포커스 광ㆍ바이오기술및시장동향 황규석 * 황보승 ** 정주현 *** 전영선 **** 첨단의료영상장비및진단및치료장비의개발은 NT 및 BT 등의다양한분야의원천기술이융합되어야만시너지효과가발휘되는분야로써컴퓨터, 통신, 디지털기술의비약적인발전을바탕으로바이오, 나노기술등첨단산업과의기술융합화현상이가속되고있다. 바이오기술은사람의생명을담보로하기때문에품질에대한안전성보장이무엇보다도중요하다. 본고에서는광을이용한바이오기술에대해소개하고국내기술및시장동향에대해기술하고자한다. 목 I. 서론 차 I. 서론 광ㆍ바이오기술은소량 / 다품종의중소기업형첨 단산업으로써 21 세기형고부가가치미래산업의특 II. 광ㆍ바이오진단및치료기술의특징 III. 광ㆍ바이오기술시장동향 IV. 광ㆍ바이오기술개발동향 V. 광ㆍ바이오기술향후전망 징을가지고있다. 특히의료영상시스템은연평균 6% 이상의성장이전망되고있으며, 전세계시장의 80% 를미국, 유럽및일본등의선진국들이차지하고있다. 특히이분야는고성장, 고부가가치산업으로써컴퓨터, 통신, 디지털기술의비약적인발전을바탕으로바이오, 나노기술등첨단산업과의기술융합화현상이가속되고있다. 한편, 사람의생명을 VI. 결론 담보로하기때문에품질에대한안전성보장이무 엇보다도중요하다. Frost and Sullivan(2005) 의자 * 남부대학교의료공학과 / 부교수 ** 호남대학교광전자공학부 / 부교수 *** 건양대학교안경광학과 / 조교수 **** 썬텍 / 대표 료에의하면광ㆍ바이오센서와의료영상시스템은 각각 9.4% 및 6% 이상의연평균성장률이예측되 는분야이다. 따라서, 첨단의료영상진단장비및 9
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. 치료장비의개발은 NT 및 BT 등의다양한분야의원천기술이융합되어야만시너지효과가발휘되는분야이다. 전반적인생활수준의향상으로국민들의건강에대한욕구가커지게되고이러한추세에따라의료기관은의료기기수요증대에대처하기위해대부분수입에의존하고있는첨단의료기기를도입하기시작하였다. 이에정부는수입선다변화, 의료기기국산화등국내의료기기산업의발전을촉진하는사업을추진함으로써수입에만의존하였던 X-선진단기, 초음파진단기등이국산화가이루어지고, 의료기관들의국산진단장비및치료기기구입확대에따라의료기기국내수요도급증하기시작하였다. 고급의료기술의발달과함께초고속인터넷망기술은일반인들의진단, 치료등을신속하고도효율적으로처리할수있게하고있으며, 특히효율적인의료정보전달과처리는주로가입자망의고도화와접근편리성에관계되는것으로, 본고에서는향후막대한부가가치를지닌광을이용한바이오기술의특성과국내외시장동향에대해기술한다. II. 광ㆍ바이오진단및치료기술특징 1. 광ㆍ바이오진단기술광ㆍ바이오진단기술은생명체내에서의세포또는분자수준의생물학적과정을살아있는상태에서영상으로구현하여분석하는기술이며, 영상화할대상인분자수준의생물학적과정은유전자의발현 / 변화, 단백질변화등생화학적현상, 대사변화, 세포내생물학적변화등을포함한다. < 자료 >: PET-the power of Molecular Imaging, UCLA ( 그림 1) PET 영상의예 10
( 그림 1) 은 PET 영상의예를나타낸것으로목, 가슴및복부등의림프구에있는암을쉽 게찾아낼수있다. 이기술은 Pharmaceutical Tracer 를체내에주입한후그트레이서들로부 터나오는감마선을인체의외부에서측정하는기술, 인체내에서투과율이높은근적외선 (near-infrared) 파장의빛을이용한단층촬영기술, 빛이조직내에서반사되면서생기는간섭 현상을이용하여영상을취득하는기술, 생체내에있는형광물질이외부에서조사된빛을흡수한 후다시빛을방출하는것을영상화하는기법및특정효소를사용한생체발광 (Bioluminescence) 의이용을위하여화학적으로생체내에서빛을만들고방출하고영상화하는기술등을포함한다. < 표 1> 광학영상기술의분류및특징 구분 생체영상가능여부 해상도 투과깊이 현미경 (Confocal Microscopy) No < 0.2μm < mm Optical Coherence Tomography(OCT) Yes < 1μm 2~3mm Optical Diffusion Tomography(ODT) Yes 2~5mm 수 cm 또한광학영상관련광원소자기술과고분해분광기술을바탕으로한비접촉식실시간질병진단을위하여호흡가스별질병인자상관관계에관한정보화기술과소형화와관련된패키징장치가중요한진단기술이며이를위해파장가변형소형레이저 IR 광원, 고분해능분자스펙트로스코피 (ppb 이상급 ) 및실시간광신호처리기술개발등이진행되고있다. 광센서및분석기술은광센서와분석키트및이를이용한분석방법과시스템에관한기술을의미한다. 또한생체감지물질과신호변환기로구성되어분석하고자하는물질을선택적으로감지하는장치가대표적이며, 광센서를구성하는부도체기판, 전도성금속박막및반도체나노 ( 그림 2) 바이오센서의개요도 11
