안녕하세요 시제품 개발 전문기업 디자인웨일입니다.
스마트폰 손전등 기능을 켜고 손가락 끝을 올려놓으면 손가락이 빨갛게 변하는 걸 볼 수 있다.
귀나 볼, 손가락 끝같이 신체에서 얇은 부분은 빛이 약간 통과하기 때문입니다.
“이걸 이용해 혈액의 흐름을 관찰할 수는 없을까?”라고 생각한 학자들이 있었습니다.
시간이 걸렸지만 연구는 성공했고, 이제 누구나 쉽게 쓸 수 있는 그런 기술이 됐습니다.
오늘은 이러한 광혈류측정 센서(PPG)에 대해 알아보겠습니다.
1. 광혈류측성 센서PPG (Photoplethysmogram)
우리 말로는 ‘광 혈류 측정’이라 부르지만, ‘광 용적 맥파 측정’이나 ‘광 용적 측정’으로 불리기도 합니다.
광혈류측성 센서PPG는 빛을 이용해 피의 흐름을 관찰하는 기술입니다.
2. PPG로 혈액을 관찰하는 방법
심장이 피를 보내기 위해 뛸 때, 혈관을 따라 미세한 변화가 생깁니다.
이런 것을 맥파(Plethysmogram, PTG)라 부릅니다.
맥파가 움직이는 속도는 피가 흐르는 속도보다 훨씬 더 빠릅니다.
심장에서 나온 혈액이 손가락 끝에 닿기까지는 약 1~2초가 걸리지만, 맥파는 약 0.16초가 걸린다고 합니다.
PPG는 이런 맥파를 측정합니다.
맥파가 움직이는 속도는 동맥의 두께, 혈액의 밀도 같은 혈관 상태에 영향을 받기 때문에,
한 사람의 순환계–심장 및 혈관 상태를 알 수 있는 자료가 되기 때문입니다.
계속 측정하면 심박수를 알 수 있기에 맥파만 잘 측정해도 전반적인 심장 건강 상태나 체력 수준을 짐작할 수도 있습니다.
그럼 빛으로 어떻게 맥파를 측정할까요?
맥파에 따라 변하는 미세한 혈류량을 조사해서 파악합니다.
PPG 센서에서 피부로 빛을 쏠 때, 혈류량에 따라 흡수되는 빛의 양이 달라진집니다.
따라서 빛이 얼마나 흡수됐는지를 측정하면, 혈액량의 변화를 알 수 있습니다.
PPG라는 단어는 빛으로(Photo) 변화를(plethysmo) 기록한다(graphy)라는 의미를 담고 있습니다.
3. 사람을 구하는 PPG 기술
피부에 빛을 비췄을 때 반사되어 오는 양과 혈액량 사이의 관계를 발견해서 보고하면서, 이때 쓴 기술을 PPG라고 불렀습니다.
빛과 반사나 투과된 빛을 계측하는 검출기만 있으면 쓸 수 있었기에, 간단하고 저렴해서 상용화도 빠르게 이뤄졌습니다.
피부에 절개하거나 바늘을 꽂을 필요가 없기도 합니다.
대표적인 제품은 혈중 산소포화도(적혈구가 운반하는 산소량) 측정기입니다.
1974년 아오야기 타쿠오가 PPG 기술을 이용해 개발했고, 1983년부터 상용화됐습니다.
의료 필수 장비 중 하나로, 드라마에서 사고로 중환자실에 누워있는 환자가 손가락 끝에 끼고 있는 장비입니다.
이 장비가 개발된 이후, 산소포화도는 체온, 맥박, 호흡, 혈압에 이어
의사가 체크하는 생체 징후(Vital signs, 생명 유지 증거)가 됐습니다.
코로나19가 대유행하던 때는 무증상 확진자가 응급 상황에 놓이는 걸 파악하기 위해 쓰이기도 했습니다.
PPG로 맥파뿐만 아니라 산소포화도도 측정할 수 있습니다.
적외선 및 적색광을 이용해 혈류량 변화를 계속 지켜보면서 혈중 산소 포화도(SpO2)를 측정할 수 있습니다.
이때는 적혈구에 결합된 산소화 헤모글로빈과 비산소화 헤모글로빈의 광 흡수도 차이를 검출해서 측정하게 됩니다.
맥파 측정에는 적색광 대신 녹색광을 주로 씁니다.
적색광과 적외선은 야외에서 태양광에 포함된 적외선 등의 영향을 받아 안정적인 맥파 측정이 어렵기 때문입니다.
