김중경 교수가 지도하는 국민대학교 기계공학과 및 의생명융합학과 대학원생으로 구성된 생체역학 연구실 연구팀은 그동안 소형 광원 및 렌즈 등의 광학 부품이 스마트폰에 장착된 휴대형 광학영상 기반 진단시스템 SmartScope를 개발했다. 스마트폰 내장 카메라로 촬영한 세포 영상을 자체 개발한 앱을 통해 바로 분석 가능하게 해주는 기능으로 미국에서 개발 중인 유사한 진단기기에 비해 혁신적인 기능이다. SmartScope는 시료에 포함된 특정 세포의 개수, 크기, 모양 등을 자동 영상처리를 통해 분석할 수 있는 휴대형 진단 플랫폼이므로, 기존 병원에서 숙련된 전문가가 고가의 장비로 진단하는 각종 감염성 질병을 현장에서 보다 저렴한 비용으로 신속하게 검사할 수 있을 뿐만 아니라 무선통신망이 갖춰진 환경에서는 검사 결과를 원격지에 있는 의료 전문가와 즉시 공유할 수도 있을 것으로 전망된다. 김중경 교수 연구팀은 SmartScope를 이용하여 AIDS를 진단하는 것을 최종 목표로 하여 한창 마무리 작업을 진행 중에 있다.

2010년 말 통계조사에 따르면 전 세계적으로 3,400만 명이 AIDS 질환을 유발하는 바이러스인 HIV에 감염되었고 이 중에서 68%는 아프리카 사하라 사막 남쪽에 거주하고 있다. 또한 매년 270만 명이 새롭게 감염되고 이 중 70%는 역시 같은 지역에 분포한다. AIDS로 인한 인구 감소는 노동력의 부족을 가져오고 결과적으로 농업 및 축산업 생산량의 감소를 초래하는 악순환의 원인이 되므로, 아프리카 소외 지역의 삶의 질 향상과 경제 발전을 위해서는 HIV 감염을 조기에 진단하고 치료하는 혁신적인 의료기술 보급이 필요하다. 아프리카에서 가장 발전된 나라인 남아프리카공화국(이하 남아공)에도 600만 명에 가까운 HIV 감염자가 있어서 큰 사회적인 문제가 되고 있다. ART(AntiRetroviral Therapy; 항 레트로바이러스 치료법)라고 하는 AIDS 치료법이 나온 뒤에 남아공은 세계에서 가장 큰 규모의 ART 프로그램을 시행하면서 2011년 중반까지 179만 명이 치료 혜택을 받았으나 이는 ART를 필요로 하는 감염자의 52%에 불과하며 약 30만 명의 남아공 국민들이 매년 HIV와 관련된 합병증으로 사망하고 있다.

ART가 도입되면서 HIV 감염 환자가 AIDS로 진행되는 빈도를 낮추긴 했지만 ART 시행 시기를 결정하는데 활용되는 표준 검사법은 중앙검사실에 있는 고가의 대형 장비에 의존하므로, 원격지에서 채취한 감염자 혈액의 운송 시간을 포함하여 우편으로 검사 결과를 전달하는 데 최소 2일에서 최대 2주 정도가 소요된다. 이러한 진단에서 처방까지의 시간 지연 때문에 환자는 최적의 ART 치료시기를 놓치게 된다. 그러므로 현장검사기기가 개발되면 환자는 진단 결과를 즉시 알 수 있고 신속한 처방을 통해 적절한 시기에 치료를 받을 수 있게 된다. 또한 현장검사기기를 통해 치료 경과를 지속적으로 확인할 수 있고 치료 종료 후에도 6개월 주기로 시행되는 감염 검사를 간편하게 받을 수 있다. 결과적으로 현장검사기기는 환자에게 빠른 피드백을 줄 수 있어 ART 프로그램의 가장 심각한 문제인 비용을 크게 절감시키게 된다.

