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웨어러블 디바이스에 광학 심박 센서를 적용하여
다양한 의료용 애플리케이션 구현


이 글은 생체 인식 웨어러블용 광학 심박 센서에 대해 자세히 알아보려고 한다. 이 글과 관련 해서는 ‘센서 시스템이 작동하는 방식과 무엇을 측정하나’와 ‘발렌셀 (Valencell)이 50개 이상의 생체 인식 웨어러블 제품을 개발하면서 배운 10가지 교훈’이 있다.

디지털 세상 가속화에 발맞춰 웨어러블 기기에서의 광학 심박 센서 사용 또한 점차 증가하고 있다. 이 센서를 적용할 수 있는 애플리케이션은 매우 다양하며, 신체 활동, 피트니스 수준에서부터 건강 상태에 이르기까지 모든 것에 대한 통찰력을 제공한다. 정확한 생체 인식 센서 데이터를 사용해 운동 능력이나 건강 상태 같은 것들을 평가 할 수 있다. 그렇다면 엔지니어와 개발자들은 정확히 어떤 것들을 측정 할 수 있는가? 표 1은 오늘날 흔히 피트니스 애플리케이션으로 측정하는 항목들을 보여주는데 이러한 측정은 건강 상태를 나타내는 지표가 된다.

측정 항목 정의 운동 능력 건강 상태
최대 산소
소비량
(VO2 max)
유산소능력: 심혈관 건강이 점차적으로 변화되는 것을 알아차릴 수 있다. 최대 산소 소비량이 높을수록 운동 능력이 뛰어난 것이다. VO2 max가 높을수록 심장병으로 인한 사망률이 낮아지고 더 빨리 회복할 수 있다.
안정 시
심박수
깨어있으면서 격렬한 활동을 하지 않을 때의 심박수 안정 시 심박수가 낮을수록 더 건강하다는 것을 나타낸다. 안정 시 심박수가 점점 높아진다는 것은 심혈관 질환이 진행되고 있다는 것을 나타낸다.
심박수 회복력 격렬한 운동 후 1분 동안의 심박수 변화 심박수 회복력이 높을수록 운동 지구력이 뛰어난 것이다. 심박수 회복력이 높다는 것은 심혈관 건강을 나타낸다.
심박수 반응 운동을 시작하고서 1분 동안의 심박수 변화 심박수 반응이 높을수록 심장이 운동 할 준비가 덜 되어 있다는 것을 나타낸다. 심박수 반응이 높은데다가 심장이 활동량에 따라서 심박수를 높이는 능력이 떨어지면 동맥 경화증을 나타낼 수 있다.
심장 효율 안정 시 평균 심박수로 나눈 평균 카덴스 심장 효율이 높을수록 신체 활동을 위해서 심장 박동이 덜 필요하다. 심장 효율이 점차 떨어지는 것은 고혈압을 나타내는 것일 수 있다.
심박 변이도(HRV) 심박 간격의 통계적 변동성 HRV는 심리사회적 스트레스나 과도한 운동으로 인해서 발생된다. HRV는 심방 세동과 부정맥을 나타낼 수 있다.

표 1: 주요 측정 항목과 운동 능력 및 건강 상태의 상관관계
(자료 출처: 미국 국립 보건원, Pacing and Clinical Electrophysiology 저널)

 


오늘날 시장에 나와있는 대부분의 웨어러블 제품은 스포츠 및 피트니스용으로 사용 가능하도록 출시되었지만, 웨어러블 제품이 점차 개인 의료 기기가 되어감에 따라 개인의 건강 상태에 관한 유의미한 통찰력을 제공할 수 있다. 이는 웨어러블 기기에 사용되는 PPG(photoplethysmogram) 센서의 정확도가 이미 심전도 기술로 입증된 건강 및 의료용 제품에도 사용하기에 충분한 정도로 향상되었기 때문이다.

그러면 이들 측정 항목이 어떤 것이고, 미래의 건강 및 의료용 웨어러블기기에 어떻게 활용될 수 있는지 살펴보자.