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. 선제조기술및병의예방과예후관리를위한비침습, 무구속, 무자각측정기술등이핵심기술 로부각되고있다. ( 그림 2) 에바이오센서의개요도를나타냈다. 2. 광ㆍ바이오치료기술광을이용한치료기술로는복사선의유도방출에의해증폭된광선을인체에조사하여인체조직을소각, 절개및접합하는기술이있으며, 이를위해아르곤, CO 2, He-Ne, YAG 및 Diode 레이저를이용한레이저치료기술, 인체의치료를위해사용되는의료용레이저및이를구성하는공급전력계와광속전달장치의제조기술등이연구개발되고있다. 또한광민감성약품을이용하여암세포등을파괴하는치료법이연구개발되어상용화되었으며, 레이저와광과민성물질 (Photosensitizer Drug) 을이용한광역학적치료기술 (Photodynamic Therapy) 이보편화되어시술되고있다. III. 광ㆍ바이오기술시장동향 1. 광ㆍ바이오진단기술광ㆍ바이오진단을위한의료영상시스템시장규모는 2004 년기준 148 억달러정도로연평균 6% 이상의성장이전망된다. 전세계시장의 80% 를미국, 유럽, 일본이차지하고있다. GE Medical System, Simens, Philips Medical Systems 및 Toshiba 와같은세계적업체들이의료영상시장의 70% 이상을점유하고있다. 연평균시장규모가매년 5.6% 씩증가하는고성장산업인의료기기분야의중심산업이며 IT, BT, NT 기술의발달과함께성장할미래사회대비형산업으로써미국, 독일, 네덜란드, 일본, 이스라엘등주요선진국이주도하고있으며지속적인투자를하고있다. SPECT, PET, PET/CT 를포함한핵의학영상기기는최근기능 & 분자영상이생명과학연구와질병진단에활용도가높아지면서지속적인성장을하고있으며, 이와함께 PET 용소재산업도성장하고있다. Simens 는 C.CAM 이라는심장진단에특화된소형 SPECT 장비를 2003 년 9 월에출시하여판매하고있으며, 심장학, 신경학등을포함한특정질병진단에특화된차세대장비를개발하고있다. Digirad 는세계최초로 Solid state 검출기를적용하여심장영상분야에특화된장비를개발하여, 핵의학분야에서점점시장크기가증가하는심장영상시장에대응하고있다. 2001 년융합영상인 PET/CT 가도입되면서단일기기로의 PET 시장은거의변화가 12
( 단위 : 백만달러 ) 1,300 1,100 900 700 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 ( 연도 ) < 자료 >: Prost and Sullivan, "World Biosensor Market", 2005 ( 그림 3) 바이오센서세계시장전망 없는대신에 PET/CT 는급속히성장하고있는추세이다. ( 그림 3) 과같이세계바이오센서시장은 2011 년약 43 억달러를상회할것으로전망되며, 약 9.4% 의연평균성장률을보일것으로예측된다. 세계적으로 Abbott(MediSense), Roche (Boehringer Mannheim), J&J(LifeScan), i-stat, Bayer, Therasense, Biacore, Arkray (Kyoto Daiichi Kagaku) 등 50 개이상의업체가바이오센서를공급하고있으며, 전세계적으로바이오센서관련기업들은미국에약 40%, 유럽에약 40%, 그리고일본에약 10% 정도의회사가분포하고있다. 2001 년 9 억달러이던북미시장은 2011 년 20 억달러를넘어서가장큰바이오센서시장을형성할것으로예측되며, 다음으로유럽이큰시장을형성할것으로전망된다. 2001 년과 2011 년사이의누적연평균성장률을살펴보면아시아ㆍ태평양지역이가장크게증가할전망이다 (10.2% CAGR). 