동공 기록법 (동공 측정법)

한눈에 보는 포인트

동공기록법은 적외선 비디오 기술을 이용하여 동공 반응을 객관적이고 정량적으로 기록하는 검사법으로, 안과, 신경과학, 약리학에 폭넓게 응용됩니다.
측정 파라미터에는 축동률, 수축 속도, 잠복기, 산동 속도, 산동 지연 시간 등 11가지가 있습니다.
조명 후 지속성 동공 반응(PIPR)은 멜라놉신을 함유한 내인성 광감수성 망막 신경절 세포(ipRGC)의 활성화를 반영하며, 망막 및 신경변성 질환의 바이오마커로 주목받고 있습니다.
RAPD(상대적 구심성 동공 장애)의 정량 평가나 호르너 증후군에서의 산동 지연 객관적 기록 등 신경안과 진단에서 특히 유용합니다.
펜라이트 검사와 비교하여 표준화, 정량화, 재현성 있는 측정이 가능하며 검사자 편향을 배제할 수 있습니다.
일본에서는 여러 전용 적외선 동공계가 임상에서 사용되고 있으며, 기기의 특성과 측정 조건을 적절히 이해하여 사용할 필요가 있습니다.

1. 동공기록법이란?

동공기록법(Pupillography)은 동공 반응을 기록하고 측정하는 방법입니다. 적외선 비디오 카메라와 컴퓨터 소프트웨어를 조합하여 사용하며, 동공 반응을 동적이고 정량적으로 평가합니다.

“Pupillography”라는 용어는 Lowenstein과 Loewenfeld에 의해 명명되었으며, 눈의 원심성 및 구심성 경로를 기록하기 위한 동적 적외선 비디오 기술로 발전했습니다. 전통적인 수동 측정에서 전자 기술의 도입으로 정밀도, 일관성, 속도가 향상되었으며, 현재는 “동공측정법(Pupillometry)“이라는 용어도 일반적으로 사용됩니다.

제32차 국제 동공 콜로키움(IPC, 스위스 모르주)에서는 전문가들이 모여 데이터 수집, 처리 및 보고에 관한 국제 표준의 첫 번째 판을 마련했습니다. 최근에는 데스크탑형 및 휴대형 동공계의 제품화가 진행되었으며, AI와의 결합을 통한 성능 향상도 기대됩니다.

응용 분야는 안과, 신경학, 신경과학, 심리학, 시간생물학에 이릅니다.

Q 동공기록법(Pupillography)과 동공측정법(Pupillometry)은 어떻게 다른가요?

원래 Lowenstein과 Loewenfeld가 동적 적외선 비디오 기술을 “Pupillography”라고 명명했습니다. 이후 전자 기술의 발전과 함께 “Pupillometry”라는 용어도 보급되었으며, 현재는 두 용어가 거의 동의어로 사용되는 경우가 많습니다.

2. 주요 측정 파라미터와 임상 소견

동공 기록법을 시행하게 되는 증상

동공 부등 (anisocoria) : 동공 크기의 좌우 차이. 정상인의 약 20%에서 1mm 이하의 생리적 동공 부등이 있지만, 명암 차이·대광 반사 이상을 동반하면 병적으로 판단합니다.
대광 반사 이상 : 반사의 소실·지연·비대칭성
시력의 객관적 평가 곤란 : 비언어적 환자, 비기질적 시력 장애가 의심되는 예
호너 증후군을 의심하는 소견 : 경도 안검하수·축동·안면 발한 이상의 조합

측정되는 주요 파라미터

다음은 1회 측정으로 얻을 수 있는 대표적인 파라미터입니다.

축동기

잠복기 (T₁) : 광자극부터 축동 시작까지. 충분히 밝은 자극에서는 약 200밀리초.

수축 속도 (VC) : 축동의 빠르기. 시각 입력 장애에서 T₁ 연장·VC 저하가 나타납니다.

최대 축동량 (D₃) : 최대 축동 시의 직경. 시각 입력 장애에서 D₃ 저하.

축동률 (CR) : 축동량/기저 직경. 시각 입력 장애에서 CR 저하.

산동기

산동 속도 (VD) : 광 제거 후 동공 확대의 빠르기. 교감 신경계 기능을 반영합니다.

