스마트워치 심박센서(PPG) 오차 패턴의 기술적 원리

📌 스마트워치 심박센서(PPG)의 오차 패턴과 기술적 원리: 왜 심박 측정이 틀릴까?

스마트워치는 이제 단순한 웨어러블 기기를 넘어 실시간 건강 모니터링 장치로 자리 잡았다.
그 중심에는 PPG(Photoplethysmography, 광혈류측정법) 심박센서가 있다. 하지만 많은 사용자가 경험하듯, PPG 심박센서는 상황에 따라 심박수가 갑자기 비정상적으로 높게 표시되거나, 운동 중 측정이 끊기거나, 안정 시에도 값이 들쭉날쭉한 경우가 적지 않다. 이러한 오차는 단순한 기기 문제라기보다 PPG 구조적 특성, 신호 노이즈, 광학 조건, 생체적 요인, 알고리즘 보정 한계가 복합적으로 작용해 일어나는 현상이다.

✔ 1. PPG 심박센서가 동작하는 기본 원리

PPG는 빛(주로 녹색 LED)을 피부에 투과하거나 반사시켜 혈액량 변화에 따른 빛의 흡수·반사율 변화를 센서로 감지하여, 이 변화를 주기성 신호(맥파)로 해석하는 방식이다.
구성 요소는 다음과 같다.

● 광원(LED): 녹색·적색·적외선 등 파장 사용
● 수광부(광다이오드): 반사 또는 투과되는 빛 감지
● 아날로그 프런트엔드(AFE): 신호 증폭·필터링
● DSP 알고리즘: 노이즈 제거 후 심박 계산

단순해 보이지만, 실제로는 여러 물리적·생체적 변수가 신호를 방해해 오차가 발생한다.


✔ 2. PPG 측정에 영향을 주는 ‘광학적 노이즈’

PPG 오차의 절반 이상은 광학적 요인 때문에 발생한다. 대표적인 패턴은 다음과 같다.

● 피부 착용 압력 변화
스마트워치가 너무 느슨하거나 너무 꽉 끼면 LED가 피부에 닿는 각도와 압력이 달라진다.
→ 혈관층까지 도달하는 빛의 양이 바뀌므로 신호가 왜곡된다.

● 피부색·문신·각질 두께
피부 멜라닌이 많으면 빛 흡수가 증가해 신호가 약해진다.
문신은 잉크가 빛을 산란·차단하여 신호를 약화한다.
각질·건조한 피부는 반사율 증가로 오류 발생.

● 주변 광(ambient light) 유입
햇빛·형광등·LED 조명이 센서 틈새로 들어오면
PPG의 저주파 노이즈를 발생시켜 맥파를 왜곡한다.


✔ 3. 동작·운동으로 인한 ‘기계적 노이즈’

스마트워치 심박 오차 패턴 중 가장 큰 문제는 바로 운동 중 발생하는 기계적 노이즈다.

● 손목의 미세 회전
센서가 피부에서 아주 약간만 떨어져도 아날로그 신호는 즉시 깨진다.
이때 알고리즘은 신호의 "맥파 주기"가 사라지기 때문에 심박을 추정하기 어렵다.

● 근육 수축으로 인한 진동(EMI)
근육이 움직일 때 발생하는 미세한 전기적·기계적 변화가 PPG 신호의 고주파 진동을 증가시켜 오차를 만든다.

● 충격성 움직임(러닝·격한 운동)
손목이 크게 흔들리면 LED—피부 거리 변화가 반복되며
**MOTION ARTIFACT(운동 아티팩트)**가 발생한다.
이 아티팩트는 PPG 신호의 형태를 근본적으로 깨버린다.


✔ 4. PPG 알고리즘 내부에서 나타나는 오차 패턴

PPG 센서는 단순히 빛을 읽는 것이 아니라,
이를 해석하는 알고리즘이 심박수를 ‘추정’한다.

따라서 알고리즘의 한계로 인해 다음과 같은 오류가 발생한다.

● 맥파 주기 탐지 실패
PPG는 피크 간 간격을 통해 심박을 계산한다.
하지만 노이즈가 섞인 경우 피크가 제대로 감지되지 않는다.
→ 심박이 갑자기 0, 50, 200처럼 비정상적으로 뛰는 오차 패턴이 나타남

● 고주파(High-frequency) 노이즈 오인식
런닝 중 170~180bpm 근육 진동이
심박으로 오인되어 200bpm 이상으로 튀는 경우가 있다.

● 필터링 과정에서의 과도한 신호 평탄화
노이즈 제거 필터가 너무 강하면
맥파 자체가 부드럽게 되어 정확도를 잃는다.

✔ 5. 피부·체형에 따른 생체적 오차 요인

다음과 같은 개인 차이는 알고리즘으로 완전히 보정하기 어렵다.

혈관 깊이가 깊은 사람, 지방층이 두꺼운 부위
체모가 많은 손목, 혈류량이 적은 체질
손이 차가운 사람(혈관 수축)

이런 경우 PPG 값이 약해져 신호 대 잡음비(SNR)가 떨어진다.


✔ 6. PPG 오차를 줄이기 위한 최신 기술적 접근

최근 스마트워치 제조사들은 다음과 같은 방법으로 정확도를 강화하고 있다.

● 멀티파장 LED 사용
녹색 + 적색 + 적외선 조합으로
피부 깊이별 혈류 변화를 별도로 분석해 노이즈를 줄임.

● ML 기반 신호 재구성
딥러닝으로 잡음이 포함된 PPG 파형에서
‘진짜 맥파’를 분리해내는 기술이 도입되고 있다.

● 3축 IMU(가속도·자이로)와의 융합
움직임 데이터를 활용하여 운동 아티팩트를 보정.

● 손목 외 센싱 위치 확장
팔 위쪽이나 손등에서의 측정이 더 정확하다는 연구도 등장하고 있다.


✔ 7. 왜 운동 중 심박 정확도는 아직도 완벽해지지 않는가?

원인은 단 하나다.
PPG는 광학 신호 기반 기술이기 때문에,
‘피부–빛–혈류’라는 매우 민감한 구조에 의존한다.

→ 동작 + 충격 + 혈류 변화 + 노이즈가 결합되면
어떤 알고리즘도 100% 정확한 심박을 만들기 어렵다.

그래서 최근에는 다음과 같은 대안도 연구 중이다.

● ECG 기반 웨어러블 센서
● 초음파 기반 혈류 측정 기술
● 레이저 스캐닝형 비접촉 맥파 센서

하지만 상용화까지는 여전히 시간이 필요하다.



📌 정리: PPG 심박센서는 ‘부정확한 기술’이 아니라 ‘민감한 기술’이다

PPG는 구조적 특성상 완벽할 수 없다.
하지만 최신 알고리즘과 센서 기술의 발전으로 정확도는 꾸준히 강화되고 있다.

이 모든 것이 합쳐져 오차 패턴을 만든다.