직보다 카테터에서 큰 변화를 보였고, 반면에 열원의 감소로 인해 조직에서는 온도 변화가 크지 않았다. 확산형 광섬유를 통해 전달된 레이저 빛은 카테터에 많이 흡수되었고, 카테터를 통과한 감소된 열원이 조직에 전달되었다. 이러한 이유로, 광섬유에서 시작된 레이저 출력은 대부분 카테터 층에 적용되었으며 광섬유에서 멀리 떨어진 조직에는 소량의 출력만 전달되었다. 또한, 동일한 조사선량을 사용하더라도 레이저의 출력과 조사 시간에 따라 카테터와 조직의 온도 변화는 다르게 나타났다. 특히, 바이오 필름 소독을 위한 5 W 출력은 카테터에 유해한 수준(60 °C) 이상의 높은 열을 발생시켜 문제가 되는 반면, 3 W의 출력에서는 카테터와 조직의 온도가 최대 53.7 °C와 43.2 °C로 모두 유해한 수준 이하로 유지됨을 확인하였다. 또한, 3 W를 이용한 소독은 2 min(125 s)가량으로 6 min 이상(375 s) 레이저의 조사가 필요한 1 W 대비 소독 시간을 약 67 %(1/3 수준) 단축시켜 카테터의 소독에 더욱 적합할 것이다.

개발된 시뮬레이션 모델은 레이저 소독 과정 중 발생하는 열 발생과 카테터와 조직의 온도 변화를 예측할 수 있지만, 수학적 모델링과 고려되지 않은 요소들에 의해 한계점이 존재한다. 우선, 제안된 모델에서 사용된 광학적 특성은 실제 카테터 및 조직과는 차이가 있다. 추가 연구에서 적분구(integrating sphere)를 통한 카테터와 요도 조직의 광학적 특성(흡광, 산란 계수)을 측정하고, 이를 적용하여 보다 정확한 수치 해석을 진행할 필요가 있다. 나아가, 인체에 삽입되는 의료기기와 각 조직의 기하학적, 열-물리적, 광학적 특성을 적용하여 다양한 인체 내 관형 구조에도 적용 가능할 것으로 예상된다. 광섬유에 따른 광 전달 손실 또한 고려해야 할 요소이다. 본 연구에서 언급된 레이저의 출력은 광섬유가 연결되지 않은 자체출력이며 실제 광섬유를 통해 전달되는 출력은 80-90 % 수준으로 감소할 수 있다. 추가 연구에서는 가공된 확산형 광섬유의 광 전달률을 적분구로 측정하고, 광섬유에 따른 손실을 계산하여 적용할 것이다. 또 다른 한계점은 온도 증가에 따른 카테터와 조직의 특성 변화이다. 레이저에 의해 유도된 열 발생으로 카테터와 조직의 특성은 달라질 수 있지만, 본 연구에서 사용된 모델은 모든 특성이 일정하고 균일하도록 가정되었다. 각 물질의 온도 증가에 따른 변화된 특성을 측정하고, 이를 적용하여 시뮬레이션 모델은 개선되어야 한다. 또한, 인체와 카테터 내에는 바이오 필름과 같은 이물질들이 생성되어 존재할 수 있고, 이러한 고려되지 않은 요소들에 의해 특정 부분의 온도가 많이 증가할 수 있다. 따라서, 추가 연구를 통해 실제 생체 내에 삽입된 카테터 모델에서 레이저 조사에 의한 조직 및 카테터의 온도 변화를 확인하고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하여 유효성을 검증할 것이다.

4. 결 론

본 논문은 바이오 필름 소독용 405 nm 레이저의 인체 내 안전한 적용을 위해 원통형 구조의 확산형 광섬유 기반 요도 카테터 시뮬레이션 모델을 제작하고, 이를 이용하여 삽관된 요도 카테터 환경에서 405 nm 레이저 조사로 유도된 카테터 및 조직의 열 발생을 비교 분석하였다. 제작된 시뮬레이션 모델을 이용한 열 분포의 수치 해석은 확산형 광섬유를 통해 조사된 405 nm 레이저가 삽관된 요도 카테터 환경에서 발생시킨 열의 정도를 확인할 수 있었고, 이를 통해 카테터 및 조직의 레이저 출력, 시간, 위치에 따른 온도 변화를 측정할 수 있었다. 또한, 제안된 시뮬레이션 모델은 삽관된 비뇨기 카테터 환경에서 열에 의한 카테터의 유해한 물질 방출과 조직의 비가역적 열 손상 없이 효과적으로 바이오 필름의 소독이 가능한 405 nm 레이저 조건을 예측할 수 있었다. 따라서, 제안된 확산형 광섬유 기반 시뮬레이션 모델은 카테터와 조직의 열-물리적 특성, 광학적 특성, 기하구조의 변화를 통해 인체 내 다양한 관형 구조에 적용 가능한 레이저 치료 조건을 평가하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.