산동 지연 시간(T₅) : 산동이 시작되는 시간. 호르너 증후군에서 T₅의 현저한 연장이 특징적 소견입니다.

PIPR(조명 후 지속성 동공 반응) : 고휘도·단파장 자극 후 지속적인 축동. ipRGC·멜라놉신 활성화를 반영합니다.

동공은 완전히 정지하지 않고 항상 ±0.5mm 정도의 연속적인 진동(동공 동요·hippus)을 반복합니다. 또한 축동상은 부교감 신경계, 산동상은 교감 신경계의 기능을 주로 반영합니다.

3. 동공 반응의 신경해부학적 기반

구심로

망막 시세포 → 망막 신경절 세포 → 시신경 → 시교차 → 시삭 → 외측 슬상체 직전에서 시각로에서 분기 → 시개전구 → 동측 Edinger-Westphal(EW) 핵 및 후교차를 통해 반대측 EW 핵에 도달합니다.

인간에서는 교차 섬유와 비교차 섬유의 비율이 거의 1:1이며, 직접 대광 반사와 간접 대광 반사의 강도는 거의 동일합니다.

원심로

EW 핵 → 동안 신경 → 해면정맥동 → 위안와틈새 → 안와 → 동안 신경 하지 → 섬모체 신경절에서 시냅스 → 짧은 섬모체 신경 → 안구 내로 도달합니다.

EW 핵에서 나오는 부교감 신경 섬유의 **95%는 섬모체근(조절)**으로, 5%는 동공 괄약근으로 투사됩니다. 이 비율이 대광-근거리 반응 해리의 메커니즘과 관련됩니다.

ipRGC와 멜라놉신의 역할

내인성 광감수성 망막 신경절 세포(ipRGC)는 멜라놉신을 포함하며, 동공 대광 반사의 주요 구심로를 형성합니다. 단파장의 강한 청색광 자극(470nm 부근)으로 느리고 지속적인 축동(PIPR)이 나타납니다.

멜라놉신 매개 반응 : 긴 잠복기와 느린 수축 속도. 자극 중 및 자극 후에도 지속됩니다.
원추세포 매개 반응 : 짧은 잠복기와 빠른 수축 속도. 신속하게 기준선으로 회복됩니다.

멜라놉신 기능은 일생 동안 비교적 안정적이며, 80대 이후에 감소하지만 간상체·원추체의 노화 변화보다 느립니다.

생리적 동공 반응의 종류

광반사: 가장 기본적인 동공 반응
근거리 반응: 폭주, 조절, 축동의 세 가지 징후. 핵상 지배에 의한 양안 연합 운동으로 발생
탈출 현상: 비교적 약한 광자극에서는 지속적인 광조사 하에서도 동공이 산대되기 시작함. 망막 또는 시신경 질환으로 시각 입력 장애가 있는 경우 밝은 광자극에서도 탈출 현상이 관찰됨

Q 동공은 빛 이외의 자극에도 변화합니까?

변화합니다. 정신적 긴장, 놀람, 통증 자극은 교감신경계를 통해 산대를 유발하고, 피로·졸음은 중추신경계를 통해 축동을 유발합니다. 정서에서는 공포가 산대, 쾌적감이 축동과 관련됩니다. 약물(카페인, 니코틴, 항히스타민제)도 동공 직경에 영향을 미칩니다.

4. 측정 기술과 장치

기본 기술과 측정 조건의 통일

주변광이 적은 환경에서 시행하여 동공 직경에 대한 외부 영향을 최소화합니다. 환자는 전용 장치 앞에 앉아 카메라와 양안을 일직선으로 배치합니다. 기저 동공 직경 기록 후 다양한 자극(빛, 시각 패턴)을 제시하여 동공 반응을 기록합니다.

일중 변동을 고려하여 측정은 오전 10시~오후 2시에 시작 및 종료합니다(점심 후 1시간 이내는 피함). 폐쇄형은 개방형보다 동공 직경이 더 크고, 단안 시력은 양안 시력보다 명소에서 약 1.0mm, 암소에서 약 0.2mm 더 크므로 조건 통일이 필수적입니다.

