노안인구의 증가로 노안교정에 대한 관심과 필요성이 증대되고 있는 가운데, 본 연구는 노안의 광학적 메커니즘 해석과 시기능 예측을 위하여 임상데이터에 근거한 노안 정밀모형안의 설계 및 전산모사를 목적으로 하였다.
모형안의 설계는 일반적으로 노안이 진행되기 직전 나이인 40세를 시작으로 50세와 60세 여성을 대상으로 하였고, 4개의 굴절면(각막전면, 각막후면, 수정체전면, 수정체후면)과 4개의 굴절매체(각막, 방수, 수정체, 유리체)와 최종 상면이 되는 망막으로 구성되어 있다. 안광학계를 구성하는 굴절면과 매체는 연령이 증가함에 따라 여러 가지 변화가 일어나기 때문에 노안 모형안의 광학상수는 연령별로 다르게 적용되어야 한다. 이를 위하여 노안의 해부학적 변화를 실제 측정한 선행 임상연구자료들을 수집하였고, 수집된 임상데이터들 중 40세 이상의 연령을 대상으로 하고 성별에 따른 차이를 검증한 자료들을 위주로 분석하여 모형안의 변수에 적용하였다. 그 결과 연령에 따른 변수는 각막 전후면의 비구면계수와 전안방의 길이, 수정체의 전면곡률반경, 중심두께와 등가굴절률이었고, 남녀의 차이는 각막 전면곡률반경, 수정체의 등가굴절률, 유리체의 길이에서 나타났다. 1차적으로 임상데이터를 적용한 모형안은 상의 해상도를 나타내는 MTF값이 최상이 되도록 정밀모형안을 최적화시킨 후 상의 질을 평가하였다. 전산모사 과정은 광학설계프로그램인 ZEMAX를 이용하였으며, 설계 시 파장은 명소시(photopic vision) 조건으로 하였고, 동공의 크기는 노인성축동을 고려하여 3㎜로, 설계 필드(field)는 알파각(angle alpha)을 고려하여 5°이내로 설정하였다.
연령별 모형안의 설계결과, 임상연구들에서 보여주고 있는 노안의 진행과정을 잘 반영하고 있었다. 노안의 진행으로 나타나는 안구의 해부학적 변화는 각막과 수정체를 중심으로 일어난다. 각막은 비구면계수가 전면은 (+)방향으로, 후면은 (-)방향으로 변하면서 각막 주변부 두께가 얇아지는 경향을 보이고, 수정체는 전면곡률반경, 중심두께 및 굴절률이 변하면서 안구의 전체 굴절력이 감소되는 설계결과를 보여주었다. 모형안의 상의 질은 MTF, spot diagram, 단색수차 등으로 평가하였다. 모형안의 MTF값은 공간주파수 100 cycles/㎜에서 40세가 0.347573, 50세가 0.346787, 60세가 0.345951로 망막상의 질이 40세에 비해 50세는 0.23% 감소하였고 60세는 0.47% 감소하였다. 상면에서의 광선 결집도를 나타내는 spot size를 보면, RMS radius는 40세, 50세, 60세 모형안이 각각 3.824 ㎛, 3.846 ㎛, 3.861 ㎛로 40세에 비해 50세는 0.022 ㎛(0.58%) 증가하였고 60세는 0.037 ㎛(0.97%) 증가하였다. GEO radius는 각각 8.595 ㎛, 8.610 ㎛, 8.604 ㎛로 40세에 비해 50세는 0.015 ㎛(0.17%) 증가하였고 60세는 0.009 ㎛(0.10%) 증가하였다. Spot size가 증가하는 것은 광선의 결집도가 서서히 떨어지는 것을 의미하며 상의 질이 저하됨을 암시한다고 볼 수 있다. 각 연령별 모형안에서 발생하는 단색수차들을 비교해보면, 상면만곡을 제외한 4개의 수차에서 연령이 높을수록 수차량이 증가하고, 이 중 구면수차와 코마수차의 경우 40세 모형안에서는 거의 발생하지 않고 있으나 50세, 60세가 되면 현저히 그 값이 증가되는 설계결과를 보여주었다.
연령별로 설계된 모형안의 전산모사를 통해 안광학계의 상의 질을 비교분석 함으로써 노안의 진행과 그에 따른 시기능의 변화를 예측해 볼 수 있었다. 연령이 증가할수록 망막상의 질이 저하되고 있는 설계결과를 보여주었고 선행임상연구들과도 상응하는 결과로 노안의 특성을 잘 반영하고 있다고 볼 수 있다.
실안과 부합하는 노안모형안은 노안에 대한 학술적인 연구와 각막성형술, 수정체삽입술 등의 수술적 교정에 앞서 시기능의 변화를 예측하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 노안을 위한 안경렌즈나 콘택트렌즈, 광학기기에도 응용될 수 있을 것이다. 하지만 기존의 임상데이터로 모형안을 설계하였기 때문에 모형안의 구현에 한계가 있었으며, 추후 임상데이터가 보강된다면 실안과 더 근사한 노안모형안을 설계할 수 있을 것이다.

The number of presbyopic eyes and the importance of presbyopia correction are increasing more and more, so that this study was aimed at designing and simulating the finite schematic eyes based on clinical data to analyze the optical mechanism of presbyopia and predict the visual performance of it.
The designed schematic eyes for different ages(40, 50, 60) consist of four refracting surfaces(anterior cornea, posterior cornea, anterior lens, posterior lens), four refracting medium(cornea, aqueous humor, crystalline lens, vitreous humor) and a retina where final image is formed. Supplementally, the shape factor (the conic constant, Q) is used to describe the asphericity. These optical parameters have to be applied according to age-related changes. Accordingly, the clinical data of previous studies which measured the age-related changes of human eyes was collected. Out of them, the data over 40 year old that verified the difference between males and females was adopted and applied to the schematic eye design.
The age-related variables were anterior corneal asphericity, posterior corneal asphericity, anterior lens radius of curvature, central thickness of lens, equivalent refractive index of lens, and depth of anterior chamber. The variables that indicated gender differences were anterior corneal radius of curvature, equivalent refractive index of lens, and length of vitreous chamber. Initially, the clinical data had been applied to the schematic eyes, and then they were optically optimized. The optimization was done in a way that indicated the higher MTF(modulation transfer function) figure.
The ZEMAX simulation program was used to design and optimize the schematic eyes for presbyopia. The wavelengths of light were set to 470 ㎚, 510 ㎚, 555 ㎚, 610 ㎚ and 650 ㎚, and their weights were 0.091, 0.503, 1, 0.503, and 0.107 according to the relative luminous efficiency. The entrance pupil diameter was limited to 3㎜ considering senile miosis, and the fields were set to 0, 3.54, 5 degrees in view of angle alpha.
The designed schematic eyes for different ages showed the presbyopic process corresponding to the clinical data of previous studies. Biometric changes in the eyes centred around the cornea and the lens. With increase in age, the anterior corneal asphericity became more positive while the posterior corneal asphericity became more negative, which led to a slight peripheral thinning of the cornea. The total power of the eye decreased as the cystine lens changed in portions of the anterior radius of curvature, the central thickness, and the equivalent refractive index. Their image qualities were evaluated using the MTF, spot diagram and Seidel aberrations. The more age increased, the more MTF figures decreased and spot radius sizes grew. Seidel aberrations except the field curvature increased with age. These results indicated that their image qualities gradually decreased as their age increased.
It is expected that the designed finite schematic eyes in accordance with the clinical presbyopic data will be useful for ophthalmic surgical correction to analyze theoretically the presbyopia and evaluate the change of visual function.