안구의 운동 (대학생 이상)

1. 안구의 운동

고체가 공간에서 차지하는 위치는 기준 위치로부터 3축의 직선 운동과 3축의 회전 운동으로 기술할 수 있다. 눈의 움직임은 세쌍의 근육에 의해서 이루어지는데 신경 제어를 통해서 이 근육에 가해지는 힘의 조합과 안구 궤도의 점성, 근육의 탄성 등에 의해서 위치가 결정된다. 안구가 움직이는 동안, 안구의 회전 중심(각막 표면에서 13.5mm 뒤)은 대체로 일정하게 유지되기 때문에 직선 운동은 무시할 수 있을 정도로 미미하고 따라서 안구의 회전 중심을 원점으로 하는 3차원의 회전으로 안구의 위치를 완전하게 기술할 수 있다. 안구 운동을 제어하는 신경 신호는 ‘Listing의 법칙’으로 알려져 있는 특성으로 안구 위치를 제약하여 안구 운동의 자유도를 2축의 회전으로 감소시킬 수 있다.

 

2. 안구 운동의 목적과 종류

안구 운동은 망막의 구조적 특성과 운동의 목적에 따라서 아래의 몇 가지 형태로 진화하였다. 이 안구 운동들의 목적은 두 가지로서 1) 망막 영상을 안정하게 유지하는 것과, 2)흥미 있는 물체를 fovea에 위치시키기 위한 것이다.

A. Vestibular Reflex : 머리의 운동에 의해 야기되는 짧은 기간 동안의 망막 영상의 이동을 보상하기 위한 안구 운동.

B. Optokinetic Reflex : 장시간 동안 지속되는 망막 영상의 움직임을 보상하는 안구 운동.

C. Fixation : 안구 소켓의 한 위치에 안구를 고정. Tremor와 Drift의 형태가 있음.

D. Saccade : 주변 시야의 물체의 영상을 fovea에 빠른 속도로 위치시키는 안구 운동.

E. Pursuit : 이동하는 물체의 영상을 fovea에 유지하는 안구 운동.

F. Vergence : 양안의 운동 방향이 반대이면서 물체의 영상을 양안의 fovea에 위치시키는 운동.

 

3. 안구 운동의 수학 – “안구의 3차원적 위치” 참조.

 

4. 안구 운동의 신경학 여러 형태의 안구 운동에는 각각의 제어 신경 회로가 있다. 이 회로의 최종 출력은 동안 근육을 구동하는 신경핵에 수렴하는데, 이 신경핵을 구성하는 세포들은 pulse와 step으로 불리는 두 가지 형태의 힘에 비례하는 활동을 보인다.

A. Pulse : 고속의 안구 운동시, 안구 주변의 supportive tissue에 의한 viscous resistance (점성)을 극복하기 위해서 요구되는 힘, 혹은 이 힘을 발생시키기 위해서 외안근에 가해지는 신경 출력 (속도 신호).

B. Step : 안구가 primary position으로 복원하고자 하는 힘(탄성)을 극복하여 궤도의 외곽에 안구를 고정시키는 힘, 혹은 이 힘을 위해서 외안근에 가해지는 신경출력 (위치 신호).

C. Neural Integrator의 개념 : 운동 제어를 위한 속도 신호(pulse)에서부터 위치 신호(step)가 수학적인 적분을 통해서 얻어질 수 있는데 이러한 계산을 하는 신경망을 구성하는 뉴런을 신경 적분기(neural integrator)라 부른다. vestibular nuclues와 소뇌의 interpositus nucleus에서 신경 적분기가 존재함이 확인되었다 (Cannon & Robinson, 1987).

각 방향의 안구 운동은 각기 다른 신경 경로에 의해서 제어된다. 예를 들어, paramedian pontine reticular formation은 수평 방향의 안구 운동을, rostral mesencephalon은 안구 운동의 수직 성분을 제어한다. 상위 수준에서는 독립된 회로가 각 안구 운동의 제어 신호를 발생시키고 이들 brain stem회로를 거쳐서 최종 회로인 안구 운동 관련 신경핵에 수렴한다.

위에서 언급하였듯이 안구 운동 신경계는 안구의 기계적 궤도와 외안근을 통해서 안구의 방향을 제어한다. 따라서 측정된 안구의 운동, 궤도 역학과 외안근의 생리적 성질에 기초하여 특정 안구 운동을 일으키는 신경 제어 신호를 예측할 수 있으며 이에 기초하여 뇌 기능을 평가할 수 있다.

