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인간 시각 능력 향상 기술 동향 및 발전 전망

◈ 목차

• I.서론

• II.인공 시각 기술 동향

• III.시각대체 기술 동향

• IV.지능형 시력 교정 기술 동향

• V.결론

◈본문

Ⅰ. 서론
 사람은 눈, 귀, 코 등 감각기관을 통하여 외부 자극을 지각하여 인지함으로써 일상생활을 영위하는 데 필요한 정보를 수집한다. 이 중 눈을 통해 빛의 자극을 받아들이는 시각은 주변 환경 정보를 수집하는 데 있어 가장 중요한 역할을 한다. 실제 신체에 존재하는 감각 수용체의 70% 이상이 눈에 존재하고 있으며[1], 뇌로 전달되는 90% 이상의 정보가 시각을 통해서 전달되는 정보이다[2]. 

 현재 전 세계 약 22억 명이 근시 또는 원시로 인한 시각장애가 있고, 이로 인한 생산성 저하 비용은 연간 약 4,100억 달러에 달할 것으로 예상하고 있다[3]. 국내의 경우 2022년 기준 시각장애인의 수는 약 25만 명으로, 전체 등록 장애인의 9.5%이며 지체장애, 청각장애에 이어 세 번째로 큰 비중을 차지하고 있다. 국내에서는 좋은 눈의 시력이 0.06 이하인 경우를 심한 시력장애로 판단하며, 좋은 눈의 시력이 0.2 이하 또는 나쁜 눈의 시력이 0.02 이하인 경우를 심하지 않은 장애로 판단하고 있다. 2022년 기준 등록된 시각장애인 중 심한 장애 비율이 약 18.5%를 차지하고, 심하지 않은 장애 비율은 81.5%였다[4].

 사람은 그림 1[5]과 같이 나이가 들어가면서 자연스럽게 시력 조절 능력이 저하되며, 40대가 되면 노안(Presbyopia)이 발생한다. 노안은 수정체의 탄력성 저하와 수정체 비대로 굴절각 조절 능력이 떨어져서 발생하며, 근거리에 초점을 맞출 수 없어 근거리에 있는 물체들이 흐릿하게 보이는 시력장애가 발생한다. 최근 스마트폰을 통한 멀티미디어 노출 빈도가 증가하면서 노안의 발생 시기가 점점 앞당겨지고 있어 사회적 문제로 대두되고 있다.

 일상생활에서 시각에 대한 의존도가 높은 만큼 시각장애는 일상생활의 제한과 자립 수준의 저하를 유발하여 삶의 질을 낮추는 주요한 원인이 된다. 또한, 최근 연구에서는 시각장애가 발생했을 때 이전보다 더 높은 만성 대사질환과 낙상 관련 부상 발생 비율이 관찰되었다[6]. 따라서 시각장애를 해소 또는 완화할 수 있는 시각 능력 향상 기술에 관한 연구가 필요하다.

 시각장애를 해결하기 위한 시각 능력 향상 기술로는 잔존시력이 없는 사람들을 위해 시각을 회복할 수 있는 기기를 수술적 방법을 통해 이식하는 인공 시각(Visual Prosthesis) 기술, 신경가소성(Neuroplasticity)에 기반하여 시각 정보를 다른 감각으로 대체하여 전달함으로써 지각하게 하는 시각대체 기술, 저하된 시력 조절 능력을 보완하기 위한 지능형 시력 교정 기술 등이 연구되고 있다. 

 이에 본고에서는 시각장애를 해결하기 위해서 연구되고 있는 인공 시각 기술, 시각대체 기술, 지능형 시력 교정 기술에 관한 기술 동향 및 앞으로의 발전 전망을 소개하고자 한다.

 Ⅱ. 인공 시각 기술 동향
 인공 시각은 시각 자극을 감지하는 눈의 역할을 대신할 수 있는 인공적인 대체물을 통해 시각 기능을 회복하는 기술이다. 따라서 인공 시각 기술은 시각 자극을 감지하는 장치, 감지된 시각 자극을 전기적 신호로 변환하는 장치, 전기적 신호를 기반으로 시각 정보를 전달하는 망막, 시신경 등을 자극하는 장치 등으로 구성된다. 인공 시각 기술은 변환된 전기 신호를 전달하는 자극 위치에 따라서 망막상 장치(Epiretinal Devices), 망막하 장치(Subretinal Devices), 맥락막상 장치(Suprachoroidal Devices), 대뇌피질 장치(Cortical Devices) 등으로 구분되며[7], 시각 정보 처리경로 및 자극 위치는 그림 2와 같다[8].

