▲ 스웨덴 HemoCue의 혈액 헤모글로빈 농도 측정용 현장 진단기 (홈페이지 자료)     ©특허뉴스

빈혈환자 뿐만 아니라 혈액 기부나 수혈의 경우에도 공급자 및 피 공급자에게 있어 헤모글로빈 농도 측정은 필수적이다. 따라서 헤모글로빈 농도 측정 기술 및 장치는 병원뿐 아니라 헌혈 센터 및 일반 가정에도 널리 활용된다. <편집자>

생활 필수 기술, 헤모글로빈 농도 측정

호흡은 체내 산소 운반을 통해 세포의 물질대사를 가능하게 한다. 호흡계를 통해 체내로 유입된 산소는 순환계를 통해 세포로 전달된다. 순환계에서 산소는 98% 이상이 적혈구 내부의 헤모글로빈 단백질을 통해 세포로 전달된다. 이처럼 산소 운반에서 지배적인 영향력을 가진 헤모글로빈의 혈중 농도는 인간 산소 운반 능력의 대표적인 지표이다. 산소 운반과 물질대사에 문제를 주는 대표적인 질환인 빈혈은 인종과 나이, 성별에 따라 다르지만 일반적으로 남성의 경우 13g/dL이하, 여성의 경우 12g/dL 이하의 혈중 헤모글로빈 농도를 가진다. 혈중 헤모글로빈 농도의 상당한 변화는 다양한 신경학적, 심혈관 및 내분비 장애를 유발할 수 있다.
특히 빈혈환자들의 경우 헤모글로빈 농도의 급격한 저하는 사망에 이르게하는 등 치명적인 영향을 줄 수 있기 때문에, 정기적인 헤모글로빈 농도 모니터링이 필수적이다. 또 임산부나 수술 환자의 경우, 헤모글로빈 농도의 급격한 변화에 취약하기 때문에 헤모글로빈 농도의 지속적인 모니터링이 필요하다.
혈중 헤모글로빈 농도를 측정하는 가장 대표적인 기기로 혈구 검사기(Hematology Analyzer)가 있다. 병원이나 대형 실험실에서 많이 사용되는 이 장비는 매 회 측정 시 50~200㎕의 혈액을 필요로 하며 상대적으로 매우 높은 정확도를 가지고 있지만, 30초라는 상대적으로 긴 측정 시간이 필요하다. 또한 기기 가격과 매 회 측정에 소요되는 비용이 크고, 큰 부피와 무게를 차지해 일반인 혹은 비입원 환자가 정기적인 모니터링을 하기에는 부적합하다. 훈련 받은 전문 인력 외의 일반인에게 접근성이 떨어진다는 한계점 또한 지니고 있다.

▲ 광 산란 헤모글로빈 농도 측정 기술의 원리     ©특허뉴스

앞서 설명한 혈구 검사기의 한계점들을 극복하기 위해 다양한 현장 진단형 소형 헤모글로빈 농도 측정 기기가 개발 및 출시 된 바 있다. 혈액 헤모글로빈 농도 측정용 현장 진단기기의 선두 그룹인 스웨덴 HemoCue 社의 HemoCue? Hb 201+의 경우 15~60초의 시간 동안 10㎕ 이하의 혈액을 사용해 3% 이내의 측정 변동계수를 가지는 높은 정밀도로 0.13g/dL까지 검출이 가능한 휴대용 헤모글로빈 농도 측정 기기이다. 그러나 해당 기기는 시안화법을 사용해 독성물질인 포타슘 시안 산화물(청산가리)을 측정때마다 사용하는 치명적인 한계를 가진다. 이에 따라 폐기가 어렵고 사용자에게 잠재적인 위험을 내포하며, 화학 물질의 추가 사용으로 회당 측정 비용이 1달러 이상이라는 단점이 있다.