바이오센서제품타입중다중분석센서에대한수요가가장많이늘어날것으로전망되며, 가정진단용분야의응용이대폭확대될것으로전망된다. 바이오칩및센서제작기술은새로운개념의생물전자소자칩생산기술로미국, 일본, EU 등선진각국은 21 세기미래핵심기술과제로다양한형태의국제공동연구를통해연구개발에박차를가하고있다. 국내의료영상시장규모및전망을살펴보면의료용영상기기의수출규모는 2010 년약 25 억달러로예측되고, 생산규모는약 43 억달러로예측된다. 저가제품의국제경쟁력은우수하지만, 고가장비의경우에는선진국과의기술격차가매우큰것으로판단된다. 방사선과전문의들뿐만아니라일반의들도쉽게사용할수있는수준의소형영상진단장치 (hand held scanner, 13
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. pocket scanner) 에대한시장수요가증가할것으로판단된다. 초음파 ablation 치료와결합하여사용할수있는영상진단장치에대한수요가증가할전망이다. SPECT 와 PET 를포함한 functional & molecular 고가형영상장비는해외로부터 100% 수입에의존하고있어이러한고부가가치의료영상기기의정부지원이시급하다. 특히 PET-MRI 의경우아직까지전세계적으로상용화가드물기때문에이에대한투자가기존의판세를바꿀수있는좋은기회로판단된다. 디지털소자및회로기술과함께디지털영상기술의발달에따라원격진료가가능한휴대용장비의개발이가속화될것이며, 국내의경우디지털기술이성숙단계에있기때문에이분야의경쟁력을발전시킬수있는여건이갖추어져있다. 국내바이오센서시장은 2005 년에 300 억원을시작으로연평균약 56% 의성장률로 2012 년에는약 6,000 억원에이를것으로전망되며, 국내바이오센서기업들은주로의료용에관심을가지고있어식품분석용및환경용은관심의정도가상대적으로낮다. 현재국내바이오센서시장은의료용과 R&D 부문을합해대략약 300 억원규모이나일회용바이오센서에서연속형, 고감도측정이가능한나노- 바이오센서가개발될경우급격한시장형성이있을것으로예상된다. 국내바이오센서시장은아직활발한시장이형성되지못하고있는실정이며, 현재국내의바이오센서기업들은가장큰시장을형성하고있는의료용바이오센서에관심을가지고있으며, 최근몇몇회사를중심으로시장진입에노력중이다. 우리나라의바이오센서제품은 ( 주 ) 올메디쿠스, ( 주 ) 인포피아등이제품을출시하고있고, ( 주 ) 아이센스, 바이오포커스등몇군데의벤처기업에서제품개발을수행하고있다. 2. 광ㆍ바이오치료기술인간의평균연령이늘어나고소득이증가하면서건강에대한관심이더욱높아질뿐만아니라쾌적하고안락한시술을선호하는경향이두드러지고있으며, 초음파진단기, CT, MRI 등첨단의료기기에대한수요가증가하면서의료분야전반에의료용레이저기기의보급이확산되고있다. Medical Data International 이발표한자료에따르면 (( 그림 4) 참조 ), 전세계의료용레이저기기시장은 2005 년약 134 억달러에서 2006 년 157 억달러에이르러연평균 15% 이상성장률을나타내었다. 의료용레이저기기시장은그동안 15~20% 의높은성장률을보였으나시장이성숙되어감에따라향후에는다소낮아질것으로전망되며, 2010 년까지연간 17.5% 정도의성장률이예상되고있다. 이러한추세를반영하여의료용레이저기기의시장을예측하면 2010 년 290 억달러의시장규모로성장하고, 2012 년에는 400 억달러를상회하는큰시장을형성할것으로전망된다. 14
( 단위 : 백만달러 ) 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 ( 연도 ) < 자료 >: Medical Data International Inc., Worldwide Markets for Medical and Dental Laser ( 그림 4) 의료용레이저기기세계시장전망 현재국내에서는의료용레이저기기의사용범위가종합병원에서개인병원으로확대되어가고있는추세로서, 안과를비롯하여외과, 피부과, 치과, 비뇨기과, 신경과, 정형외과등거의전분야에이용이확대되고있다. 한국의료기기산업협회에따르면, 국내의료용레이저기기생산규모는 2003 년약 97 억원정도로매우작으며, 아직국내수요의대부분을수입에의존하고있는것으로나타났다. 국내의료용레이저기기내수시장은 2002 년약 617 억원으로서약 27.9% 의성장률을나타냈으나, 2003 년에는전반적인국내경기의침체로약 342 억원의내수시장을기록하다가 2004 년부터점차회복세를나타냈다. 