노령화 따라 연령관련 황반변성도 증가
2001년부터는 서울대학교 의과대학 의공학교실, 충북대학교 의과대학 생리학교실 등의공동 연구와 함께 그 깊이와 진도를 더해나가고 있으며, 2010년대에는 생체 이식형인공망막의 인체 시술을 목표로 하고 있다.
서울대학교 의과대학 안과학교실에서는 정흠, 유영석, 유형곤 교수가 참여하고 있고, 공과대학 전기컴퓨터공학부에서는 김성준, 조동일, 이병호 교수가, 의과대학 의공학교실에서는 박광석 교수가, 충북대학교 의과대학 생리학교실에서는 구용숙 교수가 각각 이 연구에 참여하고 있다.
인간의 눈에 들어온 외부의 빛은 망막에서 전기신호로 바뀌며, 이것이 시신경을 통해 뇌로 전달되면 물체를 인식할 수 있게 된다.
눈의 질병은 시력의 소실로 이어지며, 인간이 외부 세계를 지각하는 데 심각한 장애를초래하여 생활에 큰 지장을 주게 된다.
눈의 가장 외층인 각막(cornea)은 장기기증자의 각막을 이식하거나, 이것이 불가능할 경우 인공소재로 제작된 인공각막을 이식하여 시력을 되찾을 수 있게 되었고, 수정체의 혼탁은 백내장 수술의 발전과 인공수정체의 개발로 해결이 되었다.
그러나 카메라의 필름에 해당하는 망막(retina)의 병변은 일부 수술이 가능한 병을 제외하고는 일단 시력을 상실한 경우에는 회복시킬 수가 없다.
이러한 질병으로는 망막색소상피변성(retinitis pigmentosa)과 연령관련 황반변성(age-related macular degeneration)이 대표적이고, 각각 정상인에서 4000분의 1, 20분의 1 정도의 확률로 발생하며, 선진국에서는 성인 시력 상실의 원인 중 약 30%를 차지한다.
특히, 갈수록 노령화되는 현대 사회에서는 연령관련 황반변성의 빈도가 점차 증가하는추세에 있어서, 이들 질환으로 인한 사회적, 경제적 손실 역시 점차 증가할 것이다.
본 연구진은 이 문제를 해결하기 위하여 인공시력전달장치, 즉 인공망막(artificial retina)개발을 위한 연구를 시작하였다.
현재 미국, 일본, 독일 등에서는 "뇌의 10년" 이후 가장 중요한 연구로 인공시력전달장치 개발에 대한 연구를 이야기하는 데 주저하지 않으며, 이는 30여년간의 연구 끝에현재 널리 보급되고 있는 인공 청각기(인공 와우: Artificial Cochlea)의 성공에 힘입음은 주지의 사실이다.
현재까지의 연구 동향은 시신경세포들을 전기적으로 자극하여 망막의 기능을 대치시키는 것인데, 크게 subretinal / epiretinal / optic nerve / cortical stimulator로 분류할 수 있다.
Epiretinal stimulator의 연구는 미 국립 보건원(NIH)과 미 과학재단(NSF)의 지원하에Harvard- MIT, Doheny Eye Institute(과거 Johns Hopkins-NCSU)팀이, 독일 연방교육연구부(BMBF)의 지원하에 Bonn-Duisburg-Koeln팀이 연구하고 있고, subretinal stimulator는 미국의 Optobionics사와 독일의 Tuebingen-Stuttgart팀이, optic nerve stimulator는 European Commission(Esprit project)의 지원을 받는 UCL(Uni-versite Catholique de Louvain, Belgium)이, Cortical stimulator는 미국의 Dobelle Lab과 Utah University가 연구에 용왕매진하고 있다.
2001년부터는 일본에서도 통산성을 주축으로 인공 망막 개발의 연구에 착수하는 등 인공시력전달장치는 최근 5년 사이에 인공 장기분야의 화두로 떠오르고 있다.
