KR20030071230A - 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치는 외부 영상 신호를 촬영하는 기능을 수행하는 카메라와, 상기 카메라가 촬영한 영상신호를 전달받아 이미지 정보로 전달하는 기능을 수행하는 신호처리부와, 상기 신호처리부로부터 전달받은 이미지 정보를 이용하여 각각의 레이저 다이오드를 이미지 정보의 해당 픽셀에 대응하는 세기로 발광시키는 기능을 수행하는 구동회로부와, 다수의 레이저 다이오드로 구성되어 있으며, 상기 구동회로부로부터 전달된 발광신호에 의해 발광되는 레이저 다이오드 어레이와, 상기 레이저 다이오드 어레이의 각각의 레이저 다이오드에서 나온 레이저빔을 레이저 다이오드에 대응되는 포토 다이오드에 포커싱하는 기능을 수행하는 광학계 및 다수의 포토 다이오드로 구성되어 있으며 상기 레이저 다이오드 어레이의 레이저 다이오드와 대응되도록 배치되어 있는 망막자극부를 포함한다.

Description

레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치{Artificial Retina Apparatus using Laser Diode Array}

본 발명은 인공망막 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치에 관한 것이다.

망막세포가 손상된 환자들을 위해 망막 내에 마이크로 전극 어레이를 삽입하여 시력을 되찾게 해주기 위한 인공망막에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.

인공망막은 시신경 중에서 가장 최하층에 해당하며 빛을 전기적 신호로 바꾸는 기능을 하는 세포인 광 수용체 층이 손상되어 시력을 잃어버린 사람들에게 시력을 되찾게 해주기 위하여 고안된 것이다.

즉, 다른 시신경은 어느 정도 살아 있으나 빛을 전기적 신호로 바꾸는 부분에만 문제가 있는 사람들을 위하여 망막 부근에 전극 어레이를 삽입하고 이를 통하여 세포를 직접 자극하려는 것이다.

도 1은 망막의 단면도와 주된 병변이 있는 광 수용체 층을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 광 수용체 층에서 변환된 신경 전기 신호는 시신경 세포 층을 통과하면서 신호처리 된 후 신경신호 전달경로를 따라 뇌로 전달된다.

망막세포가 손상된 사람들의 시력을 회복시키는 방법으로는 광 수용체 층의 자리에 전극 어레이를 삽입하는 방법, 신호처리 된 신경신호를 전달하는 신경절 세포 층이나 뇌로 들어가는 시신경 섬유를 직접 자극하는 방법 등이 있다.

이 중 전극 어레이와 포토 다이오드(photo diode) 어레이를 일체화하여 광 수용체 층 자리에 삽입하여 그 자체만으로 망막세포를 대체하려는 시도가 있었지만 포토 다이오드 어레이의 민감도가 약하고 실제 발생되는 전류가 세포를 자극하기에 충분하지 않아 실패로 돌아갔다.

현재는 외부의 CCD 카메라, CMOS 카메라 등을 이용하여 영상신호를 전기신호로 바꾸고 상기 전기신호를 적절한 매체를 통하여 안구 내로 전달하는 방법이 연구되고 있다.

의용 생체 전자기기에 있어서 파워와 신호를 전달하는 것은 매우 중요할 뿐만 아니라 전자기기가 생체 내에 위치한다는 특수성 때문에 생체 전자기기를 개발하는데는 많은 어려움이 따른다.

특히 인공망막에서는 전달되는 신호가 영상신호이기 때문에 다른 종류의 생체 전자기기에 비해 전달해야 할 신호의 양은 많으면서도 신호의 전달이 빨리 이루어져야 한다는 특성을 만족시켜야 하므로 다른 생체 전자기기에 비해 훨씬 개발이 어렵다.

종래 인공망막에 신호를 전달하는 방법으로는 RF 커플링 방법, 레이저를 사용한 광학적 링크 방법 등이 연구되고 있었다. RF 커플링 방법과 광학적 링크 방법 모두 신호와 파워를 동시에 전달할 수 있고, 무선이라는 점에서 동일하다. 생체 전자기기에서는 신체 내부에 전류를 흘려보내는 것이 매우 어렵기 때문에 신호를 무선으로 전달할 수 있다는 것은 매우 큰 장점이다.

RF 커플링 방법은 안구의 내부와 외부에 위치한 1차 코일과 2차 코일의 유도기전력을 이용하는 방법이다. 이 경우 코일에 유도된 전류로부터 파워와 신호를 분리하여야 하고 신호처리 회로를 통해 이미지 신호가 나타나는 픽셀 정보를 뽑아내어 지정된 픽셀에 해당하는 전극으로 지정된 파워를 공급하여야 하기 때문에 내부에 복잡한 회로가 필요하다.

안구 내부에 이러한 신호처리를 수행하고 파워를 원하는 전극으로 컨트롤하는 회로를 삽입하는 경우 자체 회로의 동작을 위해 파워가 필요하기 때문에 외부에서 더 많은 파워를 공급해야 하고 내부에서 파워 컨트롤이 이루어지는 과정에서 발생하는 열로 인해 성능이 저하되는 문제가 있다.

