모세관 작용에 의한 콘택트 렌즈의 운동 모델

Model on the Capillary Action-Induced Dynamics of Contact Lens

눈물 층을 사이에 두고 각막 위에 부착되어 있는 렌즈(하드렌즈)에는 모세관작용에 따른 장력이 렌즈가장자리에 균일하게 방사형으로 향하여 작용한다. 순목등에 의한 충격으로 평형상태의 렌즈가 평형 위치에서 벗어나게 되면 눈물층의 간격에 변화가 발생하고 이 변화에 의해 불균일 모세관작용에 기인하는 장력에 따라 렌즈에는 복원력이 발생하고 이 힘에 의해 렌즈는 감쇄운동(진동)을 하게 된다. 이러한 복원력을 계산하고 렌즈의 운동을 예측할 수 있는 미분방정식과 컴퓨터프로그램을 수립하였으며 이 컴퓨터 모델을 사용하여 렌즈의 구경, 베이스 커브, 눈물 층의 두께 등의 변수가 렌즈의 운동에 미치는 영향을 모사(模寫)하였다. 눈물층의 점성에 의한 마찰력이 관성력에 비해 크기 때문에 렌즈는 진동을 하지 않고 시간의 경과에 따라 일률적으로 변위가 감소하는 운동양상을 나타내고 있으며 렌즈의 구경이 증가할수록, 눈물층의 두께가 얇아질수록 복원력이 증가하며 따라서 렌즈가 원위치로 되돌아오는데 걸리는 시간이 짧아지고 있다. 그러나 렌즈의 베이스커브는 그 값이 특정 값을 가질 때 원위치 도달 시간이 최소가 된다. 렌즈의 공진진동수는 눈물층의 두께가 증가할수록 렌즈구경이 감소할수록 낮아지고 있으며 베이스커브가 특정 값을 가질 때 공진진동수 역시 최대가 된다. 실제로 콘택트렌즈를 착용한 상태에서 렌즈의 공진진동수와 동일한 진동수의 외부 충격이 렌즈에 가해지는 경우 급격한 렌즈의 상하 또는 좌우 진동이 예상되며 따라서 렌즈가 탈착 된다든지 또는 렌즈의 형상변형으로 인해 각막에 통증이 발생할 수도 있을 것이다. 고함수(高含水) 소프트렌즈와 강은 diaphragm 그 자체는 탄성이 거의 없다. 그러나 함수 소프트렌즈가 각막 상에 눈물 층을 사이에 두고 부착되어 있는 경우에는 눈물의 표면 장력에 의해 탄성이 유기(誘起)될 수 있으므로 진동의 영향이 있을 것으로 본다.

A mathematical model was proposed to analyze the damped motion of contact lens which is initially displaced from the equilibrium position. The model incorporates the differential equations and their numerical solution program, based on the formulations of restoring force arising from the capillary action in the tear-film layer between the lens and cornea. The model predicts the capillary action induced surface tension, time dependence of displacement of lens when it is released from the equilibrium position. It seems that the motion of lens is similar to the typical over-damped oscillation caused by the large viscous friction in the liquid layer between the cornea and lens. The effect of variables such as base curves, lens diameters and thickness of tear film layer were illustrated by the computer simulation of the derived program. The time required for the lens to return to the original position increases as the liquid layer thickness increases and it decreases as the diameter of lens increases. With the certain value of base curve the time interval is found to be minimum. The free vibrations of lenses were also simulated varying the parameters such as base curve, diameter, layer thickness. The resonant frequencies are inversely proportional to the liquid layer thickness and it increases as the lens diameter increases. The resonant frequency of lens has a maximum when the diameter is of certain value. If the external impulse or force of the same frequency as the natural frequency of contact lens acted on the cornea in vivo it may cause an excessive movement and thus it might cause the distortion 10 the lens or be pulled off the eye.