“숨만 쉬면 코로나부터 천식도 진단”...음주운전 단속때도 사용가능한 ‘이것’ [사이언스라운지]

호흡으로 질환을 진단해주는 스마트마스크. [사진=칼텍]

최근 코로나19가 다시 기승을 부리는 가운데, 숨만 쉬어도 코로나19 감염 여부를 판단해주는 마스크가 개발됐다. 미국 캘리포니아공대(칼텍) 연구팀이 개발한 이 마스크는 숨을 내쉴 때 나오는 화학 성분을 분석해 감염 여부를 가린다. 코로나19 이외에도 천식 등의 질환에도 활용 가능하며, 비용이 약 1달러(약 1300원) 수준에 불과해 공중 보건을 증진시키는 도구로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

웨이 카오 칼텍 의료공학과 교수 연구팀은 30일(현지시간) 이 같은 스마트 마스크를 개발했다는 연구결과를 국제학술지 ‘사이언스’에 게재했다.

사람의 건강을 모니터링하는 개인용 웨어러블(착용형) 기기들이 늘고 있다. 시계에서 패치, 기타 유형의 센서에 이르기까지 종류도 다양해지도 있다. 이런 스마트 기기들은 심장활동이나 염증 수준 등을 모니터링해 환자가 집에서 건강을 더 잘 관리할 수 있도록 도와준다. 연구팀은 개발한 스마트 마스크 역시 같은 역할을 한다고 설명했다. 호흡을 모니터링해 질병 감염 여부를 모니터링해주는 하이테크 종이 마스크라 소개했다.

개발한 스마트 마스크는 사람이 내쉬는 숨을 분석한다. 사람이 호흡기 질환에 걸리면 기도에 염증이 생긴다. 염증의 정도에 따라 화학물질 ‘아질산’이나 알코올, 요소 등의 물질이 변화한다. 연구팀은 이 점에 착안했다. 마스크 앞에 센서를 달아 이 변화를 측정하도록 했다.

다만 화학물질을 측정하기 위해서는 기체를 액체화하는 과정이 필요하다. 기존에는 날숨을 액체화하기 위해 거대 냉각 장치를 사용했다. 연구팀은 마스크에 자체 냉각 시스템을 도입했다. 이 시스템은 표면에서 열이 방출되어 냉각되는 현상인 ‘방사 냉각’ 등을 활용했다. 별도의 에너지가 필요없다는 게 연구팀 설명이다.

이렇게 냉각돼 액체로 변한 날숨은 얇은 관을 따라 센서로 이동한다. 이 관은 식물의 ‘모세관 현상’을 이용한다. 모세관 현상은 모세관 내의 액체면이 외부의 액체면보다 높거나 낮아지는 현상이다. 식물은 이 현상을 활용해 중력 등의 외부 힘에 상관없이 유체가 좁은 공간을 타고 올라가도록 한다. 센서로 이동한 액체는 곧장 분석된다. 연구팀은 “호흡 응축액에는 대사물질이나 염증 지표, 병원균과 같은 비휘발성 물질이 포함돼 있다”고 설명했다. 분석 결과는 곧장 휴대전화나 컴퓨터로 무선 전송된다. 스마트 마스크의 분석결과를 실시간으로 확인할 수 있는 것이다.

연구팀은 천식이나 만성폐쇄성폐질환(COPD) 환자를 대상으로 스마트 마스크를 실험했다. 두 가지 질환 모두에서 나타나는 염증 바이오마커인 아질산염을 모니터링했다. 그 결과 마스크는 환자의 호흡에서 정확히 바이오마커를 감지했다. 혈종 알코올 수치를 측정하는데도 성공했다. 연구팀은 “이 마스크는 음주운전을 단속하는데 활용하거나 체내 알코올 섭취를 파악하는 용도로도 쓸 수 있다”고 말했다.

개발한 스마트 마스크의 가장 큰 장점은 비용이다. 재료 비용이 약 1달러에 불과하다. 연구팀은 “개발한 스마트 마스크는 건강모니터링이나 질병 진단에 있어 게임 체인저가 될 수 있다”고 밝혔다.