ORA
공기 분사에 의한 양방향 압평법: 적외선으로 각막의 변형 및 회복을 추적합니다.
매개변수: CH, CRF, IOPg, IOPcc. 전체 점탄성 지표를 제공합니다.
2005년 출시: 각막 생체역학의 생체 내 측정을 가능하게 한 최초의 상용 장비입니다.
각막 생체역학은 각막의 역학적 특성을 포괄하는 개념입니다. 각막은 탄성과 점성의 두 가지 성질을 모두 가진 ‘점탄성체’이며, 외력에 대한 변형과 회복 거동이 그 기능을 특징짓습니다.
‘탄성’이란 압력에 의해 변형된 고체가 원래 형태로 돌아가는 성질입니다. ‘점성’은 액체의 끈적임 정도를 나타냅니다. 대부분의 생체 조직은 두 성질을 모두 가진 점탄성체이며, 각막도 그중 하나입니다.
각막에 압력이 가해지면 변형되고, 압력이 제거되면 원래 모양으로 돌아가려고 합니다. 이 과정에서 가압 시와 감압 시의 궤적이 일치하지 않습니다. 이 현상을 히스테리시스라고 합니다. 히스테리시스는 변형 및 회복 과정에서 소산되는 에너지의 지표이며, 각막의 역학적 특성을 반영합니다1).
각막의 탄성률(영률)은 시험관 내 측정 조건과 방법에 따라 0.1~57 MPa로 넓은 범위가 보고되었습니다1). 영률이 높을수록 조직이 더 단단하고 변형에 저항합니다.
각막 생체역학은 다음 임상 상황에서 중요성이 증가하고 있습니다:
현재 생체 내에서 각막 생체역학을 정량적으로 평가하는 기기는 Ocular Response Analyzer(ORA)와 Corvis ST 두 가지입니다. 각막 생체역학의 개념은 아직 새롭고, 측정 결과의 해석은 향후 연구 과제로 남아 있습니다.
각막 생체역학은 많은 요인에 의해 변동됩니다1). 임상적으로 중요한 요인을 아래에 요약합니다.
노화에 따라 각막 강성은 유의하게 증가합니다1). 콜라겐 가교의 자연적 증가와 당화에 의한 섬유 변형이 주된 원인입니다.
Tahsini 등(2025)은 72명의 건강한 피험자를 대상으로 SSI 맵을 분석하여 Stress-Strain Index(SSI)가 20-50세 그룹의 0.938 ± 0.067에서 50-80세 그룹의 1.143 ± 0.064로 유의하게 증가함을 보였습니다(Pearson r = 0.92, p < 0.001)3). 경화 속도는 부위에 따라 다르며, 원래 더 단단한 영역에서 더 빠르게 진행됩니다.
CCT는 CH 및 CRF와 양의 상관관계를 보입니다1). 각막이 두꺼울수록 이러한 값은 높아집니다. 안압 측정값에도 영향을 미쳐, 두꺼운 각막에서는 안압이 과대평가되는 경향이 있습니다.
안압(IOP)과 각막 생체역학의 관계는 복잡합니다1). IOP 상승은 CH 측정값을 낮추지만, 이는 각막의 실제 물성 변화보다는 측정 시스템의 특성에 기인하는 측면이 있습니다. 녹내장 환자에서는 낮은 CH가 시야 진행의 위험 인자로 보고되었습니다.
에스트로겐은 콜라겐 가교에 영향을 미쳐 각막 강성을 낮춥니다1). 월경 주기나 임신 중에 CH가 변동합니다. 임신 중 굴절 교정 수술은 피해야 합니다.
각막 부종에서는 수분 함량이 증가함에 따라 강성이 감소합니다1). 정상 수분 함량(약 78%) 유지가 기계적 안정성에 기여합니다.
당뇨병에서는 콜라겐의 비효소적 당화가 진행되어 각막 강성이 증가합니다1). 당뇨병 환자에서 CH 및 CRF가 건강한 사람보다 높게 나타난다는 보고가 있습니다.
CXL은 장파장 자외선(UVA)과 리보플라빈을 사용하여 콜라겐 섬유 간의 교차결합을 강화하여 각막 강성을 높이는 치료법입니다1). CXL 후 SP-A1이 상승하여 강성 개선을 객관적으로 반영합니다. CXL에 의한 원추각막 진행 억제에 대해서는 “임상적 의의와 응용” 항에서 자세히 설명합니다.
노화에 따라 각막은 단단해집니다. 콜라겐 교차결합의 자연 증가와 당화가 주된 원인이며, SSI 지도를 사용한 연구에서는 2050세 그룹에서 5080세 그룹으로 갈수록 SSI가 약 22% 상승합니다3). 그러나 경화 속도는 부위에 따라 다르며, 원래 단단한 중심부나 주변부에서 더 빠르게 진행됩니다.
