심박계
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1. 개요
심박계는 심장 신호를 측정하여 심박수를 파악하는 기기이다. 1977년 핀란드에서 최초의 무선 심박수 측정기가 개발되었으며, 현재는 전기적 방식(ECG)과 광학적 방식(PPG) 두 가지 기술을 사용한다. 심박계는 가슴 끈에 부착하는 센서와 손목시계형 표시 장치로 구성되거나, 손목시계형 장치에 센서가 통합된 형태로 사용된다. 스포츠 및 피트니스 분야에서 운동 강도 조절, 건강 관리, 닌텐도 64 바이오 센서 등 다양한 분야에서 활용된다. 최신 손목형 심박수 측정기는 가슴 스트랩 방식과 유사한 정확도를 보이지만, 격렬한 활동 중이나 수중에서는 정확도가 떨어질 수 있다.
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| 심박계 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 개인 모니터링 장치 |
| 용도 | 심박수 측정 |
| 관련 항목 | 심전도, 맥박 산소 측정법 |
| 관련 기기 | 스마트워치, 피트니스 트래커 |
| 역사 | |
| 초기 개발 | 운동선수 훈련용 |
| 대중화 | 저가형 기기 개발 및 보급 |
| 기술적 측면 | |
| 측정 방식 | 광학 센서 (Photoplethysmography, PPG) 전기 센서 (Electrocardiography, ECG) |
| 데이터 전송 | 블루투스, ANT+ |
| 디스플레이 | 스마트폰, 전용 디스플레이 |
| 활용 분야 | |
| 스포츠 | 운동 강도 조절, 훈련 효과 측정 |
| 건강 관리 | 심혈관 질환 모니터링, 스트레스 측정 |
| 연구 | 생체 신호 연구, 수면 분석 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 휴대성 실시간 측정 데이터 기록 및 분석 |
| 단점 | 측정 정확도 (환경 및 개인차) 배터리 수명 데이터 보안 및 프라이버시 |
| 추가 정보 | |
| 주의사항 | 의료용으로 사용 시 전문가 상담 필요 |
| 관련 용어 | 심박수 변동성, 최대 심박수 |
2. 역사
초기 모델은 여러 개의 전극을 가슴에 부착하여 사용하는 모니터링 상자 형태로 구성되었다. 최초의 무선 심전도 방식의 심박 모니터는 1977년 핀란드 크로스컨트리 스키 국가대표팀의 훈련 보조 기구로서 폴라 일렉트로에 의해 발명되었다.[17] 1980년대 중반 인텐시니 트레이닝(intensity training)이 운동계에서 대중적인 개념으로 자리잡히면서 1983년 개인용 무선 심박 모니터의 소매 판매가 시작되었다.[1]
현대의 심박수 측정기는 심장 신호를 기록하기 위해 전기적 방식(ECG)과 광학적 방식(PPG) 두 가지 기술을 사용한다. 두 방식 모두 기본적인 심박수 데이터를 제공할 수 있으며, 팬-톰킨스 알고리즘과 같은 자동화된 알고리즘을 사용하여 심박수를 측정한다.[18]
3. 기술
초기 모델은 가슴에 부착하는 전극 리드가 있는 모니터링 박스로 구성되었다. 최초의 무선 심전도 심박수 모니터는 1977년 폴라 일렉트로에 의해 핀란드 크로스컨트리 스키 국가대표팀의 훈련 보조 장비로 발명되었다. 1983년에 무선 개인 심박수 모니터의 소매 판매가 시작되었다.[1]
일반적인 심박계는 센서와 표시 장치로 구성되며, 간이형 기종은 손목시계형 장치에 센서를 갖추거나, 손가락을 대는 것만으로 측정 가능한 것도 있다. 가슴에 심전도 검출용 센서(전극)를 부착하는 것이 더 정확한 측정이 가능하다.[15]
표시 장치는 손목시계형이 일반적이며, 사이클 컴퓨터, 스포츠 시계, 스마트 시계, 스마트폰 등으로 심박수를 표시할 수 있다. 평균 심박수, 최대 심박수를 표시하거나, 운동 강도를 나타내는 기능을 제공하기도 한다. PC나 스마트폰과 연결하여 데이터를 전송할 수 있는 제품도 있다.
가슴에 부착하는 센서는 전극, 배터리, 송신기를 벨트로 고정하며, 여성용은 스포츠 브라와 센서가 일체형인 제품도 있다. 광학식 심박계는 혈류량으로 심박수를 측정하며, 손목에 감는 센서나 손목시계형 장치에 내장된다.
센서에서 표시 장치로의 데이터 전송은 무선 방식이 사용된다. 표준 규격인 ANT/ANT+나 블루투스가 이용된다. 과거에는 혼신 문제가 있었으나, 현재는 개별 장치에 식별 부호를 부여하는 등의 방법으로 해결하고 있다.