 망막상 장치는 카메라를 통해서 수집된 시각 정보를 전기자극 신호로 변환한 다음, 손상되지 않은 망막 신경에 연결된 전극을 통해 전기자극 신호를 전달하는 방법이다. 이 방법의 경우 시각 자극을 뇌로 전달하는 역할을 하는 기존 신경절 세포(Ganglion Cell)를 활용할 수 있으며, 수술의 위험도가 낮아서 가장 많이 연구되고 있다. 

 대표적인 장치로 이스라엘의 Nano Retina사에서 만든 NanoRetina 600(NR600)이 있다[9]. NR600은 사용자가 착용하는 안경 형태의 기기와 망막에 이식되는 장치로 구성되어 있다. 망막에 이식된 장치는 시각 자극을 수집하는 센서와 시각 자극을 전기 자극으로 변환하는 프로세서 및 676개의 3차원 바늘 형태의 전극 어레이 등으로 구성되며, 사용자가 착용한 안경에서 생성하는 적외선을 통해 전원을 공급받는다. NR600의 경우 3차원 바늘 형태의 전극을 통해 신경세포에 근접하여 국소적으로 자극을 전달할 수 있어 전극 집적도를 향상할 수 있다. 또한, 눈 외부로 연결되는 부분이 없어 이식 수술이 간단하며 회복에 걸리는 시간이 적다는 장점이 있다.

 망막하 장치는 망막상 장치와 달리 광수용체(Photoreceptors)가 존재하는 망막 뒤에 이식되며, 망막상 장치에 비해 수술하기가 어려운 단점이 있다. 하지만 망막하 장치의 경우 무축삭세포(Amacrine Cells), 수평세포(Horizontal Cells), 쌍극세포(Bipolar Cells) 등으로 구성된 손상되지 않은 내측 시각 정보 처리 경로를 활용할 수 있는 이점이 있다.

 Iridium medical사의 HARP4K는 원형 형태로 고시력을 제공할 수 있는 최초의 망막하 장치이다[10]. HARP4K는 기존 장치들이 소수의 전극을 사용하여 최대 60픽셀의 정보를 제공하는 데 반하여, 4,000개의 유효 픽셀 정보를 제공할 수 있다. 이를 통하여 사용자는 사람의 얼굴과 물체를 인식할 수 있으며, 14포인트 크기로 인쇄된 책도 읽을 수 있다.

 맥락막상 장치는 공막(Sclera)과 맥락막(Choroid) 사이에 이식되어 다른 방법들에 비해 비침습적이며, 전극 이식 후 망막 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 하지만 망막의 신경세포들과 전극의 거리가 멀기 때문에 신경세포를 자극하기 위해서 높은 전류가 필요하며, 시각 정보의 해상도를 높이는 데 한계가 있다. 

Bionic Vision Australia사의 Generation 2가 대표적인 맥락막상 장치로써 44개의 전극으로 구성된 이식 장치와 카메라를 통해 수집된 시각 정보를 전기자극으로 변환하여 이식 장치로 전달하는 외부 기기로 구성된다. 최근 연구 결과[11]에서는 장치가 처음 동작해서 56주가 지나도 98%의 전극들이 제대로 동작하여 일상생활에서 활용 가능성을 보여주었다.

 대뇌피질 장치는 손상된 눈의 시각처리 경로를 활용하지 않고 뇌의 후두엽(Occipital Lobe)에 있는 시각 피질(Visual Cortex)을 직접 자극함으로써 시각 정보를 지각할 수 있게 하는 방법이다. 대뇌피질을 자극하여 시각 정보를 직접 전달함으로써 시각 정보 처리 경로에서 발생하는 문제들을 해결할 수 있는 장점이 있다. 

 대표적인 대뇌피질 장치는 Cortigent사의 ORION이다. ORION은 망막상 자극 장치인 Argus II를 개발한 Second Sight사에서 개발하였으며, 2022년 회사의 인수‧합병으로 인하여 Cortigent사로 이관되었다. ORION은 카메라가 장착된 착용형 장치와 후두엽에 이식되는 장치로 구성되며, 착용형 장치는 영상정보를 수집하여 무선으로 이식 장치에 전달하고 내부 이식 장치는 60개의 전극을 활용하여 대뇌피질을 자극함으로써 영상정보를 전달한다. 2022년까지 진행된 5년간의 타당성 연구 결과, 6명의 실험자 중 3명이 여전히 사용하고 있으며, 연구 결과를 바탕으로 ORION II에 관한 후속 연구를 진행하고 있다.

 현재 인공 시각 기술은 시각 정보 전달 경로의 다양한 위치에서 침습형 전극 기반 전기자극을 통해 시각 정보를 전달하고 있다. 따라서 침습형 전극의 밀집도를 향상해 정보 전달량을 증가시키고, 사용자 편의성을 위해 장치의 사용 시간을 증가시키는 방안에 관한 연구들이 향후 더 진행될 것으로 예상된다.

...................(계속)

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