안구운동을 형태별로 수행 내용과 정도를 정확히 측정할 수 있으면 관련 신경회로의 손상 및 진행중인 질병 유무를 진단할 수 있다. 이러한 신경학적 진단뿐만 아니라, 주의 등 과제 요구 특성을 달리하는 과제를 사용하여 안구 운동의 지표분석에 기초하여 정신 질환과의 상관을 보고해 오기도 하였다. 특히 정신분열증의 경우 안구 운동은 질병의 가징 신빙성 있고 안정된 소견의 하나로써 알려져 왔다(Holzman 1987; Clementz와Sweeney 1990; .Braff, 1993). Holzman은 정신분열병 환자의 약 70% 이상에서 추적 안구 운동(smooth pursuit eye movement)장애를 보임을 관찰하고 이러한 추적 안구운동 이상이 정신분열병 환자의 주의력, 검사에 대한 동기, 약물 등과는 무관하고 정신분열병의 임상적인 상태와 관계없이 일관성을 갖는다는 보고를 하여 안구 운동의 측정이 정신분열증의 중요한 진단 소견일 가능성을 보였다. 뿐 아니라 정신분열병 환자와 정신분열병에 이환되지 않은 생물학적 가족 중에서도 높은 빈도로 이상 안구 운동이 확인되는데 일치율(concordance rate)에 관한 쌍생아 연구에서 이란성 쌍생아 보다 일란성 쌍생아에서 통계적으로 의미있게 높게 나와 안구 운동이 정신분열병에 대한 감수성의 생물학적 지표로 제안되었고 또 정신분열병의 유전에 대한 이해의 새로운 접근방식으로 생각되어 많은 연구자들이 관심을 갖고 있다.

 

5. 안구 운동의 측정법

Electrooculography (EOG) : 자연적으로 형성되어 있는 각막과 망막 사이의 전위차를 이용한 electrooculography (EOG)는 측정범위가 넓은 장점이 있으나(+/- 40도) 정밀도(resolution)가 떨어지고(1도 정도) 출력이 근육과 눈꺼풀의 움직임에 크게 영향받으며 주위 조명에 순응해야하고 DC drift가 존재한다는 단점이 있다. 임상 장면에서 가장 많이 사용.

Purkinje image tracker : 눈에 입사하는 빛은 각막의 외측 내측 표면과 렌즈의 외측 내측 표면에 의해서 반사각이 다른 네 빛으로 반사된다. 적외선을 사용하여 눈에서 반사되는 첫번째와 네 번째의 Purkinje image의 반사각의 차이를 계산하여 안구 위치의 결정이 가능하다. 이 double Purkinje image 기법은 공간적 정밀도가 높지만(0.5도 정도) 측정범위가 제한되어 있으며 calibration이 까다롭다. 독서와 도형 지각과 관련된 연구에서 가장 많이 사용되고 있다. Scleral search coil technique : 전자기적 기법은 존스 홉킨스 대에서 근년에 은퇴한 Robinson(1963)에 의해 개발되었는데 유도코일이 들어 있는 공막 콘텍트렌즈(scleral contact lens)를 눈에 끼고 90도의 위상차를 가지는 수평, 수직의 Helmholtz 자기장 속에 머리를 고정하게 된다. 코일에 유도된 전압은 위상탐지회로를 거쳐 안구의 수평, 수직 위치에 비례하는 성분으로 분해된다. 이 기법은 그 후 정확한 측정을 요하는 실험적 상황에서 대표적인 기법으로 정착하였는데 정밀도(1분) 뿐 아니라 다른 방법에 비해 안구운동의 측정범위가 크고(+/- 40도), 정상적인 시각을 방해하지 않으며, 눈의 깜박거림에 의해 출력이 영향받지 않고, 또한 비교적 적은 비용이 든다는 잇점이 있다.

Photographic & video method : 광학적으로 안구의 위치를 측정할 수 있는 여러 방법이 개발되어 있다. 비접촉적인 이점이 있기는 하나 정밀도에 있어서 단점이 있다. 1-2도의 공간적 정밀도를 가지며, 비디오 카메라를 사용할 경우, 시간적 정밀도는 50-60 sample/sec이며 이를 향상시키기 위해서는 비용이 만만치 않다. 인간 공학적 연구에서 많이 사용되고 있다.

 

6. 안구 운동 측정의 응용

아래는 정신물리학, 신경생리학 등의 실험연구와는 별도로 안구 운동 측정을 포함하는 응용의 일부를 소개하였다.

A. 공학적 응용 1. navigating robot visuo-motor coordination 2. role for spatial perception – reality enhancement in VR 3. man-machine interface 일부 척추 손상환자의 경우 안구 운동이 유일한 의사 표시 수단일 때가 있음. 시선의 위치를 파악하여 computer mouse 보다 빠르고 정확한 man-computer interface의 개발. 운전자의 졸음을 안구의 움직임으로 측정하여 경고를 보내는 장치, 등.

B. 교육적 응용 안구 운동의 지표 추출을 통한 독서 과정의 연구, 독서력, 독서 장애, 학습에 수반하는 적응적 변화 교과서 표준 연구, 효율적인 font, 글줄의 길이, 교과서의 크기 등

C. 임상적 응용, 진단도구 개발 정신 질환, 뇌 손상 환자의 진단, 주의/각성과 관련한 평가도구 그외, 광고, 교통 행위 등에서의 응용.