주요 측정 장치(일본에서 사용되는 기기)

동공 직경 측정 장치

FP-10000 II (TMI): 양안 개방, 단안 측정. 각막 굴절률 고려. 휴대성이 뛰어나고 시표 위치를 임의로 설정 가능. 깊은 눈에서는 전후 위치 맞추기가 어려울 수 있음.
Procyon P3000 (Haag-Streit): 3가지 조도(0.04, 0.4, 4.0 lux)에서 광학적 원거리 시력을 측정. 최대 32프레임 연속 측정에서 평균값과 변동 폭을 자동 계산. 페이스 스펀지 밀봉 측정으로 실내 조도의 영향을 배제. 양안 개방 동시 측정 가능.
육안식(Haab 동공계, Colvard 동공계 등): mm 단위의 대략적인 평가. 검사자 접근에 의한 폭주 반응·심리적 요인의 영향이 우려됨.

대광 반사 측정 장치

Iriscorder Dual C-10641 (Hamamatsu Photonics): CCD 고체 촬상 소자. 고글형으로 양안 동시 측정. 광 강도(10, 100, 250 cd/m²), 측정 시간(1~60초), 광 자극(청색 470nm, 적색 635nm)을 임의 선택. 1회 측정으로 11종의 파라미터 분석 가능.
ET-200 (Neo Opt): 멀티 컬러 LED(청색 466nm, 녹색 537nm, 적색 636nm) 3종 비교. 고글 커버 탈착 가능하며 안구 운동 기록에도 사용 가능.
NPi-100 (IMI): 단안 3초 이내 측정, 무게 350g. 침상에서 간편하게 정량적 평가 가능. 펜라이트 대체용으로 사용이 바람직함.
RAPDx (Komen Medical): RAPD(상대적 구심성 동공 장애)의 객관적 평가에 특화. 광 자극 부위를 전시야, 황반부, 주변부, 상비측, 하비측의 5종에서 선택 가능. amplitude score 및 latency score를 산출함.

이미지 처리 기술

동공 크기 추적에는 세그멘테이션 알고리즘을 사용합니다. 가장 단순한 허프 변환(Hough Transform)법은 동공이 원형일 때 유효하지만, 위치 어긋남이나 이상 형태에서는 정밀도가 부족합니다. 고정밀 패턴 인식 모델을 사용하면 이상 형태의 동공도 고정밀도로 검출할 수 있습니다.

측정 시 주의사항

폐쇄 루프 방식에서는 동공 직경이 조사 광량에 영향을 미치므로 초기 동공 직경의 좌우 차이에 주의합니다.
눈 깜빡임이 혼입된 경우 암순응을 포함하여 재측정합니다(피로·졸음의 영향도 고려).
폭주 반응 측정에서는 내전으로 인해 동공 직경이 약 0.2mm 과소평가됩니다.
녹색광은 푸르킨예 이동의 영향을 받습니다. 적색광은 시세포 유래, 청색광은 망막 신경절 세포(ipRGC) 유래의 대광반사를 선택적으로 유발합니다.

Q 펜라이트 검사와의 차이점은 무엇입니까?

동공 기록법은 표준화된 기록을 통해 정확한 측정이 가능하며, 잠복기·축동률·산동 속도 등 펜라이트로는 평가할 수 없는 추가 파라미터를 정량적으로 측정할 수 있습니다. 또한 결과의 문서화·시간 경과 비교가 가능하고 검사자 편향을 배제할 수 있습니다.

5. 임상 응용

안과 영역

RAPD(상대적 구심성 동공 장애)의 정량 평가

기존의 교대 대광반사 검사(Swinging flashlight test)와 비교하여 표준화·정량화·재현성 있는 측정이 가능합니다. RAPD는 광범위한 망막증·시신경증·시삭 병변·시개전부 병변에서 나타납니다.

교대 대광반사 검사의 절차는 반암실에서 좌우안에 교대로 약 2초의 광자극을 주는 것입니다. 한쪽 눈의 시신경 장애에서는 건안 조사 시 양안이 축동되나, 환안으로 옮기면 축동량이 감소합니다(「산동해 가는 변화」로 관찰됨). 백내장 등 중간 투광체 혼탁이나 양안의 시기능 이상, 시교차 이후의 병변에서는 RAPD가 양성이 되지 않습니다.

두부 외상 환자에서는 외상성 시신경 손상의 유일한 징후가 될 수 있으며, 혼수 상태의 외상 환자 평가에 유용합니다.