향후에는노령인구의증가와함께레이저의료기기에대한수요가늘어날것으로보이며, 보수적인관점에서보더라도매년 12% 정도의성장률이예상됨에따라 2012 년에는 950 억원정도의내수시장규모를형성할것으로전망된다. 의료용레이저산업은현재효율이 2% 이하인플래시램프에의한펌핑을대체하여효율이 20% 이상으로기대되는다이오드레이저펌핑에의한 Er:YAG 레이저개발로인해신경외과및일반외과의수술용레이저시스템의수요가확대될것이며, 안과용레이저및피부과용레이저의경우현재로서는대체기술이없어향후에도지속적으로시장이급신장할것으로판단된다. 심장수술용레이저도노령화추세에따라급성장을할것이며, 아울러광역학적치료기술의개발로암치료에서도의료용레이저의수요가증가할것으로예측되며, 충치치료및치석제거등의치과치료용레이저시스템의개발로인한수요확대및레이저박피술등에의한성형외과용레이저시스템의수요도급증할것으로기대된다. 15
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. IV. 광ㆍ바이오기술개발동향 1. 광ㆍ바이오진단기술원격ㆍ재택진료수요의증가와같은 21C 의료환경에적합한휴대용또는가정용장비의개발이주된개발추세이며, 특히원격 / 재택진료와관련된의료영상및시스템기술에대해서는미국, 일본, EU, 중국, 인도등많은나라에서정부차원의지원을늘리고있다. 대부분의생체분자영상연구는초기단계로서임상전연구단계이며, 핵영상과 MRI 는기존의해부학적 / 기능적영상에서는임상에서활용중이지만, 생체분자영상적응용은아직은시험단계에불과하며, 광학영상은아직임상에서거의사용하지않고있다. 그러나 ( 그림 5) 와같이광학영상에형광조영제를사용하면백색광하에서는다른조직과구별하기가어렵지만 ( 좌측 ), 형광조영제를암세포에부착시키고빛 (Excitation Light, 가운데 ) 을쬐면형광 (Emission Light, 우측 ) 이나오므로쉽게암세포를식별할수있다. < 자료 >: 자료 : Ntzia christos et al., 2002 ( 그림 5) 광학형광조영제의장점 미국국립보건원 (National Institutes of Health: NIH), 특히그산하의국립암센터 (National Cancer Institute: NCI) 에서는최근생체분자영상연구의활성화를위해 In vivo Cellular and Molecular Imaging Center 와 Pre-In vivo Cellular and Molecular Imaging Center 같은다양한연구프로그램을운영하고있으며, 질병발병 / 확산경로파악등의임상전연구와약리학적연구를위해동물대상의생체분자영상기기연구가활발히진행중이며, 동물영상의성과를바탕으로한인간영상연구발전을추구하고있다. 현재 FDA 허가를받은 Radiopharmaceutical 은세가지 (FDG, [ 13 N]ammonia, [ 1 8F]fluoride) 이며, 이중 FDG 가글루코즈대사영상화, 암영상, 16
뇌질환관련영상등을위해가장널리쓰이고, FLT, MET, [ 18 F]fluorodihydrotestosterone 등의다른 Radiopharmaceutical 을이용하여보다질좋은암영상을얻기위한연구도진행중이다. HSV1-tv 유전자를특정세포내로이입시킨후이유전자의발현을방사성표지기질과 PET 를통해영상화하는것처럼, 최근특정분자관련생리현상 ( 아미노산, 핵산, 지방산, 글루코즈등 ), 단백질 ( 세포막의수용체, 항원등 ), 유전자, 세포변화 ( 세포사멸, 분화등 ) 에작용하는특이적방사성추적자를사용하여영상화하는기법들이연구되고있다. 광학영상기술개발은현재미국 MIT 의 Fujimoto 그룹이분해능 1 μm정도의고분해능 OCT 시스템을발표한바있으며, 미국의 Irvine 대학과 Texas Austin 대학등은각각의응용분야에대한기술적인선도위치를고수하고있다. 미국캘리포니아어바인대학베크만레이저연구소에서는인위적으로제작된직경 580 μm인인조혈관을 ODT 로관찰하여혈관을따라흐르는유체의속도분포를실시간으로관찰한바있다. 