⌚️ 스마트 와치가 심박수를 측정할 수 있는 방법

 

 

1) 핵심 원리 — 광혈류측정(Photoplethysmography, PPG)

• 대부분의 스마트워치는 PPG(반사형 광용적맥파) 를 사용합니다. 손목 뒤쪽에 있는 LED(주로 녹색·적외선)를 피부에 비추고, 혈관 혈류량 변화에 따른 반사광(혹은 투과광)의 강도 변화를 광센서로 측정해 맥박 파형을 얻습니다. 각 심박(심실 수축)에 따른 혈관의 볼륨 변화가 주기적 신호로 나타나므로 이를 통해 분당 심박수(BPM)를 계산합니다. 

 

2) 보조 센서·구성 요소

• LED(녹색/적외선) + 광수광기(포토다이오드): 녹색은 운동 중 혈류 신호가 잘 잡혀서 심박 측정에 자주 쓰이고, 적외선은 피부 깊숙한 혈류 측정이나 혈중 산소 측정에 많이 사용됩니다.
• 가속도계(Accelerometer)/자이로스코프: 사용자의 움직임을 감지해 PPG 신호의 모션 아티팩트(잡음) 를 보정하는 데 사용됩니다.
• 전기전극(ECG 접촉 전극): 일부 스마트워치(예: Apple Watch)는 추가 전극을 적용해 일회성 심전도(ECG) 를 녹화할 수 있음(부정맥(예: AF) 감지에 FDA 허가를 받은 사례 있음). 

 

3) 신호처리 · 알고리즘(요약)

1. 프리프로세싱: 원시 광신호에서 저주파 성분(드리프트), 고주파 잡음 제거(밴드패스 필터).
2. 모션 보정: 가속도계 신호와의 동시 분석(적응형 필터, 회귀모델, ICA 등)으로 움직임에 의한 잡음 제거.
3. 피크 검출(Beat detection): 정제된 파형에서 피크(맥박)를 검출하여 IBI(Inter-Beat Interval) 계산 → BPM, 평균심박 등 산출.
4. 품질평가(Quality index): 신호 품질이 낮으면 측정 중지·재시도 또는 신뢰도 낮게 표기.

• 이 과정은 제조사별로 다양한 머신러닝·딥러닝 기법으로 고도화되어 있습니다. 정확도는 이 파이프라인 성능에 크게 좌우됩니다. 

 

4) ECG(심전도) 기반 측정과의 차이

• PPG: 광학적·비접촉 방식 → 간편·연속 측정에 유리. 하지만 운동 시 모션 아티팩트, 피부 색·조직·관류(perfusion) 영향, 손목 위치 문제로 부정확해질 수 있음.
• ECG: 전기 신호로 직접 심장 전기활동을 측정 → R-파 기준의 정확한 IBI 산출 가능. 스마트워치에 탑재된 ECG 기능은 AF(심방세동) 등 리듬 이상 검출에 임상적 유효성을 일부 확보(제품·국가별 승인 차이 있음). 다만 ECG 기능은 일반적으로 스팟 측정(수십 초) 용이고, 상시 연속 ECG는 배터리·하드웨어 제약이 큽니다.

 

5) 정확도(실사용 기준) — 언제 잘 되고 언제 안 되는가

• 정상(휴식) 상태: PPG 기반 심박수는 ECG 대비 평균적으로 매우 근접(1분 평균 ±10% 이내가 대부분 연구 결과). 단, 연구마다 조건·장비가 달라 차이가 있음. 
• 운동 중(특히 강한 팔 흔들림, 러닝): 모션 아티팩트로 오차가 커짐. 일부 상용 기기·알고리즘은 달리기·자전거 등에서 보정 성능을 높였지만 여전히 한계 존재. 
• HRV(심박변이도): HRV(특히 RMSSD 같은 고주파 지표)는 ECG 기반이 표준이며, PPG에서 추출한 PRV(펄스율 변이)는 유사하지만 완전히 동등하진 않음(특히 짧은 측정‧운동 상태에서 차이 커짐). 임상·연구 목적이면 ECG 권장. 

 

6) 추가 파생 측정법(혈압 추정 등) — Pulse Transit Time(PTT)

• PTT: 심실 수축 시 ECG의 특정 전기 파형(R-파)와 말초(예: 손목 PPG)에서의 펄스 도착 시간 간의 지연을 측정해, 동맥경직도·혈압 변화를 추정하는 방법입니다. 완전한 혈압 수치(BP, mmHg)를 정확히 대체하기엔 아직 불완전하나, 추세 관찰(cuffless trend monitoring) 용도로 연구·상용화 시도 중입니다. PTT 기반 알고리즘은 개별 캘리브레이션, 신체 조건·온도·혈관 상태의 영향 등을 보정해야 합니다. 

 

7) 무엇이 정확도에 영향 주나? (실용 체크리스트)

• 착용 위치/밀착도: 손목뼈 바로 위, 너무 헐렁하면 빛샘·잡음 발생.
• 피부 특성: 색소(진한 피부), 문신, 두꺼운 피부는 신호 저하 가능.
• 체온·혈관관류: 추운 날·저체온 상태에서는 혈류가 줄어 정확도 저하.
• 운동·팔 사용량: 달리기·무거운 팔동작 시 오차↑.
• 기기 하드웨어(LED 파워·수광기)와 소프트웨어(알고리즘): 제조사·모델 차이가 큼. 최신 기기들은 멀티파장·고속 샘플링·딥러닝 보정으로 개선됨. 

 

8) 임상적·규제적 관점

• 일부 스마트워치의 ECG 기능(특정 불규칙 리듬 감지 기능) 은 규제기관(FDA 등)에서 일부 용도로 허가·클리어런스를 받았음(예: AFib 알림). 다만 이들 기능은 진단이 아니라 선별·보조 목적이며, 이상이 의심되면 의료기관 상담 권장. 

 

9) 사용자를 위한 실용 팁 (정확도 ↑)

1. 손목에 단단히(그러나 혈류를 막지 않을 정도로) 착용.
2. 센서와 피부 사이에 먼지·이물질 없도록 청결 유지.
3. 운동 시 정확한 연속 심박이 필요하면 가슴 스트랩(ECG 기반) 병행 고려.
4. HRV/임상 데이터가 필요하면 가능하면 휴식 상태·정지 상태에서 측정(적어도 5분 이상 권장).
5. 혈압·임상 진단 목적이라면 검증된 의료기기(수은·오토매틱 커프 등) 사용 권장. 

 

 

 

 

스마트워치는 주로 PPG(광학)로 심박을 연속 측정하고, 일부 모델은 ECG 접촉식 기능으로 리듬 이상을 선별한다. 휴식 상태에서는 비교적 정확하지만 운동·피부·착용 상태에 따라 오차가 커지고, HRV·혈압 추정같은 고급 지표는 제한과 캘리브레이션이 필요하다. 

 

러닝하다가 내 심박수를 측정해주는 스마트 와치가 어떻게 나의 심박수를 이렇게 잘 알려주는지 당연하다시피 보았던 스마트 와치의 기능이 궁굼하여~ㅎㅎ