각막 생체역학을 생체 내에서 측정 가능한 임상 기기는 현재 2종이 시판되고 있습니다. 실험적 방법으로 브릴루앙 현미경과 광간섭 탄성 측정(OCE)이 개발 중입니다1).
주요 측정 장치의 특징을 아래에 나타냅니다.
| 장치 | 주요 파라미터 | 특징 |
|---|---|---|
| ORA | CH, CRF | 점탄성 반영 |
| Corvis ST | SP-A1, CBI, 외상성 뇌손상 | 동영상 변형 분석 |
| 브릴루앙 현미경 | 탄성 계수 | 3D 심층 매핑 |
ORA는 Reichert사가 제조한 비접촉식 공기 분사 장치입니다2). 적외선을 사용하여 각막 중앙 3~6mm를 전기광학적으로 모니터링하면서 가압 및 감압을 수행하고, 약 30밀리초 동안 각막의 변형과 회복 과정을 측정합니다.
산출되는 주요 매개변수는 다음과 같습니다:
CH는 주로 각막의 점성 특성을, CRF는 주로 탄성 특성을 반영하는 것으로 생각됩니다2).
Corvis ST(Oculus사)는 초당 4,330프레임의 고속 샤임플러그 카메라로 수평 방향 8.5mm의 각막 단면을 연속 촬영하여 공기 분사에 의한 각막 변형을 동영상으로 기록합니다2).
각막 변형 매개변수는 주로 세 가지 시점에서 계산됩니다:
각 시점에서 경과 시간, 압평 길이, 변형 속도, 각막 정점 이동 거리가 계산됩니다. 주요 임상 매개변수는 다음과 같습니다:
Corvis ST는 ORA와 마찬가지로 안압계로 사용할 수 있으며, 생체역학 보정 안압(bIOP)을 계산합니다.
ORA
공기 분사에 의한 양방향 압평법: 적외선으로 각막의 변형 및 회복을 추적합니다.
매개변수: CH, CRF, IOPg, IOPcc. 전체 점탄성 지표를 제공합니다.
2005년 출시: 각막 생체역학의 생체 내 측정을 가능하게 한 최초의 상용 장비입니다.
Corvis ST
고속 샤임플러그 카메라: 초당 4,330프레임으로 각막 단면 변형을 동영상으로 기록합니다.
매개변수: SP-A1, CBI, TBI, SSI, DA 비율 등. 단층촬영과 통합된 지표를 계산할 수 있습니다.
확장성: SSI 맵 등의 새로운 지표와 Pentacam HR과의 AI 통합 분석이 가능합니다.
브릴루앙 현미경(Brillouin microscopy)은 빛과 음향 포논의 상호작용을 분석하여 각막의 생체역학적 특성을 비침습적으로 3차원 매핑하는 기술입니다1). GHz 단위의 주파수 이동으로부터 조직의 종파 탄성 계수를 추정합니다.
ORA와 Corvis ST가 각막 전체의 평균 반응을 측정하는 반면, 브릴루앙 현미경은 깊이 분해능을 가지며 국소적인 탄성 분포를 시각화할 수 있습니다1). CXL 후 가교 효과의 깊이별 평가 및 원추각막의 국소적 강성 저하 검출에 응용이 기대됩니다. 현재는 측정 시간의 길이와 환경 요인의 영향이 과제이며, 임상 실용화에는 이르지 못했습니다.
광간섭 탄성 측정(Optical Coherence Elastography; OCE)은 외력에 의한 각막 실질 내부의 변위를 측정하는 기술입니다1). 각막 중층 및 후층의 변형을 평가할 수 있으며, 깊이 의존적 생체역학 특성 분석에 유용합니다.
각막 생체역학 측정은 원추각막의 조기 발견, 굴절 교정 수술 평가, 안압 측정 보정, CXL 효과 판정에서 중요한 역할을 합니다.
각막 확장성 질환에서는 형태 변화에 앞서 생체역학 변화가 발생합니다5). 지형도나 단층촬영으로 이상을 감지할 수 없는 단계에서도 생체역학 평가를 통해 조기 진단이 가능할 수 있습니다.
초기 원추각막에서는 국소적 탄성 계수 감소가 콜라겐 섬유 붕괴와 연동되어 생체역학적 보상 부전 사이클이 시작됩니다7). 응력이 상승 및 재분배되어 각막이 급경사화되고 얇아집니다.
