산소호흡기는 호흡기의 기능이 마비된 중환자들이 생명을 유지하는데 필수적 장비지만 미국 내에 보급된 산소호흡기의 95%가 이미 사용 중이었던 것. 추가로 수천 명의 환자가 발생할 경우 이들에게 사용할 것이 남아있지 않았다.
하지만 병원들에게 이의 보충을 강제하기는 어려웠다. 산소호흡기 1대가 저렴한 것은 3,000달러, 비싼 것은 4만 달러에 이르기 때문이다. 사실상 병원들이 잠재적 비상상황에 대비해 충분한 숫자의 산소호흡기를 보유해놓는 것은 불가능한 셈이다. 이에 따라 현 상태에서 전염병 대유행이 실제로 발생하면 각 병원들은 별도의 환자 분류체계를 통해 치료가 무의미한 환자를 가려내 죽도록 방치해야 한다.
현재 스탠포드대학에서 바이오디자인 연구실의 선임연구자를 맡고 있는 캘러한은 이를 너무도 잘 알고 있다. 그는 "산소호흡기는 공기가 나오는 단순한(?) 장치 만큼 까다로운 공학적 지식이 필요없다"며 "신뢰성 높고 저렴한 제품이 개발되면 병원들이 가슴 아픈 결정을 내릴 필요가 없다"고 강조했다.
이에 그는 연구실의 동료들과 함께 4년간의 연구를 통해 휴대형 산소호흡 기 '원브레스(One Breath)'를 개발해냈다. 제품가격은 기존의 가장 저렴한 산소호흡기와 비교해도 몇 분의 1에 불과하다. 크기도 일반 공구상자보다 작아 이동이 간편하며 12볼트 배터리만으로 6~12시간을 사용할 수 있다.
대다수 산소호흡기는 고가의 공기 유량 센서와서보모터, 그리고 여러 특수 구성품들을 활용해 환자에게 적정량의 공기를 주입하고 배출시킨다. 하지만 캘러한은 혈압계에 쓰이는 단 10 달러짜리 압력센서로 작업을 시작했다.
환자의 입에 채우는 마스크에 압력센서를 부착, 공기압축기가 환자의 폐로 공기를 밀어 넣을 때 폐 속의 압력을 측정하는 시스템을 구성했다. 또 별도의 소프트웨어가 센서의 데이터를 통해 날숨과 들숨의 양을 측정한다. 이를 바탕으로 환자에 언제 숨을 불어넣어야 할지를 파악해 공기압축기에게 공기의 공급을 명령한다.
만일 환자의 상태가 호전돼 자력으로 숨을 쉬게 되면 소프트웨어는 공기 압축기에 공기공급량 감소를 지시, 환자의 호흡기능 향상을 꾀한다. 이는 저가의 다른 공기압축기에는 없는 기능이다.
특히 1개의 영구적인 공기밸브가 달려있는 기존의 고가 산소호흡기는 한 환자가 사용하던 산소호흡기를 다른 환자에게 넘겨줄 때 오랜시간 동안 공기밸브를 청소해야 한다. 반면 원브레스는 2개의 공기밸브를 쓴다. 들숨에서 내측 밸브가 열리면 투입되는 공기의 힘으로 외측 밸브가 닫히는 구조다. 따라서 환자의 날숨이 내측 밸브에 닿지 않아 1회용인 외측밸브만 갈아 끼우면 곧바로 다음 환자에게 사용할 수 있다.
원브레스는 작년 12월 돼지를 상대로 성공리에 시험을 완료했으며 올 가을 미 식품의약국(FDA)의 심의가 예정돼 있다. 캘러한은 "공기를 불어넣고 빼내는 기능은 기존 산소호흡기가 동일하다"며 "원브레스는 임상시험의 필요가 없다"고 설명했다.
현재 그는 미국 정부가 전염병 대유행에 대비, 이 장비를 대량으로 구입해 주기를 희망한다. 하지만 원브레스 개발에 참여한 임상의사들은 이외의 쓰임새도 있다고 본다. 스탠포드 호흡기 치료 서비스의 의료부장인 스티븐 루오수박사는 "제2세계와 제3세계 국가 중 다수는 충분한 산소호흡기를 확보하지 못하고 있다"며 "원브레스는 이들에게 최고의 해결책"이라고 말했다.
작동원리
압력센서가 측정한 데이터를 활용, 소프트웨어가 환자의 폐 속에 남은 공기량을 계산한다. 그 다음 공기압축기에 적정량의 공기를 적정 시점에 불어넣으라고 지시한다.
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테이버 맥컬럼
2008년 발명대상 수상자
오폐수의 침입을 방지하는 '패러건 다이빙 시스템' 발명자
키보드는 끔찍한 입력장치다. 터치스크린이 상용화된 지금, 키보드는 인간과 컴퓨터 사이의 정보전달도구로는 0점짜리다. 아마도 미래에는 뇌의 전기적 활동을 측정하는 전극장치로 헬멧을 만들어 생각만으로 컴퓨터를 제어하는 시대가 올 것이다. 이런 제품을 개인이 만들 수는 없다고 봤다면 오산이다. 이미 이를 위한 센서와 컴퓨터, 알고리즘 등이 모두 준비돼 있다. 이를 제대로 구성하기만 하면 된다. 게다가 요즘은 일반인도 과거 대기업 연구실에나 있었던 첨단 장비를 얼마든지 구할 수 있다. 우리는 우리 자신도 깜짝 놀랄 만한 일을 해낼 수 있다.
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