호르너 증후군에서 산동 지연의 측정

산동 지연(Dilation lag)은 광 제거 후 동공 이완·산동의 지연이며, 호르너 증후군에서는 산동에 최대 15~20초(정상 약 5초)가 소요됩니다. T₅의 현저한 연장이 특징적인 소견입니다. 양측성 호르너 증후군(상대적 동공 부등이 불명료)에서는 산동 지연의 측정이 유일한 신뢰할 수 있는 진단법이 될 수 있습니다.

동공 부등의 평가

동공 부등의 평가에서는 명암 두 조건에서의 측정이 필수입니다. 병측의 축동은 암실에서 명료해지고, 병측의 산동은 명실에서 명료해집니다. 정상인의 약 20%에 생리적 동공 부등이 있지만(좌우차 1mm 이하·명암차 없음·대광반사 정상), 입력계 장애(시신경 질환)에서는 대광반사 이상은 생기지만 동공 부등은 원칙적으로 생기지 않음을 염두에 둡니다.

동공 이상의 감별

강직성 동공 (Adie 증후군): 광-근거리 반응 해리. 희석된 필로카르핀(0.05~0.1%) 점안으로 축동이 확인되면 진단적 가치가 있습니다.
광-근거리 반응 해리: 광반사는 소실되었으나 폭주반응은 보존되는 소견. Parinaud 증후군, Argyll Robertson 동공 등의 중뇌 등쪽 병변 및 Adie 증후군에서 나타납니다.
절대 동공 강직: 광반사와 폭주반응 모두 소실. 외상, 홍채염에 의한 홍채 위축, 동안신경 마비, 급성 원발 폐쇄각 녹내장, 아트로핀 등에 의해 발생합니다.

굴절 교정 수술 및 안내 렌즈의 적응 판단

저조도 조건에서 동공 직경 측정을 통해 LASIK 등의 최적 절제 직경을 결정합니다. 절제 직경이 산동 시 동공 직경보다 작으면 야간에 후광(halo) 발생 위험이 있습니다. 다초점 안내 렌즈나 굴절 교정 수술의 적응 판단에도 사용됩니다.

유전성 망막 질환의 기능 평가

PLR을 통해 간상체, 원추체, 멜라놉신 경로를 개별적으로 평가할 수 있습니다. Jalili 증후군(CNNM4 변이) 가계에서는 명소 망막전위도가 검출 불가능했음에도 불구하고 원추체 매개 PLR이 기록 가능했습니다¹⁾. 암소 조건에서는 CNNM4 환자에서 큰 PLR이 관찰되었고, 명소 조건에서는 정상 하한 부근이거나 약간 저하되었습니다¹⁾.

안과 외의 영역

신경정신의학: 동공 산대는 각성도 및 청반핵 활동과 상관관계가 있습니다. 신경퇴행성 질환(알츠하이머병, 파킨슨병), 자율신경 기능 이상, 약물/알코올 남용의 민감한 지표가 될 수 있습니다. 졸음, 조현병, 우울증 등의 정신 상태 평가에도 사용됩니다.
약리학: 약물의 자율신경 영향 테스트(콜린성/아드레날린성). 동공 반응 크기에 기반한 효과 평가, 진정 효과 연구에 응용됩니다.
화학물질 과민증: 초기 동공 직경(D₁) 감소나 축동률(CR) 감소 등 부교감신경계 우위 상태가 관찰됩니다.
IT 안증: 원거리 주시 시에도 축동이 지속되고, 폭주보다 축동이 먼저 유발되는 등 근거리 반응의 해리가 나타납니다.

Q 동공 기록법은 어떤 질환의 진단에 도움이 됩니까?

대표적인 용도로는 RAPD 평가를 통한 시신경병증과 망막병증의 감별, 산동 지연 측정을 통한 호르너 증후군 진단, 희석 필로카르핀 점안 검사와의 조합을 통한 Adie 증후군 평가 등이 있습니다. 또한 신경퇴행성 질환이나 자율신경 장애의 객관적 평가에도 사용됩니다.

6. 동공 반응의 생리학적 메커니즘

세 가지 광수용 경로와 신호 통합

동공 대광 반사는 다음 세 가지 경로가 통합되어 제어합니다.

