Ⅰ. 서 론

현대 사회는 다양한 소형 모바일 장치 및 3D 디스플 레이, 웨어러블 디스플레이 등이 보급되면서 근거리 주 시 빈도 및 시간이 증가하고 있다.¹⁾ 또한, 코로나 팬데 믹으로 인해 학생들의 온라인 수업 시간이 증가하면서 자연스럽게 온라인 학습 도구인 컴퓨터와 소형 모바일 기기의 사용 시간 또한 증가하고 있다. 이러한 근거리 주시 시간의 증가는 우리 눈의 양안시 기능 중 이향운동 기능과 조절 기능에 더욱 큰 부담으로 작용하고 있 다.^2-5)

양안시란 양안선명단일시로 사람의 두 눈이 각각 선 명하게 하나로 보는 것을 말한다. 양안선명단일시가 잘 이루어지기 위해서는 조절과 이향운동이 적절한 협업을 통해 원활하게 동작해야 한다. 만약 이 과정에 문제가 있으면 우리는 복시나 안정피로 등의 이상 증상이 생길 수 있다.⁶⁾ 이렇게 우리의 일상생활에서 양안시 생활은 필수 불가결한 요소로서 양안시기능에 문제가 있으면 편 안한 시생활이 불가능할 것이다.

양안시기능 이상자의 분포는 국내에서 진행된 연구는 없으나 해외 연구사례를 보면 약 10∼20% 정도로 보고 하고 있다.⁷⁾ 양안시기능 이상자 중 증상을 인지하고 처 방된 안경을 사용하는 경우는 더 적을 것으로 생각된다. 해외 연구에 포함된 양안시기능 이상자에 해당하는 인구 또한 양안시기능 검사 자체가 불가능한 사람은 분류에 포함되지 않았을 가능성이 크다. 현재 사용되고 있는 사 위검사, 융합버전스검사, 조절성 폭주 비(AC/A ratio) 검사 등 양안시기능 검사 방식은 피검사자가 시표를 보 고 변화를 인지하여 표현하는 것을 통해 검사가 이루어 지는 자각적 방법에 따른 검사이기 때문이다. 자각적 검 사법의 경우 의사 표현이 서툰 어린아이들이나 의사소통 에 어려움이 있는 언어장애가 있을 경우 양안시기능 검 사 자체를 실시할 수 없거나, 검사가 진행되더라도 검사 값의 신뢰도에 영향이 있을 수 있다.

본 연구를 통해 자각적 검사 과정에서 나타나는 동공 크기 변화 및 동공 간 거리 변화량의 양상을 조사하여, 양안시기능의 타각적 검사법 개발에 대한 기초자료를 제 시하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 대상

전신질환이나 안과적 질환이 없으며 사시 및 굴절교 정 수술을 받은 경험이 없고, 관련된 약물을 복용한 적 이 없는 7세 이상의 원거리 교정시력 1.0 이상인 남녀 22명(평균 27.27±8.84세)을 대상으로 실시하였다. 또 한, 본 연구는 동신대학교 생명윤리 위원회의 승인(IRB 1040708-202011-BM-054)을 받았으며, 연구에 참여 한 대상자는 연구의 목적과 검사 내용을 충분히 이해하 고 참여에 동의하였다.

2. 연구 방법

피검사자의 눈앞에 반투명 거울(투과율 50%, 반사율 50%)이 45°각도로 붙어있는 암실과 같은 촬영 박스를 설치하였다(Fig. 1, Fig. 2). 검은색으로 도색된 촬영 박스 내부가 어두워 반투명 거울이 완전 거울과 같은 역 할을 하므로 피검사자는 시선의 방해 없이 거울에 반사 된 원거리(3 m)와 근거리(0.4 m) 시표를 주시할 수 있 다.⁸⁾ 또한, 박스 안쪽에 적외선 촬영이 가능한 캠코더 (FDR-AXP55 Camcorder, Sony, Japan)를 설치하여 반투명 거울 뒤쪽에서 피검사자의 양안시기능 검사 모든 과정을 촬영하였다. 촬영은 캠코더의 적외선 촬영 모드 인 ‘나이트샷’ 기능을 사용하였다. 적외선 촬영을 통해 동공 영역을 명확하게 구분하여 동공 중심점 위치 결정 및 동공 면적 계산 그리고 동공 간 거리 측정을 쉽게 하 였다(Fig. 3).