▲ 병원이나 대형 실험실에서 주로 사용하는 혈구 검사기(Hematology Analyzer)     ©특허뉴스

급성장하는 체외 진단기기 시장

빈혈은 적혈구가 담당하는 산소공급기능에 장애가 생겨 조직과 세포에서 요구하는 만큼 산소를 공급해 주지 못함으로써 저산소증을 초래하는 경우를 가리킨다. 의학에서는 피 전체가 부족한 것이 아니라 피에 포함된 수많은 성분 중에서 적혈구가 부족한 경우 또는 적혈구가 부족하지 않더라도 산소공급기능에 문제가 생긴 경우를 말한다. 피에 문제가 생겼을 때 가장 신속히 나타나는 이상이 산소운반 기능이므로 이 기능을 제대로 못하는 경우 피 전체에 문제가 생긴 것처럼 빈혈이라는 용어를 사용하게 됐다.
빈혈의 원인이 다양하기는 하지만 일반적으로는 적혈구 내에 존재하는 헤모글로빈 양이 정상보다 훨씬 떨어져 있는 경우를 가리킨다. 따라서 헤모글로빈 양을 측정하여 빈혈인지 아닌지를 구분하게 되는데 성별·나이·임신 여부에 따라 그 진단기준이 다르다. 정상적인 헤모글로빈 수치는 보통 15mg/dl 정도이다.
이처럼 질병 진단과 예후 판정, 건강 상태 평가, 질병의 치료 효과 판정 등의 목적으로 인체에서 채취한 검체를 이용한 검사에 사용되는 체외 진단기기는 조직진단, 지혈진단, 면역 화학적 진단, 자가 혈당 측정, 분자진단, 혈액진단, 현장진단, 임상 미생물학 진단 등 8개 세부 분야로 나눌 수 있다. 현행 체외 진단기기는 단일 장비로 단일 항목을 검사하던 것에서 벗어나 면역학 분야와 임상 화학 분야 등 다양한 분야를 융합해 단일 장비로 많은 종류의 항목을 검사할 수 있도록 변화해 가고 있다. 체외 진단기기 시장 또한 소형화 및 자동화와 함께 성능은 동일하면서도, 기존 진단기기에 비해 소량의 검체를 이용해 소모비용을 절감하는 추세다.

▲ 세계 체외 진단 기기 시장 현황 및 전망( Frost & Sullivan)     © 특허뉴스

세계 체외 진단기기 시장은 2014년 기준 약 520억 달러로 2007년 이후 연평균  8.24%(CAGR ‘07년~’19년) 성장이 예상된다. 2022년에는 의료 기기 시장의 13.4%를 차지해 의료기기 시장 상위 10개 분야 중 가장 높은 시장규모를 차지할 것으로 예상된다. 국가별로는, 2012년 기준으로 미국이 가장 큰 150억 달러 규모이며, 그 다음으로 서유럽지역이 138억 달러, 아시아 태평양 지역이 80억 달러 규모를 형성하고 있다.
특히 주목할 점은 아시아태평양 지역이다. 지역별 성장률 기준 가장 높은 11.5%의 성장률을 보이며, 향후 큰 시장이 형성 될 것으로 전망된다. 세계보건기구(WHO) 발표에 따르면 전 세계 인구의 약 30% (20억명 이상)이 빈혈 환자이며, 특히 개발도상국의 임산부와 어린이가 대부분을 차지한다. 막대한 시장 잠재력을 보유한 개발도상국 특성상, 빈혈 진단 관련 현장 진단기술 시장 전망은 밝다.
국내 시장의 경우, 2014년 기준으로 체외 진단기기 시장규모는 약 4,174억 원으로 추정된다. 이는 2010년 2,534억 원 대비 약 160% 성장한 수치이다. 국민건강보험공단에 따르면 국내 빈혈 환자의 경우, 성별에 무관하게 연평균 5~7% 가량의 증가율을 보이고 있다. 빈혈 환자의 수도 꾸준히 증가해 2011년의 경우 빈혈 환자는 50만명에 근접했다. 빈혈 환자 수가 연평균 약 6% 증가하면서, 빈혈 관련 진단 기기 시장 규모도 꾸준히 늘어날 전망이다. 특히 연령별 빈혈 환자수의 경우 30대와 40대가 각각 17%, 23.2%를 차지해 사용하기 쉬운 기술이 시장 가능성도 높을 것으로 분석된다.
 
