스마트워치가 심박수 측정하는 원리

스마트워치는 LED 및 광센서를 활용해 피부 아래 혈류 변화를 분석해 실시간 심박수를 계산하는 광혈류측정(PPG) 방식을 사용합니다. 센서구조, 알고리즘 처리, 모션아티팩트 보정 등 측정 과정을 이해하고, 정확도 확보 방법을 상세히 알아봅니다.

스마트워치-심박수-측정-원리-일러스트

목차

• 1. PPG(광혈류측정) 원리
• 2. LED와 광센서 구성 요소
• 3. 신호 처리 및 알고리즘
• 4. 운동 아티팩트 보정 기술
• 5. ECG 대비 PPG 장단점
• 6. 측정 정확도 향상 팁
• 7. 미래 기술 전망
• 8. 결론

 

 

1. PPG(광혈류측정) 원리

PPG(Photoplethysmography)는 빛이 혈관을 통과하거나 반사될 때 혈액량 변화에 따라 신호 강도가 달라지는 성질을 이용합니다. 매 심박마다 혈관 내 혈액량이 변하면 LED 빛의 흡수·반사량이 주기적으로 변하고, 이를 광센서가 감지해 심박수로 변환합니다.

1.1 빛 흡수와 반사의 메커니즘

혈액 속 헤모글로빈은 500~600nm 영역의 녹색 빛을 강하게 흡수합니다. 반사된 빛의 세기를 측정해 혈류 변화 패턴을 추출합니다.

1.2 비침습·연속 측정의 장점

전극 부착 없이 손목에 착용만으로 장시간 연속 데이터를 수집할 수 있어 편리합니다.

 

2. LED와 광센서 구성 요소

심박 측정 모듈은 주로 다중 LED와 포토다이오드로 구성됩니다.

2.1 LED 종류와 파장

• 녹색 LED(520~570nm): 낮은 전력으로 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 제공
• 적외선 LED(800~940nm): 심층 혈관 측정, 저조도 환경에도 강함

2.2 포토다이오드와 증폭 회로

반사된 빛을 전류 신호로 변환하고, 저잡음 증폭기(Transimpedance Amplifier)를 통해 미세 변화를 증폭시킵니다.

2.2.1 광학 차폐

외부 빛 간섭을 막기 위해 모듈 주변을 차폐 소재로 감싸 정확도를 높입니다.

 

3. 신호 처리 및 알고리즘

수집된 광 신호(raw PPG)는 디지털 신호처리를 거쳐 심박수로 변환됩니다.

3.1 필터링

저주파 필터로 기저 신호(drift)를 제거하고, 대역통과 필터(0.5~4Hz)로 심박 대역만 통과시킵니다.

3.2 피크 검출

정제된 신호에서 주기적 피크(맥파)를 검출해 피크 간 시간 간격(RR 간격)을 계산합니다.

3.2.1 적응형 임계값

신호 크기에 따라 동적으로 임계값을 조정해 잘못된 피크 검출을 최소화합니다.

 

4. 운동 아티팩트 보정 기술

사용자가 움직일 때 발생하는 노이즈를 줄이기 위해 다양한 보정 기법을 사용합니다.

4.1 가속도계 연동

내장 3축 가속도계 데이터를 이용해 움직임 구간을 식별하고, 해당 구간 신호를 보정하거나 제외합니다.

4.2 적응형 필터링

운동 세기와 주파수 특성에 기반한 알고리즘으로 PPG 신호 내 잡음을 제거합니다.

 

 

5. ECG 대비 PPG 장단점

ECG(심전도)와 PPG는 서로 다른 물리량을 측정합니다.

5.1 ECG의 장점

• 전기 신호 직접 측정으로 높은 정밀도
• 심장 리듬 이상(부정맥) 진단에 적합

5.2 PPG의 장점

• 비접촉·비침습, 웨어러블 구현이 간편
• 혈류 관련 추가 지표(스트레스, SpO₂) 측정 가능

5.3 한계 및 보완

PPG는 움직임·저혈류 시 정확도가 낮아, 중요한 진단 용도로는 ECG 병행이 권장됩니다.

 

6. 측정 정확도 향상 팁

실제 사용 시 정확도를 높이기 위한 설정과 습관입니다.

6.1 착용 위치와 압력

손목 뼈 바로 위, 피부 접촉이 균일하도록 너무 느슨하거나 꽉 조이지 않게 착용합니다.

6.2 피부 상태 관리

오염물질이나 헤어크림이 센서에 묻지 않도록 청결 상태를 유지합니다.

6.3 측정 환경

정지 상태에서 측정하거나, 운동 직후 안정화 구간을 선택해 측정합니다.

 

7. 미래 기술 전망

심박 측정 기술은 AI 융합, 다중 파장 센서, 비접촉 방식으로 진화 중입니다.

7.1 AI 기반 신호 해석

머신러닝으로 개별 사용자 특성을 반영해 노이즈 보정과 이상 탐지를 자동화합니다.

7.2 다중 파장 센서

녹색·적외선·적색 LED를 병행 사용해 심층 혈류부터 피부 표면 혈류까지 다층 분석합니다.

 

8. 결론

스마트워치 심박수 측정은 PPG 기반 광학 센서와 고도화된 신호 처리 알고리즘이 결합된 결과입니다. 운동 아티팩트 보정, 센서 착용법, AI 보조 기술을 통해 정확도가 지속 개선되고 있으며, ECG와 병행 사용 시 의료용 진단에도 활용 가능합니다. 올바른 착용과 환경 관리로 신뢰성 높은 건강 데이터를 확보하세요.

 

 

 

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