녹색광은 적혈구에 적당히 흡수가 잘 되기 때문이기도 합니다.
4. PPG의 극복
PPG기술은 간단하기는 하지만 응용하기 쉬웠던 기술은 아니였습니다.
반사된 빛에는 꼭 필요한 정보만 있는 게 아니라, 다양한 노이즈가 함께 들어옵니다.
당장 손목에 착용하는 스마트 워치에 들어 있는 PPG 센서만 해도,
피부색/몸동작/밴드에 닿는 압력/외부 광원 등 다양한 이유로 측정값이 계속 바뀝니다.
이런 상황에서 잡음을 최소화하고, 측정값을 안정적으로 유지하기는 쉽지 않습니다.
결국, PPG 기술은 21세기에 들어와, 광전자 소자와 디지털 신호 처리 기술이 발전하고 나서야 \
활용처를 넓힐 수 있었습니다.
4. 다양하게 쓰이는 PPG 기술
1.헬스 모니터링 시스템
지난 2021년 6월 삼성전자 종합기술원에서 피부 움직임에 따라 변형되는 신축성 OLED 디스플레이와
PPG 센서를 하나로 통합한 제품 연구 결과를 발표했습니다.
피부 부착 후 천 번을 늘려도 정상 작동이 확인된 이 제품은, 피부에 밀착해 더 정확하게 심박 신호를 잡아냅니다.
일상생활에서도 제품을 붙인 상태로 생활할 수 있습니다.
분자기반 전자소재로 만든 유기 센서는 유연하고 신축성을 지니기에, OLED 스트레처블 디스플레이에 잘 어울립니다.
앞으로 상용화된다면, 고령화 사회에 꼭 필요한 제품이 될지도 모릅니다.
2. 심박수 어플리케이션
심박수를 체크하는 스마트폰 앱도 있다. 스마트 워치와 마찬가지로, 신체 상태 측정을 위해 씁니다.
웰토리(Welltory) 앱이나, FDA의 승인을 얻은 피브리첵(FibriCheck) 같은 앱이
PPG 기술과 스마트폰 카메라를 결합해 심박수나 혈압 측정을 돕습니다.
다만 모두 의료 제품이라기보다는, 스트레스를 관리해 평온한 삶을 유지하게 해주는 웰빙 서비스에 가깝습니다.
편하게 쓸 수는 있지만, 측정값이 전문 장비와 20% 정도 차이가 난다고 보고됐습니다.
3. 예술 작품
멕시코 출신의 예술가 라파엘 로자노헤머(Rafael Lozano-Hemmer)는
PPG 기술을 활용한 ‘펄스 토폴로지(Pulse Topology)’ 전시를 열었습니다.
관람객이 어두운 전시장에 들어가면, PPG 센서를 통해 검출된 관람객의 심박수에 맞춰 조명이 리드미컬하게 깜빡입니다.
수십 명의 두근거림이 수천 개의 LED 불빛으로 나타나는데, 그 모습이 상당히 아름답습니다.
5. PPG 기술의 미래
우리는 보통 스마트 워치에서 주로 접하지만, 그 밖에도 PPG를 쓰는 곳은 더 있습니다.
최근에는 얼굴을 측정해 심박수 등을 확인하는 방법도 이용하기 시작했습니다.
감성텍에서 만든 ‘AI 심장 카메라’ 같은 기술을 적용한 ‘하트핏’ 앱을 쓰면,
스마트폰 카메라를 1분 정도 쳐다보는 것만으로 이용자의 얼굴 변화를 측정해
심박수, 건강 정보, 집중도 등을 확인할 수 있다고 합니다.
미국 UCSF 제프리 올긴 교수팀은 PPG 기술을 응용해
스마트폰에 내장된 카메라로 당뇨병을 진단하는 기술을 개발하기도 했다.
빛으로 혈류의 흐름을 측정해 본인의 건강상태를 수시로 확인이 가능한 PPG 기술,
바쁜 현대인들에게 건강한 습관을 형성하도록 도울 수 있는 필수 기술로 자리잡는 그 날을 기대해봅니다.
오늘은 광혈류측정 센서(PPG)에 대해서 알아봤는데요.
시제품제작 상담과 제작의뢰는
디자인웨일로 문의 주시면 성심성의껏 빠르게 답해드립니다.
문의사항은 디자인웨일 홈페이지와 이메일로
보내주시길 바랍니다.
https://www.design-whale.com/contact
이메일:
info@design-whale.com
지금까지 시제품 개발전문기업 디자인웨일이었습니다.
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