[논문]레이저를 이용한 인공망막에서의 영상 신호 전달방법

윤일용; 이병호; 김성준

문제 정의

본 논문에서는 안구내부의 신호처리 회로부를 삽입하지 않는 단순한 구조의 인공망막 장치를 구성하기 위해 레이저 다이오드 어레이를 이용하고자 하는데, 일체화된 PD와 마이크로 전극 어레이에 레이저 다이오드 어레이가 광학적으로 연결되는 방식을 제안하고자 한다. 이러한 광학적 링크 방식은 전자기간섭에 영향받지 않는 장점을 그대로 가지면서도 종래의 광학적 연결 방식에 비해 안구내부에서 복잡한 신호처리 과정이 필요없다는 데에 가장 큰 장점이 있다.
안구 내부에 디코더가 위치하게 되면 그에 의한 발열과 움직임에 의한 망막의 손상, 수술의 어려움이 문제가 될 수 있다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위한 새로운 방법을 제안하고, 간단한 광학계 시뮬레이션을 통하여 그 실현가능성을 검증하여 보았다.
인공망막에 있어서 가장 중요한 신호와 파워의 전달을 위하여 새로운 광학적 링크 방식을 제안하였다. 이 방법은 레이저 다이오드 어레이를 사용하는 것으로서 지금까지 시도되었던 다른 방법들에 비하여 안구 내부에서의 신호처리를 필요로 하지 않아 안구에 이식되는 부분을 매우 간단하게 만들 수 있으며 현재까지 이룩된 생체전자공학 기술 수준에 비추어 볼 때보다 더 현실화 가능성이 높은 방법이다.

가설 설정

광학계 시뮬레이션 프로그램으로는 CODE V를 사용하여 시뮬레이션 하였다. PD와 전극 일체형 어레이는 실제 제작시에는 반도체 공정상에서 크기를 자유롭게 선택할 수 있으나 현재 인공망막 분야의 연구에서 많이 쓰이고 있는 정도의 크기인 50 ㎛><50 ㎛의 정사각형을 가정하였고, 각각의 PD는 간격없이 붙어 있다고 가정하였다. 레이저 다이오드는 Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)를 가정하여 설계하였다.
이러한 방식을 실제로 적용할 수 있는지를 검증해보기 위하여 간단한 광학계를 설계하고 그 성능을 시뮬레이션하여 보았다. 광학계로는 가장 단순한 구조의 구면 렌즈를 사용하였으며 파장대역은 VCSEL의 일반적인 파장대역의 850 nm 대역을 가정하여야 하지만 850 nm 대역에서의 안구파라메 터가 어떻게 변화되는지를 정확히 알 수가 없기 때문에 렌즈의 제원을 엄밀하게 정의하는 것이 그다지 큰 의미가 없어서 일단 850 nm대역에서 1.4의 굴절률을 갖는 광학유리를 가정 하였다. 하지만 실제의 경우에 있어서 비록 파라메터값이 변하더라도 제원을 만족하도록 설계를 할 수 있다는 가능성을 보이는 데에는 무리가 없다.
PD와 전극 일체형 어레이는 실제 제작시에는 반도체 공정상에서 크기를 자유롭게 선택할 수 있으나 현재 인공망막 분야의 연구에서 많이 쓰이고 있는 정도의 크기인 50 ㎛><50 ㎛의 정사각형을 가정하였고, 각각의 PD는 간격없이 붙어 있다고 가정하였다. 레이저 다이오드는 Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)를 가정하여 설계하였다. 일반적인 VCSEL의 발산각이 10° 정도이므로 발산각은 10° 로 놓고 발산되는 빔은 가우시안빔으로 가정하였다.
레이저 다이오드는 Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)를 가정하여 설계하였다. 일반적인 VCSEL의 발산각이 10° 정도이므로 발산각은 10° 로 놓고 발산되는 빔은 가우시안빔으로 가정하였다. 현재 사용할 수 있는 VCSEL 어레이에서는 각 레이저간의 간격이 100 倒 이상이므로 간격을 100 側로 하였다.
평행광에 대한 시뮬레이션 결과 선택된 모델은 동공 크기 2 mm에서 10 ㎛정도의 spot size를 나타내어 망막 내의 5 ㎛ spot을 인지 할 수 있는 실제 안구의 경우에 비추어 볼 때 신뢰할 만한 결과를 보여주었다. 정상안에서 수정체는 자율신경계에 의하여 굴절률이 변화되며 망막에 초점을 맞추어 주는데, 망막 자극기를 시술하는 경우 속발성 백내장 발생 등의 이유로 원래의 수정체를 제거하고 초점 조절능이 없는 인공 수정체를 삽입하게 되므로 적당한 값을 가정하였다. 이것은 현재 다양한 굴절률을 갖는 여러가지 형태의 인공 수정체가 상업적으로 이용 가능하므로 정당하다.

