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SAW를 이용한 피부치료 시스템과 방법 Light Therapy


SAW를 이용한 피부치료 시스템과 방법



 

1. 기술배경 및 요약

○ 이 기술은 인간 피부표면에 SAW(Surface Acoustic Wave: 표면탄성파)를 생성시켜 상처치료, 감염방지 및 항균이 필요한 특정 치료부위를 지적해주는 방법에 관한 것이다.

– 초음파는 진단과 치료를 위한 의료분야와 용접, 절삭, 광섬유 기술, 속도계 등 산업분야에 광범위하게 사용되어 왔다. 초음파 트랜듀서(transducer)가 탐색대상 물체나 조직과 접촉하여 1~10MHz정도의 초음파를 방사하면 접촉대상부위 내부구조에서 반사된 초음파 신호는 이미지를 형성한다.

– 초음파를 사용하는 의료용도는 에어로졸 분무, 접촉 물리치료, 연 조직 열 치료 분야인데, 접촉 물리치료는 환자에게 불편과 고통을 야기시키고 피부손상이 발생하기도 한다.

– 외상, 화상 및 절개부위의 혈액 응고나 상처에 직접 접촉하는 초음파치료는 상처부위에 고통을 주어 적절하지 못하다. 종래의 초음파 장치는 손상조직 표면에 초음파 발진자에 의한 조직괴사를 가져올 수 있다. 또 피부 위에서 초음파를 심층 전파하는 구조로 에너지 소모가 크다.

○ 이 기술은 피부치료의 한 방법으로 피부 위에 프로세서가 연결된 액추에이터를 조정하여 피부 위에서 발생시킨 SAW로 치료효과를 달성하도록 하는 기술이다. 치료 장치는 피부접촉 부 안쪽의 SAW를 발생하는 액추에이터와 이를 제어하는 프로세서로 구성되어 있다.

– 이 기술은 Rayleigh 혹은 Lamb 형태의 SAW로 인간의 피부 및 하부

층 치료에 대한 방법을 제시한다. 특히 원기회복, 혈액순환 개선, 조직의 열 치료, 효소 촉진, 근육이완, 고통완화, 자연치유력 강화에 이용될 수 있다.

– 상처범위는 당뇨병, 외과적 절개, 절단봉합, 피부이식, 모발이식, 혈관이식, 욕창, 봉합의 터짐, 인대치료, 힘줄복원에 기인한 궤양이나 화상으로 인한 정맥궤양을 포함하며, 상처치유는 연 조직의 원상회복과 치료시의 손상도 포함한다.



2. 기본원리 및 상세설명

○ 종래의 치료초음파는 20~120KHz 저주파와 1~4MHz 고주파로 종파, 횡파 특성을 갖고 있다. 이 기술은 저 전력(0.05~1.0W/cm2), 저주파(20~120KHz) SAW를 이용하며, 다음과 같은 분야에서 효과가 입증되었다.

– 유착방지, 미세 마사지, 치유과정, 조직체액 변화, 모세혈관 성장증가, 조직체액의 PH증가, 통증저하 증후군, 혈전형성방지, 투약관리, 마찰감소, 조직정화세척, 농양의 제거, 감염방지, 세포생체자극, 혈액순환, 미세마사지, 건조, 약의 확산강도, 코팅 적응력, 상처치유 분야 등

○ 피부(402)의 외피(110)에 SAW를 생성하는 액추에이터(200)의 구성도를<그림1>에 나타낸다. 액추에이터(200)는 CPU, 주파수발진기, 증폭기, 송수신부품으로 구성된 프로세서(300)와 통신한다.

<그림 1> 피부의 외피에 SAW를 생성하는 액추에이터 구성도


– 액추에이터(200)는 프로세서(300)로부터 신호를 수신하면 수KHz~수MHz범위에서 기계적 진동을 발생시킨다. 기계적 주파수 진동은 피부외피(402, 110)에 SAW를 생성하고 피부심층부로 침투한다.

– 액추에이터(200)에서 기계적 주파수의 발진은 프로세서(300) 생성 주파수와 관련되어 있어 주파수 발진범위가 MHz이면 기계적 진동도 MHz로 유사하다. 프로세서(300)의 에너지원은 주기적 혹은 비주기적이며 전자기계적, 전자계적 및 전자 광학적일 수 있다.

