광용적맥파측정법 (Photoplethysmography)

한 줄 정의: 피부에 빛을 쏘아 혈관 속 혈액량이 시간에 따라 변하는 파형을 광학적으로 측정하는 기법입니다.

쉽게 풀면

손목시계형 스마트워치 뒷면을 보면 초록색 불빛이 깜빡이는 것을 본 적이 있을 겁니다. 심장이 한 번 뛸 때마다 혈관 속 혈액량이 순간적으로 늘었다 줄었다를 반복하는데, 혈액이 많아지면 빛을 더 많이 흡수하고 적어지면 빛을 덜 흡수합니다. 광용적맥파측정법(PPG)은 피부에 빛을 쏘고 반사되거나 통과한 빛의 양을 센서로 계속 측정해, 이 미세한 흡수량 변화를 하나의 파형으로 그려냅니다. 마치 물탱크의 수위가 오르내리는 것을 수위계로 계속 기록하는 것과 비슷한 원리로, 이렇게 얻은 파형에서 심장이 뛰는 간격(심박수)이나 혈관의 유연성 같은 정보를 뽑아낼 수 있습니다.

왜 중요한가

광용적맥파측정법은 채혈 없이 비침습적으로 심혈관 관련 신호를 계속 얻을 수 있어, 웨어러블 헬스케어 기기 보급과 함께 활용도가 크게 늘고 있습니다. 심박수와 심박변이도뿐 아니라 혈압 추정, 수면 상태 분석, 부정맥 조기 발견 연구 등 다양한 의공학·디지털 헬스 연구의 기반 신호로 쓰이기 때문에, 관련 논문에서 자주 등장합니다. 최근에는 딥러닝으로 PPG 신호에서 더 많은 생체 정보를 추출하려는 연구도 활발합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"참가자의 손목에 착용한 웨어러블 기기로 광용적맥파(PPG) 신호를 연속 수집하였으며, 이로부터 산출한 심박변이도(HRV)를 스트레스 지표로 활용하였다."

이 문장은 손목시계형 센서가 계속 측정한 빛 흡수 파형에서 심장 박동 간격의 미세한 변화(심박변이도)를 계산해, 참가자가 얼마나 스트레스를 받는 상태인지를 간접적으로 판단하는 근거로 삼았다는 뜻입니다.

"본 연구에서는 손가락 끝에서 측정한 PPG 파형의 형태학적 특징을 이용해 딥러닝 모델로 수축기 혈압을 비침습적으로 추정하는 방법을 제안한다."

커프를 감아 직접 재는 대신, 빛 흡수 파형의 모양 변화만으로 혈압 수치를 예측하는 인공지능 모델을 만들었다는 의미입니다.

"수면다원검사 중 손가락 산소포화도 센서에서 함께 기록된 PPG 신호를 분석해 수면무호흡 구간을 자동으로 탐지하였다."

수면 중 촬영된 빛 흡수 파형의 패턴 변화를 분석해, 호흡이 멈추는 구간을 사람이 일일이 판독하지 않고 자동으로 찾아낸 연구라는 뜻입니다.

조금 더 깊게 보면

PPG 파형은 크게 심장 박동에 따른 교류(AC) 성분과 조직·정맥혈 등에 의한 직류(DC) 성분으로 나뉘며, 이 둘의 비율이 산소포화도 등 여러 지표 계산의 기초가 됩니다. 파형의 상승 시점, 정점, 이차 반사파(dicrotic notch) 같은 특징점들은 혈관의 탄성이나 말초 순환 상태를 추정하는 데 쓰이며, 최근 논문에서는 이런 특징을 직접 설계하기보다 딥러닝이 원시 파형에서 자동으로 학습하도록 하는 접근도 늘고 있습니다. 다만 움직임 잡음(motion artifact) 제거가 여전히 중요한 전처리 과제로 다뤄집니다.

주의할 점

광용적맥파측정법은 손목시계처럼 편하게 착용할 수 있다는 장점이 있지만, 손목을 심하게 움직이거나 센서가 피부에 느슨하게 밀착되면 신호에 잡음이 섞여 정확도가 떨어질 수 있습니다. 혈중 산소포화도까지 함께 계산하려면 두 가지 파장의 빛을 이용하는 맥박산소측정법으로 확장해야 합니다.