일반 카메라보다 많은 색 정보를 수집할 수 있는 스펙트럼 이미지를 사용하면 육안으로는 놓칠 수 있는 조직이나 여러 생물학적 물질의 특성을 볼 수 있다. 중국의 여러 대학의 과학자들이 합동 연구팀을 구성해 스마트폰과 호환이 가능한 새로운 기기를 고안했다.

이 기기는 일반 물체의 스펙트럼 이미지를 쉽고 경제적인 방식으로 확보해 현장 의료 진단에 적용할 수 있다.

환자의 혈액 속 산소 포화도를 감지하고, 육류의 신선도 여부 및 수준을 확인하며, 과일이 확실하게 익었는지 확인하는 데 사용할 수 있다. 그리고 관련 분야의 과학적 연구에서 스펙트럼 데이터 수집을 용이하게 할 수 있다.

금속 산화막 반도체 카메라CMOS

중국 하이난대학과 저장대학, 북경공업대학의 전문가들로 구성된 한 연구팀이 기성 부품을 사용해 연필 모양의 분광계를 만들어냈다. 그들은 새로운 분광계로 사람의 손과 바나나, 돼지고기의 스펙트럼 이미지를 확보 및 전달해 그 기능을 입증했다. 이 분광계는 186개 지점에서 동시에 400~676nm 파장을 감지할 수 있다. 파장의 해상도는 약 17nm다.

이번 연구의 선임 저자인 하이난대학의 차이 푸홍 박사에 따르면, 분광계를 가장 간편하게 사용하는 방법은 목표 대상에 대고 기기를 흔드는 것이다. 스마트폰 카메라와 전화기 크래들을 사용해 기존 가정용인 휴대 가능한 분광계로도 데이터를 습득할 수 있지만 이것만으로는 충분하지 않다고 차이 박사는 말했다. 그는 "크래들을 적절하게 정렬하는 것은 어려운 일이며 온몸을 사용해 스마트폰을 흔드는 것은 힘들다"고 덧붙였다.

차이 박사와 연구팀은 스마트폰 카메라 사용을 피하고 보완적 금속 산화막 반도체 카메라CMOS를 선택했다. CMOS 카메라는 무선으로 데이터를 스마트폰으로 전송할 수 있다.

연구팀은 이 접근법을 적용해 여러 부품들을 약 140g 무게에 지름 3cm, 스마트폰 길이의 원통형 영상 기기에 조립했다.

연구팀은 사용된 모든 부품을 시중에서 구입할 수 있으며 전체 부품 가격은 300달러(34만원)도 채 들지 않았다고 말했다. 그리고 광원의 경우, 백색광의 LED를 사용했으며, 이것을 스펙트럼 이미지에 필요한 CMOS 감지기 및 여러 부품이 조립된 광각 렌즈 튜브에 연결했다고 밝혔다.

이 분광기는 대상을 스캔 및 영상화하기 위해 표적 대상 위에서 움직여서 사용한다. 그리고 연속해 촬영된 스펙트럼 이미지는 누적된다. 그 후, 소프트웨어를 사용해 데이터를 3D 스펙트럼 이미지 데이터 큐브로 편집해 컴퓨터나 스마트폰으로 전송된다.

연구팀은 이 분광기를 사용해 바나나의 숙성 정도와 돼지고기의 색을 내는 철 성분의 단백질인 미오글로빈의 수치를 테스트했다. 그리고 사람의 손에도 테스트를 진행해 16초의 영상에 200개의 스펙트럼 이미지를 확보할 수 있었다. 과학자들은 이 3D 스펙트럼 모델을 사용해 손의 각 부위의 헤모글로빈 분포도를 확인할 수 있었다.

다음 단계는 무엇인가?

중국의 연구팀은 환경을 모니터하는 데 사용할 수 있는 소형 이미지 분광기를 완벽하게 개발하는 데 관심을 표했다. "우리는 현재 수중에 용해되어 있는 유기물이나 해로운 조류 발생 징후인 색소를 탐지할 수 있는 등 광범위한 해양 조사를 실시할 수 있는 분포형 스펙트럼 카메라를 개발 중에 있다"고 차이 박사는 말했다. "이미지 분광기를 어떤 카메라에든 부착할 수 있도록 하기 위해 자동 기기 연결 장치를 연구하는 중"이라고 그는 덧붙였다.

시중에서 부품을 손쉽게 구입할 수 있기 때문에 어느 누구든 시제 원형을 조립할 수 있다. 그러나 기기의 해상도와 민감성에는 한계가 있다. 이는 17nm 수준의 파장으로만 해결할 수 있다.

베이징화학기술대학의 단 왕 박사는 연구팀이 가까운 미래에 스펙트럼 해상도를 개선할 수 있을 것으로 전망한다고 말했다. "이러한 개발로 기기의 적용을 확대할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

그리고 연구팀은 스펙트럼 이미지를 보다 유용하게 만들 수 있는 소프트웨어를 개발할 것을 계획 중에 있다. "우리는 다량의 데이터를 분석할 수 있도록 기계학습 알고리즘을 사용하는 방법을 고안할 것"이라고 세일링 허 박사는 말했다. "예를 들어 육류의 선도를 측정할 수 있는 스펙트럼 이미지의 데이터를 사용하는 스마트폰용 소프트웨어도 개발할 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구가 성공한다면, 식료품 매장에서 소형 분광기가 장착된 스마트폰으로 신선도를 따져 가며 장을 볼 수 있는 미래가 펼쳐질 것이다.

[메디컬리포트=유세비 기자]