1) 실험방법

(1) 원거리 및 근거리에서 안구 편위량 측정(커버테스트)

적외선 필터(infrared R72, Hoya, Japan)로 제작한 차폐렌즈를 사용하여 원거리(3 m)와 근거리(0.4 m)에서 커버테스트를 실시하였다(Fig. 4). 커버테스트에 사용한 차폐렌즈는 적외선 투과 필터를 사용하였다. 적외선 필 터는 일반적으로 가시광선이 투과하지 않기 때문에 피검 사자에게 차폐된 것과 같은 기능을 하지만, 적외선은 선 택적으로 투과시켜 캠코더의 적외선 촬영 모드를 사용하 면 차폐렌즈에 의해 가려진 눈을 촬영할 수 있게 된다. 우안과 좌안을 각각 3회씩 가림 벗김 하였고, 검사 과정 은 캠코더로 적외선 촬영하였다. 가림 벗김 과정에서 안 구가 움직이는 거리를 측정하여 프리즘 디옵터로 환산하 였다. 1 △은 프리즘에서 1 m 떨어진 평면 위에 1 cm 기울게 하는 편각 능력이다.⁷⁾ 따라서 1 △은 정점간 거 리 12 mm 를 기준으로 0.12 mm 기울게 하는 편각 능 력에 해당한다. 커버테스트에서 안구의 움직임이 1.2 mm 였다면, 프리즘 렌즈 안경으로 안구의 편위량을 보 정하여 움직임이 나타나지 않기 위해서는 10 △이 필요 하게 된다. 타각적으로 측정한 편위량을 수정된 토링톤 검사법으로 측정한 사위량과 비교하였다.

(2) AC/A 비 측정

적외선 필터 차폐렌즈를 사용하여 근거리(0.4 m)에서 양안에 각 ±1.00 D 렌즈를 부가하여 커버테스트를 실 시하였다. 또한, ±1.00 D 렌즈의 편심에 의한 오차를 최소화하기 위해 동공 간 거리 조절이 가능한 플리퍼를 사용하였고, 별도의 고정장치를 사용해 O.H.(Optical center height) 조절이 가능하도록 하였다(Fig. 5). ±1.00 D 렌즈가 부가된 상태에서 안구가 움직인 거리 와 부가되지 않은 상태에서 안구가 움직인 거리를 측정 하여 경사 AC/A 비를 측정하였다. 또한, 타각적으로 측 정된 원거리 및 근거리 편위량과 동공 간 거리를 바탕으 로 계산 AC/A 비를 측정하였다. 타각적으로 측정된 경 사 및 계산 AC/A 비는 수정된 토링톤법으로 측정한 경 사 및 계산 AC/A 비와 비교하였다.

2) 영상처리

실험 과정을 촬영한 영상의 해상도는 1,920×1,080 픽 셀로 1초에 30프레임(30 FPS)이 녹화되었다. 실제 영상 촬영 시간이 5분이라면, 이는 5분 동안 9,000프레임의 사 진이 촬영된 것과 같다. 대량의 이미지 처리를 위해 컴퓨터 비전과 머신러닝 기법을 사용하여 동공 간 거리 및 동공 면적을 검출하였다. 동공 면적은 동공 부위에 해당하는 픽 셀 영역을 선별한 뒤 동공 중심점을 계산하였고, 양안의 동공 중심점 간 거리를 동공 간 거리로 적용하였다. 촬영된 영상에서 얼굴 부분을 인식한 후 별도의 영역 선택 과정의 적색 사각형을 통해 눈 부분을 선택하였다(Fig. 6-A). 추 출된 눈 이미지를 (Fig. 6-C)와 같이 이진화하여 동공과 동공 외 부분의 경계를 명확하게 구분하고 동공 면적과 동공 중심점을 계산하였다(Fig. 6-B). C# 언어용 OpenCV(Open Source Computer Vision)인 Emgu CV 코딩을 통해 영상에서 동공 면적과 동공 간 거리를 추출하 였다(Fig. 6-D).

