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각막 실질의 인공구조에 따른 광투과율 분석

An analysis of light transmittance according to artificial structure of corneal stroma

이명희 (Lee, Myoung Hee, 을지대학교 대학원)

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각막은 전체 안구 면적의 약 1/6을 차지하는 외막으로, 오목 메니스커스 렌즈 형태를 갖는다. 각막은 안구 전체 굴절력의 약 2/3을 차지하며 광선의 굴절에 중요한 역할을 담당하고, 안구 내부로 입사한 광선에 대하여 높은 투과율을 보인다. 각막은 조직학적으로 각막 상피, 보우만층, 각막 실질, 데스메막 및 각막 내피의 5개 층으로 구성된다. 이중 각막 실질은 각막 두께의 90%를 차지하고 광투과율에 가장 큰 영향을 미친다. 각막 실질은 직경이 약 20~30 nm인 콜라겐 섬유가 모여 섬유층을 구성하며, 각각의 섬유층은 두께가 ...
각막은 전체 안구 면적의 약 1/6을 차지하는 외막으로, 오목 메니스커스 렌즈 형태를 갖는다. 각막은 안구 전체 굴절력의 약 2/3을 차지하며 광선의 굴절에 중요한 역할을 담당하고, 안구 내부로 입사한 광선에 대하여 높은 투과율을 보인다. 각막은 조직학적으로 각막 상피, 보우만층, 각막 실질, 데스메막 및 각막 내피의 5개 층으로 구성된다. 이중 각막 실질은 각막 두께의 90%를 차지하고 광투과율에 가장 큰 영향을 미친다. 각막 실질은 직경이 약 20~30 nm인 콜라겐 섬유가 모여 섬유층을 구성하며, 각각의 섬유층은 두께가 약 1~2 μm로 200~250층 이상으로 겹겹이 쌓여 있는 구조로 되어있다. 이러한 각막 실질의 구조적 특성은 각막 전체 투명성에 많은 영향을 미친다. 본 연구는 각막 실질의 나노 구조가 투명성에 미치는 영향력을 조사하기 위해, FDTD(Finite-Difference Time-Domain; FDTD)법을 사용한 3차원 시뮬레이터(OpriFDTD, Optiwave Systems Inc., Canada)로 각막 실질의 일부 구조를 모델링하여 광선의 투과율을 분석하였다. 이때, 입사 광선은 파장에 대한 Gaussian pulse로, 시뮬레이션 공간과 콜라겐 섬유의 굴절률은 D. M. Maurice의 연구에 따라 실질수용액과 실질소섬유의 굴절률인 1.335 및 1.55로 하였다. 각막 실질의 기본구조 상태에서 투과율을 분석한 후 콜라겐 섬유 직경과 섬유 간 간격, 섬유층 간 배열 각도, 및 측면 배열 구조를 변화시켜 투과율을 분석하였다. 그 결과 콜라겐 섬유의 직경과 섬유 간 간격, 섬유층 간 배열 각도, 및 측면 배열구조가 각각 22.5 nm, 22.5 nm, 45°, 및 정육각형 구조일 때 투과율이 가장 높았으며 각막 실질의 해부학적인 구조와는 차이가 있었다. 본 연구 결과로 각막의 높은 광투과율을 이해하고 인공각막 연구 및 개발의 어려움을 해결하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
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The cornea is the minus-meniscus-shaped outer membrane that covers about 1/6 of the whole surface area of the eye. It accounts for about 2/3 of the total eye refractive power which takes an important role in the incident light refraction, maintaining high transparency against the light refraction t...
The cornea is the minus-meniscus-shaped outer membrane that covers about 1/6 of the whole surface area of the eye. It accounts for about 2/3 of the total eye refractive power which takes an important role in the incident light refraction, maintaining high transparency against the light refraction that enters the eyeball. Histologically, it consists of five different layers: corneal epithelium, Bowman's layer, corneal stroma, Descemet's membrane, and corneal endothelium. In particular, the corneal stroma which accounts for approximately 90% of the corneal thickness has a significant influence on transparency. The corneal stroma is composed of collagen fibrils with a diameter of 20 to 30 nm, to constitute the fibril layers. Each fibril layer has about 1~2 μm thickness and 200 to 250 layers are stacked up together to form one complete corneal stroma. These structural characteristics of the corneal stroma greatly affect the transparency of the cornea. In order to evaluate the effect of corneal stroma nano-structures on transparency, the light transmittance was analyzed by modeling a part of the corneal stroma with a 3D simulator(OptiFDTD, Optiwave Systems Inc., Canada) using the FDTD method. At this point, a Gaussian pulse is applied to the incident light, and the refractive indexes of the simulation space and the collagen fibril are set to be 1.335 and 1.55, which are the refractive indices of the substantial aqueous solution and substrate fibril. After analyzing the transmittance of the basic structure of the corneal stroma, the transmittance according to the collagen fibril diameter, the interval between the fibrils, the arrangement angle between the fibril layers, and the change in the lateral arrangement were analyzed, respectively. The transmittance was highest when the diameter of the collagen fibril and the interval between the fibrils, the arrangement angle between the fibril layers, and the lateral arrangement were 22.5 nm, 22.5 nm, 45°, and regular hexagonal structures, respectively. The range of properly dehydrated collagen fibril diameter in previous studies was 20 to 23 nm, which was similar to the results of this study in which the collagen fibril diameter and the interval between the fibrils was 22.5 nm, respectively. However, the arrangement angle 45° between the fibril layers with the highest permeability was different from the 90° of the actual anatomical structure. The results of this study will help to understand the high light transmittance of cornea and it will provide basic data to solve difficulties in artificial cornea research and development.
목차 moremore
국문요지 = ⅰ
차례 = ⅲ
List of Tables = ⅴ
...
국문요지 = ⅰ
차례 = ⅲ
List of Tables = ⅴ
List of Figures = ⅶ
Ⅰ. 서론 = 1
Ⅱ. 연구방법 = 8
1. 눈의 기능 = 8
2. 각막의 구조 및 기능 = 9
3. FDTD 방법 = 11
3.1. 개요 = 11
3.2. Maxwell 방정식 = 12
3.3. Yee 알고리즘 = 12
3.4. FDTD 처리 과정 = 14
4. 시뮬레이션 모델링 = 15
4.1. 설계 및 분석 환경 = 15
4.2. 각막 실질 시뮬레이션 조건 = 15
4.3. 입사 광선 특성 = 16
4.4. 경계면 조건 = 16
4.5. 콜라겐 섬유 조건 = 17
4.6. 데이터 수집 조건 = 19
4.7. 시뮬레이션 과정에 의한 광학적 특성 = 20
Ⅲ. 결과 = 25
1. 각막 실질의 기본구조 분석 = 25
2. 구조효과 = 29
2.1. 콜라겐 직경 및 간격 효과 = 29
2.1.1. 콜라겐 직경 변화에 따른 투과율 = 30
2.1.2. 콜라겐 간격 변화에 따른 투과율 = 35
2.1.3. 콜라겐 직경 및 섬유 간 간격의 변화에 따른 투과율 = 41
2.2. 콜라겐 섬유층 간 배열 각도 효과 = 56
2.2.1. 콜라겐 섬유층의 교차 배열에 따른 투과율 = 56
2.2.2. 콜라겐 섬유층의 회전 배열에 따른 투과율 = 61
2.3. 배열효과 = 70
3. 파장효과 = 83
4. 편광효과 = 86
Ⅳ. 고찰 = 89
Ⅴ. 결론 = 92
참고문헌 = 94
ABSTRACT = 100