더구나 이러한 회로를 생체 내에 삽입한다고 하더라도 안구 내에서의 동작 성능의 보장되는 신호처리회로는 안구 내에 삽입될 수 있을 정도로 작고 가볍게 만들어야 할뿐만 아니라 아직 개발 초기 단계에 있어서 생체안정성 등을 검사하는데 오랜 시간이 필요하다는 문제점이 남아 있다.

광학적 링크 방법을 이용하여 인공망막에 신호를 전달하는 방법은 무선이라는 점 이외에도 RF 커플링 방법에 비해 전자기간섭을 받지 않는다는 장점이 있지만, 이 방법 역시 단일 레이저 광원을 변조해서 파워와 신호를 싣고 단일 포토다이오드를 이용하여 전류로 바꾼 뒤 안구 내부에서의 신호처리 과정을 통해 파워와 신호를 분리하는 방법이므로 신호처리의 관점에서는 RF 커플링 방법과 큰 차이가 없다.

광학적 링크 방법을 이용하는 경우에도 RF 커플링 방법을 이용하는 경우와 마찬가지로 안구 내부에서 파워와 신호를 분리하는 방법을 사용하기 때문에 RF 커플링 방법을 이용하는 경우와 같은 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 어레이를 이용하여 안구 내부에 신호처리 회로부를 삽입하지 않고도 망막세포가 손상된 사람의 시력을 회복시킬 수 있는 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 망막의 단면도와 주된 병변이 있는 광 수용체 층을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인공망막 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3은 망막자극부의 포토 다이오드에 레이저빔이 포커싱 되는 모양을 나타낸 것이다.

도 4는 망막자극부의 포토 다이오드에 레이저빔이 포커싱 되는 모양을 나타낸 것이다.

도 5는 광선추적법을 이용하여 망막에서의 초점 면적의 크기를 나타낸 것이다.

도 6은 점퍼짐함수를 이용하여 망막에서의 초점 면적의 크기를 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 카메라 120 : 신호처리부

130 : 구동회로부 140 : 레이저 다이오드 어레이

150 : 광학계 160 :망막자극부

본 발명의 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치는 외부 영상 신호를 촬영하는 기능을 수행하는 카메라와, 상기 카메라가 촬영한 영상신호를 전달받아 이미지 정보로 전환하는 기능을 수행하는 신호처리부와, 상기 신호처리부가 전환한 이미지 정보를 이용하여 각각의 레이저 다이오드를 이미지 정보의 해당 픽셀에 대응하는 세기로 발광시키는 기능을 수행하는 구동회로부와, 다수의 레이저 다이오드로 구성되어 있으며, 상기 구동회로부로부터 전달된 발광신호에 의해 발광되는 레이저 다이오드 어레이와, 상기 레이저 다이오드 어레이의 각각의 레이저 다이오드에서 나온 레이저빔을 레이저 다이오드에 대응되는 포토 다이오드에 포커싱하는 기능을 수행하는 광학계 및 상기 레이저 다이오드 어레이의 레이저 다이오드와 대응되도록 배치되어 있는 다수의 포토 다이오드와 상기 포토 다이오드로부터 나온 전기적 신호를 이용하여 시신경을 자극하는 기능을 수행하는 전극으로 구성되어 있는 망막자극부를 포함한다.

본 발명의 인공망막 장치는 각각의 레이저 다이오드의 레이저빔이 대응되는포토 다이오드 어레이 상의 포토 다이오드에 초점을 맺고 이 포토 다이오드와 일체화된 전극이 시세포를 자극하는 방법을 이용한다.

따라서 본 발명의 인공망막 장치에서는 이미지를 망막에 맺히게 하려면 레이저 다이오드 어레이 상에서 이미지의 각 픽셀에 해당하는 레이저 다이오드만 구동시키면 된다.

픽셀의 위치 정보는 구동되는 레이저 다이오드 어레이의 행과 열로 결정되고 신호의 세기는 레이저 다이오드의 발광세기에 의해 결정되므로 신호와 파워가 동시에 전달된다. 즉, 본 발명의 인공망막 장치에서는 신호와 파워를 분리하고 처리하는 신호처리 회로를 안구 내에 장착할 필요가 없다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인공망막 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 인공망막 장치는 카메라(110), 신호처리부(120), 구동회로부(130), 레이저 다이오드 어레이(140), 광학계(150), 망막자극부(160)를 포함한다.

상기 카메라(110)는 외부 영상 신호를 촬영하는 기능을 수행하는 것으로 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라 등을 사용할 수 있다.

상기 신호처리부(120)는 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라가 촬영한 외부 영상정보를 전달받아 이미지 정보로 변환하는 기능을 수행한다.

상기 구동회로부(130)는 상기 신호처리부로부터 전달받은 이미지 정보를 이용하여 각각의 레이저 다이오드를 이미지 정보의 해당 픽셀에 대응하는 세기로 발광시키는 기능을 수행한다.

상기 레이저 다이오드 어레이(140)는 다수의 레이저 다이오드로 구성되어 있으며 상기 구동회로부로부터 전달된 발광신호에 의해 이미지 정보에 맞도록 발광된다.

