Si114x 센서 제품군으로 웨어러블 기기 기술적 과제 해결한다

웨어러블 제품에 광 심박수 모니터링 솔루션을 설계할 때, 운동 중 정확성 추적, 다양한 사용자에게 유효한 성능 검증, 웨어러블 장치 크기 및 두께 감소 및 배터리 수명 연장 등의 기술적 과제와 부딪힐 수 있다.
이 글에서는 웨어러블 기기의 기술적 과제를 해결하는 손목형 웨어러블 심박수 모니터링 설계 방법을 알아본다.

손목형 웨어러블 밴드와 스마트 워치는 가속도 기반의 ‘스마트 만보기’ 수준에서 심박 측정 등 생체 감지 기술을 포함하는 기기로 진화하고 있다. 이 같은 변화는 급속하게 성장하고 있는 웨어러블 시장에서 차별화를 추구하는 제조업체들과 더욱 효율적인 운동으로 효과와 건강을 최대화하려고 하는 지식층 소비자들이 주도하고 있다.
실시간으로 심장 박동 수를 관찰할 수 있다면, 소비자들이 심장 박동 수 구간 피드백을 기준으로 운동을 조절하는 데 도움을 줄 수 있다.

하지만 이 같은 차세대 웨어러블 기기 설계자들은 제품에 지속적인 심박수 모니터링 기능을 구현하는 데 있어 몇 가지 문제에 직면하게 된다. 그 문제는 다음과 같다.
• 정확한 심박수 측정
• 운동 중에 정확성 추적
• 다양한 환경의 사용자에게 유효한 성능 검증
• 웨어러블 장치 크기 및 두께 감소
• 배터리 수명 연장

웨어러블 시스템 설계자들은 비침습성과 광학 및 전기적 기법 등을 구현하기 위해 노력한다. 일반적으로 전기적 기법은 심박수를 측정하기 위한 두 개의 접점이 있는 줄을 가슴에 부착하는 방식을 사용한다. 이 방식은 정확한 편이지만, 사용자가 배터리와 무선 통신 장치를 포함한 두꺼운 밴드를 가슴에 착용해야 하기 때문에 불편하다고 느낄 수 있다. 이에 최근에는 손목 밴드에 통합된 광학 방출기와 센서를 사용하는 광학적 기술이 선호되는 추세이다.
 

손목 기반 광학 심박 모니터링의 원리
 
그림 1에 나타낸 바와 같이 적외선은 LED를 통해 사용자 손목 피부로 투사된다. 이후 빛이 피부로 흡수되고 산란되어 조직과 뼈, 혈관에서 반사된다. 이처럼 약한 반사 빛을 측정하기 위해 광센서를 사용한다. 조직 및 뼈에서 반사된 빛은 시불변(time-invariance)하며, 직류(DC)만 전달한다.

그림 1. 심박 모니터링 시스템에서 IR 빛 감지

하지만 심장이 박동할 때 동맥혈에서 반사된 빛이 변하면서 교류(AC) 신호가 나타난다. 이때 고급 디지털 신호 처리를 사용해 DC 신호를 제거하고, 약한 AC 신호로 심박 수를 산출한다. 이와 같은 과정의 기술은 용적맥파(PPG) 신호를 생성한다.

광학 방출기의 파장과 파장에 대한 시스템 민감도, 방출기와 감지기 간격, LED 생성 빛의 양, 방출기 수, 시스템 잡음 등 대부분의 요인은 광(optical) 설계에서 정확한 PPG 신호를 얻는데 기여한다. 손목의 피부색과 기타 신체적 특징을 특정한 단 한 명의 사용자에게만 최적화된 심박 모니터링 시스템은 피부색이나 기타 신체적 특징이 다른 사용자에게 적합하지 않을 수도 있다.

때문에 설계자들은 다양한 소비자들이 사용할 수 있는 최적의 기술을 신중하게 선택하고 사용해야 한다. 이와 같은 선택에 실패한다면 소비자들의 불만을 야기할 것이며 반품량 또한 증가할 것이다. 이제 심박 모니터 시스템 설계에서 중요한 몇 가지 요인들을 살펴보자. 
 