3. 1. 전기적 방식 (ECG)
현대의 심박수 측정기는 심장 신호를 기록하기 위해 전기 및 광학의 두 가지 다른 방법을 사용한다. ECG (심전도) 센서는 심실의 확장과 수축을 제어하는 전기 신호에 의해 생성된 생체 전위를 측정한다.[2]
전기적 심박계는 가슴 끈에 착용하는 모니터/송신기와 수신기, 두 가지 요소로 구성된다. 심박이 감지되면 전파 신호가 전송되며, 수신기는 이 신호를 사용하여 현재 심박수를 표시하거나 결정한다. 이 신호는 단순한 전파 펄스이거나, 블루투스, ANT 또는 기타 저전력 무선 링크와 같이 가슴 끈에서 전송되는 고유하게 코딩된 신호일 수 있다. 새로운 기술은 한 사용자의 수신기가 다른 인접한 송신기의 신호를 사용하거나(크로스토크 간섭) 도청하는 것을 방지한다. 이전 폴라 5.1 kHz 무선 전송 기술은 수중에서 사용 가능하다는 점에 유의해야 한다. 블루투스와 Ant+는 모두 2.4 GHz 무선 대역을 사용하며, 이 대역은 수중에서 신호를 전송할 수 없다.[18]
3. 2. 광학적 방식 (PPG)
LED를 통해 피부에 빛을 비추고 혈관에서 빛이 산란되는 방식을 측정하여 심박수를 측정하는 광학 기술을 광혈류 측정법(PPG)이라고 한다. 이 기술을 사용하는 일부 장치는 심박수 측정 외에도 혈중 산소 포화도(SpO2)를 측정할 수 있다.[3]
최근 스마트워치에 심박수 측정기가 포함되는 것이 일반화되면서 큰 인기를 얻고 있다.[4] 일부 스마트워치, 스마트 밴드 및 휴대폰은 PPG 센서를 사용한다.[5]
4. 종류
심박수 측정기는 측정 방식, 형태, 기능에 따라 다양하게 분류할 수 있다.
가민, 폴라 일렉트로,[6] 순토, 삼성 갤럭시 워치, 구글, 애플 워치, 모브이, 핏비트 등 여러 회사에서 소비자용 심박수 측정기를 판매하고 있으며, 대부분 자체적인 심박수 알고리즘을 사용한다.[7][8]
개인용 심박계는 보통 가슴에 부착하는 센서와 표시 장치로 구성되지만, 간이형은 손목시계형 장치에 센서가 내장되거나, 손가락을 대어 적외선으로 혈류를 측정하기도 한다. 가슴에 심전도 검출용 센서(전극)를 부착하는 방식이 더 정확하다.[15]
표시 장치는 전용 손목시계형 외에 사이클 컴퓨터, 스포츠 시계, 스마트 워치, 스마트폰 등 다양하다. 이들은 심박수, 평균/최대 심박수를 표시하고, 운동 강도를 나타내거나, PC/스마트폰과 데이터를 주고받기도 한다.
가슴 부착 센서는 전극, 배터리, 송신기를 벨트로 고정하며, 여성용은 스포츠 브라와 일체형도 있다. 전극으로 심전도를 측정, 심박 간 간격으로 심박수를 계산한다.
최근에는 혈류량으로 심박수를 측정하는 광학식 심박계가 등장, 손목 센서나 손목시계형 장치에 내장된다.
센서-표시 장치 간 데이터 전송에는 무선이 사용되며, 고유 규격 외 ANT|ANT영어/ANT+|ANT+영어나 블루투스 같은 표준 규격이 쓰인다. 과거 혼신 문제는 개별 장치 식별 부호 부여로 해결한다.
4. 1. 측정 방식에 따른 분류
현대 심박수 측정기는 심장 신호를 기록하기 위해 전기 및 광학, 두 가지 다른 방법을 사용한다. 두 유형 모두 심박수를 측정하는 자동 알고리즘을 통해 동일한 기본 심박수 데이터를 제공할 수 있다.[2]- 전기적 방식 (ECG, 심전도):
- 심실의 확장과 수축을 제어하는 전기 신호에 의해 생성된 생체 전위를 측정하며, 주로 의료 기기에 사용된다.
- 가슴에 부착하는 센서와 표시 장치로 구성되는 경우가 많다. 가슴에 부착하는 센서는 전극, 배터리, 송신기를 벨트로 고정하는 형태이다. 여성용은 스포츠 브라와 센서가 일체형인 경우도 있다.
- 전극으로 심전도를 측정하고, 변화로부터 심박을 검출하여 심박수(1분당 심박수)를 측정한다.
- 더 정확한 측정이 가능하다.[15]
- 광학적 방식 (PPG, 광혈류측정법):
- LED 빛을 피부에 비추고 혈관에서 빛이 산란되는 방식을 측정하여 심박수를 측정한다.
