스마트워치는 심장을 어떻게 측정할까? 손목 위에 숨어 있는 광센서의 비밀

손목 위에 숨어 있는 광센서의 비밀

아침 운동을 시작하면 스마트워치가 알려준다.

"현재 심박수 118bpm"

계단을 오르면 숫자가 올라가고,

잠을 자면 심박수가 내려간다.

스트레스를 받으면 심박수가 높아지고,

운동을 마치면 회복 속도까지 알려준다.

병원에서 가슴에 전극을 붙이지도 않았는데,

손목에 찬 작은 시계가 어떻게 심장이 뛰는 것을 알 수 있을까?

그 비밀은 바로 빛(光)에 있다.

손목 위에 숨어 있는 광센서의 비밀

스마트워치는 심장을 직접 보는 것이 아니다

많은 사람들이 스마트워치 안에 작은 청진기가 들어 있다고 생각한다.

하지만 사실은 전혀 다르다.

스마트워치는 심장 소리를 듣지도 않고,

심장을 직접 측정하지도 않는다.

대신 피가 흐르는 모습을 빛으로 관찰한다.

심장이 한 번 뛸 때마다 혈관 속 혈액의 양이 아주 조금씩 변한다.

이 작은 변화를 스마트워치는 빛으로 감지하는 것이다.

손목에서 초록색 불빛이 나오는 이유

밤에 스마트워치를 벗어 보면

바닥에서 초록색 LED가 깜빡이는 것을 본 적이 있을 것이다.

이 초록색 빛은 단순한 장식이 아니다.

바로 심박수를 측정하기 위한 광원이다.

빛은 피부를 통과하여 혈관까지 들어간다.

혈액 속의 헤모글로빈(Hemoglobin)은 혈관을 통해 온몸으로 산소를 운반하는데 빛을 흡수하는 성질이 있다.

심장이 뛰면

혈관 속 혈액량이 증가하고,

잠시 후 다시 감소한다.

그때마다 반사되어 돌아오는 빛의 양도 아주 조금씩 변한다.

스마트워치는 이 미세한 변화를 초당 수십~수백 번 측정하여 심장이 몇 번 뛰는지 계산한다.

이 기술의 이름은 PPG (PhotoPlethysmoGraphy)

이 기술은 PPG(PhotoPlethysmography)라고 한다.

이름은 어렵지만 원리는 의외로 간단하다.

• 손목에 빛을 비춘다.
• 혈액이 빛을 흡수한다.
• 반사되는 빛의 양이 달라진다.
• 광센서가 이를 측정한다.
• AI가 심박수를 계산한다.

결국 스마트워치는

"피의 양이 얼마나 변하는가?"

를 측정하는 장치인 셈이다.

광센서는 어떻게 빛을 읽을까?

스마트워치 바닥을 보면

LED 옆에 아주 작은 검은색 부품이 있다.

이것이 바로 포토다이오드(Photodiode)라는 광센서이다.

포토다이오드는 빛이 들어오면 전기를 만들어내는 반도체이다.

빛이 많이 들어오면 전류가 커지고,

빛이 적게 들어오면 전류가 작아진다.

즉, 빛의 세기를 전기 신호로 바꾸는 센서이다.

스마트워치 안에는 이 미세한 전류 변화를 읽는 초정밀 회로가 함께 들어 있다.

CMOS 이미지센서와는 무엇이 다를까?

스마트폰 카메라에도 빛을 측정하는 CMOS 이미지센서가 들어 있다.

그렇다면 스마트워치에도 CMOS 센서가 들어 있는 것일까?

사실은 조금 다르다.

스마트폰 카메라는

수천만 개의 픽셀을 이용하여

사진을 만든다.

반면 스마트워치는

사진을 찍을 필요가 없다.

단지 반사되는 빛의 양만 정확히 측정하면 된다.

그래서 대부분의 스마트워치는

LED + 포토다이오드 조합을 사용한다.