방출기 파장
 
손가락 끝과 귀를 사용하는 일반적인 심박수 모니터링 시스템은 850nm∼940nm 대역의 적외선 방출기를 사용한다. 손목에는 손가락 끝 또는 귀 주변 피부와 동일한 혈액이 풍부하게 이동하는 모세혈관이 없기 때문에, IR 방출기는 손목을 사용하는 솔루션에 적합하지 않다. 또한 피부가 밝은 사람들의 경우, 녹색 파장이(525nm)이 우수한 성능을 제공하는 것으로 나타났다. 

안타깝게도 어두운 피부는 녹색 파장을 흡수하며, 황색(590nm) 파장은 어두운 피부색에서 가장 우수한 성능을 나타낸다. 따라서 많은 사람들이 우수한 성능 누릴 수 있도록 하기 위해 비용과 전력 사용이 조금 증가한다고 해도 녹색과 황색 LED를 함께 사용하는 것이 좋다.

피부와 ‘광결합’
 
공기 간극으로 인해 정확성이 떨어질 수 있다. 따라서 손목과 웨어러블 기기간 우수한 광 신호 결합을 확보하는 것이 중요하다.
손목밴드의 유연성이 높으면 손목에 편안히 밀착시킬 수 있다. 하지만 밴드가 너무 꽉 조이면, 결합 성능은 우수하지만 혈류를 방해해서 정확성이 감소할 수 있다. 반대로 밴드가 너무 느슨하면, 계속 움직여 불편할 수 있다.
단일 LED 시스템의 공통된 문제는 최적의 성능을 위해 손목 밴드를 팔 윗부분에 착용하거나 약간 회전시키는 것이 필요할 수 있다는 점이다. 

광 센서 양 끝에 설치되는 두 개의 LED는 기울어짐 뿐만 아니라 밴드의 위치 문제로 인해 발생하는 문제를 최소화하는 데 도움을 준다. 기울어짐 문제는 손목 밴드 한 쪽은 피부에 잘 밀착 되지만, 다른 한 쪽에 공기 간극이 생기게 되는 경우(예, 운동 중)에 나타날 수 있다. 따라서 다양한 사용자들에게서 가장 정확한 성능을 나타낼 수 있도록 보장하기 위해 웨어러블 설계 시 3개의 LED를 권장한다. 

예를 들면, 고성능 Scosche Rhythm Plus 피트니스 밴드는 그림 2에 표시된 바와 같이 삼각형 형태로 2개의 녹색 LED와 한 개의 황색 LED를 사용한다.

그림 2. 다수 LED가 부착된 피트니스 밴드 예

에미터 빛 에너지

에미터(emitter)의 빛 에너지는 주로 LED 구동 전류와 전압, 펄스 시작 시간, 반각, 광도에 의해 결정된다. 이와 같은 매개변수 조절을 가능하게 하는 광센서 시스템은 소프트웨어가 사용자에게 최적인 상태로 구성될 수 있도록 도와준다.
예를 들면, 녹색 LED는 LED 전압과 전력 출력과 상쇄될 수 있는 높은 순전압을 나타낸다.

LED에 항상 높은 전압이 제공되는 것은 아니다. 따라서 LED의 정상적인 운영 매개 변수를 유지하면서 에미터 빛 에너지를 증가시키기 위해 더 긴 펄스 시작 시간을 사용할 수 있다. 또한 자동 감지 기능은 LED 구동 전류와 LED 시작 시간을 조절해서 각 개인에게 반사되는 신호를 최적화할 수 있다. 이와 같은 자동 DC 감지는 시스템 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 동적 영역 요구 사항을 최소화하는데 도움이 되며, 약한 AC 심박수 신호를 감지하기 위해 신호를 최적의 상태로 유지할 수 있다. 
 
운동 중 추적 정확성

 

상용화된 손목 웨어러블 기기의 가장 큰 취약점은 사용자가 운동을 하는 동안 정확하게 심박수를 추적할 수 없다는 것이다. 이는 운동 중에 동작 음영(motion artifact) 및 생리적 부산물을 적합하게 보상하는 것이 어렵기 때문이다. 

