지방 조직의 치료 방법 및 장치 document_id A220623066244

피하 지방층 또는 지방 조직을 줄이는 것은 미용 치료로, 그 수요가 증가하고 있다. 그 한 가지 방법인 지방 흡입은 국소마취 또는 전신 마취를 필요로 하는 매우 공격적이고 침습적인 치료이고, 그 후의 치유 과정이 매우 길고 고통을 수반한다. 비침습적, 국소적인 지압 제거 방법은 전자기 또는 소리 에너지를 피부를 통해 피하 지방 조직으로 전달하는 것에 기반을 두고 있다. 지방 조직을 비침투적으로 치료하는 주요 과제는 피부의 외부 층을 통해 에너지를 전달하고 이를 표피층 및 더 깊은 체내 조직에 최소한의 부차적인 손상만을 입히고 상기 지압 조직에 요구되는 수준으로 집속시키는 것이다. 미국 특허 번호 제 5,143,063 호는 피하 지방 조직에서 지방 세포를 파괴하는 방법을 설명하는 바, 여기서, 방사에너지를 이러한 세포 내에 집속시키는 것이다. 상기 방사 에너지는 마이크로파 범위의 전자기파이거나 또는 초음파이다. 세포 파괴를 위해 주요 메커니즘은 방사 에너지에 의해 발생하는 열이다. 오로지 집속된 체적에서만 에너지 밀도가 세포를 파괴시킬 만큼 높고, 그 초점 체적의 외측에서는 에너지 밀도가 손상시킬 수 있는 한계 (역치)보다 낮다. 여기서는 지방 세포의 파괴에 대해서는 집속에 의한 기하학적 선택성을 제외하면, 특정의 선택성은 존재하지 않는다. 미국 특허 번호 제 5,158,070 호는 연한 조직을 분해할 만큼 충분히 강력한, 단주기의 초음파 펄스 사용을 개시하고 있다. 3MHz 내지 10MHz 사이의 주파수 및 1 μsec 내지 1 msec의 펄스 길이를 가지는 초음파 펄스를 연한 조직에 집속시켜 분해하고 파괴하게 한다. 짧고 강한 펄스를 적용하기 때문에, 열적 효과가 아닌 기계적 효과가 조직파괴를 담당하는 것으로 추정된다. 하기 계산식은 이러한 세포 분해에 요구되는 초음파의 피크 압력에 대한 추정치를 제공하여 준다. 세포 크기가 파장보다 훨씬 작은 평면 초음파를 가정할 때, 국소적 변위 U(x)는 아래와 같이 표시된다: 상기 식에서, Umax는 하기 식으로 주어지는 최대 변위이다: Vmax 는 최대 속력이고, ω=2πf, f는 초음파의 주파수이고, 및 k는 파동 벡터이다. 평면파의 경우, ω=kc 여기서 c는 조직에서의 소리 속도이다. X에 대하여 U의 도함수를 구하면, 인장은 다음식으로 얻어진다: 최대 인장은 Vmax/c이다. 전형적인 세포막의 강도를 조사하였던 바, 2% 이상으로 세포막을 당기면 찢어져서, 세포 괴사가 일어나게 되는 것으로 나타났다 (Luc Fournier and Be´la Joo´s, Physical review 67, 051908 (2003)). 이것은 0.02의 인장에 해당한다. 일반적인 연한 조직에서의 소리 속도는 약 1500 m/sec이기 때문에, 세포막을 파열시키기 위해서는, Vmax는 30m/sec가 넘어야 한다. 평면파의 경우, V=P/Z이고 여기서 P는 압력이고 Z는 조직의 음향 임피던스이고, Z의 대표적 값은 1.5 MRayleigh (메가레일리)이어서, P는 45MPa 보다 더 커야만 한다. 이러한 수치는 매우 강력한 초음파에 해당하는 것이고, 이는 극히 고도의 집속에 의해 성취될 수 있고, 수 MHz 범위의 주파수에서 얻을 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원번호 제 2005/0154431호는 1-4MHz의 주파수 및 상기에서 얻은 이론적 수치 45 MPa에 근접한 약 30MPa 압력을 가지는 HIFU (High Intensity Focused 초음파)로 발생한 지방조직파괴를 개시하고 있다. 이러한 세포 파괴 방법은, 지방세포막이 다른 세포의 세포막보다 더 약하지 않기 때문에, 지방조직세포 (지방세포)에 대하여 또한 선택적이지 않다. 또한, 그러한 세포의 모양과 크기가 상기 고려사항에 포함되지 않았다. 이것과 관련하여, 세포막을 파열함으로써 세포를 파괴하는 것은 세포를 가열함으로써 세포를 파괴하는 것(이상고온)과 유사하다. 