– 액추에이터(200)는 다수의 피에조일렉트릭 트랜듀서, 전자계적 탄성 트랜듀서, 레이저펄스 트랜듀서로 구성된다. 피에조일렉트릭 및 전자기계적 트랜듀서 경우는 액추에이터와 접촉결합이 필요하고, 레이저펄스 트랜듀서 경우는 비접촉방법이 사용된다.

○ SAW는 Rayleigh, lamb, Love, Leaky Rayleigh, Sezawa wave 등 여러 형태가 있다. Rayleigh wave는 두 매질 사이의 경계를 따라 파장 깊이로 침투하여 진행하며 분자는 타원운동 구조를 갖고 있다. Lamb wave는 Rayleigh wave의 특수형태이며 박판소재에서 주로 발생한다.

○ SAW를 이용하는 피부치료 시스템은 피에조일렉트릭 및 전자계, 레이저 트랜듀서 액추에이터로 SAW를 생성하고, 액추에이터(200), 프로세서(300), 피부(402)와 액추에이터(200)사이의 커플러로 구성된다.

– 액추에이터(200)는 피에조일렉트릭 형태로 프로세서(300)의 신호를 기계적 에너지로 변환하고 피부(402)로 송신하여 SAW를 생성하면 전기적 신호로 변환되어 프로세서(300)로 피드백 되는 구조이다.

– 액추에이터(200)와 피부(402)사이에서 커플러는 피부(402)와 액추에이터(200)의 음향신호 특성 결합과 신호변환 작업을 한다. 프로세서(300)는 시스템 내 외부 전력공급원과 출력 파라미터를 제어한다.

․ 제어부는 주파수발진기, 주파수와 진폭 파라미터를 변조하는 변조기, 다양한 위상진동을 제공하는 진동선택기능을 포함한다.

․ 주파수발진기와 변조기는 진동선택 스위치에 연결되어 있고 선택 진동신호는 증폭기를 통해 액추에이터로 보내진다. 진동신호는 프로세서에서 수신되며 액추에이터 안으로 흡수되거나 근처의 센서로 보내진다.

․ 수신기의 수신신호는 메모리 모듈로 보내지고 값이 비교된 후, 그 결과는 제어부로 보내져서 진폭과 주파수 등의 파라미터들이 자동조정되거나 수동 조정되도록 알람신호가 전송된다.

․ 파라미터는 시스템의 용도에 따라 다양하다. 액추에이터의 피부적용 주파수범위는 0.1Hz~10MHz이며, 크림 같은 드레싱 의약품을 적용할 경우에는 1KHz~20MHz이다.

․ 치료용 wave형태는 다양하므로 진폭증가를 위해 wave를 변조시키고 지속적인 pulse 입력으로 에너지를 강화시킬 수 있다. 여드름은 집중 wave로 치료가능하고 마이크로 마사지는 광역 wave로 가능하다.

․ 미세유동은 광역 wave로 가능하고 미세유동속도는 파라미터 별로 다양하여 1nm~10micro ns/min이다.

– 액추에이터(200)의 에너지 변화는 피부미립자에 상이한 치료효과를 가진 인장력과 반발력을 발생시킨다. 작은 진동바늘 같은 에너지 탐침인 액추에이터(200)는 SAW를 생성하여 액추에이터 주위로 송신한다. 피하 층의 에너지 침투력은 에너지 강도, 피에조 일렉트릭소자 주파수, 진동특성에 따라 달라진다.

○ Rayleigh wave의 전파 구조에서 실제 SAW wave 형태는 시간경과에 따라 기계적인 표면구조의 타원형 이동을 한다. 물리적 이동요소는 SAW 전파의 X축에 평행방향과 Y축 방향으로 진행하는 방향이다. Lamb wave전파는 피부(402)같은 고체의 밀도, 탄성, 소재특성에 따라 다르며 주파수와 소재두께에 영향 받는다. 수많은 Lamb wave가 가능하나 대부분 대칭, 비대칭 범주이며 입자운동은 SAW와 유사하다.

○ 피부 내외피상에서 SAW는 미립자나 체액으로 구성된 피부의 당기고 미는 효과를 일으킨다. 생체막(biofilm) 형성 경우 SAW는 기존생체막 증식감소, 생체막 항생내성을 감소시켜 항생물질의 효과 강화, 광범위 항생제와 항혈청의 생산, 조직치료의 확대를 가져올 수 있다.

○ SAW 생성은 전자계, 레이저 펄스, 피에조일렉트릭 이용방법이 있다.

– 전자계 트랜듀서로 구성된 액추에이터(200)를 <그림2>에 나타낸다. 금속과 같은 도전성 물질로 된 베이스부분(280)과 전자기 초음파 트랜듀서로 이루어진 작동부분(282)으로 구성된다.