광ㆍ바이오기술개발은기존바이오센서의한계를극복하여현장진단, 재택진단, 실시간진단이가능한개선된바이오센서의개발이요망되므로바이오와나노기술을접목하는연구가진행중이며, 미국 Michigan 대학의 Kopelman 그룹은생물학적인손상을최소화할수있는 PEBBLE 센서 (Probes Encapsulated bt Biologically Localized Embedding) 를개발한바있고, 미국하버드대의 Cui 등은나노 FET(field-effect transistor) 를이용한바이오센서를개발하였다. 또한미국 Oak Ridge National Lab. 에서는단일세포분석용광섬유나노바이오센서를개발하여단일세포내에있는 carcinogen 인 benzo(a)pyrene 의대사물질인 benzo(a)pyrene tetrol(bpt) 을항체나노센서를이용하여분석하여나노광섬유를이용한바이오센서가크기 10 μm인동물세포에침투하여분석이이루어진바있다. 광을이용한혈당센서기기는 Biocontrol Technology 사가비침습적인혈당측정기 ( 채혈하지않고적외선을손가락에비추어혈당을측정하는기계 ) Diasensor 2000 의 FDA 승인을위해미국의유명한당뇨병센터인메릴랜드대학조슬린당뇨병센터에서임상연구를시작함. 유럽에서는사용승인을받은상태이다. 국내의료영상기술동향을살펴보면 PET 기술의국내연구개발은 1990 년대후반부터과학기술부의특정연구개발사업, 원자력실용화연구사업과보건복지부의보건의료기술진흥지원사업, 의료공학기술개발사업 (G7 프로젝트 ) 등으로지원되어핵의학관련대학, 연구소, 병원등에서연구를수행하고있다. 원자력의학원에서는 2002 년에 PET 용 13MeV 급의사이클로트론가속기의국내제작에성공하여민간기업에기술을이전하고있으며, PET 용방사성의약품 [ 18 F]FDG 를제조하여공급하고있다. 현재서울대학교등몇개대학과국립암센터, 삼성서울병원, 원자력병원등에서 PET 기술관련연구를하고있는중이다. 광주과학기술원이산업자 17
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. 원부의위탁과제로 15 μm의축방향, 10 μm횡방향분해능을가지는광섬유기반의 OCT 시스템과 OCT 시스템용 300nm 이상의선폭을가지는초광대역광원과고속이미지획득이가능한주파수영역의 OCT 시스템을개발중이며, 연세대에서는기존의 OCT 보다진일보한편광의존 OCT 시스템을구축중이다. 생체용이아닌계측용 1-D OCDR(Optical Coherence Domain Reflectometry) 에대한연구는강원대에서수행해오고있으나, 아직까지국제적으로내세울만한결과를제시하는연구그룹은없는형편이다. 분자이미징기술은이미상용화되어제약회사등에서신약개발을위해적극활용하고있고, 세포내실시간분석을위해이용되고있는다광자현미경 (multi-photon microscopy) 은현재 3 개의광자를동시에이용하는방법까지개발되어있으며, 4 개이상의광자를동시에이용하는방법도개발중이다. 특히화순전남대학교핵의학과와고등광기술연구소에서는줄기세포에형광발광인자를이식하여이를이용하여근적외선대역에서생체분자영상획득을위한동물실험시스템과광원개발을협력중이다. 의료영상분야의후발주자인우리나라의입장에서볼때생체분자영상분야는선진국과의기술격차를좁히기에상대적으로좋은분야이다. 광학영상은아직기술개발초기단계에있으므로기술격차를따라잡기가비교적쉬운분야가많다 ( 예 : 광학영상의경우선진국도아직임상적용이가능한단계까지도달하기는상당한시간이필요할것으로예상됨 ). 국내의광ㆍ바이오센서에관한연구개발기관들은여러곳이있지만상업화까지이어지고있는업체들이몇밖에안되며, 500 여개에이르는외국특허들을피하여개발이어려우며, 중소업체들의자금능력부족, 마케팅능력부족등이산업발전을저해하고있다. 광을이용한혈당센서기기는 ( 주 ) 바이오피아에서 Mobile Service 를적용한텔레메트리환경의비침습적 Near-IR 전자혈당측정기개발 이라는제목으로 2002 년에연구를수행하였다. Bio-MEMS 기술을이용한신경전달물질검출용바이오센서개발에대한연구가고려대학교에서수행되었고, 한국과학기술원에서는반도체를이용한반도체바이오센서개발연구가있었으며, FET 를이용한포도당측정바이오센서개발, 유전자재조합형광 / 발광세포를이용한환경바이오센서개발등이연구되었고, 연세대학교에서편광간섭성단층촬영기법을사용하여 Blood Glucose 를측정하는광간섭계를계발하고있으며, 이를이용하여혈당의변화로인한흡수, 산란, 편광각의변화를측정하는연구를수행하고있다. 광을이용한의료용혈압센서를생산하는업체는세계적으로도소수의업체가있으며국내업체는거의없는것으로추측되며, 광을이용한비관혈적혈압측정상품이개발된다면전자혈압계를대체할수있을것이다 ( 광을이용한혈압센서는카테터에서사용하는센서외에는기존의혈압계와같은제품은세계적으로도개발되지않은상태이며카테터에사용하는혈압센서도큰수술의경우아니면일반적으로많이사용하지않고있음 ). 18
