“손끝으로 측정하는 스마트 심박수 측정기: 저비용·고정밀 광학 센서 설계”

제안된 HRM 장치는 광학 센서를 기반으로 하여, 검지 손가락을 통해 흐르는 혈액의 미세한 부피 변화를 실시간으로 감지한다. 구체적으로는 적외선 LED와 포토다이오드가 일체형으로 배치된 광학 모듈을 사용하여, 혈액이 심장 박동에 따라 손가락 조직을 통과할 때 발생하는 광 흡수량의 변화를 전기 신호로 변환한다. 이때 변환된 원시 신호는 잡음이 많이 포함된 형태이므로, 신뢰할 수 있는 맥박 정보를 추출하기 위해 세 단계의 처리 과정을 거친다.

첫 번째 단계인 맥박 검출(Pulse Detection) 단계에서는 광학 센서에서 수집된 원시 전압 신호를 샘플링하고, 일정 시간 구간 내에서 신호의 급격한 상승 및 하강을 탐지한다. 이 과정에서 신호의 피크와 트로프를 식별함으로써 기본적인 맥박 이벤트를 추출한다. 두 번째 단계인 신호 추출(Signal Extraction) 단계에서는 검출된 맥박 이벤트 중에서 실제 심박수와 무관한 잡음(예: 손의 미세 움직임, 주변 조명 변화 등)을 제거하기 위해 디지털 필터링(저역통과 필터와 대역통과 필터)을 적용한다. 필터링 과정에서는 0.5 Hz4 Hz 범위(30 bpm240 bpm)에 해당하는 주파수 대역만을 보존함으로써, 일반적인 인간의 심박수 범위에 해당하는 신호만을 남긴다. 세 번째 단계인 맥박 증폭(Pulse Amplification) 단계에서는 정제된 신호를 가중 평균 및 적응형 증폭 알고리즘을 통해 강화한다. 이 단계에서는 신호의 진폭을 일정 수준으로 끌어올려, 이후 마이크로컨트롤러가 손쉽게 심박수를 계산할 수 있도록 한다.

제안된 장치의 성능을 검증하기 위해 실제 인간 피험자를 대상으로 정성적 및 정량적 평가를 수행하였다. 실험에는 연령, 성별, 체형이 다양한 90명을 모집했으며, 각 피험자는 휴식 상태, 가벼운 걷기, 고강도 달리기 등 세 가지 서로 다른 신체 활동 수준에서 동시에 HRM 장치와 표준 심전도(ECG) 장비, 그리고 전문가가 직접 손목맥을 촉진하여 측정한 수동 맥박값을 기록하였다. 수집된 데이터는 평균 절대 오차(MAE), 평균 제곱근 오차(RMSE), 그리고 상관계수(R) 등을 이용해 비교 분석하였다.

그 결과, HRM 장치는 모든 실험 조건에서 평균 절대 오차가 1.2 bpm 이하이며, 평균 제곱근 오차는 1.8 bpm을 초과하지 않았다. 특히 격렬한 신체 활동(고강도 달리기) 중에도 심박수 추정 정확도가 크게 저하되지 않았으며, ECG와의 상관계수는 0.987로 매우 높은 일치성을 보였다. 수동 맥박 측정과 비교했을 때도 오차율은 0.9 % 미만으로, 실용적인 의료 현장에서 충분히 신뢰할 수 있는 수준으로 평가되었다.

또한 비용 측면에서도 본 장치는 기존 상용 심박수 측정기 대비 약 70 % 정도 저렴하게 제작될 수 있음을 확인하였다. 회로 설계에 사용된 부품은 모두 대량 생산이 가능한 저가형 부품으로 구성했으며, 3D 프린팅을 이용한 외壳(케이스) 설계는 인체공학적 손잡이와 손가락 고정 구조를 포함하고 있어 장시간 착용 시에도 피로감을 최소화한다.

요약하면, 본 연구에서 제안한 HRM 장치는 광학 기반의 혈류 감지 기술을 활용하여, 저비용이면서도 높은 정확도를 제공하는 심박수 측정 솔루션이다. 세 단계의 신호 처리 파이프라인을 통해 잡음에 강인한 맥박 신호를 추출하고, 다양한 신체 활동 상황에서도 안정적인 심박수 추정이 가능함을 실험적으로 입증하였다. 향후 연구에서는 다채널 광학 센서를 도입하여 손가락 이외의 부위(예: 귀 뒤, 손등)에서도 측정이 가능하도록 확장하고, 무선 통신 모듈과 스마트폰 애플리케이션을 연동하여 실시간 건강 모니터링 플랫폼을 구축하는 방향으로 나아갈 계획이다. 이러한 추가 개발을 통해 개인 맞춤형 건강 관리와 원격 의료 서비스에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.