최대 산소 소비량(VO2 max)
건강 상태를 알아보기 위해서는 신체 활동과 그에 대한 신체 반응을 측정해야 한다. 일부 웨어러블 기기로 최대 산소 소비량(VO2 max)을 측정함으로써 심혈관 건강에 대한 만성 변화를 측정할 수 있다. VO2 max가 높을수록 유산소 운동 시 운동 능력이 향상된다. VO2 max를 측정하는 웨어러블 기기는 의료용으로도 활용될 수 있다. VO2 max가 높을수록 심장병으로 인한 사망 위험성은 낮아지고 회복 능력이 높아진다.

안정 시 심박수
“안정”이라는 단어는 운동하고는 어울리지 않는 단어이지만 안정 시 심박수 측정은 체력 수준을 나타내는 지표가 된다. 격렬한 활동을 하지 않을 때의 안정 시 심박수가 감소하면 더 건강한 것이다. 안정 시 심박수를 낮출수록 심혈관 질환의 발병 가능성을 줄여줄 수 있다.

심박수 회복력
심박수 회복력은 신체 활동 후에 정상 수준으로 돌아가는 능력을 말하는 것으로서, 건강 상태나 심장 기능을 예측할 수 있다. 심장이 건강하면 건강하지 않은 사람보다 빠르게 정상으로 회복된다. 심장 회복력이 높을수록 지구력이 높고 심혈관이 건강함을 의미한다. 심박수 회복력을 측정하기 위해서 운동 중 심박수와 운동을 멈춘 상태에서 1~2분 후의 심박수의 차이를 측정한다.

심박수 반응
심박수 센서를 사용한 또 다른 유용한 측정은 운동을 시작하고서 약 1분 후에 측정하는 것으로서, 운동에 대한 심박수 반응이다. 근육의 활동이 많아지면 교감 신경이 활성화된다. 건강 상태가 약할수록 운동에 대한 심박수 반응이 강해진다. 주기적으로 운동을 하면 몸이 적응을 한다. 운동을 하는 것에 따라서 심박수가 증가하는 것 같지만 더 심하게 운동을 해야 동일한 심박수에 이른다. 심박수 반응이 높고 심장 활동량이 늘어나는 거에 비해 심박수를 높이는 능력이 떨어지면 동맥 질환을 나타내는 것일 수 있다.

심장 효율
규칙적인 운동은 심장 효율도 높여준다. 이것은 심장이 하는 일과 그 일을 하기 위해서 소모되는 에너지 비를 말한다. 심장 활동이 효율적일수록 신체 활동에 더 적은 심장 박동을 필요로 한다. 심장 효율은 심장 건강을 나타내는 대표적인 지표이다. 심장 효율이 낮아지는 것은 고혈압을 비롯한 많은 심혈관 질환과 관련이 있다.

HRV(심박 변이도)
HRV는 신체 활동이나 육체적인 스트레스로 인해서 발생되며, 이것은 심장 박동 사이 간격의 변동성이다. 이 측정은 심리사회적 또는 정신적 스트레스나 과도한 운동을 나타내는 것이다. HRV는 스트레스가 신체에 미치는 영향을 모니터링 할 수 있으며, 정신적 및 육체적인 과로와도 연관된다. HRV는 부정맥과 심방 세동을 예측할 수 있다. 지금까지 HRV는 프로 운동선수들이 오랫동안 사용해 왔으나, 이제는 소비자 전자기기에도 사용되기 시작했다.

HRV 측정 방법과 어떻게 나타내는지에 관해서는 발렌셀(Valencell)의 생체 인식 연구소 소장인 크리스 에슈바흐(Chris Eschbach) 박사의 심박 변이도에 관한 기사를 참조할 수 있다.

최근에는 웨어러블 기기로 심방 세동, 부정맥, 심부체온을 측정하기 위한 다양한 새로운 기능들이 발표되고 있다. 이들 기능 모두가 PPG를 적용한 광학 심박 센서를 사용해서 가능한 것들이다. 이 글에서 살펴본 것들은 가능한 것들 중에서 극히 일부에 불과한 것이며 오늘날 수 많은 웨어러블 기기에 이러한 기능들은 이미 사용되고 있다

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