3) 자료 처리 및 분석

본 연구에서는 측정된 동공 간 거리 변화량과 동공 면 적 변화량을 분석하기 위해 Origin(Ver. 2018)을 사용 하였다. 타각적으로 측정한 결과값과 자각적으로 측정한 결과값을 비교하기 위해 통계 프로그램 SPSS(Ver 22.0 for Windows, SPSS Inc, USA)를 사용하였다. 자각적 융합버전스 검사에서 흐린점의 구분이 어려워 응답이 없 는 경우가 있어 흐린점의 통계 비교는 독립표본 T-검정 (Student's t-test)을 시행하였고, 나머지 검사에 대해 서는 대응표본 T-검정(Paired t-test)을 시행하였다. 유의확률 p<0.050 일 때 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 판정하였다. 또한, 타각적 방법과 자각적 방법의 일치도는 Bland-Altman plot을 사용하여 분석하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 원거리 및 근거리 안구 편위량 측정

원거리에서 타각적 방법으로 측정한 편위량과 자각적 방법으로 측정한 편위량을 비교하였다(Table 1). 원거리 와 근거리 타각적 편위량은 안구가 벗김 상태일 때 동공 간 거리 값(양안 동시 주시 상태)과 가림 상태일 때 동공 간 거리 값(단안 주시 상태)의 상위 5% 평균값과 하위 5% 평균값 차이를 안구 이동거리로 계산하여 프리즘 디 옵터로 환산하였다. 양안 동시 주시 상태일 때의 동공 간 거리 값은 약 57.70 mm이고, 안구가 차폐되어 단안 주시 상태일 때의 동공 간 거리 값은 약 58.90 mm이다 (Fig. 7). 차폐 시 동공 간 거리가 증가하고 비차폐 시 동공 간 거리가 줄어드는 외편위에 해당하고 안구 이동 거리가 약 1.20 mm로 약 10 △에 해당한다. 근거리에서 타각적 방법으로 측정한 편위량과 자각적 방법으로 측정 한 편위량을 비교하였다(Table 2). 근거리 커버테스트에 서도 차폐되는 안구에 따라 편위량의 차이가 발생하였는 데, 원거리 커버테스트 측정값보다 표준편차가 더 크게 나타났다.

또한, 커버테스트에서 차폐되는 안구와 차폐 횟수에 따라 편위량이 다르게 측정되었다. 원거리와 근거리에서 차폐되는 안구 및 횟수에 따라 편위량 변화를 그래프로 나타냈다(Fig. 7, Fig. 8). 차폐 횟수가 증가함에 따라 편위량도 증가하는 경향을 보였다. 이는 Heather의 연 구와 동일한 특성을 보였다.⁹⁾ Barnard의 연구에 따르 면 안구가 차폐되는 시간에 따라서 편위량 차이가 난다 고 보고하고 있으며, 최소 5초 이상의 차폐시간을 적용 해야만 안정적인 안위 상태를 평가할 수 있다고 하였 다.¹⁰⁾ 또한, 우세안이 차폐되었을 때 편위량이 크게 측 정되는 사례가 있다고 보고하였지만(Cridlnad, 1964; Barnard 1995 재인용)¹⁰⁾, 본 연구에서는 우세안과 편 위량의 연관성은 관찰되지 않았다.