초기 원추각막 검출에서 주요 지표의 진단 성능은 다음과 같습니다7):
| 지표 | SUCRA 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 외상성 뇌손상 | 96.2 | 가장 높은 정확도 |
| CBI | 83.8 | 차선의 지표 |
| CRF | 66.4 | ORA 유래 |
Brar 등의 기준에 따르면 생체역학적으로 의심되는 눈은 CBI > 0.5 및 TBI > 0.29로 정의됩니다 7). 위음성을 피하기 위해 각막 단층촬영(Scheimpflug 이미징 등)과 생체역학 평가의 병용이 권장됩니다 5)7).
Wang 등(2025)의 포괄적 리뷰에 따르면, 단층촬영과 생체역학의 복합 모델은 FFKC(forme fruste keratoconus) 검출에서 개별 매개변수를 능가합니다. Luz 등의 로지스틱 회귀 모델은 AUROC 0.953(민감도 85.71%, 특이도 98.68%)을 달성했습니다 2).
ORA 기반 연구에서 FFKC 눈은 정상 눈에 비해 CH 및 CRF가 유의하게 낮았습니다 2). VAE-NT(very asymmetric ectasia with normal topography) 눈에서는 CH 8.5 ± 1.5 mmHg, CRF 8.3 ± 1.5 mmHg로 정상 대조군보다 낮았습니다 2).
Corvis ST의 TBI는 VAE-NT 눈에서 AUROC 0.985를 보였으며, CBI 민감도(99.1%) 및 TBI 민감도(99.6%) 모두 단층촬영상 비정상적인 원추각막 검출에서 매우 높은 값을 달성했습니다 2).
굴절 교정 수술은 각막 실질을 절제하거나 변형시켜 생체역학적 특성에 영향을 미칩니다 4). 수술 후 각막 확장증은 0.04~0.6%로 드물지만 심각한 합병증이므로, 수술 전 생체역학 평가가 중요합니다 4).
Pniakowska 등(2023)의 17건 전향적 연구에 기반한 체계적 검토에 따르면, 생체역학 감소는 LASIK(플랩 생성과 실질 절제)이 가장 크고, 그 다음이 SMILE(렌티큘 추출), 표면 절제술(PRK/LASEK) 순이었습니다 4).
수술 후 생체역학에 관한 주요 소견:
표면 절제 후 CH 및 CRF의 일반적인 평균값은 CH 8.68 ± 0.94 mmHg, CRF 8.39 ± 1.08 mmHg였습니다 4). SMILE에서는 수술 후 3개월 시점에 CH가 LASEK보다 유의하게 높게 유지되었으나, 3년 후에는 두 군 간의 차이가 사라졌습니다 4).
생체역학 지표와 지형도 매개변수를 병용하면 굴절 교정 수술의 예측 정확도가 25% 이상 개선되었다는 보고가 있습니다 7). 각막 강성이 낮은 환자에서는 수술 후 잔여 굴절 이상 위험이 2~3배 높습니다 7).
Goldmann 압평안압계(GAT)에 의한 안압 측정은 각막 두께와 생체역학 특성의 영향을 받습니다 5).
각막 확장 질환이나 굴절 교정 수술 후 각막에서는 조직의 얇아짐과 생체역학적 취약화로 인해 압평안압이 인위적으로 낮게 측정됩니다 5). 대체 장비로 다음이 권장됩니다:
ORA로 계산된 IOPcc는 CCT나 CH의 영향을 덜 받으며 실제 안압을 더 정확하게 반영합니다.
CXL은 리보플라빈과 UVA를 이용하여 각막 실질의 가교를 강화하는 치료법이며, 원추각막 진행 억제에 효과적입니다 6). 각막의 생체역학적 강성을 증가시키지만, 직접적인 미세구조 수준에서의 작용 기전에 대한 증거는 충분하지 않습니다 6).
Larkin 등(2021)은 Keralink 다기관 무작위 대조 시험에서 젊은 원추각막 환자에서 CXL의 유효성을 검토했습니다. 원추각막 유병률은 네덜란드에서 1:375, 호주 20세에서 1:84에 이릅니다 6). CXL은 대부분의 성인에서 원추각막 진행 억제에 효과적이라고 보고되었지만, 신뢰 구간이 넓고 비뚤림 위험도 지적되고 있습니다 6).
CXL 후 SP-A1이 상승하며, Corvis ST로 각막 강성 개선을 객관적으로 평가할 수 있습니다 1). 일정한 각막 두께가 필요함에 주의해야 하며, 얇아짐이 심한 증례에서는 sub400 프로토콜 등의 변형이 보고되었습니다.
각막은 5층 구조(상피, 보우만층, 실질, 데스메막, 내피)로 이루어져 있으며, 두께의 약 90%를 차지하는 실질이 생체역학을 결정합니다 1). 실질은 I형 및 V형 콜라겐 섬유와 프로테오글리칸으로 구성됩니다. 콜라겐 섬유의 방향, 밀도 및 가교가 생체역학 특성을 결정하는 주요 인자입니다.
