구조광으로 망막 질환 비침습적 진단 가능성 제시

눈 안에서 생기는 편광 패턴, '뵘 브러시'

인간의 눈은 가시광선의 편광 여부를 거의 구분하지 못하지만, 일부 상황에서는 망막 내부 구조가 편광 방향에 따라 빛을 달리 산란시켜 희미한 시각 패턴을 만들어낸다. 이러한 현상을 내시(entoptic) 패턴이라 한다.

가장 널리 알려진 사례는 '하이딩거 브러시'로, 청색 선형 편광을 바라볼 때 중심 시야에 모래시계 형태로 나타난다. 1940년 스위스 생물물리학자 군도 뵘이 발견한 '뵘 브러시'는 덜 알려진 사례다. 주변 시야에서 선형 편광을 볼 때 내망막의 세포 하부 구조에서 발생하는 산란으로 인해 나비넥타이 모양의 두 엽 패턴이 형성된다. 망막 질환이 이 패턴의 인식 능력에 영향을 줄 수 있다는 점에서 오래전부터 망막 건강 바이오마커 후보로 거론됐지만, 가시성이 매우 낮아 실용적 진단 적용에는 한계가 있었다.

스핀-궤도 결합광을 활용한 패턴 강화

연구팀은 편광이 고정된 기존 방식 대신, 편광 방향이 공간적으로 계속 변하는 조건을 설정하는 접근법을 택했다. 이에 양자광학 분야에서 영상·통신·정보처리 연구에 폭넓게 쓰이는 스핀-궤도 결합광을 도입했다. 이 구조광은 편광 방향이 빔의 궤도 각운동량(파면이 진행 방향을 따라 비틀리는 성질)과 연동돼 빔 단면 전체에서 규칙적으로 회전하는 특성을 지닌다.

연구팀은 망막 산란 반응의 대칭 구조에 맞게 빛의 공간적 편광 분포를 설계해, 각 지점의 약한 산란 기여들이 상호 보강되도록 했다. 또한 고리형 조리개를 사용해 피험자 망막 주변부의 특정 위치를 선택적으로 조사하고, 중심 시야로부터의 각도 거리도 조절할 수 있도록 구성했다.

11명 대상 실험 결과

자동화 검사 방식으로 11명의 피험자에게 구조광을 적용한 결과, 뵘 브러시의 가시성이 기존보다 현저히 높아졌다. 패턴 형태도 기존의 두 엽 나비넥타이에서 다중 엽 구조로 변화했으며, 엽의 수는 빛의 위상학적 구조(topology)에 따라 달라졌다. 중심 시야에서 멀어질수록 탐지 임계값은 지수적으로 낮아졌고, 망막 각거리 약 1도 지점에서 패턴이 안정적으로 지각됐다.

진단 도구로서의 전망과 한계

이번 연구는 인간 시각과 양자광학적 현상 사이의 연결 고리를 실험적으로 확인했다는 점에서 학술적 의미가 있다. 연구팀은 망막 질환 환자를 대상으로 한 후속 연구를 통해, 주변 시야에서 다중 엽 패턴을 명확히 인식하지 못하는 경우를 망막 이상의 지표로 활용하는 안과 검사법 개발을 목표로 한다.

다만 현재는 정상 시력을 가진 소수 피험자(11명)만을 대상으로 한 개념 검증 단계다. 실제 임상 진단 도구로 발전하려면 다양한 망막 질환 환자군을 포함한 대규모 연구가 필요하며, 검사 장비의 소형화·표준화도 해결해야 할 과제로 남아 있다.