<그림 2> 액추에이터의 구조


․ 작동부분은(282)은 plate에 Lamb wave를 활성화 하기위한 부분이며, 액추에이터는 피부(402) 원자를 진동시킨다. 프로세서(300)가 베이스부분에 전류를 보내 특정초음파가 발생되면 작동부분(282)은 Lamb wave형태의 진동을 생성한다. 가장 큰 진폭은 피부상에서 활성화된 SAW 파장의 1/2이다.

– 피에조일렉트릭 트랜듀서 액추에이터(200)를 <그림 2>에 나타낸다. 0.2~2㎚ 진폭 진동을 가지고 SAW를 형성하는 다수의 액추에이터

(203)로 구성된다.

․ 액추에이터(200)는 다수 피에조요소(203)인 전극으로 구성된 작동부분(282)과 베이스부분(280)으로 구성된다. 액추에이터(200)는 피부(402)표면에서 SAW(121)를 생성하는 두께 및 방사 진동모드 안에서 작동한다.

․ 액추에이터(200)는 전극(206)사이의 거리L이 SAW 길이의 1/2에 비례적이고 SAW를 생성하는 다수의 전극의 줄기인 IDT(205, Interdigital tranducer)를 지칭한다.

․ IDT(205)는 다수전극을 가진 피에조일렉트릭소재로 된 작동부분(284)으로 베이스(280)를 구성한다. IDT 제작방법은 W형태의 IDT전극과 피에조소재 혹은 비 피에조소재의 결합형태, IDT전극과 피에조 소재가 피부에 직접 위치하는 형태로 제작된다.

․ 전극(284)은 피부(402)와 떨어져 대면하고 작동부와 베이스부분은 피부에 직접적 혹은 연결 층으로 결합되어 있다. 위의 세 경우 모두 전압이 프로세서(300)를 통해 전극으로 인가되면 두께진동이 작동부분(282)에서 시작되고 Lamb wave가 공진효과로 시작된다.

․ 진동에서의 에너지 분포는 상호 반대방향이며 전극배열은 표면층 100μ까지 에너지를 집중시킨다. SAW의 진폭에 따라 전극의 수는 달라진다. 전극형상(284)은 다양하며 두 전극은 서로 대면하여 간극을 두고 결합하는 형태이다. 전압이 인가되면 두 방향으로 SAW

도 전파된다. SAW의 강도는 전극 쌍의 수에 비례적이다.

․ 전극(284)은 두 개의 능동형 외부전극사이에 복수의 수동형전극을 갖는 형태도 있으며 수동형 전극수를 변경시킴으로써 주파수 범위를 변경시키는 것이 가능하다.

– 프로세서(300)작동 후 액추에이터(200)는 두 방향으로 진동하기 시작하며 피에조요소(203)의 진동은 피부(402)외피(110)에 SAW를 생성한다.

․ 피에조요소(204)가 대칭 Lamb 진동모드로 형상화되는 방법은 IDT(205)와 유사하게 작용한다. Plate의 정상파 최대진폭은 피부(402)표면에서 변형탄성을 생성하고 SAW를 활성화시켜 IDT(205)의 전극(206)부분과 같이 작동한다.

․ 액추에이터(200)와 피부(402)사이를 부착하는 연결 물로 탄성속도가 피에조요소(203)보다 적지만 피부(402)보다 큰 접착층이 이용되기도 한다.

○ 생체막주위 체액에 직류전류의 인가로 생체막 제거의 항생효과를 증가시키는 과학적 작업이 있어왔다. 이러한 생체 전기적 효과는 무선주파수(Radio Frequency) 교류(AC)와 생체직류(DC)의 효과이다. DC와 AC로 활성화되어 생체막주위 체액으로 송신되는 SAW는 항생효과를 급격히 향상시켜 상처를 치유한다.



3. SAW의 의료분야 적용원리

○ 감염방지를 위해 사용되는 탄성패드는 효과적인 감염방지를 위한 살균헝겊으로, 액추에이터와 프로세서로 구성되며, 일회용도로 사용할 수도 있다. 탄성장갑은 장갑 손가락부분이나 중앙부분의 액추에이터가 프로세서와 연결되어 있고 프로세서는 배터리 파워시스템을 포함한다. 액추에이터에 의한 기계적 진동은 피부층에 소독액의 침투를 깊게 해준다.

