최대 산소 소비량, 안정 시 심박수 등 측정 가능
센서 정확도 이미 의료용 적합 수준까지 도달

광학 심장박동 센서가 웨어러블 기기에 탑재되는 경우가 점점 많아지고 있다.
이 센서를 적용할 수 있는 애플리케이션은 매우 다양하다. 스포츠, 피트니스 상황부터 건강 상태에 이르는 다양한 정보를 착용자에게 제공한다. 착용자는 이런 정보를 통해 자신의 현 상태를 정확히 파악하고 빠른 조치를 취할 수 있다.

그렇다면 제품 개발자는 이 센서로 어떤 것들을 측정할 수 있을까? 밑의 표는 피트니스 애플리케이션으로 요즘 흔히 측정하는 항목들이다.

 

측정 항목	정의	운동 능력	건강 상태
최대 산소 소비량 (VO₂ max)	유산소능력. 심혈관 건강이 점차 변화하는 걸 알아차릴 수 있다.	높을수록 운동 능력이 뛰어나다.	높을수록 심장병으로 인한 사망률이 낮아지고 더 빨리 회복한다.
안정 시 심박수	깨어있으면서 격렬한 활동을 하지 않을 때의 심박수	낮을수록 더 건강하다.	높아질수록 심혈관 질환이 진행되는 것을 나타낸다.
심박수 회복력	격렬한 운동 후 1분 동안의 심박수 변화	높을수록 운동 지구력이 뛰어나다.	높을수록 심혈관이 건강하다.
심박수 반응	운동 시작 후 1분 동안의 심박수 변화	높을수록 심장이 운동 준비가 덜 되어 있다.	심박수 반응이 높으면서 심박수를 높이는 능력이 떨어지면 동맥경화증을 의심할 수 있다.
심장효율	안정 시 평균 심박수로 나눈 평균 카덴스	높을수록 신체 활동을 위해서 심장박동이 덜 필요하다.	심장효율이 떨어지면 고혈압을 의심할 수 있다.
심박 변이도(HRV)	심박 간격의 통계적 변동성	H심리사회적 스트레스나 과도한 운동으로 인해 발생된다.	심방세동과 부정맥을 나타낼 수 있다.

오늘날 시장에 나와있는 대부분의 웨어러블 기기는 스포츠 및 피트니스용으로 출시되었지만, 의료용으로도 그 영역을 확대할 수 있다. 웨어러블 기기에 사용되는 PPG(photoplethysmogram) 센서의 정확도가 이미 의료용 제품에 사용하기 적합한 수준까지 향상되었기 때문이다.

그렇다면 광학 심장박동 센서가 측정할 수 있는 항목에는 어떤 것이 있고, 또 미래의 건강 및 의료용 웨어러블 기기에 어떻게 활용될 수 있는지 살펴보자.

최대 산소소비량(VO₂ max)
건강상태를 알기 위해서는 신체활동과 그에 대한 신체반응을 측정해야 한다. 일부 웨어러블 기기는 최대 산소 소비량(VO₂ max)을 측정함으로써 심혈관 건강에 관련한 만성적인 변화를 측정할 수 있다. VO₂ max가 높을수록 유산소운동 시 운동능력이 향상된다. VO₂ max를 측정하는 웨어러블 기기는 의료용으로도 활용할 수 있다. VO₂ max가 높을수록 심장병으로 인한 사망 위험성은 낮아지고 회복능력이 높아진다.

안정 시 심박수
안정 시 심박수는 체력 수준을 나타내는 지표다. 격렬한 활동을 하지 않을 때 안정 시 심박수가 상대적으로 낮을수록 더욱 건강한 것이다. 안정 시 심박수를 낮출수록 심혈관 질환의 발병 가능성은 줄여들 수 있다.

심박수 회복력
심박수 회복력은 신체활동 후에 정상 수준으로 돌아가는 능력을 말하는 것으로, 건강상태나 심장기능을 예측할 수 있다. 심박수는 심장이 건강할수록 빠르게 회복된다. 심박수 회복력이 높을수록 지구력이 높고 심혈관이 건강함을 의미한다. 심박수 회복력 측정은 ‘운동 중 심박수’와 ‘운동 중지 1~2분 후의 심박수’ 차이를 측정함으로써 이루어진다.

심박수 반응
심박수 센서를 활용한 또 다른 유용한 측정은 운동을 시작하고서 약 1분 후에 측정하는, 운동에 대한 심박수 반응이다. 근육활동이 많아지면 교감신경이 활성화된다. 건강상태가 안 좋을수록 운동에 대한 심박수 반응이 강해진다. 주기적으로 운동을 하면 몸이 적응을 한다. 운동을 할수록 심박수가 증가하는 것 같지만, 사실 더 심한 운동을 해야 동일한 심박수에 이른다. 심박수 반응이 높고 심장 활동량이 늘어나는 것에 비해 심박수를 높이는 능력이 떨어지면 동맥질환을 의심할 수 있다.

심장효율
규칙적인 운동은 심장효율을 높인다. 심장효율이란 심장활동과 이를 위해 소모되는 에너지의 비율을 의미한다. 심장활동이 효율적일수록 더 적은 심장박동으로 신체활동을 할 수 있다. 심장효율은 심장건강을 나타내는 대표 지표다. 낮은 심장효율은 고혈압을 비롯한 많은 심혈관 질환과 관련이 있다.

HRV(Heart rate variability, 심박변이도)
HRV는 심장 박동의 변이 정도를 의미한다. 즉 하나의 심장 주기로부터 다음 심장 주기 사이의 미세한 변이를 말한다. HRV는 정신적 혹은 육체적 과로와 연결되어 있어 스트레스가 신체에 미치는 영향을 모니터링 할 수 있다. HRV는 또한 부정맥과 심방세동을 예측할 수 있다. 지금까지 HRV는 엘리트스포츠에서만 활용되었으나, 이제는 일반에서도 활용되고 있다.

HRV를 측정하는 방법과 측정결과가 어떻게 나타내는지에 대해서는 발렌셀(Valencell)의 생체 인식 연구소 소장 크리스 에슈바흐(Chris Eschbach) 박사의 심박변이도에 관한 기사를 참조하자.

정리
최근 웨어러블 기기로 심방세동, 부정맥, 심부체온 등을 측정할 수 있는 새로운 기능들이 발표되었다. 이 기능들 모두 PPG를 적용한 광학 심장박동 센서를 사용한 것들이다. 앞서 살펴본 기능들은 가능한 극히 일부에 불과하다. 오늘날 수많은 웨어러블 기기는 그 기능들을 이미 사용될 준비가 되어 있다.

위 내용과 관련된 더 많은 정보를 얻고 싶다면 ‘센서 시스템이 작동하는 방식과 무엇을 측정하나’와 ‘발렌셀이 50개 이상의 생체 인식 웨어러블 기기를 개발하면서 얻은 10가지 교훈’을 참고하자.

본 기사는 텍사스인스트루먼트의 기고를 바탕으로 작성되었습니다.