2. 광ㆍ바이오치료기술의료용레이저기술개발을위해미국, 유럽, 일본등선진국에서는정보통신, 메카트로닉스, 신소재및보건의료과학기술을 21 세기 4 대전략산업으로선정하여국가적으로집중적인연구개발프로그램을추진하고있다. Asclepion-Meditec AG, Convergent Laser Technoloies, Laser Corp, Laser Scope 및 Palomar Medical Technologies Inc 등에서는의료용레이저시스템을제작하여판매하고있으며, Lambda Physic Inc. 에서는의료용및산업용 plused UV & tunable 레이저를판매하고있고, 또한 Radiant Dyes Laser & Accessories GmbH 사에서는 Dye 레이저, plused Dye 레이저및부분품과 Compact Dye Laser Modules 를제조하고있다. 미국의 Cell-Robotics 사와독일의 P.A.I.M Microlaser Technology AG 사에서는펄스타입의질소레이저를이용함으로써공간적분해능을획기적으로증가시켜정상및비정상세포들의분리및레이저 Micro-tweezer 법을이용한세포분리를위한장비를상업화하고시판중이다. ( 그림 6) 에레이저를이용하여생체조직을제거하는공정의예 ( 물리학과첨단기술 October 2003, 16-21) 를나타냈으며, 미국 Univ. of Michigan 의 Mourou 교수진과공동으로 IntraLase 사에서는펨토초레이저를응용한라식수술기를개발하고 FDA 에서승인을취득하여상업화하고있고, 일본도쿄대카즈노리교수팀은치료용유전자를환부로운반해레이저광으로활성화시킬수있는새로운유전자치료용바이러스벡터를개발하여환부를정확하게공격하여정상조직에는영향을미치지않아부작용발생이적은기술을개발한바있다. ( 그림 6) 레이저를이용한생체조직제거 그동안레이저의료기기시장은미국, 독일등에서수입한외국제품이독점해왔으나 90 년 대후반부터국내에서도몇개의업체가레이저수술기및치료기를국산화하여수입품을대체 하고있다. 특히대신엔터프라이즈, 유니온메디칼엔지니어링및원다레이저등의업체에서는 19
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. 자체기술력과산ㆍ학ㆍ연협동연구를통해 He-Ne 레이저, CO 2 레이저, Nd:YAG 레이저및 Q- Switch Nd:YAG 레이저등을이용한치료기와수술기의국산화에성공하였다. 루트로닉에서는접촉센서를이용한레이저콘트롤구조및컨트롤방법을개발하여간단한방법으로레이저핸드피스가피부에접촉되었는지여부를인식하여레이저조사를보다효과적이고안정적으로제어할수있게하였고, 우진시스템에서는신체특정부위를선택적으로치료하거나수술할수있는직진성이강한단일파장대역의 980nm 를기본파장으로하는다이오드레이저장비를개발하여수술절개, 하지정맥류와지방제거를효과적으로할수있게하였다. New 세라 650 은세계의학계에규명된안전한파장인저출력 650nm 의료용레이저파장을콧속에조사, 생체구성물질의활성화와면역계를자극하여비염증상완화에효과가크므로가정에서도편리하게비염을치료할수있게되었으며, 맥스엔지니어링에서는레이저빔의크기를 100 μm정도로미세하게만들어피부에뿌림으로써각종질환을치료하거나미용효과를높일수있는레이저기기 모자이크 를개발하여시판하고있다. 또한최근국내에서도광과민성물질 (Photosensitizer Drug) 을투여후 24 시간에서 72 시간이지난뒤정상세포에는광과민성물질이사라지고암세포에만머무르게될때레이저의빛을암세포에쪼일때만광자의흡수에따라광민감성물질이생물학적독성산소 (Singlet Oxygen) 을만들어암세포를파괴하는광역학적요법이연구개발되고있는중이다. 공급전력계와광속전달장치의제조기술등이연구개발되고있다. 또한광민감성약품을이용하여암세포등을파괴하는치료법이연구개발되어상용화되었으며, 레이저와광과민성물질 (Photosensitizer Drug) 을이용한광역학적치료기술 (Photodynamic Therapy) 이보편화되어시술되고있다. V. 