한편 의료서비스 기반시설이 취약하고 주민들이 병원에 갈 경제적 형편이 안 되는 아프리카의 소외 지역에서는 파견된 보건요원(community health worker)이 현장에서 신속하게 주민들의 감염 여부를 파악하고 그 결과를 멀리 떨어져 있는 의사에게 전송하여 원격 진단을 통해 즉시 처방을 내릴 수 있는 헬스케어 기술이 필요하다. 기존 유선통신망 기반시설이 취약한 아프리카에서는 최근 무선통신망이 활발하게 구축되면서 이동통신 기기의 보급과 사용이 급격히 증가하고 있는 추세이므로, HIV/AIDS를 포함한 감염성 질환의 현장진단기기와 휴대전화를 결합시킨 새로운 개념의 원격 진단 서비스 기술을 보급할 수 있는 환경이 조성되고 있다. 최근 출시되는 스마트폰은 기존의 통신 기능뿐만 아니라 고해상도 카메라와 다양한 앱 개발 환경을 제공하므로, 현장에서 채취한 환자의 시료(혈액, 타액 등) 자체를 촬영하거나 반응 시약으로 처리한 후에 영상 획득과 분석 과정을 통해 감염 여부를 자동으로 판단하고 이를 원격지로 전송하는 목적으로 활용 가능하다.

Q. 이번 응용프로그램 개발에는 어떤 팀들이 참가를 했나요?
본 연구진은 앞서 언급한 현장진단기기와 무선통신기기를 결합시킨 혁신적인 진단 플랫폼을 개발하여 HIV/AIDS 보균자 비율이 높은 남아프리카공화국과 인근 스와질랜드에 적용하는 것을 목표로 남아공 프레토리아 대학교 의과대학 가정의학과 연구진(책임자: Jannie Hugo 교수)과 공동연구를 수행하고 있다. 우리나라와 달리 넓은 국토와 빈부 격차가 심한 남아공의 소외 지역에서는 일차 진료를 담당하는 가정의학과의 역할과 비중이 상당히 큰 편이며, 본 연구에서 목표로 하는 HIV/AIDS 원격 진단 플랫폼이 개발될 경우 현지 의사와 환자 모두에게 매우 유용한 도구가 될 것으로 보인다. 남아공 프레토리아 대학교 의과대학과 병원은 아프리카 대륙에서 케이프타운 대학과 함께 최고 수준으로 인정받고 있으며 HIV/AIDS 환자 관리 체계와 연구 인프라가 잘 갖춰져 있다. 국민대 연구진은 현지 환경을 고려한 진단기기의 H/W 및 S/W 개선을 담당하고 남아공 연구진은 환자 시료 제공 및 기존 진단법과의 비교 검증 수행, 새로운 진단기기의 현장 시험 지역 선정 및 운영을 담당할 예정이다.

Q. 개발기간은 얼마나 걸렸고, 실제로 필드에 적용되려면 얼마나 걸릴까요? 그리고 어떤 과정이 남아 있나요?
SmartScope 개발은 2009년부터 시작되었다고 볼 수 있다. 당시 공과대학 기계자동차공학부 4학년 재학생인 박민아 학생(현재 효성그룹)이 공학설계 심화 교과목인 캡스톤디자인의 조별 주제로 시도하여 그 가능성을 확인하였다. 다음 해인 2010년에는 초기 연구에 참여했던 임상병리사 출신의 조명옥 학생(2012년 기계공학과 석사 졸업, 현재 (주)패이스 공동대표)과 스마트폰 앱 프로그래밍에 관심있던 박춘호 학생(의생명융합학과 석사 4학기, (주)패이스 공동대표)이 팀을 이루면서 본격적인 개발이 진행되었다. 두 학생은 중소기업청과 중소기업진흥공단이 2011년도부터 추진한 ‘청년창업사관학교’ 사업에 ‘Mobile SmartScope’란 사업 아이템을 제안하여 제1기 청년창업CEO로 선발되면서 창업 자금 지원을 받아 (주)패이스(PaSce)를 설립하였고 첫 시제품을 제작하였다. 한편 본 연구진은 2011년 10월~2012년 9월 기간 동안 교육과학기술부의 한-아프리카 국제화기반조성사업의 지원을 받아 ‘스와질랜드의 현장 조기 의료진단을 위한 적정기술(Swaziland’s Medical Appropriate Rapid Technology; SMART) 개발’ 연구과제를 수행하면서 아프리카 현지 연구기관과 국제공동연구를 위한 협력 네크워크를 구축하였다. 김중경 교수는 2011년 12월에 남아공 프레토리아에서 개최된 제4차 한-남아공 과학기술 공동위원회에 한국 대표단의 일원으로 참석하여 ‘남부 아프리카의 감염성 질환 모니터링을 위한 분산 진단 및 홈 헬스케어 기술 개발’에 관한 신규 협력과제를 제안하였고, 2012년 하반기부터는 한국연구재단의 대학연구인력국제교류지원사업의 지원을 받아서 연구년 기간 동안 공동연구기관인 남아공 프레토리아 대학교에서 방문연구를 수행하고 있다.