○ SAW는 상처와 직접 접촉 없이 상처드레싱과 복수상처의 치료에 이용되며, 센서를 통한 인터넷 기반의 원격의료수단으로 실시간 제어와 복수상처의 감지 치료가 가능하다. SAW는 상처 밖으로 세균을 미세유동 시켜 드레싱 없는 치료, 체액분자를 증발․건조시켜 치유효과 강화, 약품량 감소, 치유기간 단축, 박테리아 제거 및 살균효과, 생체막형성 방지, 세균분해 효과로 치유효과를 강화할 수 있다.

○ 피부와의 유착과 결합조직형성 방지를 위해 나비모양 밴디지나 패치가 사용되며 SAW 액추에이터가 포함된 항부착성 밴디지는 세포결합방지를 위해 액상이나 필름형태로 적용될 수 있다.

○ SAW 유도 미세 펌핑을 이용하여 상처조직주위의 혈액 순환을 증강시킴으로써 조직전이와 면역력을 높이고 성공적인 접합결과를 가져올 수 있다. SAW 이용 미세 펌핑은 치료부위와 상처커버 사이에서 흡입으로 음압을 형성하여 치료물질이 유착하지 않도록 한다.



4. SAW의 화장 및 비 의료분야 적용원리

○ SAW는 화합물의 침투를 강화하여 피부상층부에 화장성분을 활성화시켜 피부를 밝게 해주고 주름을 감소시킨다. 화장치료를 위한 유연패치는 얼굴에 부착되며 여드름치료에 사용될 수 있다.

○ 고통완화 패치는 액체, 크림형태, 완급조절 약품형태를 포함하여 미세유동과 펌핑으로 고통완화나 효율을 증가시킬 수 있고 프로세서는 칩 형태로 구현될 수 있다. 또한 일회용 디바이스, 재사용 패드, 소형단말기 형태로 사용될 수 있다.

○ 피하의 체액분자를 침투시키는 SAW 효과 시험을 위해 의약품 및 화장제재의 생체외부 전달에 대한 시험결과, SAW가 종래의 물리치료기술 대비 운동선수, 노인, 여자에게 효과가 높았다.

○ SAW의 생체적 효과로 병인의 침체된 흐름, 미세순환 장애를 강화, 생체균형유지와 가스배출효과, 에너지전도에 의한 대상물 이동, 미세진동에 의한 가스․영양소의 유동 및 열 교환 증가, 수술 후 접착방지, 체액의 미세유동, 펌핑, 배수 효과, 튜브의 흐름개선 ,영양소 및 산소공급, 폐기물 폐기, 세포자극 및 미세 활동의 구조적 효과, 결정화, 혈전, 소수성 조직성장 방지 등이 있다.



5. 핵심 특허권리

○ 피부 치료방법은 피부에 액추에이터의 배치, 프로세서연결 작동, SAW생성, 작동파라미터 제어기능을 포함한다.

– Rayleigh 및 유사형태의 wave로 피부와 치료제재 사이, 피하층에 SAW를 생성하는 방법은 전자기계적, 전자계적, 레이저, 피에조일렉트릭 방법을 포함하며, 대칭 혹은 비대칭 Lamb, 자연 진동을 생성한다.

– 액추에이터는 빗 형태이고 SAW는 한 방향으로 생성되어 벡터양으로 진동한다. 진동은 두께, 지름, 굽힘 진동 형태에 따라 선택 제어하도록 되어있으며, SAW 집중효과를 위해 다수 액추에이터의 원형배치 형태가 제시된다.

– 치료방법의 제어를 위해 KHz에서 MHz사이의 주파수, 1nanometer~50microns 진폭범위를 선택한다. 피부의 최대진동진폭 사이의 간격은 SAW의 1/2파장, 깊이는 1~2파장이다. SAW 파워는 0.1W/cm2이고 전기 input은 DC/AC, RFC(무선주파수), 레이저이다.

– SAW 생성은 피부 미립자를 타원형으로 움직이게 하며 플레이트, 디스크, 링, 쉘, 스트링, 스트립 형태의 액추에이터가 제시되고 피부 건

강상태 감지 파라미터는 SAW의 감지 속도이다.

– SAW생성은 세균막 형성을 막아준다. SAW의 전파방향과 박테리아 및 미립자의 방향은 반대이며 피부입자 접착방지, 미세 세균군락의 집결성장과 번식을 방지한다.