제안 방법

한편 어레이의 외곽으로 갈수록 수차 등의 영향으로 포커싱 면적이 늘어나게 되는데 20 X 20의 어레이정도에도 적용 할 수 있도록 광학계를 설계하였다. 광원으로 레이저를 사용하므로 색수차는 고려할 필요가 없었으나 구면수차를 최소화하기 위하여 되도록 렌즈의 작은 면적만을 사용하도록 설계하였다. 또한 일반 광학계를 설계할 때는 이미지면을 점광원의 집합으로 생각하여 그 점광원에서 발산된 광선중의 일부만 렌즈 pupil에 도달하면 되지만 VCSEL 어레이의 경우 각각의 레이저가 수직으로 빔을 발산하므로 발산된 빔중 일부가 pupil에 도달하지 못할 수도 있으므로 정확한 파워를 전달 하려면 광학계의 pupil안에 어레이상의 모든 레이저빔이 들어 올 수 있도록 설계하여야 한다.
이 방법은 레이저 다이오드 어레이를 사용하는 것으로서 지금까지 시도되었던 다른 방법들에 비하여 안구 내부에서의 신호처리를 필요로 하지 않아 안구에 이식되는 부분을 매우 간단하게 만들 수 있으며 현재까지 이룩된 생체전자공학 기술 수준에 비추어 볼 때보다 더 현실화 가능성이 높은 방법이다. 그리고 제안된 방법의 가능성을 검증해보기 위하여 적합한 안구모델을 선택하여 광학적 링크에 필요한 간단한 광학계를 설계하였다. 정량적 평가로서 광선추적법과 점퍼짐함수를 사용하여 설계된 광학계가 20X20의 VCSEL 어레이상의 각 레이저 다이오드를 일대일 대응되는 PD 어레이상의 각 50 ㎛ X50 ㎛ PEW] 충분히 포커싱할 수 있음을 보였다.
또한 내부 회로에 의한 발열이나 생체 적 합성을 갖는 내부 회로의 설계 등과 같은 어려움을 피할 수 있는 방법이라고 생각된다. 본 논문에서 제안하는 레이저 다 이오드 어레이를 이용하는 방식은 각각의 레이저 다이오드의 레이저빔이 일대일 대응되는 PD 어레이상의한 PD에 초점 을 맺고 이 PD와 일체화된 전극이 시세포를 자극하는 방식 이다. 즉, 그림 2과 같이 레이저 다이오드 어레이와 PD 어레 이가 일대일 대응되어 있고 또 PD 어레이와 마이크로 전극 어레이가 일대일 대응되어 있는 구조이다.
이러한 방식을 실제로 적용할 수 있는지를 검증해보기 위하여 간단한 광학계를 설계하고 그 성능을 시뮬레이션하여 보았다. 광학계로는 가장 단순한 구조의 구면 렌즈를 사용하였으며 파장대역은 VCSEL의 일반적인 파장대역의 850 nm 대역을 가정하여야 하지만 850 nm 대역에서의 안구파라메 터가 어떻게 변화되는지를 정확히 알 수가 없기 때문에 렌즈의 제원을 엄밀하게 정의하는 것이 그다지 큰 의미가 없어서 일단 850 nm대역에서 1.
그러면서도 각각의 레이저는 50 ㎛X50 ㎛안에 포커싱되어야 한다. 한편 어레이의 외곽으로 갈수록 수차 등의 영향으로 포커싱 면적이 늘어나게 되는데 20 X 20의 어레이정도에도 적용 할 수 있도록 광학계를 설계하였다. 광원으로 레이저를 사용하므로 색수차는 고려할 필요가 없었으나 구면수차를 최소화하기 위하여 되도록 렌즈의 작은 면적만을 사용하도록 설계하였다.