최근에는 SmartScope에 부가적인 기능을 추가하여 HIV 감염 진단에 활용하려는 국제공동연구를 남아공 의료진의 협조를 받아 집중적으로 수행하고 있다. 현재 HIV 감염 여부는 혈액에 포함된 CD4 림프구의 단위 부피 당 개수를 측정하여 검사하는 방법이 가장 보편적으로 사용되고 있는데, 형광 표지된 CD4 림프구 영상을 획득하고 앱을 통해 자동으로 계수한 결과를 원격지로 전송할 수 있는 원격 진단 플랫폼을 구축하고자 한다. 이 연구에는 생체역학 연구실 제1기 졸업생인 이동희 연구원(2011년 기계공학과 석사 졸업, 현재 미국 네브라스카 주립대학교 박사과정 재학)이 많은 기여를 했다. 연구개발이 계획대로 추진될 경우 내년부터는 현장진단기기의 실제 수요가 있는 아프리카 현지 환자를 대상으로 임상시험을 진행하면서 남아공 공동연구자의 피드백을 받아 기기 개선 작업에 반영하고자 한다.

Q. 이번 응용프로그램 개발을 추진하게 된 계기가 있는지 알려주세요.
2000년 전후로 우리나라의 발전된 BT/IT 기술에 힘입어 반도체 공정, 미세유체공학, 표면처리기술 등의 융복합을 통해 소형 현장진단기기(POCT; Point-of-Care Testing) 연구개발이 활발히 이루어졌다. 피 한 방울 정도에 불과한 미량의 시료를 주입하면 전처리부터 반응, 분석, 검출에 이르는 일련의 과정을 신속하게 수행할 수 있는 POCT가 재택진료 또는 u-헬스케어 시스템을 실현시키는 핵심 요소기술로 대두되고 있다. 또한 세계 1, 2위를 다투는 발달된 무선통신망과 각종 스마트 기기를 원격 의료 서비스에 활용하는 기술이 활발하게 개발되고 있다. 그러나 우리나라는 좁은 면적에 인구와 시설이 밀집되어 있고 일부 도서 산간 지방을 제외하고는 의료시설 및 인력이 과잉 공급 상태이므로, POCT와 무선통신망을 활용하는 원격 진료의 필요성이 크지 않아서 정부 주도의 시범 사업 외에는 아직 실제적으로 적용되고 있지 않다. 현행 의료보험제도 및 의료기기법도 제약 요건으로 작용하고 있다.

한편 아프리카의 소외 지역은 교육 수준이 낮고 위생시설이 낙후되어 각종 감염질환 보균자가 많이 발생하지만 예방과 진단 및 치료를 위한 의료 서비스 혜택을 충분히 못 받고 있으므로 최근 이러한 문제를 해결하려는 국제사회의 공조가 활발히 이루어지고 있다. 대표적으로 미국의 빌게이츠 재단과 유럽을 중심으로 한 세계보건기구(WHO)에서는 글로벌 헬스케어를 위한 혁신적인 진단기술 개발을 지원하는 사업을 추진하고 있다. 대다수의 HIV/AIDS 진단용 CD4 림프구 계수기는 에이즈 환자가 많은 개발도상국이나 아프리카 지역에서 사용하기에 적합하지 않고, 고가의 장비를 구매하더라도 훈련된 인력, 실험실, 전력 등이 부족한 경우가 많다. 또한 시료를 주입하는 용기는 1회용으로 비교적 저가이나 별도의 분석기가 필요한 제품이 대부분이다. 이러한 단점을 극복하고 자원이 부족한 지역에서 바로 적용 가능한 현장진단기기의 개발은 글로벌 헬스케어를 위한 핵심 과제로 대두되고 있다. 최근 남아공 의료진 및 스와질랜드 정부 관계자를 만나서 전해들은 현지 보건의료 환경과 실제로 여기 와서 목격한 아프리카 주민들의 삶을 접하면서 SmartScope는 아프리카에서 절실히 필요로 하는 기술이라는 확신이 들었다. 국제공동연구를 통해 현지 수요자를 대상으로 현장 적용 가능성을 검증한 원격 진단 플랫폼은 선진국에서도 재택진료 및 u-헬스케어 서비스 환경이 조성되었을 때 충분히 활용 가능한 핵심 요소 기술이 될 것으로 보인다.