- 혈중 산소 포화도(SpO2)를 측정할 수 있는 장치도 있다.[3]
- 손목시계형, 스마트워치, 스마트 밴드 및 휴대폰에 내장되는 경우가 많으며, PPG 센서를 사용한다.[5]
- 센서에서 표시 장치로의 데이터 전송에는 무선이 사용되며, 표준화된 규격인 ANT|ANT영어/ANT+|ANT+영어나 블루투스가 이용된다.
최근 스마트워치에 심박수 측정기가 포함되는 것이 일반화되면서 인기가 크게 증가했다.[4] 일부 장치는 심박수, 산소 포화도 외에도 속도, 위치, 거리를 감지하기 위한 가속도계, 자이로스코프, GPS 등의 센서를 포함하여 다양한 정보를 동시에 모니터링할 수 있다.[3]
4. 2. 형태에 따른 분류
심박계는 형태에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.- 가슴 스트랩형: 가슴에 착용하는 형태로, 심전도(ECG) 방식에 주로 사용된다. 전극, 배터리, 송신기가 벨트로 고정되는 형태이다. 더 정확한 측정이 가능하다.[15]
- 손목시계형: 손목에 착용하는 시계 형태로, 광혈류 측정법(PPG) 방식에 주로 사용된다. 혈류량으로부터 심박수를 측정하는 광학식 심박계가 내장되어 있다.
- 스마트워치/스마트밴드: 스마트워치나 스마트 밴드에 내장된 형태로, 광혈류 측정법(PPG) 센서를 사용한다.[5] 가민, 폴라 일렉트로,[6] 순토, 삼성 갤럭시 워치, 구글, 애플 워치, 모브이, 핏비트 등에서 출시되는 제품들이 이에 해당한다.[7][8]
- 스포츠 브라 일체형: 여성용으로, 스포츠 브라와 센서가 일체형으로 되어 있다.
- 기타: 손가락을 대는 간이형(적외선으로 혈류 측정), 귓불에 클립을 장착하는 형태 등이 있다.
최근 장치들은 LED를 통해 피부에 빛을 비추고 혈관에서 빛이 산란되는 방식을 측정하여 심박수를 측정하는 광학 기술을 사용한다. 일부 장치는 혈중 산소 포화도(SpO2)도 측정할 수 있다. 또한, 가속도계, 자이로스코프, GPS 등의 센서를 통해 속도, 위치, 거리 등의 정보를 함께 제공하기도 한다.[3]
데이터 전송에는 무선 방식이 사용되며, 고유 규격 외에 ANT (network)|ANT|ANT영어/ANT+|ANT+|ANT+영어나 블루투스와 같은 표준화된 규격이 사용된다.
4. 3. 기능에 따른 분류
심박계는 기능에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.- 기본형: 심박수를 측정하고 표시하는 기본적인 기능을 갖춘 심박계이다. 손가락을 대거나 손목시계형 장치에 센서를 탑재한 간이형 기종이 있다.
- 고급형: 평균 심박수, 최대 심박수를 표시하고, 운동 강도를 나타내는 기능을 갖춘 심박계이다. PC나 스마트폰과 연결하여 데이터를 전송할 수 있는 기능도 제공하는 경우가 많다. 대부분 가슴에 부착하는 센서와 표시 장치로 구성된다. 사이클 컴퓨터, 스포츠 시계, 스마트 워치 등 다양한 형태의 표시 장치가 있다.
최근에는 손목에 감는 단독 센서나 손목시계형 장치에 내장된 광학식 심박계도 등장하고 있다.
5. 활용
심박계는 운동 중 심박수를 파악하여 과학적인 트레이닝을 가능하게 한다. 운동 강도를 객관적으로 파악하고, 목표 심박수에 맞춰 운동함으로써 트레이닝 효과를 높일 수 있다. 또한, 무산소 운동과 유산소 운동을 구분하여 목적에 맞는 트레이닝을 하는 데 유용하며, 한계 심박수를 초과하지 않도록 하여 돌연사 위험을 줄이는 데에도 도움이 된다.
5. 1. 스포츠 및 피트니스
심박수와 운동으로 인한 신체 부하는 선형 관계에 있기 때문에 운동 중 심박수를 파악하면 과학적인 트레이닝을 할 수 있다.예를 들어 달리기나 사이클링의 경우, 주행하는 코스의 경사, 바람의 방향과 속도, 개인의 운동 능력 등에 따라 같은 속도로 주행하더라도 신체 부하의 크기가 다르다. 따라서 어느 정도 강도의 운동을 하고 있는지 객관적으로 파악하기 위해서는 운동 중 심박수를 알아야 한다. 또한 목표로 하는 운동 강도를 심박수로 정하고, 그에 맞춰 운동함으로써 트레이닝 효과를 높이고, 달성도를 알 수 있어 심리적으로도 적극적으로 트레이닝을 할 수 있게 된다.