광ㆍ바이오기술향후전망 1. 광ㆍ바이오진단기술광ㆍ바이오진단을위한의료영상기술중에서핵의학영상기술은 NaI(TI), BGO 등의재래식섬광결정대신에광출력과민감도가우수한 LSO, GSO, YSO 등의새로운섬광결정과고가의 PMT(Photomultiplier tube) 어레이대신양자효율이높고가격이덜비싼 APD(avalanche photodiode) 를결합시킨감마선검출기의개발과 PET 영상의공간해상도향상을위한감마선검출기의상호작용깊이 (Depth of Interaction) 를정확히측정하는방법개발, FBP 에의한것 20
보다더우수한영상을가져올수있는새로운영상재구성알고리즘의개발및양전자방출체표지방사성의약품의제조등이향후핵의학영상기술의과제로부각되고있다. 또한현재광대역광원을개발하여고해상도의 OCT 영상을얻기위한노력으로는초단레이저펄스를발생하는펨토초펄스레이저를이용하는방법과이러한펨토초레이저와함께광자결정광섬유 (Photonic crystal fiber: PCF) 를이용하는방법그리고할로겐램프와같은발열광원등을이용하는방법등이개발되고있다. 펨토초레이저와 PCF 를동시에이용할경우를 SC(supercontinuum) 제너레이션이라고부르며이경우 OCT 의분해능은 1 μm이하까지가능하여초기암세포의진단에도유용하게사용될수있을것으로예측된다. OCT 에비하여영상깊이가큰 DOT 또는 DOS 는해상도가비교적약하다는단점이있으므로대뇌의기능영상 (functional brain imaging) 이나유방암검사 (breast imaging) 그리고두꺼운조직의산소포화도 (blood oxygenation) 등을검사하는데개발이이루어지는추세이며, 광ㆍ바이오센서의경우, 광또는전기신호를쉽게얻을수있도록우수한광특성을보유한재료로구성되어야하고, 바이오칩및센서를이용한타깃검출의신뢰성울검증할수있는표준측정기술의개발이병행되고있는단계이다. 향후 PET 기술의발전방향은 1 PET 용방사성의약품의제조및보급, 2 PSO, GSO, YSO 등의섬광결정과 ADP 를결합시킨 PET 용감마선검출기의개발, 3 국내의디지털 X-선영상기기기술과 MRI, CT 기술을접목시켜서앞으로 PET-CT, PET-MRI 등의융합기술이개발되어야할것으로예측된다. 또한인체영상정보에생리학적, 분자학적변화를보여주는 functional & molecular 영상정보를결합하여제공함으로써질병의원인과진행과정, 치료효과등을정량적으로관찰하고, 이를통하여진단및치료에있어서획기적인발전을이루기위하여단일기기로사용되던 PET, MRI, CT 가 PET-MRI 나 PET-CT 등의복합영상기기로개발되어야하며, 핵심부품인 PET 센서모듈도영상기기간의간섭현상이없고부피를최소화할수있는집적화모듈로개발되어야상품적가치가상승될수있을것으로예측된다. 광ㆍ바이오센서는나노기술의발전에힘입어나노센서등을생체분자영상에활용하는방안역시연구중에있으므로이분야와의상호교류도중요하리라예측된다. 바이오칩은향후바이오센서와바이오 MEMS 기술이융합되면서재택진료, 원격진료를가능하게하기위한소형화경량화가궁극적으로요구되며, 소형화기술은반도체나노공정기술과미소광학소자제작기술등의개발이필수일것이다. 기초기술이상당히발전하여나노선으로제조가가능하여광ㆍ바이오센서의핵심부품으로자리잡아가고있는탄소나노튜브의생산수율향상에따른가격경쟁력강화가필요하며동시에, 극미량농도검출의신뢰성확보를위한미소광학부품제조및광 21
주간기술동향통권 1425 호 2009. 12. 2. 센서제작기술의개발이바이오칩제작과동시에이루어져야할것이다. 2. 광ㆍ바이오치료기술의료용레이저는산업용레이저에비해출력이낮고, 적용대상이인체의조직과같이수분을많이포함하는불균질한물질이기때문에종류가다양하고, 레이저치료기의경우현재 CO 2 및 Nd:YAG 레이저가주종을이루고있으나최근 Er:YAG 및 Diode 레이저가개발되고있으므로, 파장영역도폭넓게확정되어응용분야가확대되고있으며, 기존치료법들의한계극복에대한새로운시도의일환으로서광역학요법 (photodynamic theraphy: PDT) 에대한연구와임상적적용이활발히진행되고있다. 