각막의 역학적 거동에는 다음과 같은 특성이 있습니다 1):
Tahsini 등(2025)은 SSI 지도를 사용하여 각막을 중심부, 중심주변부(4개 구역), 주변부(4개 구역)의 9개 구역으로 나누고 부위별 강성을 분석했습니다. 중심부와 주변부의 평균 SSI는 1.153 ± 0.079로 높았던 반면, 중심주변부는 0.890 ± 0.057로 낮았습니다. 특히 아래쪽 중심주변부(구역 4 및 5)가 가장 취약하여 SSI = 0.833을 나타냈습니다3).
아래쪽 중심주변부의 취약성은 원추각막이 전형적으로 아래쪽에서 발생한다는 임상적 사실과 일치합니다3). 원래 역학적으로 약한 부위가 생체역학적 보상부전에 빠지기 쉽다는 것을 시사합니다.
위쪽 중심주변부(SSI = 0.945)와 아래쪽 중심주변부(SSI = 0.833) 사이에도 유의한 차이가 인정되었으며, 코쪽(SSI = 0.903)이 귀쪽(SSI = 0.879)보다 약간 더 높은 강성을 보였습니다3).
원추각막 초기에는 국소적인 탄성계수 감소가 일어나고, 콜라겐 섬유의 붕괴·변성이 시작됩니다7). 이로 인해 생체역학적 보상부전 사이클이 시작됩니다:
병변 부위에서는 콜라겐 분해 항진, 각막 세포(각막기질세포) 소실, 콜라겐 가교 감소, 그리고 응력-변형 응답의 현저한 약화가 인정됩니다. 유전, 눈 비비기 습관, 콘택트렌즈에 의한 미세 외상, 아토피가 생체역학적 변성에 기여하는 요인으로 거론되고 있습니다.
SSI 지도 분석에 따르면, 아래쪽 중심주변부가 가장 낮은 강성 값(SSI = 0.833)을 나타냅니다3). 이 영역은 원추각막이 호발하는 부위와 일치하며, 원래의 역학적 취약성이 질환 발병에 관여할 가능성이 있습니다.
SSI II(SSI 지도)는 유한 요소 모델링과 콜라겐 섬유 분포 모델을 기반으로 각막 표면의 강성 분포를 2차원으로 시각화하는 새로운 기술입니다2)3).
Tahsini 등(2025)은 SSI 지도를 사용하여 연령에 따른 각막 강성의 부위별 변화를 분석했습니다. 경화는 원래 단단한 영역(주변부: 0.0058–0.0067/년)에서 빠르게 진행되고, 약한 영역(아래쪽 중심주변부: 0.0039/년)에서는 느리게 진행됩니다. 오른쪽 눈과 왼쪽 눈의 SSI는 매우 높은 상관관계(Pearson r = 0.96)를 보였습니다3).
SSI 지도는 원추각막의 발병 및 진행 메커니즘 이해와 CXL 치료의 개인화에 유용할 것으로 기대됩니다. 개별 환자의 연령과 각막 부위에 따른 맞춤형 치료에 적용될 전망입니다3).
AI 및 기계 학습 방법의 도입으로 원추각막 검출 정확도가 향상되었습니다2).
Wang 등(2025)의 리뷰에 따르면, AI 알고리즘은 현성 원추각막 검출에서 약 98%의 정확도를 달성하지만, 아임상형에서는 약 90%에 그쳐 누락 위험이 남아 있습니다2).
랜덤 포레스트 방법을 사용한 분석에서 Pentacam HR과 Corvis ST 메트릭스를 통합하여 아임상 원추각막 분류에서 특이도 93%, 민감도 86%가 보고되었습니다2). 역전파 신경망을 사용한 진단 모델은 AUROC 0.877을 달성하여 CBI(0.610) 및 TBI(0.659)보다 우수한 FFKC 검출 능력을 보였습니다2).
브릴루앙 현미경은 각막의 3차원 탄성 매핑을 가능하게 하는 기술로 주목받고 있습니다1). CXL 후 가교 효과의 깊이별 평가와 원추각막의 국소적 강성 감소 시각화에 유용성이 입증되었습니다. AI 통합을 통한 측정 정확도 향상과 임상 실용화가 향후 방향입니다1).
원추각막은 양안성으로 발병하지만, 한쪽 눈이 무증상(FFKC/VAE-NT)으로 남을 수 있습니다2). 한쪽 눈에 임상적 원추각막이 있는 환자의 반대쪽 눈을 생체역학적으로 평가하여 향후 발병 위험을 예측하려는 시도가 진행되고 있습니다. TBI는 VAE-NT 눈에서 높은 검출 민감도를 보여, 양안 비교가 조기 진단의 단서가 될 가능성이 있습니다2).