상기 방법은 지방세포에 대하여 선택적이지 않고, 이러한 방법에서의 선택성이란 지리성, 즉 지방 조직에서 매우 강력한 초점 조절에 달려있다. 양쪽 방법의 경우, 고도의 초점조절이 세포 파괴가 일어나는 매우 작은 초점 체적을 얻게 한다. 일반적으로 효과적인 초점 폭은 수 밀리미터이다. 따라서, 초점 체적은 치료 부위를 넘어설 수 있다. 미국 특허 출원번호 제 2005/0154431 호 및 2004/0106867 호는 그러한 시스템을 개시하고 있다. 세포 분해를 야기할 수 있는 집속된 초음파의 다른 물리적 효과는 공동화(cavitation)이다. 공동화는 작은 거품으로, 처음 작은 기체 핵형성 중심으로부터 시작하였다가, 초음파의 음압상 (negative pressure phase)에 의해 커지게 된다. 공동화의 발생 및 성장 속도는 압력의 진폭에 증가하는 함수이고, 따라서, 초음파 출력 밀도에 증가하는 함수이다. 특정 임계 조건하에서, 상기 거품은 급격히 붕괴되고, 그 근처에서, 세포를 파괴할 수 있는 충격파 및 유체 제트 (fluid jet)를 발생시킨다. 액체 환경, 특히 수용액에서, 공동화의 붕괴가 세포 괴사 및 사멸(apoptosis)을 야기한다는 증거가 있다. 미국 특허 번호 제 6,607,498 호는 초음파 에너지를 지방 조직에 집속시켜 공동화 및 지방 조직의 파괴를 야기하는 것을 개시하고 있다. 미국 특허 번호 제 6,113,558 호는, 공동화를 야기하는, 집속된 펄스성 초음파를 조직의 비침투적 치료에 적용하는 것을 개시하고 있다. 이 특허는 가능한 적용물의 목록을 밝히고 있는 바, 세포 사멸 및 괴사의 유도, 혈괴 분해, 및 암치료를 포함하고 있다. 이 특허는, 공동화 발생에 대하며 및 그 공동화를 최대화 하기 위한 펄스 폭와 펄스 반복 속도의 최적화에 대한 연구를 포함한다. 비-탈기 완충액 및 혈액에 대한 공동화 역치는 1000-1500W/cm2의 범위에 있고, 탈기 유체에 대해서는, 상기 역치는 2000W/cm2까지 상승한다. 이러한 실험에서 초음파 주파수는 750 kHz이었다. 공동화 손상은 세포에 선택적이지 않고, 많은 세포 유형에서 유도될 수 있다. 조직덩어리의 대부분은 지방 (지질액포)이기 때문에, 상기 공동화 역치는 매우 높고 및 지방 조직내부에서 더 높은 것으로 예상된다. 초음파로 세포를 열적으로 치료하고 기계적으로 파열하고, 또한 공동화하는 것과 같이, 선택된 조직만을 치료하는 것 (기하학적 선택성) 을 확고히 하기 위해, 고도의 초점 조절이 요구된다. 공동화 치료에서 집속의 중요성에 대한 이유가 있다: 공동화는 초음파를 매우 강하게 흡수한다. 그러므로, 공동화가 적용체 가까이에, 즉 초점 부위와 초음파 방사 진동자(예를 들어, 피부에서) 사이에서 발생된다면, 초음파 에너지의 대부분이 거기서 분산될 것이고 초점 체적내에서 타겟 조직에 도달하지 못할 것이다. 이것이 발생하는 것을 막기 위해, 집속은 초점 체적에서 공동화를 위한 최소값 이상으로 강도를 확보하기에 충분한 것이어야 하며, 진동자및 초점 체적사이의 다른 조직에서의 강도는 공동화에 대한 역치 미만이어야 한다. 초음파 및 마이크로파 방사 외에, RF (무선 주파수) 에너지를 가함으로써 피부와 피하층 모두에 영향을 줄 수 있다. 미국 특허 번호 제 6,889,090 호는 피부 치료에 RF 에너지를 가하는 것을 개시하고 있다. 미국 특허 번호 제 5,871,524 호는 방사 에너지를 표피를 거쳐 피하 층 또는 더 깊은 연한 조직층으로 적용하는 것을 기술하고 있다. 주요 에너지원은 RF이다. 미국 특허 번호 제 6,889,090 호에 기술된 바와 같이, 이극성 RF 적용이 단일극성 RF 보다 우위에 있는 데, 이는 단일 극성 RF에서는 전류가 몸속에서 제어되지 않은 채널을 통해서 흐르게 되고 및 원하지 않는 손상을 야기할 수 있기 때문이다. RF 에너지는 피부에 적용되고, 그 사이에 교류 전압이 흐르는 두 개의 전도 전극을 통해 몸체에 적용된다. 상기 RF 전류는 옴의 법칙에 따라, 전도 조직을 통해 흐르면서, 열을 발생시키고, 이는 조직에 영향을 끼친다. 표피층의 전도성은 지방 조직의 것보다 10 배 더 크다. 