Q. 앞으로 응용프로그램에 추가되거나 확장될 기능이 있다면 소개해주세요.
스마트폰 기반 진단기기는 휴대 가능하고 상대적으로 저렴하므로 다양한 적용분야가 있으며 특히 인력과 시설이 제한적인 지역에서 현장검사를 가능케 한다. 아프리카에서 이동통신 가입자의 급격한 증가 추세가 지속됨에 따라 스마트폰과 결합된 현장검사기기는 현장에서 수행한 검사결과를 무선통신 인프라를 통해 멀리 떨어진 전문가에게 전송할 수 있는 유망한 기술이다. SmartScope는 당초 에이즈, 말라리아 등 사람의 감염성 질환 검사를 위해 개발하였지만, 남아공 연구진과의 논의를 통해 아프리카의 자원이 부족한 농촌 지역에서 가축 질병을 검사하는 데에도 사용될만한 잠재력을 갖추고 있다는 것을 알게 되었다. 아직 현대화되지 못한 저개발 지역에서는 집단 농장을 운영하면서 대규모 목축업이 발달되어 있는데 혈액 매개 기생충에 의한 바베스열원충증, 아나플라즈마증, 아프리카수면병 등 가축의 열대 감염성 질병을 관리하는 일은 생산량의 증가를 위해서 중요할 뿐만 아니라 균, 바이러스, 기생충 등의 감염 매개체가 사람에게 전파되는 현상을 방지할 수 있다. SmartScope는 정확하고 시기적절한 감염 진단을 통해 가축 질병의 효과적인 제어와 근절에 기여할 수 있을 것이다. 남아공은 아프리카 대륙에서 유일하게 독자적인 수의학 연구 역량을 갖춘 국가로 알려져 있고 프레토리아 대학교 의과대학과 수의과학대학은 One Health라는 기치를 내걸고 사람-가축-야생 생물에서 나타나는 감염성 질병에 관한 공동연구를 활발하게 수행하고 있다. 이미 감염성 질병과 관련된 사람-가축-야생 생물 간의 상호작용을 연구하는 현장 테스트 베드가 구축되어 있으므로, 본 연구진이 목표로 하는 현장검사시스템의 개발과 평가를 위한 최적의 환경을 갖추고 있다고 판단된다.

Q. 프로그램이 어떻게 사용되어서, 어떤 결과를 가져왔으면 하는 바람이 있으신가요?
개발도상국의 휴대전화 사용자는 76%이며 사회기반시설이 열악한 지역에서 이동통신 수단은 매우 중요하다. 이들은 유선 기반의 인터넷 시설보다는 무선 기반의 시설을 투자하고 있다. 아프리카의 휴대전화 사용자는 53%로 낮지만 사용자수의 증가율은 세계에서 가장 높다. 2011년 아프리카에서는 약 500만명이 휴대전화를 이용하고 그 중 15만명이 스마트폰을 사용하고 있다. 2011년 스마트폰 판매율 3%는 2015년에 15%로 증가할 것으로 예상된다. 남아공은 아프리카에서 휴대전화 사용자가 가장 많은데, 2009년에 이미 85%를 넘어섰으며(Africa Mobile Fact Book, 2008) 그 중 스마트폰이 차지하는 비율은 15%이다. 스마트폰 시장이 증가하는 만큼 향후 스마트폰 기반의 현장검사기기 또한 크게 증가할 것이라고 예상할 수 있다. 미국을 중심으로 글로벌 헬스케어에 대한 관심이 급증하고 있는 현 상황에서, 대한민국의 발전된 BT/IT 융합기술을 아프리카 개발도상국의 의료 서비스 개선에 활용하고 점차 심화되는 글로벌 헬스케어 서비스 혜택의 불균형을 해소하는데 기여할 수 있다.

