폐용량 단계별 심박수 모니터링: 심전도 없이 체진동 신호 활용

초록

본 연구는 7명의 건강한 피험자를 대상으로 심전도(ECG)와 호흡유량(RFR)과 동시에 측정한 체진동(Seismocardiography, SCG) 신호를 이용해 저용량(Low Lung Volume, LLV)과 고용량(High Lung Volume, HLV) 호흡 단계별 심박수(HR)를 추정하는 새로운 알고리즘을 제시한다. SCG 이벤트를 RFR 기반 폐용량에 따라 두 그룹으로 나눈 뒤, 각 그룹에서 추출한 심박수는 ECG 기준값과 0.08 bpm의 편향만을 보이며 높은 일치도를 나타냈다. 모든 자세(평위, 45° 상향, 좌식)에서 HLV 단계의 HR이 LLV 단계보다 약 9 % 정도 높게 측정되었으며, 이는 호흡성 부정맥(respiratory sinus arrhythmia)과 연관될 가능성이 있다. 결과는 SCG 기반 HR 모니터링이 웨어러블 심장 감시 시스템에 적용될 수 있음을 시사한다.

상세 분석

본 논문은 기존 심전도(ECG) 의존적 심박수 측정 방식의 한계를 보완하고자, 비침습적 체진동(Seismocardiography, SCG) 신호만으로도 정확한 HR 추정이 가능한지를 검증하였다. 실험 설계는 7명의 건강 성인(남·여 혼합)에게 동시에 SCG, ECG, 그리고 호흡유량(RFR) 데이터를 수집하도록 구성했으며, 호흡 사이클을 실시간으로 폐용량(LV)으로 변환하기 위해 RFR 신호를 적분하였다. 이때 폐용량이 평균값 이하인 구간을 LLV, 평균값 이상인 구간을 HLV로 정의하고, 각각의 구간에서 발생한 SCG 이벤트를 별도로 추출하였다.

SCG 이벤트는 심장 수축에 의해 발생하는 가슴벽의 미세 진동을 가속도계로 측정한 것으로, 본 연구에서는 특히 S1(심실 수축)과 S2(심실 이완) 파형의 피크를 검출하여 심박수 계산에 활용하였다. 기존 연구와 달리 ECG 신호를 전혀 사용하지 않고, SCG 피크 간의 인터벌을 직접 HR(bpm)으로 변환함으로써 알고리즘의 독립성을 확보하였다.

세 가지 자세(평위, 45° 상향, 좌식)에서 각각 두 차례의 45° 상향 실험을 포함한 4개의 조건을 설정하고, 각 조건별로 LLV와 HLV 구간의 HR을 별도 계산하였다. 결과는 SCG 기반 HR과 ECG 기준 HR 사이의 평균 편향이 0.08 bpm에 불과했으며, 95 % 신뢰구간 내에서 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 이는 SCG만으로도 임상 수준의 HR 측정 정확도를 달성할 수 있음을 의미한다.

또한, HLV 구간에서 측정된 HR이 LLV 구간보다 평균 9 % 정도 높게 나타났으며, 이는 호흡성 부정맥(respiratory sinus arrhythmia, RSA)의 전형적인 현상과 일치한다. RSA는 흡기 시 교감신경 활성이 증가하고, 호기 시 부교감신경 활성이 증가함에 따라 HR이 변동하는데, 본 연구는 이러한 생리적 변화를 SCG 신호만으로도 감지할 수 있음을 보여준다.

알고리즘의 핵심은 (1) RFR 신호를 적분해 실시간 폐용량을 추정하고, (2) 폐용량 임계값을 기준으로 SCG 이벤트를 LLV/HLV로 분류하며, (3) 각 그룹별 피크 간 인터벌을 평균화해 HR을 산출하는 3단계 프로세스이다. 이 과정에서 잡음 억제를 위해 밴드패스 필터(0.5–40 Hz)와 이동 평균 기반 피크 검출기를 적용했으며, 부정확한 피크 검출을 최소화하기 위해 심박수 범위(40–180 bpm) 내에서만 유효한 인터벌을 허용하였다.

연구의 제한점으로는 피험자 수가 적고, 모두 건강한 젊은 성인에 국한되었다는 점, 그리고 실험실 환경에서의 고정형 가속도계 사용으로 인해 실제 웨어러블 디바이스 적용 시 발생할 수 있는 움직임 아티팩트에 대한 검증이 부족하다는 점을 들 수 있다. 향후 연구에서는 다양한 연령·건강 상태군을 포함하고, 자유로운 일상 활동 중에도 안정적인 SCG 신호를 확보할 수 있는 센서 설계와 신호 처리 기법을 개발해야 할 것이다.

결론적으로, 본 논문은 SCG 기반 HR 측정이 ECG와 동등한 정확도를 보이며, 폐용량에 따른 HR 변동을 정량화할 수 있음을 입증하였다. 이는 심박수와 호흡 동시 모니터링이 요구되는 원격 의료, 운동 생리학, 그리고 무선 웨어러블 디바이스 분야에 중요한 기술적 토대를 제공한다.