타각적 방법으로 측정된 안구의 편위량을 수정된 토 링톤법을 사용한 자각적 측정값과 비교하여 통계적 유의 성을 평가한 결과 원거리 커버테스트의 경우 유의확률 p=0.148, 근거리 커버테스트 유의확률 p=0.628로 자 각적 측정법과의 유의한 차이는 보이지 않았다. Bland- Altman 일치도 분석결과(Fig. 9, Fig. 10) 편위량의 자 각적 측정법과 타각적 측정법 간의 95% 일치도 범위는 원거리 커버테스트에서 9.1 △(-4.8∼4.3), 근거리 커 버테스트에서 24.5 △(-11.6∼12.9)로 원거리 커버테 스트의 일치도 범위가 작게 나타났다. 두 검사법 사이의 평균차이는 원거리 커버테스트 –0.3 △, 근거리 커버테 스트 0.7 △로 원거리 커버테스트의 평균차이가 0 에 근 접하였다. 산점도 역시 평균차이 직선 근방에서 골고루 분포하였으나, 원거리 근거리 커버테스트 모두 자각적 측정법에서 95% 신뢰구간을 벗어나는 지점이 나타났다. 차이가 나타난 이유는 앞서 언급한 것처럼 자각적 검사 와 타각적 검사의 차폐시간의 차이로 인한 편위량의 변 동이 원인으로 생각된다.¹⁰⁾

본 연구에서는 (Fig. 6)과 같이 눈 부위의 특정 영역 을 수동으로 선택하는 과정을 통해 동공 부위를 인식하 게 하였다. 선택된 영역에서 동공을 추출하는 방법은 컴 퓨터가 인식하는 기준점의 부재로 인해 양안의 동공 간 거리 변화량만 측정할 수 있었고, 따라서 단안별 안구의 움직인 거리의 측정은 불가하였다. 실제로 원, 근거리 편위량 측정에서 모두 외편위안만 관찰되었는데, 측정된 동공 간 거리 변화량을 바탕으로 그래프 분석을 통해서 만 움직인 방향과 편위량의 측정이 가능한 단점이 발생 하였다. 컴퓨터가 안면인식 후 얼굴 중앙에 해당하는 기 준점을 설정하여 동공을 추출하고, 단안별 안구 움직임 을 측정한다면 좀 더 정교한 안구의 움직임을 측정할 수 있을 것으로 생각된다.

2. AC/A 비 측정

1) 경사 AC/A 비

(Fig. 11)은 눈앞에 ±1.00 D 렌즈를 부가하여 적외 선 커버테스트를 실시하는 동안 동공 간 거리 변화량을 나타낸 그래프 샘플이다. 중앙의 검정색 라인 그래프는 피검사자의 근거리 커버테스트 시 동공 간 거리 변화량 (근거리 편위량)에 해당한다. 안구가 가림 상태일 때 동 공 간 거리가 증가하는 외편위에 해당하고, 56.05 mm 에서 57.55 mm로 증가하여 1.50 mm 변화량이 관찰되 었다. 안구 이동거리 1.50 mm는 약11.52 △에 해당한 다. 따라서, 근거리에서 외사위 11.52 △으로 측정되었 다. 빨간색 그래프는 (–)1.00 D 렌즈를 눈앞에 부가하고 커버테스트를 실시했을 때 동공 간 거리 변화량이다. (-)렌즈에 의해 조절성 폭주량이 증가하여 동공 간 거리 가 다소 줄어든 경향을 보이고, 변화량은 56.11 mm에 서 57.25 mm로 증가하여 1.14 mm 변화량이 관찰되었 다. 프리즘 디옵터로 환산하면 8.76 △에 해당한다. 파 란색 그래프는 (+)1.00 D 렌즈를 눈앞에 부가하고 커버 테스트를 실시했을 때 동공 간 거리 변화량이다. 동공 간 거리가 55.66 mm에서 57.98 mm로 약 2.32 mm의 변화량이 측정되었고, 프리즘 디옵터로 환산하면 약 17.84 △에 해당한다. 근거리 외편위안에서 (-) 렌즈가 부가 되었을 때 조절성 폭주량의 증가로 편위량이 줄어 들고, (+)렌즈가 부가 되었을 때에는 조절성 폭주량이 감소하여 편위량이 증가하는 것으로 생각된다. 이는 이 등의 연구에서 사위 유형별 가입한 렌즈에 따른 AC/A 비 특성과도 일치한다.¹¹⁾ 렌즈에 의한 경사 AC/A 비는 –1.00 D 렌즈를 부가했을 때 2.69:1, +1.00 D 렌즈를 부가했을 때 6.35:1로 나타났다.