일반적인 표피 전도성은 약 0.4S/m이고 지방 조직의 전도성은 100kHz과 10MHz의 RF 주파수에서 약 0.04S/m 이다 (S. Gabriel, R.W. Lau, and C. Gabriel, Phys. Med. Biol. 41 (1996), pp 2251-2269). 따라서, 전류의 대부분은 표피층을 통해 흐르게 되며, 이는 피부 치료, 예를 들어, 모발 제거 및 피부 재생에 좋다. 그러나, 깊이 있는 지방층 치료에는 덜 효율적이다. 미국 특허 번호 제 6,662,054 호는 피부의 일정 부위에 음압 (진공)을 적용하여 이러한 부위가 주위 피부로부터 돌출되고, RF 에너지를 전극을 통해 이 돌출부에 적용하는 것을 개시하고 있다. 음압 하에서, 피부를 따라 상기 RF 전극간의 경로는 피하층을 통하는 경로보다 더 길다. 따라서, 더 많은 RF 에너지가 피부를 통하는 것보다 피하층에 전달된다. 미국 특허 번호 제 6,662,054 호에 근거한 상업적 시스템이 셀룰라이트의 치료에 효과적임이 증명되었다 (TINA S. ALSTER 0026# ELIZABETH L. TANZI, The Journal of Cosmetic and Laser Therapy. 2005; 7: 81-85). 셀룰라이트는 불규칙적인 피부 선 또는 피부의 함몰에 의해 임상적으로 출현된다. 이것은 섬유상 격막 내의 과다한 지방 조직이 보유되면서 발생된다. 그러한 피부 불규칙성은 상부 표피로 돌출된 피하 지방에 비례한다. 지방 세포 체적의 대부분은, 지질액포로 알려진, 지방 유체적 (fat fluid drop)이 차지하고 있다. 이러한 세포의 일반적인 지름은 50-100 μm이다. 이것은 비만인들의 지방 조직에서는 100 μm로 늘어난다. 지질액포 (lipid vacuole) 및 세포막 사이에 세포질이 있다. 일반적으로, 세포질의 폭은 수 마이크로미터일 뿐이고, 지질포 주위에 일정하지 않다. 세포의 일 부위에서는 1 μm이하의 범위일 수 있고 다른 3-5 μm 크기일 수 있다. 지방 조직, 질량 밀도 및 소리 속도의 육안적 물리적 특성은, 지방층 감소로 치료될 세포인 성숙 지방 세포에서 조직체적의 대부분을 차지하는 지질액포의 물질에 의해 억제된다. 지질액포 유체의 물리적 특성은 따라서 지방 조직의 것과 거의 동일하다. 지방 조직의 밀도는 약 다른 몸체 조직의 것보다 약 10% 더 낮다. Francis A. Duck, Academic Press Ltd., 1990, p.138의 “Physical properties of tissue”에 따르면, 지방 조직의 밀도는 916Kg/m3이고 몸체 유체 및 연한 조직의 밀도는 약 1000Kg/m3 이상이다 (예, 물의 밀도 이상). 진피 밀도는 약 1100Kg/m3이고, 근육의 밀도는 1040Kg/m3이다. 세포질 및 세포 내 유체는 수용액이어서 그것들의 밀도는 다른 몸체 유체 및 연한 조직의 것과 유사할 것으로, 즉 1020-1040 Kg/m3의 범위에 있는 것으로 예측된다. 정상적인 체온에서, 지방 조직에서 소리의 속도는 약 1430m/sec이고, 피부에서는 1530 m/sec과 비교된다. 더욱이, 상기 Duck 참조문헌의 85 페이지에는, 지방에 대하여, 소리 속도 대 온도 곡선의 기울기는 다른 몸체 유체의 것과는 완전히 다르다. 지방의 경우, 소리 속도는 온도가 증가함에 따라 감소하여, 40℃에서는 1400 m/s까지 떨어지는 반면, 물 및 다른 몸체 유체의 경우는 온도에 따라 높아지고, 40℃에서, 물의 경우, 약 1520 m/sec이고, 몸체 유체 및 연한 조직의 경우 지방보다 더 높다. 현미경적 수준에서 세포의 전기적 특성의 기본 모델은 Herve Isambert, Phys. Rev. Lett. 80, p3404 (1998)에서 발견될 수 있다. 세포막은 열악한 전기 전도체이고 따라서 세포에 전기장을 인가할 때 국소적 캐패시터로서 작용할 수 있다. 외부 전기장 인가 하에서 세포막의 충전은 이러한 세포막에서 스트레스를 발생시켜, 세포의 탄성 특성에 의존하고 및, 증가된 강도에서, 세포막을 파괴할 수 있는, “전기천공(electroporation)”으로 알려진, 변형을 유발한다.