일반적으로 가속도계는 웨어러블에 적용되며, 동작 음영을 감소시키기 위해 첨단 신호 처리 기술과 함께 사용하면 효과적일 수 있다. 이와 같은 알고리즘은 가속도계 데이터를 사용해서 잡음에 의해 손상된 심박수 표본을 거부하거나 잡음을 동적으로 제거할 수 있기 때문이다. 하지만 이와 같은 알고리즘에도 불구하고, 심박수 신호를 일시적으로 상실할 수도 있다. 

한편, 품질 등급을 사용해서 센서 데이터가 유효하지 않은 순간을 인식하는 적응 알고리즘은 사용자가 운동하는 동안 예측 기술로 지속적인 추적 정확성을 제공할 수 있다.
이외에 향후 다양한 피부색과 인종, 연령, 체중을 대표하는 대규모의 사용자 표본으로 알고리즘을 검증해 나가는 것이 중요할 것으로 보인다.

최종 제품 크기 및 두께 감소

심박수 센서를 추가하기 위해서는 웨어러블을 설계할 때 더 많은 공간이 필요하다. 대부분의 기존 심장 모니터링 웨어러블 설계는 아날로그 프론트엔드(AFE)와 MCU가 결합된 큰 분산 포토다이오드를 사용한다. 여기서 AFE는 LED 드라이버와 ADC, 아날로그 필터링 및 제어를 포함한다. 

아날로그 필터링과 LED 드라이버, 그리고 ADC가 통합된 더 작은 크기의 고 민감도 포토다이오드를 사용하면 잡음층을 더 낮추고, 더 적은 ADC 비트를 사용할 뿐만 아니라 더 작은 공간을 사용할 수 있다. 

예를 들면, 실리콘랩스의 Si114x 광센서는 고민감도 포토다이오드와 17비트 ADC, 저소음 아날로그 필터링, 최대 3개의 동적 구성 LED 드라이버, I2C인터페이스를 2mm × 2mm 크기의 투명한 소형 QFN 패키지에 통합했다. 일반적인 3mm × 3mm 크기의 AFE 패키지와 2mm x 2mm 크기의 분산 포토다이오드 패키지와 비교했을 때 실리콘랩스의 Si114x 광센서는 3배 이상의 공간을 적게 차지하는 것이다.
 
배터리 수명 연장

심박수 모니터 기기에서 가장 전력을 많이 사용하는 요소는 LED 샘플링 전력과 동작 음영(motion artifact) 감소를 위한 신호 처리이다. 전력 소비에서 주 요인은 사용된 샘플 레이트(sample rate)인데, 정확한 심박수 모니터링을 위해 분당 최대 박동수(BPMs)로 운동하는 동안 더 빠른 샘플 레이트가 필요할 것이다. 

이때 BPM을 토대로 샘플 레이트를 변화시키는 동적 알고리즘을 사용해서 전력 소비는 최소화하면서 정확성을 유지할 수 있다. 샘플 보간(Interpolation)은 샘플 레이트를 증가시키기보다 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 또한 동적으로 LED 구동 전류를 변화시킬 수 있는 센서는 DC 수치를 자동 감지해서 전력 소비를 감소시키고 성능을 향상시킬 수 있다. 이 외에 시스템 설계에서 1~3개의 LED를 동적으로 사용하는 것 또한 전력 소비를 최소화하면서 고성능을 유지할 수 있는 방법 중 하나이다. 
 
결론

웨어러블 제품에 광 심박수 모니터링 솔루션을 설계할 때, 많은 기술적 과제와 부딪히게 된다. 임상 연구로 검증된 심박수 알고리즘과 결합된 실리콘랩스 Si114x 센서 제품군과 같은 고성능 통합 광센서 솔루션은 배터리 수명은 최대화하고 손목에 착용하는 심박수 모니터링 장치의 물리적 크기를 최소화하는 웨어러블 시스템을 설계할 수 있도록 한다.  

Kevin Kilbane 수석부장 _  실리콘랩스 광센서 제품 부문