손목 양면에 PPG를 달면 심박출량과 혈압을 동시에 잴 수 있을까?

기본 정보

제목: Dual-PPG Wrist Device for Cardiac Output & Blood Pressure
저자: (Microsystems & Nanoengineering 게재 저자)
저널: Microsystems & Nanoengineering (Nature)
출판연도: 2023
DOI: 10.1038/s41378-023-00590-4
PMID: -
근거 수준: 탐색적 분석 (기기 개발 및 검증)

손목 장측과 배측에 이중 PPG 센서를 배치하여 심박출량과 맥파 특징을 검출하고, 접촉 압력과 피부 온도를 포함한 다채널 센서 융합으로 연속 혈압을 추정하는 웨어러블 기기를 개발한 연구이다. 수축기 혈압 오차 0.44 +/- 6.00 mmHg, 이완기 혈압 오차 -0.50 +/- 6.20 mmHg로 우수한 성능을 보였다.

1. 이 연구는 왜 필요했을까

기존 단일 PPG 센서 기반의 혈압 추정은 개인 간 차이, 착용 위치, 접촉 압력 변화 등에 의한 PPG 신호 변이에 취약하다는 근본적인 문제가 있었다. 같은 사람에서도 센서 위치나 착용 상태가 조금만 달라지면 PPG 파형이 크게 변하여, 혈압 추정의 일관성을 유지하기 어려웠다.

이 문제를 해결하기 위해 손목의 양면(장측: 요골동맥 쪽, 배측: 일반 스마트워치 착용면)에 각각 PPG 센서를 배치하는 이중 PPG 접근을 제안하였다. 두 센서의 차이 신호를 활용하면 공통 잡음을 제거하고 개인 간 변이를 줄일 수 있다는 아이디어이다.

2. 어떻게 연구했을까

손목 장측과 배측에 각각 PPG 센서를 배치하고, 접촉 압력 센서와 피부 온도 센서를 추가한 다채널 센서 시스템을 개발하였다. 이중 PPG 신호, 접촉 압력, 피부 온도를 머신러닝 모델에 입력하여 연속 혈압을 추정하였다.

Leave-one-subject-out 교차 검증 방식을 사용하여, 새로운 사용자에 대한 일반화 성능을 엄격하게 평가하였다. 이는 학습에 사용하지 않은 피험자의 데이터로 성능을 테스트하는 방법으로, 실제 제품 환경에 가까운 검증 방식이다.

3. 무엇을 발견했을까

수축기 혈압 오차는 0.44 +/- 6.00 mmHg, 이완기 혈압 오차는 -0.50 +/- 6.20 mmHg로 매우 우수한 성능을 달성하였다. 이는 AAMI 기준(평균 오차 5 mmHg 이내, 표준편차 8 mmHg 이내)을 충족하는 수준이다.

이중 PPG 방식이 개인 간 차이와 착용 조건 변화에 의한 PPG 신호 변이를 효과적으로 제거하여, 단일 PPG 대비 일반화 성능을 크게 향상시켰다.

접촉 압력과 피부 온도 정보의 추가도 성능 향상에 기여하였으며, 특히 접촉 압력 변화에 의한 PPG 왜곡을 보정하는 데 효과적이었다.

4. 우리 서비스에 어떻게 쓸까

제품 기능

이중 PPG 센서 설계는 향후 웨어러블 하드웨어 기획 시 참고할 만한 접근이다. 현재 대부분의 스마트워치가 배측에만 PPG 센서를 가지고 있지만, 양면 센서 설계가 혈압 및 심박출량 추정의 정확도를 크게 높일 수 있다는 기술적 근거를 제공한다.

콘텐츠 활용

"손목 양면 PPG: 혈압 추정의 정확도를 높이는 새로운 방법"
"웨어러블 혈압 측정, 센서 하나보다 둘이 나은 이유"
"접촉 압력과 피부 온도가 혈압 추정에 미치는 영향"

적용 시 주의사항

소규모 검증이며, leave-one-subject-out 교차 검증의 피험자 수가 제한적이다. 이중 PPG 하드웨어 설계는 기존 스마트워치 폼팩터와 다르므로, 상용화 시 사용자 경험 측면의 고려가 필요하다.

5. 한계점

이중 PPG 설계는 기존 스마트워치의 단면 센서 배치와 호환되지 않아, 새로운 하드웨어 설계가 필요하다. 손목 양면에 센서가 있으면 착용감이 저하될 수 있으며, 일상적인 착용 시나리오(키보드 타이핑, 운동 등)에서의 내구성과 신호 품질이 검증되지 않았다.

피험자 수가 제한적이며, 다양한 인종, 연령, 혈압 범위에서의 검증이 추가로 필요하다. 또한 연속 측정 시 장시간 착용에 따른 피부 자극이나 센서 접촉 상태 변화의 영향도 고려해야 한다.

마무리

이중 PPG 방식은 단일 센서의 근본적 한계인 개인 간 변이와 착용 조건 변화 문제를 해결하는 혁신적인 접근이다. 우수한 혈압 추정 성능을 보여주었으나, 하드웨어 폼팩터와 일상 환경에서의 실용성 검증이 상용화의 핵심 과제이다.