경사 AC/A 비의 타각적 측정값과 자각적 측정값의 비교하였다(Table 3). 부가한 렌즈의 디옵터 별로 독립 표본 T-검정을 통해 유의성을 평가한 결과 –1.00 D 렌 즈를 부가했을 때 p=0.015로 유의한 차이가 있는 것으 로 나타났다. 타각적 측정값과 자각적 측정값의 차이가 발생한 이유로는 근거리 편위량 측정 시 타각적 측정법 과 자각적 측정법에서 안구가 차폐되는 시간과 차폐 간 격의 차이에 의한 것으로 사료된다.¹⁰⁾ +1.00 D 렌즈를 부가했을 때는 p=0.823로 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다.

Fig. 12와 Fig. 13은 경사 AC/A 비의 타각적 측정 값과 자각적 측정값의 Bland-Altman 일치도 분석결과 이다. 평균차이가 –1 D 렌즈를 사용하여 측정한 경우는 –1.9 △, +1 D 렌즈를 사용하여 측정한 경우는 –0.2 △ 로 나타났다. 두 렌즈 모두 산점도가 방향성 없이 평균 차이 선에 균일하게 분포하여 두 검사 방법의 일치도가 높은 것으로 나타났다.

2) 계산 AC/A 비

타각적으로 측정한 원거리 및 근거리 편위량과 동공 간 거리를 이용하여 타각적 계산 AC/A 비를 구하고, 자 각적 방법에 따라 측정한 원거리 및 근거리 편위량과 동 공 간 거리를 이용하여 자각적 계산 AC/A 비를 계산하 였다. (Table 4)는 타각적 계산 AC/A 비와 자각적 계산 AC/A 비의 비교이다. 타각적 계산 AC/A 비의 평균은 5.19±1.39:1이고, 자각적 계산 AC/A 비의 평균은 4.41±2.10:1로 계산되었다. 통계적 유의성을 검사한 결과 유의확률 p=0.152로 타각적 값과 자각적 값이 유 의한 차이가 나타나지 않았다. 계산 AC/A 비의 평균은 타각적 방법과 자각적 방법 모두 경사 AC/A 비보다 높 게 나타났는데, 이는 계산 AC/A 비에는 근접성 폭주가 남아있지만, 경사 AC/A 비에는 근접성 폭주가 남아 있지 않기 때문에 계산 AC/A 비가 더 크게 측정된 것으 로 이 등의 연구¹²⁾ 결과와도 일치함을 보였다. Bland- Altman 일치도 검사에서도 평균차이가 0.8 △로 0 △에 근접하고, 산점도 역시 평균 차이 선에 근접하여 분포하고 있어 일치도가 비교적 높은 것으로 나타났다(Fig. 14).

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 시선추적 기술에 활용되는 적외선 동 공 검출 기법을 사용하여 타각적 양안시기능 검사법을 개발하였다. 양안시 검사 항목 중 안구의 편위량, AC/A 비 항목을 타각적으로 측정한 값과 기존의 자각적으로 측정한 값을 비교하였으며, Bland-Altman 일치도 검 사에서 높은 일치도를 보였다.

따라서 임상적으로 기존 자각적 검사에서 언어장애나 다른 원인에 의해 의사소통이 불가능한 경우 또는 어린 유아나 자각적 판단이 불가능한 성인을 대상으로 양안시 기능을 측정할 때 동공 변화 양상을 적용한다면 양안시 기능의 타각적 평가에 유용할 것으로 사료된다. 또한, 연구가 더 진행되어 임상적으로 독립적인 타각적 측정법 이 적용된다면, 자각적 검사가 불가능하거나 검사 값의 신뢰도에 영향을 주는 문제와 검사자의 검사에 대한 숙 련도에 의해서도 결과값에 영향을 주는 단점을 극복할 수 있을 것으로 생각된다. 타각적 양안시기능 검사법의 개발을 통해 자각적 검사가 갖는 한계점을 극복하고, 기 존의 검사가 불가능했던 대상자들에 대한 검사법 적용으 로 검사 대상자 영역이 확대된다면, 국민의 안보건 및 시생활의 질 향상에 큰 도움을 줄 것으로 생각된다.