대상 데이터

이러한 안구 모델들이 완벽하지는 않지만 작은 pupil size와 단색 광을 사용한 응용에서는 어느 정도 만족할 만한 결과를 보여주고 있다. 따라서 그동안 연구되었던 안구 모델 중에서 한 가지 모델을 선택하였고 그 모델은 모식도로 나타낸 그림 1과 같다 [5]. 평행광에 대한 시뮬레이션 결과 선택된 모델은 동공 크기 2 mm에서 10 ㎛정도의 spot size를 나타내어 망막 내의 5 ㎛ spot을 인지 할 수 있는 실제 안구의 경우에 비추어 볼 때 신뢰할 만한 결과를 보여주었다.

이론/모형

광학계 시뮬레이션 프로그램으로는 CODE V를 사용하여 시뮬레이션 하였다. PD와 전극 일체형 어레이는 실제 제작시에는 반도체 공정상에서 크기를 자유롭게 선택할 수 있으나 현재 인공망막 분야의 연구에서 많이 쓰이고 있는 정도의 크기인 50 ㎛><50 ㎛의 정사각형을 가정하였고, 각각의 PD는 간격없이 붙어 있다고 가정하였다.
광학계의 정량적인 평가를 위해 광선추적법과 점퍼짐함수(Point Spread Function)를 사용하였다. 광선추적법 은 가우시안 빔과 회절효과가 고려되지 않는 방법이고 점퍼짐함수는 두 가지를 다 고려하는 방법이다.

