호흡 이용해 폐암 발견...ETRI, ‘전자코’ 개발

이대식 ETRI 책임연구원이 호기 가스 분석 시스템을 점검하고 있는 모습. 사진=ETRI

한국전자통신연구원(ETRI)은 9일 날숨을 통해 폐 속 암세포가 만드는 휘발성유기화합물을 감지하는 센서와 이로부터 얻은 데이터를 통해 폐암 환자를 판별하는 기계학습 알고리즘 기술을 개발, 국제적 인정을 받았다고 밝혔다. 관련 연구 논문은 국제학술지‘센서&액추에이트 B’에 게재돼 그 우수성을 인정받았다.

이 시스템은 지난해, 한국인의 사망원인 1위가 암이었으며 그 중 폐암 사망률이 가장 높아 국민 건강 관리를 위해 폐암 진단 및 예방법이 시급히 요구되는 상황에서 나왔다.

ETRI 연구진의 기술을 활용하면 사람의 호흡만으로 간단하게 검사가 가능하다. 연구진은 사람의 코가 신경세포를 통해 냄새를 맡는 것에 착안해 이 시스템을 ‘전자코’로 명명했다고 설명했다. 즉, 호흡가스가 들어오면 이를 전자소자(칩)를 이용해 마치 사람의 코처럼 냄새를 맡아 전기적 신호로 바꿔 질병유무를 판단, 검진하도록 만들었다.

국내 연구진이 호흡(날숨)을 이용해 폐암을 진단하는데 도움 주는 의료용‘전자 코’를 개발했다. 방사선 위험 없이 간단하면서도 저렴한 비용으로 폐암을 조기에 진단하고 예방하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 현재 폐암진단에 주로 사용되는 X선 검사나 CT 검사법은 방사선 노출 위험이 있고 비용부담도 적지 않다.

ETRI가 개발한‘전자 코’시스템은 데스크탑 컴퓨터 크기로 날숨 샘플링부, 금속산화물 화학센서 모듈, 데이터 신호 처리부 등 크게 세 부분으로 구성되어 있다.우선 검진자의 날숨을 비닐 키트에 담는다. 날숨이 찬 비닐에 탄소막대기를 넣으면 호흡 중 배출되는 여러 가스 성분들이 막대기에 붙는다. 다시 이 막대기를‘전자 코’시스템에 집어넣는다. 시스템을 구동하면 내장된 센서를 통해 가스가 붙은 정도에 따라 전기 저항이 달라짐을 알 수 있다. 이렇게 날숨의 구성성분 데이터를 알고리즘으로 분석해 환자의 날숨 정보와 비교하면 폐암 유무를 판별하는데 도움을 줄 수 있다.

연구진은 분당 서울대병원의 도움으로 폐암 환자 37명과 정상인 48명 날숨을 채취해 200회를 분석한 뒤 데이터베이스화했다. 이를 기반으로 기계학습 모델을 공동 개발해 적용한 결과, 약 75%의 정확도를 보였다. 아울러, 동 병원 흉부외과 연구팀의 임상적 유의성도 확인해 폐암환자 진단 보완재 역할을 충분히 수행할 수 있음을 확인시켜 주었다.

호기가스 분석 시스템에 들어가는 칩과 분석 결과 그래프 모습. 사진=ETRI

ETRI는 이 기술이 기존 병원 진단 장비에 비해 센서 제작 비용이 저렴하고 가격 대비 정확도가 높다고 밝혔다. 또한 편의성도 우수해 폐암 환자의 수술 예후 모니터링은 물론, 일반인의 자가 건강 관리에도 활용할 수 있다고 설명했다. 이 성과는 ETRI 진단치료기연구실의 20여 년이 넘는‘전자 코’관련 핵심 원천연구 노하우를 통해 결실을 맺을 수 있었다고도 밝혔다.

연구진은 향후 의료기기 업체에 기술을 이전하여 상용화를 계획 중이다. 연구진은 후속 연구를 통해 환자 정보를 추가로 얻어 빅데이터를 구축하고 딥러닝 알고리즘을 적용할 예정이다. 이를 통해 판별 정확도를 높이고 위암, 대장암 등의 다양한 암의 조기 진단 가능성도 타진할 계획이다.

연구진은 이와함께 비만 환자가 운동할 때 지방이 분해되면서 날숨으로 배출되는 단내(아세톤)를 실시간으로 측정하는 ‘웨어러블 전자코 시스템’을 개발하는 연구도 진행 중이다. 관련 국책연구과제를 분당서울대학교병원 내분비내과 연구팀과 함께 수행중이다. 이는 환자의 운동량을 정확히 알아낼 수 있어 다양한 서비스 분야로 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구책임자인 이대식 ETRI 진단치료기연구실 박사는 “이 술이 상용화되면, 폐암 진단 관련 의료기기 시장경쟁력 확보는 물론, 정부 건강보험료 지출 비용 절감에 큰 도움이 될 것으로 보인다”고 말했다.

공동연구를 수행한 전상훈 분당서울대병원 흉부외과 교수도 ETRI와의 연구성과를 통해 저렴하면서도 편리하게 폐암발병 여부를 검사할 수 있다는 가능성을 확인했다“며 ”정확도 개선과 빅데이터 적용 등을 통해 시스템을 고도화하여 국민건강증진에 기여하길 바란다”고 말했다.

이 기술은 “폐암 스크리닝을 위한 호기 가스분석기술개발”사업과 한국연구재단 모바일 헬스케어 기술 개발 국책사업인“다중바이오마커 기반 모바일 다이어트 모니터링 기술 개발”과제의 일환으로 이뤄졌다.