광혈류(PPG) 측정법 원리 및 응용 분야

📌 광혈류 측정법 (PPG, Photoplethysmography)

광혈류 측정법(Photoplethysmography, PPG)은 빛을 이용해 혈액의 흐름 변화를 감지하여 심박수를 측정하는 방식입니다. 스마트워치, 피트니스 밴드, 스마트폰 등의 웨어러블 디바이스에서 가장 널리 사용됩니다.

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출처 : 위키피디아 , Micatlan

✅ PPG의 원리

PPG는 **광원(LED)과 광 검출기(포토다이오드, Photodetector)**를 이용하여 피부 아래 혈관에서 반사되거나 흡수된 빛의 변화를 측정하는 방식입니다.

1. LED가 피부에 빛을 조사(발광)
   • 일반적으로 적색(RED) 또는 적외선(IR) 빛을 사용.
   • 일부 웨어러블에서는 녹색(Green) LED도 사용.
2. 혈액의 흐름에 따라 빛의 반사율 변화
   • 심장이 박동하면 혈액이 혈관을 통해 이동하면서 순간적으로 혈류량이 증가하거나 감소함.
   • 혈류가 많을 때는 빛의 흡수율이 높아지고, 혈류가 적을 때는 빛의 흡수율이 낮아짐.
3. 포토다이오드(광 센서)가 반사된 빛을 감지
   • 심장 박동에 따라 변화하는 신호를 분석하여 심박수를 계산.

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출처 : 과학기술정부통신부 블로그

🔍 PPG에서 사용하는 빛의 종류

빛의 종류사용 목적특징

녹색(Green) LED	일반적인 심박수 측정	피부에서 빛이 잘 반사됨, 얕은 혈관을 감지
적색(Red) LED	혈중 산소포화도(SpO₂) 측정	피부 깊은 곳까지 침투 가능
적외선(IR) LED	야간 측정 및 혈류 감지	주변 빛의 영향을 덜 받음

• **스마트워치(예: Apple Watch, Fitbit, Galaxy Watch)**에서는 주로 녹색 LED를 사용하여 심박수를 측정하고, 혈중 산소포화도(SpO₂) 측정을 위해 적색 LED와 적외선 LED를 함께 사용함.

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🎯 PPG의 장점

✅ 비침습적(Non-invasive) 측정 → 바늘이나 센서를 피부에 삽입하지 않음.
✅ 작고 저렴한 센서 → 웨어러블 기기에 쉽게 적용 가능.
✅ 연속적인 모니터링 가능 → 실시간 심박수 및 건강 데이터 기록 가능.
✅ 운동, 건강 모니터링에 적합 → 스마트워치, 피트니스 밴드에서 활용.

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⚠ PPG의 단점 및 오차 원인

🔸 측정 정확도 저하 요소

1. 손목 움직임(모션 아티팩트, Motion Artifact)
   • 운동 중에는 혈류뿐만 아니라 손목의 움직임도 발생 → 잘못된 신호 감지 가능.
   • 해결책: 가속도계(Accelerometer) 및 머신러닝을 활용한 노이즈 필터링.
2. 피부 색, 문신, 체모 영향
   • 어두운 피부, 문신이 있는 경우 빛의 흡수율이 달라져 정확도가 떨어질 수 있음.
   • 해결책: 다양한 파장의 빛을 활용하여 보정.
3. 착용 방식에 따른 차이
   • 너무 헐겁거나 너무 조이면 신호가 왜곡될 수 있음.
   • 해결책: 적절한 착용 위치 유지.
4. 환경광(External Light Noise)
   • 강한 태양광, 조명 등의 영향을 받을 수 있음.
   • 해결책: IR 필터 또는 알고리즘을 이용한 보정.

 

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⚠ PPG의 단점 보안 기술

✅ 1. 모션 아티팩트(Motion Artifact) 보정 기술

문제점: 손목 움직임이 심할 경우(예: 운동 중) PPG 신호에 노이즈가 생겨 정확도가 떨어짐.
해결책:

• 가속도계(Accelerometer) 및 자이로스코프(Gyroscope)와 결합
  • 움직임 데이터를 분석해 노이즈를 보정하는 알고리즘 적용.
  • 예: Apple Watch, Fitbit 등의 웨어러블 기기에서 사용.
• 머신러닝을 활용한 신호 필터링
  • 노이즈가 포함된 데이터와 정상 데이터를 구별하는 AI 모델 적용.
  • 삼성, 애플 등의 스마트워치에서 개선된 필터링 기술 사용.

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✅ 2. 다중 파장 LED 사용

문제점: 피부 색, 문신, 체모 등의 영향을 받아 빛의 흡수율이 달라질 수 있음.
해결책:

• 다양한 파장의 LED(녹색, 적색, 적외선) 사용
  • 피부 깊숙이 침투하는 적외선(IR)을 추가로 사용하여 보정.
  • 혈류 반응이 다른 색상의 LED를 혼합해 신호 품질 향상.
  • 예: Apple Watch의 SpO₂(산소포화도) 측정 기능이 적색/적외선 LED를 활용.
• 멀티 센서 기술 활용
  • 피부 상태에 따라 최적의 파장을 선택하는 알고리즘 적용.