경로	광수용체	특징
간상체 경로	로돕신	저조도 및 암소 조건에서 민감도가 높음
원추체 경로	옵신	고조도 및 명소 조건. 짧은 잠복기와 빠른 수축 속도
ipRGC 경로	멜라놉신	긴 잠복기와 느린 속도. 자극 후 지속됨 (PIPR)

원추 입력은 자극 대비 변동에 대한 지속적 수축을 제어하고, 멜라놉신 입력은 장시간 광 노출 시 명순응 동공 직경을 설정합니다. 이 외망막과 내망막의 신호 통합이 동공 반응의 정밀한 조정을 가능하게 합니다.

ipRGC의 특성

시개전역(특히 올리브시개전핵)으로 투사
간체와 원추 입력도 받으며, 고유의 멜라놉신 구동 반응에 더해 이들 외망막 입력도 통합
기존 신경절 세포에 비해 중복성이 낮음
일주기 리듬 및 기분에 관한 광의존성 비시각 형성 회로에도 관여

동공 제어의 조절 기전

동공 제어 경로의 게인 제어는 Edinger-Westphal 핵 수준에 존재합니다. 대뇌 피질 입력에 관해서는, 섬피질 및 전두안야의 국소 허혈성 경색이 있어도 동공 직경과 수축 속도가 정상 생리학적 범위 내에 있으므로, 대뇌 피질 입력의 결여는 동공 직경과 수축 속도에 직접 영향을 미치지 않는 것으로 생각됩니다.

인지적·정서적 사건이 유발하는 동공 변화는 대광반사보다 작으며(보통 0.5mm 미만), 청반핵 활동과 밀접한 상관관계가 있는 것으로 알려져 있습니다.

7. 최신 연구와 향후 전망 (연구 단계 보고)

색각 동공 측정법(Chromatic pupillometry)

이 방법은 단일 비침습적 측정으로 외망막(간상체 및 원추체 매개)과 내망막(멜라놉신 매개) 반응을 분리하는 것을 목표로 합니다. 기술 최적화를 통해 고감도, 고정밀도의 임상 바이오마커로 발전할 것으로 기대됩니다.

유전성 망막 질환에의 적용 (Jalili 증후군 연구)

Hyde 등(2022)은 Jalili 증후군(CNNM4 돌연변이)을 가진 세 자매(5세, 14세, 15세)와 정상 대조군 10명을 비교했습니다. 암순응 후 간상체 경로 측정(465nm, 1초)과 명순응 후 원추체 경로 측정(642nm, 1초, 6 cd/m² 청색 간상체 억제 시야)을 수행하고 Naka-Rushton 함수로 Pmax(최대 포화 PLR 반응)와 s(PLR 반포화 상수)를 계산했습니다¹⁾. 명순응 망막전위도가 검출 불가능함에도 불구하고 원추체 매개 PLR이 기록 가능하여, PLR이 원추체 기능 평가의 유용한 수단이 될 수 있음을 시사합니다¹⁾.

국제 표준화 추진

제32차 국제 동공 콜로키움에서 수립된 국제 표준 제1판은 데이터 수집, 처리 및 보고에 필요한 최소 변수 세트에 대한 권장 사항을 포함합니다. 연구 간 비교 가능성 향상을 목표로 하며, 향후 임상 연구 및 다기관 연구의 기반이 될 것으로 기대됩니다.

AI와의 통합 및 신경퇴행성 질환 바이오마커로의 확장

AI와 장치의 통합을 통한 성능 향상과 객관적 정량화 개선이 기대됩니다. 신경퇴행성 질환(알츠하이머병, 파킨슨병)의 검출 및 진행 모니터링, 임상 시험에서 자율신경계 활동의 객관적 평가, 수면 및 일주기 리듬 장애 환자의 멜라놉신 망막 신경절 세포 기능 평가가 주요 연구 과제입니다.

8. 참고문헌

Hyde RA, Park JC, Kratunova E, McAnany JJ. Cone pathway dysfunction in Jalili syndrome due to a novel familial variant of CNNM4 revealed by pupillometry and electrophysiologic investigations. Ophthalmic Genet. 2022.
Kelbsch C, Strasser T, Chen Y, Feigl B, Gamlin PD, Kardon R, et al. Standards in Pupillography. Front Neurol. 2019;10:129. PMID: 30853933.
Karlsen RL. [Pupillography]. Tidsskr Nor Laegeforen. 1980;100(5):286. PMID: 7385153.