광 산란을 이용한 헤모글로빈 농도 측정 기술

헤모글로빈 농도 측정 기술이 주목받는 가운데 연세대 공대 주철민 교수팀이 개발한 ‘광열 광 산란을 이용한 헤모글로빈 농도 측정 장치 및 방법’은 기존의 한계점을 극복했다. 화학약품을 활용한 전처리 과정없이 0.25달러 수준의 측정 비용으로 일반 사용자 및 의료인이 헤모글로빈 농도를 측정할 수 있도록 해준다. 5초의 측정 시간과 30nL 가량의 혈액만을 요구하며, 레이저 다이오드 2개와 작은 CMOS 이미지 센서만으로 간단하게 구성되기 때문에, 낮은 비용과 작은 크기로 구축 가능하다는 점에서 현장 진단 기기로 보급될 수 있는 큰 잠재력을 지녔다.
실제로 주교수팀이 개발한 헤모글로빈 농도 측정 기술은 크게 5가지 특장점이 있다. 첫 번째로, 소형 및 저가의 레이저 다이오드 2개와 Webcam등에 사용되는 영상 센서 1개를 핵심 부품으로 이용하기 때문에 소형화가 용이하고 기기를 저렴하게 구성할 수 있다. 또한 매회 측정 비용이 0.25달러 이하로 매우 낮다.
특히 기존 기술과 달리 어떠한 화학적 전처리가 필요없는 순수한 광학 기술을 사용해 혈중 헤모글로빈 농도를 측정하기 때문에 인체에 무해하며 안전한 폐기가 가능하다. 세 번째로, 측정 시간이 5초 이하로 짧고, 매 회 측정 시 22nL의 극소량 혈액을 이용한다. 네 번째로, 측정 과정이 간단하여 일반 비전문 인력이 쉽게 장비를 활용할 수 있다. 다섯 번째로, 기술 구성이 간단하기 때문에, 스마트폰 등 IOT 장비와 손쉽게 결합이 가능하다. 또 스마트폰에 내장된 광 센서(카메라) 혹은 CPU를 센서나 연산부로 활용 가능해 기술 구성 비용을 추가적으로 줄일 수 있다. 
이러한 특징은 현장 진단기기로 활용하는데 많은 장점을 제공한다. 또 저렴한 비용으로 제품 구성이 가능하며 부품 구성이 간단해 기술 상용화가 상대적으로 쉽다. 뿐만 아니라 어떠한 화학적 전처리도 불필요하며 극히 적은 양의 혈액을 필요로 하므로, 다른 혈중 요소 측정 기술과 통합하여 종합 혈액 분석 기기로의 확장도 가능하다. 사용법이 간단해 일반인도 쉽게 사용할 수 있어 스마트폰 등 IOT 장비와 결합해 모바일 헬스케어나 유비쿼터스 헬스 플랫폼으로 확장할 수도 있다.

모바일 헬스케어 시장 확대 

체외 진단기기시장은 치료 중심에서 예방 중심으로의 보건·의료 트렌드 변화와 대상 국가의 확대, 인구 고령화 및 신종 전염병 등 다양한 요인에 의해 급성장이 예상되는 분야다. 또 신약 개발에 비해 적은 기간과 비용으로 상용화가 가능해 관련 시장은 더욱 넓어지는 추세이다. 특히 IoT 기술 발달에 따라 치료 방법간 통합과 네트워크, 원격 모니터링 등을 통한 체외 진단기기의 활용 범주가 넓어지는 등 시장 성장세가 더욱 뚜렷해지고 있다. 아울러 신흥 개발도상국에서의 체외 진단기기 이용 빈도 증가 추세는 시장 매출 규모에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
이에 따라 국내 연세대 연구팀은 △광열 효과를 이용한 헤모글로빈 농도 측정 장치 및 방법 △광열 광산란을 이용한 혈액 내 헤모글로빈 농도 측정 장치 및 방법 △ Apparatus and method for measuring concentration of hemoglobin using photothermal effect △ Apparatus and method for measuring hemoglobin concentration within blood using light and heat light scattering 등 다양 특허를 등록했다. 이 가운데 ‘광열 광산란을 이용한 혈액 내 헤모글로빈 농도 측정 장치 및 방법’ 특허는 기준 광원부에서 방출된 기준빔이 큐벳부에 입사된 후 형성된 산란 패턴의 신호가 영상획득부에 기록되며 그래프화한 산란 패턴의 위상변화를 측정해 헤모글로빈의 농도를 계산하는 기술이다.

▲ 스마트폰 등 IOT 장비와 결합해 사용할 수 있는 광 산란 헤모글로빈 농도 측정 장치     © 특허뉴스

이같은 광 산란 헤모글로빈 농도 측정 기술은 국내?외 헌혈 센터와 진단 기관의 1차 진단 기기로 활용 및 응용이 가능하다. 또 이동식 헌혈차와 같은 현장 진단에서 적극 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 특히 측정 비용과 제작 단가가 저렴함에도 불구하고, 기존 헤모글로빈 농도 측정 기기와 비등한 정확성과 반복성을 가지고 있어 의료시설이 부족한 개발도상국에 확대, 보급될 것으로 기대된다.
스마트폰, 스마트워치 등 모바일 기기와의 호환성은 모바일 헬스케어 시장에 진입할 수 있는 가능성도 열어준다. 또 헤모글로빈 농도 측정시 화학적 전처리가 불필요한 순수 광학 기술 기반 기술이므로, 혈당 측정기나 혈액 응고 측정기 등 다른 혈액 진단기기와 쉽게 결합할 수 있어 광범위한 현장 및 시장 진입이 가능할 것으로 예상된다.