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✅ 3. PPG + ECG(심전도) 결합

문제점: PPG는 부정맥 등 심장 이상 감지를 정확하게 하기 어려움.
해결책:

• ECG(심전도) 센서를 함께 사용하여 정밀한 심박수 측정
  • ECG는 심장의 전기 신호를 직접 측정하므로 더 높은 정확도 제공.
  • PPG와 ECG를 결합하면 부정맥, 심방세동 등 심장 질환 감지가 가능.
  • 예: Apple Watch, Samsung Galaxy Watch의 ECG 기능.

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✅ 4. 혈압 및 혈류 속도 추정 기술

문제점: PPG만으로는 혈압을 정확하게 측정하기 어려움.
해결책:

• PPG + AI 기반 혈압 예측 알고리즘
  • 기존의 혈압 데이터와 PPG 신호를 비교하여 혈압을 예측하는 머신러닝 모델 적용.
  • 예: 삼성 갤럭시 워치는 PPG를 활용한 혈압 측정 기능을 지원.
• PPG + 맥파 전파 속도(PWV, Pulse Wave Velocity) 분석
  • 맥박이 이동하는 속도를 측정해 혈압을 간접적으로 계산.

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✅ 5. 비접촉 방식 센서 적용

문제점: 피부 접촉이 필요한 센서 방식은 정확도가 사용 환경에 따라 달라질 수 있음.
해결책:

• 레이더 기반 심박수 측정 (mmWave 센서)
  • Google의 Soli 레이더(60GHz mmWave) 같은 비접촉식 심박수 측정 기술 연구 중.
  • 피부에 직접 착용하지 않아도 심장 박동 감지가 가능.

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🏋️ PPG가 사용되는 주요 웨어러블 기기

기기심박수 측정 방식

Apple Watch	녹색 LED + 적색 LED + 적외선
Samsung Galaxy Watch	녹색 LED + 적색 LED
Fitbit	녹색 LED + 적외선
Garmin	녹색 LED + 적색 LED
Xiaomi Mi Band	녹색 LED

• 대부분의 최신 스마트워치는 ECG(심전도) 센서와 결합하여 보다 정확한 건강 모니터링을 지원함.

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💡 PPG의 확장 응용 분야

PPG 기술은 심박수 측정을 넘어 건강 및 의료 분야에서도 활발히 활용됩니다.

✅ 1. 혈중 산소포화도(SpO₂) 측정

• 적색 및 적외선 LED를 이용해 혈액 내 산소포화도를 분석.
• 산소 부족 상태(저산소증) 감지 가능.
• 웨어러블 기기뿐만 아니라 병원에서도 사용.

✅ 2. 심박 변이도(HRV, Heart Rate Variability) 분석

• 심박수의 변화 패턴을 분석하여 스트레스 수준 및 신체 회복 상태 평가.
• 피로도 및 운동 후 회복 상태 모니터링.

✅ 3. 혈압 측정(진행 중)

• 현재 일부 연구에서 PPG를 이용한 혈압 측정 기술 개발 중.
• 삼성 갤럭시 워치 일부 모델에서 PPG 기반 혈압 측정을 지원.

✅ 4. 수면 모니터링

• 수면 중 심박수 변화를 분석하여 수면의 질 평가.
• 얕은 수면, 깊은 수면, 렘(REM) 수면 단계 감지.

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🚀 미래의 PPG 기술 발전 방향

• AI 및 머신러닝을 활용한 정확도 향상
  • 가속도계 데이터를 활용해 움직임 보정.
  • 피부 색, 문신 영향을 최소화하는 알고리즘 개발.
• 멀티파장 LED 활용
  • 녹색, 적색, 적외선을 함께 사용해 피부 조건에 따른 측정 오류 보정.
• 심전도(ECG)와 결합
  • PPG + ECG를 함께 활용해 보다 정확한 심박수 측정 및 부정맥 감지 가능.
• 비침습적 혈압 측정 연구
  • 기존의 커프 방식이 아닌, PPG 센서만으로 혈압을 측정하는 기술 개발 중.

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🔥 정리

• **PPG(광혈류 측정법)**은 빛을 이용해 혈류 변화를 감지하여 심박수를 측정하는 기술.
• 스마트워치, 피트니스 밴드, 스마트폰 카메라 등 다양한 웨어러블 기기에서 사용됨.
• 운동, 건강 모니터링, 수면 분석, 혈중 산소포화도 측정 등에 활용됨.
• 모션 아티팩트, 피부 색, 착용 방식 등으로 인해 측정 오차 발생 가능하지만 AI 및 보정 기술이 발전하면서 점점 정확도가 향상되고 있음.