[KISTI의 과학향기] 건강검진기에 담긴 과학원리

‘내가 비만일까? 아닐까?’ 이 같은 궁금증이 생길 때, 대부분의 사람들은 ‘브로카 지표(Broca's index)’라는 공식을 사용해 비만 여부를 계산한다. 명칭은 생소해도 어떻게 계산하는지를 알려주면, ‘아하!’라고 무릎을 칠 것이다. 평소에 많이 접해본 공식이기 때문이다.

브로카 지표는 바로 자신의 키(cm)에서 100을 뺀 뒤에 0.9를 곱해서 표준체중을 구하는 공식을 말한다. 예를 들면 자신의 180cm일 경우, 180에서 100을 뺀 80에 0.9를 곱했을 때 나오는 값인 72kg이 표준체중이 되는 것이다.

이처럼 공식으로 비만 여부를 판단하는 방법은 자신의 몸무게와 키만 알면 되므로 간편해서 좋다. 하지만, 정확성면에서 보자면 문제가 있다. 이들 지표를 그대로 적용하게 되면 보디빌더처럼 근육량이 많은 사람들도 비만으로 나올 수 있기 때문이다.

■ 체성분분석기의 원리는 옴의 법칙

인체를 구성하는 성분은 크게 체수분과 체지방, 그리고 단백질 및 무기질의 네 가지로 구분된다. 체성분분석기로 측정했을 때 나오는 분석 결과표에 ‘세포 내 수분 00.0ℓ, 세포 외 수분 00.0ℓ, 단백질 00.0kg, 무기질 0.00kg, 체지방 00.0kg’로 표시되는 것은 바로 이런 이유 때문이다.

맨발로 체성분분석기 위에 올라가 손잡이를 양손으로 1~2분 정도만 잡고 있었을 뿐인데, 어떻게 그 짧은 시간 안에 내 몸 속의 성분들을 분석할 수 있을까. 갑자기 체성분분석기의 원리가 궁금해진다.

체성분분석기는 저항이 크면 전류가 적게 흐른다는 ‘옴의 법칙(Ohm's law)’과 관련이 있다. 공식으로 정의하면 전압(V)=전류(I)×저항(R)으로서, 전류의 세기는 두 점 사이의 전위차에 비례하고 전기저항에 반비례함을 나타내는 법칙이다.

우리 몸은 70% 정도가 물로 이뤄져 있지만 지방에는 수분이 없어 전류가 흐르기 힘들다. 지방이 많다는 것은 저항이 크다는 의미다. 반면에 지방을 뺀 근육은 73%가 수분이어서 저항이 작다.

이런 원리로 체성분분석기는 우리 몸에 600마이크로암페어(μA) 정도의 약한 전류를 흘려서 발생하는 저항값으로 체지방 등을 분석해낸다. 저항값이 크다면 체지방이 많다고 판단할 수 있다.

체지방 외에도 체성분분석기는 흘려주는 전류의 주파수를 다양하게 보내 세포내 수분과 세포외 수분을 구분해 측정할 수 있다. 저주파 전류는 세포막을 잘 통과하지 못하지만 고주파 전류는 세포 속까지 흐른다.

이때 저주파와 고주파 전류가 흐르면서 나타나는 저항값의 차이를 이용해 세포 안팎에 있는 수분량 비율을 구할 수 있다. 세포외 수분이 비정상적으로 많아져 전체의 40% 이상이면 부종으로 판단하는데, 부종은 신부전이나 심부전, 그리고 간경변 등의 원인이 되는 증상이다.

■ 안압이 높아지는 것은 눈 건강의 적신호

체성분분석기 외에 우리가 자주 접하는 건강검진기 중 안압측정기나 폐활량측정기는 어떤 원리로, 그렇게 즉시 안압과 폐활량의 정도를 파악할 수 있을까.

안과에는 가면 흔히 하는 시력검사 말고도 안압검사라는 것이 있다. 안압이 높아진다는 것은 눈 건강에 있어 적신호가 발생하기 시작했다는 것을 의미한다. 예를 들어 안압이 높아지게 되면 망막 신경이 손상되면서, 녹내장 등의 질환이 발생하게 된다.

안압이 생기는 원인은 안구 안에 차있는 방수액이 잘 배출되지 않기 때문이다. 방수액은 원래 새로 생성되고 배출되는 과정을 끊임없이 반복하는데, 배출시스템에 문제가 생기면 안압이 올라가게 된다.

안압측정기는 이 같은 현상을 이용해 안압을 측정한다. 카메라로 눈을 촬영해 자동으로 각막의 가운데 쪽으로 노즐을 맞춘 뒤, 압축공기를 순간적으로 분사한다. 이 때 공기압력이 각막의 일정 면적을 눌러 안구를 평평하게 만들 때 걸리는 시간을 측정한 뒤, 계산식에 넣어 안압을 산출하는 것이 안압측정기의 원리다. 방수액의 순환 장애로 가득 차 있는 경우, 시간이 오래 걸리기 때문에 안압도 높아진다.

반면에 폐활량 검사는 폐의 크기를 재는 것이다. 원래는 들이쉬는 숨의 양을 측정해야 하지만, 폐 속에 기기를 넣을 수 없기 때문에 반대로 내쉬는 숨의 양을 측정해 추정하는 것이다.

숨을 크게 들이쉰 뒤 7~8초까지 계속 내쉰 공기의 양으로 측정하는 것이 기본적인 검사 방법이다. 정상 상태에서는 처음 1초 동안 전체 날숨의 70% 이상이 나오지만, 천식이나 만성폐쇄성폐질환 등 질환이 있는 경우에는 70%가 채 안 된다.

이 밖에도 활용 빈도수가 높은 건강검진기로는 혈당측정기가 있다. 혈당측정기는 혈액 내에 존재하는 혈당, 즉 글루코오스(Glucose)의 양을 측정하는 진단기기다. 개인의 혈당 수치를 간단하게 검사해, 신체 활동이나 섭취한 음식에 따른 혈당을 관리할 수 있도록 해준다. 당뇨병 및 관련 질환의 관리에 필수적인 건강검진기다.

혈당측정기는 크게 혈당측정기기(Meter)와 혈당스트립(Strip) 등으로 구성돼 있다. 혈당측정기기는 혈액 내 혈당의 농도를 검출하는 기기로서, 수천에서 수만 번 까지 사용이 가능하다. 또한 혈당스트립은 혈액을 묻힐 수 있게 화학적으로 제조된 검사지를 말한다. 혈액 내의 혈당과 반응해, 전기화학적 반응을 일으키는 효소를 포함한다.

혈당측정의 원리는 크게 ‘광도측정법’과 ‘전기화학측정법’으로 구분된다. 광도측정법은 포도당이 효소와 반응하는 과정에서 발생한 중간물질이 염료와 반응해 색이 변하게 되면, 여기에 빛을 쪼여 측정하는 방법이다.

반면에 전기화학측정법은 포도당이 효소와 반응하는 과정에서 발생한 전자를 이용하는 방법이다. 전자를 전달해주는 매개체를 이용해 전극으로 전달할 때, 여기서 흐르는 전류를 측정해 혈당의 양을 파악한다.

내 몸의 상태를 검사하는 것은 매우 중요한 일이다. 모르고 있던 병을 알 수 있고, 또 병을 예방할 수 있기 때문이다. 과학원리가 가득한 건강검진으로 나와 가족의 건강한 삶을 지키자.

글 : 김준래 과학칼럼니스트

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