성능/효과

그림 4는 광선추적법으로 구한 spot size를 어레이상의 중심에서 수직방향으로 2 픽셀씩을 취해 나타낸 것이고 그림 5는 포커싱 능력이 가장 좋지 않을 것으로 판단 되는 대각선방향으로 2 픽셀씩을 취해 나타낸 것인데 원점에 대하여 광학계가 대칭이므로 1사분면만을 보면 되고 거리가 늘어날수록 코마 현상에 의해 spot이 커지는 것을 볼 수 있지만 설계조건인 20X20 어레이의 최외곽 픽셀까지는 50 zfflix 50 ㎛의 spot size를 만족하는 것을 볼 수 있었다. 두 점에서의 점퍼짐함수를 통한 세기 분포를 나타낸 그림 6, 7에서도 광선추적법에서 나타난 spot과 비슷한 모양을 볼 수 있었으며 회절 효과까지 고려된 점퍼짐함수의 경우에서도 설계조건을 만족함을 알 수 있었다. 상술한 광학계 시뮬레이션이 주어진 파장대역에서의 정확한 안구 상수값을 모르는 상태에서 수행 되었고 개개인마다 안구상수가 모두 다르기 때문에 완벽한 설계라고는 할 수 없지만 마치 안경을 맞추듯이 개개인의 안구에 최적화된 경우 제안된 레이저 다이오드 어레이를 이용한 광학적 링크 방법이 충분히 가능함을 보여주고 있다고 생 각한다.
두 점에서의 점퍼짐함수를 통한 세기 분포를 나타낸 그림 6, 7에서도 광선추적법에서 나타난 spot과 비슷한 모양을 볼 수 있었으며 회절 효과까지 고려된 점퍼짐함수의 경우에서도 설계조건을 만족함을 알 수 있었다. 상술한 광학계 시뮬레이션이 주어진 파장대역에서의 정확한 안구 상수값을 모르는 상태에서 수행 되었고 개개인마다 안구상수가 모두 다르기 때문에 완벽한 설계라고는 할 수 없지만 마치 안경을 맞추듯이 개개인의 안구에 최적화된 경우 제안된 레이저 다이오드 어레이를 이용한 광학적 링크 방법이 충분히 가능함을 보여주고 있다고 생 각한다.
정량적 평가로서 광선추적법과 점퍼짐함수를 사용하여 설계된 광학계가 20X20의 VCSEL 어레이상의 각 레이저 다이오드를 일대일 대응되는 PD 어레이상의 각 50 ㎛ X50 ㎛ PEW] 충분히 포커싱할 수 있음을 보였다. 성능평가의 결과 제안된 광학적 링크 방법의 실제 구현 가능성이 충분히 있다고 판단된다.
4 mm 정도의 영역을 통과하는 것으로 나타났다. 여기에 인공수정체를 가정한 수정체의 곡률 반경은 설계에 사용된 특정한 값을 나타내었으나 공기중에서 15.58 Jim정도의 effective focal length를 갖는 렌즈라면 모두 비슷한 결과를 보여준다.
그리고 제안된 방법의 가능성을 검증해보기 위하여 적합한 안구모델을 선택하여 광학적 링크에 필요한 간단한 광학계를 설계하였다. 정량적 평가로서 광선추적법과 점퍼짐함수를 사용하여 설계된 광학계가 20X20의 VCSEL 어레이상의 각 레이저 다이오드를 일대일 대응되는 PD 어레이상의 각 50 ㎛ X50 ㎛ PEW] 충분히 포커싱할 수 있음을 보였다. 성능평가의 결과 제안된 광학적 링크 방법의 실제 구현 가능성이 충분히 있다고 판단된다.
광선추적법 은 가우시안 빔과 회절효과가 고려되지 않는 방법이고 점퍼짐함수는 두 가지를 다 고려하는 방법이다. 평가결과 그림 4와 그림 5에서 볼 수 있는 바와 같이 20x20의 어레 이 상에서 각각의 레이저빔이 50 ㎛X50 ㎛의 PD에 충분히 포커싱될 수 있음을 볼 수 있었다. 그림 4는 광선추적법으로 구한 spot size를 어레이상의 중심에서 수직방향으로 2 픽셀씩을 취해 나타낸 것이고 그림 5는 포커싱 능력이 가장 좋지 않을 것으로 판단 되는 대각선방향으로 2 픽셀씩을 취해 나타낸 것인데 원점에 대하여 광학계가 대칭이므로 1사분면만을 보면 되고 거리가 늘어날수록 코마 현상에 의해 spot이 커지는 것을 볼 수 있지만 설계조건인 20X20 어레이의 최외곽 픽셀까지는 50 zfflix 50 ㎛의 spot size를 만족하는 것을 볼 수 있었다.
따라서 그동안 연구되었던 안구 모델 중에서 한 가지 모델을 선택하였고 그 모델은 모식도로 나타낸 그림 1과 같다 [5]. 평행광에 대한 시뮬레이션 결과 선택된 모델은 동공 크기 2 mm에서 10 ㎛정도의 spot size를 나타내어 망막 내의 5 ㎛ spot을 인지 할 수 있는 실제 안구의 경우에 비추어 볼 때 신뢰할 만한 결과를 보여주었다. 정상안에서 수정체는 자율신경계에 의하여 굴절률이 변화되며 망막에 초점을 맞추어 주는데, 망막 자극기를 시술하는 경우 속발성 백내장 발생 등의 이유로 원래의 수정체를 제거하고 초점 조절능이 없는 인공 수정체를 삽입하게 되므로 적당한 값을 가정하였다.

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