안녕하세요, 디지털 헬스케어를 분석하고 리뷰하는 디케로그입니다.
여러분이 '디지털 헬스케어'하면 바로 떠오르는 것은 무엇인가요?
저는 "스마트 워치"입니다.
시계를 손목에 차고 있는 것만으로도 심박수 측정이 되는 이유.
궁금하지 않으신가요?
스마트 워치를 착용할 때 보면
뒤에서 초록 불빛이 반짝반짝하는 것을 본 적 있으시죠?
그것이 바로 심박수 측정과 관련이 있습니다.
오늘 한번 그 초록 불빛에 대해 이야기해보려 합니다.
1. 스마트 워치
1) 스마트 워치란?
스마트폰과 같이 다양한 기능을 탑재한 손목시계를 말합니다.
손목시계 하나로
스마트폰으로 할 수 있는 기능들도 일부 가능하며 (전화, 문자, 음악 등),
스마트폰과도 연동이 가능하고,
건강관리와 운동 측정도 가능합니다.
스마트워치는 지속적인 성장을 보이며
일상생활에서 중요한 웨어러블 디바이스로 자리 잡고 있는데요.
International Data Corporation (IDC)의 최신 전망에 따르면,
전 세계 웨어러블 시장은 2024년에 전년 대비 6.1% 성장하여
5억 3,790 만 대에 이를 것이며,
스마트워치 시장 규모는 2024년 1억 5,650만 대에서
2028년 1억 7,520만대로 성장할 것으로 예상된다고 하였습니다.
2) 스마트 워치에 탑재된 센서
스마트 워치에는 우리 몸의 신호를 측정하기 위해
다양한 센서들이 내장되어 있는데요.
광학 심박 센서 (PPG) : 심박수, 혈압 측정
전기 심박 센서 (ECG) : 심전도 측정, 심장 이상 리듬 감지
혈중 산소 센서 (SpO2) : 혈중 산소 포화도 측정, 수면 중 무호흡 감지
온도 센서 : 활력 징후, 생리 주기
가속도계, 자이로스코프 : 움직임과 방향 감지, 낙상 감지, 운동 유형 감지
기압 고도계 : 등산, 계단 오르기
GPS : 위치, 거리 측정
위의 센서들이
갤럭시 워치와 애플워치에 공통적으로 탑재되어 있는
대표적인 센서들입니다.
위의 센서들 말고도 제조사에 따라,
내장되어 있는 센서들이 조금씩 다르니
나에게 맞는 부분을 확인하고 선택하시길 바랍니다.
2. PPG (photoplethysmography) 센서
1) PPG 센서란?
광전용적맥파(Photoplethysmography, PPG),
광혈류 측정 센서, 광학 심박 센서라고도 합니다.
심혈관계통에 대한 생체정보를 획득하고
말초혈관에서의 순간적인 혈류량 변화를 측정하기 위한
비침습적인 방법으로 PPG센서를 사용합니다.
PPG센서는 LED와 광센서를 이용하여
혈관의 수축 및 팽창에 따른 변화를 측정하는 센서로
비침습적인 방법으로 심박 및 산소포화도를 측정할 수 있어
웨어러블 기기 시장에서 많이 사용되고 있습니다.
PPG 센서로는 심박수뿐만 아니라, 혈압 측정도 가능합니다.
2) PPG 센서의 원리 (스마트 워치의 PPG센서)
PPG는 Photo(빛), Plethysmos(변화), Graphos(기록)의 합성어로
빛을 이용하여 동맥이 지나는 신체 부위의 변화를 기록하여 측정합니다.
맥파는 심장의 수축과 이완으로 혈액이 순환하는 과정 중 발생하는 혈관의 미세한 변화입니다.
심장 박동 주기마다 심장이 주기적으로 수축하고 이완되면서
동맥혈관에서 혈액이 증가하고 감소하게 됩니다.