필요한 정보만 정확하게 측정하기 때문에

전력도 적게 소비한다.

왜 초록색 LED를 사용할까?

빨간색도 있고,

파란색도 있는데

왜 하필 초록색일까?

그 이유는 혈액 때문이다.

혈액 속 헤모글로빈은

초록색 파장을 매우 잘 흡수한다.

따라서 심장이 뛸 때마다 생기는 혈액량 변화를 가장 선명하게 측정할 수 있다.

 

최근에는 녹색 LED, 적색 LED, 적외선(IR) LED 를 함께 사용하는 스마트워치도 많다.

이렇게 여러 파장을 사용하면 더 많은 생체 정보를 얻을 수 있다.

혈중 산소포화도(SpO₂)는 어떻게 측정할까?

최근 스마트워치는

심박수뿐 아니라

산소포화도까지 측정한다.

여기에는 빨간색 LED와 적외선 LED 가 사용된다.

산소가 많은 혈액과

산소가 부족한 혈액은

빛을 흡수하는 정도가 서로 다르다.

 

스마트워치는 두 종류의 빛을 번갈아 비춘 뒤

반사되는 비율을 계산하여

혈액 속 산소 농도를 추정한다.

병원에서 손가락에 끼우는 산소포화도 측정기와

기본 원리는 거의 같다.

스트레스도 측정할 수 있을까?

최근 스마트워치는

스트레스 지수도 알려준다.

사실 스트레스 자체를 측정하는 것은 아니다.

대신 심장 박동 간격(HRV, Heart Rate Variability)을 분석한다.

사람은 편안할 때

심장 박동 간격이 일정하지 않고 자연스럽게 조금씩 변한다.

반대로 긴장하거나 스트레스를 받으면

심장이 일정한 리듬으로 뛰는 경향이 있다.

AI는 이러한 미세한 변화를 분석하여

스트레스 수준을 추정한다.

스마트워치가 틀릴 때도 있다

스마트워치는 매우 똑똑하지만 완벽하지는 않다.

다음과 같은 경우에는 측정 오차가 커질 수 있다.

• 시계를 너무 느슨하게 착용한 경우
• 운동 중 손목이 심하게 흔들리는 경우
• 피부색이나 문신의 영향
• 추운 날씨로 혈액순환이 감소한 경우
• 강한 햇빛이 센서에 들어오는 경우

그래서 의료기기 수준의 진단보다는

건강 상태를 지속적으로 관찰하는 용도로 사용하는 것이 적절하다.

미래의 스마트워치는 어디까지 발전할까?

스마트워치는 이제 단순한 시계가 아니다.

이미 연구되고 있는 기술만 해도

• 혈압 측정
• 혈당 측정(비침습 방식)
• 탈수 상태 측정
• 체온 연속 측정
• 호흡수 분석
• 심방세동(AF) 조기 진단
• 혈관 건강 분석

등 매우 다양하다.

 

특히 반도체 센서 기술과 AI가 발전할수록

병원에서만 가능했던 건강 검사가

손목 위에서 실시간으로 이루어질 가능성이 커지고 있다.

손목 위에는 작은 의료기기가 있다

스마트워치가 심장을 측정하는 비밀은

놀랍게도 빛과 반도체 센서였다.

작은 LED가 피부 속으로 빛을 보내고,

포토다이오드가 반사된 빛을 감지하며,

초정밀 반도체 회로가 이를 전기 신호로 바꾸고,

AI가 그 데이터를 분석해 심박수와 건강 상태를 계산한다.

우리는 단순히 시간을 확인하기 위해 스마트워치를 차고 있지만,

그 안에서는 매 순간 광센서, 반도체, 신호처리 기술, 그리고 인공지능이 쉼 없이 협력하고 있다.

평범한 손목 위의 작은 시계는 사실 24시간 나의 몸을 살피는 초소형 건강 연구소인 셈이다.