충남대학교 기계공학부 조성진 교수 연구팀이 미국 조지아공과대학교와의 국제 공동연구를 통해 삽입형 호흡측정 노즐(비강 캐뉼라) 없이도 수면 중 호흡을 안정적으로 측정할 수 있는 피부 밀착형 무선 비강 패치 시스템을 개발했다.

이번 연구 성과는 재료·융합기술 분야의 국제 저명 학술지인 ‘PNAS’(IF: 9.1, JCR 상위 약 9%)에 게재돼 우수성을 인정받았다. 이번 연구는 충남대 이병준 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 충남대 조성진 교수와 미국 조지아공과대학교 여운홍 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

최근 수면무호흡증(apnea), 저호흡(hypopnea) 등 수면 호흡 질환의 중요성이 커지면서 장시간 편안하게 사용할 수 있는 호흡 모니터링 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 기존 삽입형 호흡 측정 노즐 방식은 코 내부에 삽입되는 구조로 인해 불편감과 공기 저항, 낮은 착용 순응도 등의 한계가 있어 장기 및 가정 기반 모니터링에 적합하지 않은 문제가 있었다.

공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 피부에 부착되는 초박형 연성 비강 패치 기반 시스템을 개발했다. 해당 장치는 코 표면의 미세한 변형을 감지하는 크랙 기반 스트레인 센서를 활용해 호흡에 따른 조직 변형을 전기적 신호로 변환하며, 공기 흐름을 직접 측정하지 않고도 호흡 패턴을 정밀하게 추적할 수 있도록 설계됐다.

특히, 연구팀은 자석 기반 스냅온(snap-on) 구조를 적용해 센서와 전자 모듈을 분리 가능한 형태로 설계함으로써 재사용 가능한 전자부와 교체 가능한 피부 접촉부를 갖는 완전 모듈형 구조를 구현했다. 또한 무선 통신 기능과 클라우드 기반 분석 시스템을 연동해 실시간 데이터 전송 및 지속적인 수면 상태 모니터링이 가능하도록 했다.

그 결과, 개발된 시스템은 다양한 유량 조건에서 안정적인 신호를 확보했으며 실제 수면 환경에서도 기존 삽입형 호흡측정 노즐 방식과 높은 유사도를 보였다. 이를 통해 정상 호흡, 저호흡, 코골이 등 다양한 호흡 상태를 안정적으로 재현할 수 있음을 확인했다.

연구팀이 개발한 기술은 피부 변형 기반의 새로운 호흡 측정 메커니즘을 제시하고, 비침습적이면서 장시간 착용 가능한 웨어러블 호흡 모니터링 플랫폼을 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 향후 수면 질 분석, 원격 의료, 디지털 헬스케어 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

조성진 교수는 “이번 연구는 코 내부 삽입 없이도 호흡을 측정할 수 있는 새로운 접근법을 제시한 것”이라며, “향후 수면 질 관리와 호흡 질환 진단, 가정 기반 헬스케어 시스템으로 확장될 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 정보통신기획평가원(IITP)의 SW컴퓨팅산업원천기술개발사업과 디지털분야글로벌인재양성사업, 한국산업기술진흥원(KIAT)의 산업혁신인재성장지원사업, 한국연구재단(NRF) 핵심연구사업, 4단계 BK21 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

□ 논문 제목: Soft, skin-interfaced electronics enable cannula-free wireless monitoring of sleep respiration

□ 논문 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2605960123