– 미세마사지, 치유과정, 조직체액교환, 모세혈관성장, 체액 pH 증가 고통저감, 크림입자와 체액의 미세유동 및 침투, 혈전방지, 조직내부성장 저해, 약품관리, 접착, 마찰, 농도의 조절, 생체 열교환방지, 조직세척, 괴사조직제거, 살균, 피순환, 생체세포 자극, 미세 마사지, 화상붕대 제거, 건조 등의 SAW 치료효과가 있다.

○ SAW를 발생시키고 치료하는 디바이스는 액추에이터, 프로세서, 상처부위나 도관 삽입 부위의 패치, 접촉부가 있는 이동단말기, 소독물질 강화 패치와 장갑 등이다.

– 액추에이터는 피에조일레트릭 소재로 구성되고 다양하게 형상화될 수 있으며 피부미립자의 긴장과 이완을 생성한다. 또한 바늘 같은 에너지 집중장치가 될 수 있다. SAW 디바이스는 노화방지, 피부탈색, 미세마사지, 화장제재침투 및 여드름치료, 생체활성화코팅에 사용한다.

– 피부접촉부에 센서가 있고 프로세서는 센서로부터의 출력 파라미터를 조정한다.



6. 기술검토


○ 종래 사용되던 20~120KHz대 저주파나 1~4MHz대 고주파 초음파가 아니라 저전력(0.05~1.0W/cm2), 저주파(20~120KHz) SAW를 이용하여 비 접촉으로 피부 상처치료, 소독, 노화관리 등 시스템과 방법 및 적용 분야를 제시한 데 기술적 특징이 있다.

○ 1962년 L.C. Clark가 혈당센서로 바이오센서 개념을 제시한 이래 물리/화학/생체학적, 접촉/비접촉, 재생/일회사용, 수동/능동형 기준으로 다

양하게 발전되고 있다. 건강 및 의료분야에서의 신기술 융복합화는 생체 신호처리와 무선통신, 생체인식센서, 생체나노기술, 생체소재 제조가공 기술 발전과 함께 단위 의료처리접점(POCT: Point-Of-Care-Test) 기술로 요약될 수 있다는 점에서 생체계측시스템인 SAW센서를 이용한 비접촉 생체 치료의 상시관리 기술에 대한 상용화의 가치가 있다.

○ 주파수안정도, 저소비 전력, 고정밀도 클록, Q값, 주파수 온도특성, 효율적 IDT구조와 물성, 인체무해성의 실증연구와 표준화가 필요하다.

출처: NANOVIBRONIX INC., “system and method for surface acoustic wave treatment of skin”, WO2008048350, pp.1~65




◁전문가 제언▷


○ 생체계측 도구로서의 SAW 디바이스는 센서, 액추에이터, 프로세서로 구성되어 있다. 바이오센서에서는 생물학적 감지요소(substrate)와 신호변환기(tranducer), 이들을 결합시키는 방법(immobilization method)의 3가지가 핵심요소이다. 신호변환기로는 전기화학식, 광학식, 압전소자식, 표면탄성파(SAW)식, 온도감지식 변환기 등이 사용되어 왔는데 최근 SAW식이 크게 부각되고 있다.

○ 바이오센서의 응용분야는 의료용, 환경용, 산업용으로 나눌 수 있다. 의료용 시장이 크며, 바이오센서로는 혈당과 같은 대사물질센서, 미생물검출 센서, 호르몬센서, 각종 질병의 마커(marker)용 센서 등이 시판/개발되고 있으나 국내 기술은 정확도가 낮고 측정가능 생체정보도 혈당, 혈압, 체지방, 호흡, 체온, 심전도 정도로 디바이스와 함께 아직은 제한적이다.

○ 무선주파수, 초음파, 레이저, 열, 전기, 물리적 자극을 이용한 피부노화방지, 고통완화, 마비치료 분야 기술 및 디바이스 등의 치료효과를 객관적으로 평가하기는 어렵다. 최근 선진국에서는 SAW를 피부상처치료, 세균제거 및 항균 작용이나 장갑, 패드, 밴디지 등의 의료용도로 이용을 확대하고 있어 국내의 연구와 상품개발이 시급하다.

○ 피부를 통한 약물투입 방법은 멀미, 협심증, 심부전, 심근경색, 고혈압, 금연, 폐경기 치료 등을 위해 단순패치 형태로 상품화 되고 있다. 향후에는 SAW를 이용한 실시간 치료, 약물투여 활성화 및 바이오센서와 범용 모바일 단말을 통한 원격 치료관리 등의 응용시스템 개발이 필요하다.



Source
:
KISTI-ReSEAT.





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