또한 이러한 연구를 진행하면서 남부 아프리카의 개발도상국가를 대상으로 최근 발전된 한국의 BT/IT 융합 기술을 활용한 효과적이고 지속가능한 한국형 공적개발원조(ODA) 모델을 도출해볼 수도 있을 것이다. 남부 아프리카 개도국 수요자 중심의 적정기술을 개발하여 감염성 질환 및 환경오염 진단을 통한 보건의료 및 환경 개선을 목표로 하는 ODA 추진 전략을 연구해볼 수 있다. 남부 아프리카의 거점 국가이면서 BRICS에 속한 남아프리카공화국이 필요로 하는 첨단 기술 개발을 위해 한-남아공 공동연구를 추진하고, 이를 주변 개도국의 현지 사정에 맞춘 적정 기술 형태로 보급하여 삶의 질을 높이고 궁극적으로는 경제 발전을 유도하는 새로운 개념의 적정기술 기반 ODA를 추진할 수 있다. 향후 적정기술에 관심있는 사회적 기업이 공익재단의 자금지원을 받아 참여하는 모델을 생각해볼 수 있으며, 최근 사회공헌에 대한 관심을 두고 있는 대기업의 참여도 유도할 수 있을 것으로 기대된다.

이 밖에도 아프리카 현지에서 구축한 네트워크를 기반으로 우리 국민대학교 학생들을 대상으로 아웃리치(outreach) 프로그램을 개발하여 타 국가의 언어와 문화를 폭넓게 체험하고 국제 감각을 키워서 글로벌 인재로 성장해 나가도록 도움을 주고 싶은 생각도 있다. 본 연구실에 소속된 학생들은 지식경제부의 재원으로 공과대학 기계시스템공학부에서 운영 중인 에너지인력양성사업센터(센터장: 한화택 교수, http://etec.kookmin.ac.kr)의 지원을 받고 있다.

Q. 마지막으로 한 말씀 부탁드립니다.
현재 남아공에서 본 연구를 진행하면서 관련 보건의료 분야뿐만 아니라 정치/경제/외교 분야에서 세계 각국의 아프리카에 대한 관심이 매우 높고 선진국가의 원조도 매우 다양한 형태로 활발하게 이루어지고 있음을 알게 되었다. 하지만 그 이면에는 아프리카의 석유 및 광물 자원 확보, 새로운 시장 개척 등 자국의 이익을 염두에 둔 외교정책이 자리 잡고 있음을 또한 보게 된다. 아프리카를 좀 더 순수한 눈으로 바라볼 필요가 있다. 최근 국내 대학에서 은퇴한 교수들이 이디오피아, 우간다 등 아프리카 개발도상국가의 대학교 총장으로 부임하여 봉사한다는 감동적인 소식을 들었다. 여기 남아공과 접한 스와질랜드왕국에서도 현지 한국인 선교사와 한국의 각 분야 전문가들이 현지 정부와 긴밀히 협력하여 의과대학과 종합병원을 설립하고 있다. 얼마 전 남아공 현지 교회에서 기도하는 도중에 본인 앞으로 다가와 두 손을 잡은 젊은 흑인 여성이 에이즈 감염자라는 느낌이 강하게 들면서 벅차오르는 큰 감동을 받았다. SmartScope가 성공적으로 개발되어서 에이즈로 고통 받는 이 곳 사람들이 내민 손에 쥐어지는 따뜻한 도구가 되길 희망한다.

관련 기사 링크
1. AFP(Agence France-Presse) 통신 - New smartphones could test for AIDS in rural Africa
http://www.rawstory.com/rs/2012/08/31/new-smartphones-could-test-for-aids-in-rural-africa/

2. THE KOREA TIMES - Cellphones AIDS tests studied in Korea, S.Africa
http://www.koreatimes.co.kr/www/news/art/2012/09/325_118797.html