상기 광학계(150)는 상기 레이저 다이오드 어레이의 각각의 레이저 다이오드에서 나온 레이저빔을 레이저 다이오드에 대응되는 포토 다이오드에 포커싱하는 기능을 수행한다.

상기 광학계(150)는 자동 각막 굴절측정기 등의 장비를 이용하여 환자의 각막과 안구의 굴절률을 측정한 후 레이저 다이오드 어레이를 오브젝트 면으로 보고 망막내의 포토 다이오드 어레이를 이미지 면으로 하여 레이저 다이오드 어레이에서 나온 레이저빔이 포토 다이오드 어레이에 초점이 맞도록 설계한다.

상기 망막자극부(160)는 다수의 포토 다이오드와 각각의 포토 다이오드에 연결된 전극으로 구성되어 있다. 상기 포토 다이오드는 상기 레이저 다이오드 어레이의 레이저 다이오드와 대응되도록 설계된다.

상기 레이저 다이오드와 포토 다이오드는 일대일로 대응되도록 할 수도 있고, 하나의 레이저 다이오드에 여러 개의 포토 다이오드가 대응되도록 할 수도 있다.

도 3과 도 4는 망막자극부의 포토 다이오드에 레이저빔이 포커싱 되는 모양을 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드에서 나온 레이저빔은 각각의 레이저 다이오드에 대응되는 포토 다이오드에 포커싱 되도록 설계된다. 이 때 레이저 다이오드에서 나온 레이저빔이 포토 다이오드에 포커싱 되는 방법은 도 3의 경우와 같이 하나의 레이저빔이 하나의 포토 다이오드에 포커싱 되도록 설계할 수도 있고, 도 4의 경우와 같이 하나의 레이저빔이 여러 개의 포토 다이오드에 걸쳐 포커싱 되도록 설계할 수도 있다.

도 5와 도 6은 각각 광선추적법과 점퍼짐함수를 이용하여 망막에서의 초점 면적의 크기를 나타낸 것이다.

도 5와 도 6은 가능한 어레이 형태의 레이저 다이오드 중 하나인 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser, 이하 VCSEL이라 함)를 가정하여 시뮬레이션 한 결과이다.

단순히 구면 렌즈 하나를 사용했을 때 20 X 20 픽셀 정도의 이미지에 대해서 100㎛의 중심간격을 가진 격자형태의 VCSEL 어레이의 각 VCSEL(발산각 10°)이 50㎛의 중심간격을 가진 격자형태의 포토 다이오드 어레이의 대응점에 크로스토크 없이 포커싱 됨을 알 수 있다.

도 5는 중심에 대해 대칭인 포토 다이오드 어레이의 1사분면에서 광학계의 성능이 가장 좋지 않은 대각선 방향을 따라 2 픽셀마다 초점 면적을 나타낸 것으로 예를 들어 6번째 면적이 중심에 대하여 11번째 픽셀의 경우를 나타낸다.

도 6은 11번째 픽셀에 대한 점퍼짐 함수를 나타낸 것으로 이로부터 20 X 20 픽셀 정도의 이미지에 대해서는 단순한 광학계를 사용하여도 광학적 링크가 가능함을 알 수 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

이와 같이 본 발명에 따르면 안구 내에 신호처리 회로부를 삽입할 필요가 없으므로 인공망막 장치의 구조를 단순하게 할 수 있고 신호처리 회로부가 신체 외부에 존재하므로 인체 내에 적은 파워를 공급해도 되며, 안구 내에서 파워 컨트롤 작업으로 인한 열 문제가 없다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 외부 영상 신호를 촬영하는 기능을 수행하는 카메라와,

   상기 카메라가 촬영한 영상신호를 전달받아 이미지 정보로 전환하는 기능을 수행하는 신호처리부와,

   상기 신호처리부로부터 전환한 이미지 정보를 이용하여 각각의 레이저 다이오드를 이미지 정보의 해당 픽셀에 대응하는 세기로 발광시키는 기능을 수행하는 구동회로부와,

   다수의 레이저 다이오드로 구성되어 있으며, 상기 구동회로부로부터 전달된 발광신호에 의해 발광되는 레이저 다이오드 어레이와,

   상기 레이저 다이오드 어레이의 각각의 레이저 다이오드에서 나온 레이저빔을 레이저 다이오드에 대응되는 포토 다이오드에 포커싱하는 기능을 수행하는 광학계 및

   상기 레이저 다이오드 어레이의 레이저 다이오드와 대응되도록 배치되어 있는 다수의 포토 다이오드와 상기 포토 다이오드로부터 나온 전기적 신호를 이용하여 시신경을 자극하는 기능을 수행하는 전극으로 구성되어 있는 망막자극부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 다이오드 어레이는 수직 공동 표면 발광 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 다이오드와 상기 포토 다이오드는 일대일로 대응되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치.
4. 제1항에 있어서,

   레이저 다이오드의 하나에 적어도 두 개 이상의 포토 다이오드가 대응되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 어레이를 이용한 인공망막 장치.