인공시력전달장치(인공망막)에 대한 과거의 연구는 미세 반도체 및 미세 생체 전자 시스템 구현의 어려움으로 인하여 그동안 발전 속도가 느릴 수밖에 없었으나, 최근의 눈부신 반도체 기술 발전은 이러한 장벽을 서서히 극복 가능한 것으로 만들어 주고 있다.
우리나라는 주문형 반도체(ASIC) 기술 등의 높은 공학적 기술과 안과 망막 수술 및 연구 분야에서 세계와 견주어도 손색없는 능력을 가지고 있기에 인공시력전달장치의 연구 및 개발에는 더없이 좋은 환경을 가지고 있다.
또한 미국, 유럽 등이 아닌 오스트레일리아에서 성공시킨 인공 와우의 개발에서 보듯 인공 장기의 개발은 제한점을 극복하는 아이디어와 노력, 그리고 적절한 투자가 성공의 관건임을 고려할 때, 우리나라 역시 유력한 성공 후보가 될 수 있음을 알 수 있다.
인공시력전달장치에 대한 연구는 영상 획득부, 영상 처리부, 영상 전달부, 신경세포 자극부, 되먹임 조절부 등의 연구가 같이 이루어져야하는 다학제간 연구로, 이에는 영상 획득 및 처리 기술, 신호 변환 기술, 신호 전송 기술, 신경 세포 자극 기술, 생체 신호 측정 및 분석 기술, 세밀한 망막 수술 및 뇌수술 등의 다양한 기반 기술들이 요구된다.
본 연구팀은 1999년부터 인공 망막 연구에 관한 자료 조사에 착수, 과학기술부와 교육인적자원부의 지원을 받아서 연구를 진행하고 있다.
본 연구팀이 개발중인 인공망막은 레이저 신호를 이용한 epiretinal stimulator이며, 기존의 mono-laser source 형태가 아닌 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)을 이용함으로써 안구 내부에 위치하게 되는 신호 분석기를 줄이거나 없앨 수 있다는 데에 다른 연구팀들과 큰 차이가 있다.
즉, 영상 획득부는 CCD 혹은 CMOS를 기반으로 하는 소형 카메라를 안경 형태로 만들고, 이곳에서 받아들인 영상 신호를 소형 컴퓨터로 처리하여 VCSEL에 필요한 신호를 만들어낸 뒤 눈의 움직임을 추적하며 laser 신호를 안구 내부의 망막 자극기로 전달하면 laser 신호가 전기 신호로 바뀌어서 망막 신경절 세포를 자극하게 된다.
안과학교실에서는 망막 자극기로 사용될 재료들에 대한 생체 적합성 검증과 망막 자극기 삽입 및 고정 수술법을 개발중이고, 공대 전기컴퓨터공학부에서는 망막 자극기용 미세 전극 개발과 망막 자극기 고정용 미세 망막못, 그리고 VCSEL을 이용한 신호 전달부를 제작하고 있다.
의공학교실에서는 안구 추적장치와 영상 정보 처리를, 생리학교실에서는 망막 자극을 위한 최적의 전기 신호를 연구하고 있다.
전자공학과 의학의 만남으로 이루어지는 바이오닉스 기술은 본 연구진에 의하여 그 의의를 더욱 확실히 드러낼 수 있을 것이라고 생각한다.
<연구진>
정 흠 / 1974년 서울의대 졸업
·서울의대 석·박사
·美 메사추세츠 안·이병원 펠로우
·안과학교실 주임교수
김성준 / 1978년 서울공대 졸업
·美 코넬대학 성체전자공학 석·박사
·서울대 전기공학부 교수
·초미세 생체전자시스템연구센터 소장
서종모 / 1996년 서울의대 졸업
·서울대병원 안과 임상강사
·서울의대 의공학교실 석·박사과정