치료시주위조직에대한열손상을해결하기위해파장 2.94 μm의 Er:YAG 레이저가개발되었으며, Premier 사의 Centauri Er:YAG 레이저가충치치료용으로개발되었고, 효율이높은다이오드레이저펌핑에의한 Er:YAG 레이저의개발에따른신경외과및일반외과의수술용레이저시스템의수요가확대될것으로예상되며, 안과용및피부과용레이저의경우현재로서는대체기술이없어향후에도지속적으로시장이커질것이다. 선진국의경우고출력, 고효율의 Diode 레이저모듈의개발로기존의안과, 피부과, 치과의레이저시스템외에성형외과, 신경외과, 일반외과의치료및수술용레이저시스템산업등으로산업기반이확대되고있고, 이미미국, 유럽및일본에서는광역학적요법에의한암치료에대한효과를입증하였으며, 세계적인의료기관에서이를사용하고있다. 수술요법, 화학적항암치료법, 방사선요법등에비해시술이간편하고부작용이거의없으므로, 꾸준한기술의개발과시행이예상되므로국제공동연구를통하여국제적인추세를파악하고국제기술발전선도그룹에조속히편승하는것이중요하다고판단된다. VI. 결론 이미병의원에서사용중인영상진단기기들이충분히비관혈적이며어느정도좋은영상을얻을수있으므로광을이용한진단기기가획기적인장점을가지고있지않는한시장침투가쉽지않을것으로예상된다. 1) 향후 10 년내에개발될것으로예상되는 PET, SPECT, ODT 및 OCT 분야의다양한신기능영상기술은의료영상분야에있어서향후국제경쟁력을결정할 1) 의사사회는보수적인면이강하여장시간에걸쳐서검증이되지않은의료기기는사용하기를꺼려하는편이기때문에새로운의료기기의시장진입이쉽지않고많은시간을필요로함 22
중요한요소이므로, 고부가가치첨단전자의료기기산업의성장을위하여정부차원의계획과지원이필요하다. 또한광ㆍ바이오센서및분석기술의개발은현재의단순한질병진단에국한되지않고정보통신기술과의융합으로의료서비스를환자친화형으로빠르게변화시키는견인차역할을할수있을뿐만아니라, 보건의료, 제약및타산업에도커다란파급효과를미칠것으로예상되므로사용자친화적인기기의개발이요구된다. 고가 / 신기능의료영상장비의경우다학제간효율적인공동연구체제를갖추는것이중요하다. 국제공동연구를통하여국제적인추세를파악하고국제기술발전선도그룹에조속히편승하는것이중요하므로공학, 자연과학, 의학등의다학제간유기적인공동연구가이루어질수있도록기반기술및전문연구원을확보및과감한 R&D 지원이시급하다. < 참고문헌 > [1] 광주지역광기반융합산업기술로드맵, 2008. 12. [2] 일본광산업기술진흥협회 (OITDA), http://www.oitda.or.jp. [3] 광산업진흥회광산업체현황보고서, 2007. [4] 문선중, 센서산업의최신동향및기술전망, 월간자동화기술, 2004. [5] 바이오탐침기술로드맵, 전자부품연구원, 기획리포트, 2004. [6] 센서산업의최신동향과기술ㆍ시장전망, 전자부품연구원, 주간전자정보, 2005. [7] 나노광전소자 TRM, 전자부품연구원, 2005. [8] Paolo Fortina, Larry J. Kricka, Saul Surrey and Piotr Grodzinski, Nanobiotechnology: the promise and reality of new approaches to molecular recognition, TRENDS in Biotechnology Vol.23 No.4 April, 168-173, 2005. [9] 유경화, 나노바이오센서의연구현황, 물리학과첨단기술, April 2007, pp.1-5. [10] 김선웅, 디지털엑스선검출기, 물리학과첨단기술, October 2003, pp.30-34. [11] 남기창, 국내전자의료기기의최신개발동향, 보건산업기술동향, 2005 봄, pp.22-34. [12] 조용호, 의료용레이저, 전자부품연구원, 2008. 2. [13] 박창원, 전자의료기기산업동향, 전자부품연구원, 2007. 12. [14] 안선영, 의료용광계측및센서기기동향및전망, 전자부품연구원, 2006. 7. [15] 안선영, 광ㆍ바이오센서시장동향및전망, 전자부품연구원, 2007. 5. [16] 오승석, 이상범, 차세대영상의료기기기술동향, 전자부품연구원, 2005. 10. [17] 신용진, Biomedical photonics, 의료산업과광기술세미나자료, Nov. 30 2005. [18] 광주지역광산업중장기발전계획, 2006. * 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 23