이에 따라 동맥혈관에서 혈류가 혈관 벽에 주기적인 파동을 일으켜 맥파를 형성하게 됩니다.
PPG는 이러한 맥파를 파형으로 인식하여 기록하는 방식입니다.
심장의 수축, 이완 시 혈관 내 혈류량 증가와 감소를 인식하여
빛을 피부에 쏴서 반사 또는 투과된 빛의 양을 검출하는 방식입니다.
PPG 센서는 빛을 방출하는 LED 부분과 방출된 빛을 감지하는 광센서로 구성됩니다.
녹색 LED를 피부에 쏘게 되면 일부는 피부에 흡수되고, 일부의 빛은 반사하게 됩니다.
이때, 혈관의 용적 변화에 따라 빛의 흡수량이 변화하여, 일정한 파형이 생기게 됩니다.
스마트 워치의 뒷면에 초록색 LED를 부착하여
스마트 워치를 착용하고 활동하는 경우, 심박 수 측정이 가능하게 합니다.
초록색 LED를 사용하는 이유는,
동맥 혈액에는 산화 헤모글로빈이 초록빛을 잘 흡수하는 특성이 있기 때문입니다.
(우리가 사과를 붉은색으로 인식하는 이유가,
사과는 붉은색은 반사하고 나머지 빛은 흡수하기 때문입니다.
반사한 붉은빛이 우리 눈에 보이는 것이죠.
산화 헤모글로빈도 이와 유사합니다.
대신 반사가 아닌 초록빛을 더 흡수하고 붉은빛을 덜 흡수하죠.
그래서 덜 흡수한 붉은빛으로 보이는 것입니다.)
예를 들면,
스마트워치의 녹색 LED를 100의 세기로 쏘게 되면,
혈액 속 헤모글로빈이 일부를 흡수하고 나머지 빛은 반사되어 돌아오는 과정을 가집니다.
심장의 수축으로 인해 혈류량이 증가하여
100 세기의 빛이 80 정도 흡수되는 경우,
반사되는 부분은 20으로 줄어들게 됩니다.
반대로 심장이 이완하여 혈류량이 감소하는 경우,
혈액에 흡수되는 빛의 양이 30이라면,
반사되는 빛이 70 정도로 많아지게 된다.
이러한 과정이 반복되어 반사되어 나온 빛의 세기가
20-70-20-70인 일정한 패턴이 기록되어 심박수를 잴 수 있는 것입니다.
손목이라는 위치가
PPG 센서로 심박수를 측정하기에는 정확도가 다소 저하되는 부위입니다.
손목은 혈류, 뼈, 근육, 힘줄 등과 같은 다양한 조직이 있고,
신체가 움직일 때 더 많은 움직임을 내기도 하기 때문입니다.
하지만,
웨어러블 기기의 특성상 쉽게 몸에 지니고 다닐 수 있으며,
외관을 해지지 않기 때문에,
잡음 없이 측정이 어렵긴 하지만,
제조사에 따른 알고리즘으로 보정하여
잡음을 제거하고 최종적인 심박수와 혈압이 측정됩니다.
곽육명. PPG 및 ECG를 이용한 실시간 연속혈압 추정 시스템에 관한 연구. 국내석사학위논문 단국대학교 대학원, 2023. 경기도
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허소예. PPG(Photoplethymogram) 센서를 이용한 심박 수 측정과 자외선에 의한 피부색 연관관계 분석. 국내석사학위논문 한세대학교 일반대학원, 2023. 경기도
Castaneda D, Esparza A, Ghamari M, Soltanpur C & Nazeran H.(2018). A review on wearable photoplethysmography sensors and
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Spierer, David K., et al. "Validation of photo- plethysmography as a method to detect heart rate during rest and exercise." Journal of medical engineering & technology 39.5 (2015): 264-271.
VALENCELL, INC. 4601 Six Forks Road Suite 103 Raleigh (2021). Heart Rate Monitor Location Matters. VALENCELL Blog.
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