심박수가 일정 수치를 넘으면 무산소 운동이 되는 경우가 많기 때문에, 무산소 운동으로 순환기나 근력을 강화할 것인지, 유산소 운동을 하여 체지방을 줄일 것인지 등 목적에 맞는 트레이닝을 하는 데에도 심박계의 이용은 유효하다.
또한, 한계 심박수를 넘어서 운동을 계속하면 돌연사의 위험이 있지만, 이를 회피하여 안전하게 스포츠를 할 수 있는 지표가 되기도 한다.[6][7][8]
5. 2. 기타
닌텐도 64의 확장 옵션으로, 귓불에 클립을 장착하여 심박수를 측정하는 "바이오 센서"라는 이름의 심박 측정 입력 장치가 있었으며, Wii에서도 유사한 장치가 출시될 예정이었으나[16], 실제로는 출시되지 않았다.
6. 정확도
최신 손목형 심박수 측정기는 흉부 스트랩 방식과 거의 동일한 수준의 정확도를 달성했으며[9], 독립적인 테스트에서 최대 95%의 정확도를 보였다. 하지만 때로는 몇 분 동안 30% 이상의 오차가 지속될 수 있다.[10] 광학 장치는 격렬한 활동 중이거나 수중에서 사용할 때 정확도가 떨어질 수 있다.[11]
현재 심박 변이도(HRV)는 광학 장치에서 덜 지원된다.[12] 애플은 2018년에 애플 워치 기기에 HRV 데이터 수집 기능을 도입했다.[13] 핏빗은 2020년에 출시된 핏빗 센스를 시작으로 자사 기기에서 HRV 모니터링을 제공하기 시작했다.[14]
7. 대한민국 현황
가민(Venu Sq 2 및 Lily*), 폴라 일렉트로(Polar H9, Polar H10 및 Polar Verity Sense),[6] 순토, 삼성 갤럭시 워치(갤럭시 워치 5 및 갤럭시 워치 6*), 구글(픽셀 워치 2*), Spade and Company, Vital Fitness Tracker, 애플 워치(시리즈 7, 시리즈 9*, 애플 워치 SE*, 애플 워치 울트라 2*), 모브이(TicWatch Pro 5*) 및 핏비트(Versa 3** 및 Versa 4*) 등 다양한 브랜드의 심박수 측정기가 대한민국에서 판매되고 있으며, 이들 회사는 대부분 자체적인 심박수 알고리즘을 사용한다.[7][8]
대한민국에서는 스포츠 및 피트니스, 건강 관리에 대한 관심이 증가하면서 심박수 측정기의 수요가 늘고 있다. 특히 스마트워치, 스마트밴드 등 웨어러블 기기 시장의 성장은 심박수 측정기 시장 확대에 기여하고 있다. 더불어민주당은 국민 건강 증진을 위한 정책의 일환으로 웨어러블 기기를 활용한 건강 관리 사업을 추진하고 있으며, 심박수 측정 기능은 이러한 사업의 핵심 요소 중 하나로 간주된다.
참조
[1]
서적
Precision Heart Rate Training
Human Kinetics
1998
[2]
논문
A real-time QRS detection algorithm
1985-03
[3]
논문
Underwater wireless sensor communications in the 2.4 GHz ISM frequency band
2012
[4]
논문
Transcriptional profiling of lung cell populations in idiopathic pulmonary arterial hypertension
[5]
웹사이트
How to measure heart rate on your smartwatch / Smartwatches have beefed up their heart health features in recent years
https://www.theverge[...]
2024-02-27
[6]
웹사이트
Polar Verity Sense review
https://www.techrada[...]
2024-02-27
[7]
웹사이트
The Best Smartwatches for 2024 (*Note: PC Magazine top 10 pick for 2024)
https://www.pcmag.co[...]
2024-02-27
[8]
웹사이트
The Top Three Smartwatches Ranked (**Note: smart watch review top 3 pick for 2022)
https://www.smartwat[...]
2024-02-27
[9]
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Wrist-worn optical and chest strap heart rate comparison in a heterogeneous sample of healthy individuals and in coronary artery disease patients.
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2022-04-23
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Are Wrist Type Monitors Reliable?
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2022-03-21
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A timeline and history of Fitbit
https://www.verizon.[...]
2024-05-13
[15]
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光学式心拍計測について
http://www.suunto.co[...]
2017-06-14
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2013年6月27日（木）第73期 定時株主総会 質疑応答
https://www.nintendo[...]
2017-01-29
[17]
간행물
Precision Heart Rate Training
http://www.humankine[...]
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논문
A Real-Time QRS Detection Algorithm
1985-03
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