무선 이어폰으로 심박수 측정...구글 리서치, SW만으로 스마트 이어폰 변신 가능

귀에 착용한 이어폰으로 심장 박동수를 측정할 수 있는 APG(Audioplethysmography)가 적용된 무선 이어폰이 조만간 등장할 전망이다. APG는 이어폰을 착용하고 음악을 들으면서 휴식, 공부, 운동, 명상 등을 할 때 심박수(heart rate)와 심박수 변화(heart rate variability) 등의 생리 신호를 실시간으로 측정하는 기술이다.

구글 리서치가 'APG : 청각적 심장 모니터링을 위한 오디오 혈류 측정(APG: Audioplethysmography for Cardiac Monitoring in Hearables)'이라는 논문을 '모비콤(MobiCom) 2023'에서 발표하고, 농동형 소음 제거 기능을 탑재한 무선 이어폰에서 활용할 수 있는 히어러블 헬스(hearable health) 기술을 공개했다. 하드웨어적인 설계 변경 없이 소프트웨어 만으로 적용가능한 것이 특징이다.

저강도 초음파를 활용하는 APG 기술을 능동형 잡음 제거 기능을 탑재한 이어폰에 적용하면, 소프트웨어 업데이트만으로 심장 박동수를 실시간으로 측정할 수 있다. ( 자료 : Google Research)

최근 들어 스마트 밴드, 스마트워치 등의 웨어러블 스마트 장치에서 심박수와 산소포화도를 측정하고, 심장 박동이나 수면 상태를 모니터링하는 웨어러블 스마트 헬스 장치가 빠르게 시장을 넓혀가고 있다. 이러한 제품들은 혈류를 측정하는 PPG(Photoplethysmograms)와 심전도를 측정하는 ECG(Electrocardiograms) 센서 등을 탑재해 인체의 생리적 신호를 측정한다.

하지만 구글 리처시가 연구 중인 APG는 별도의 센서 없이 소프트웨어적인 업데이트만으로 활용할 수 있는 것이 장점이다. 물론 이를 활용하기 위해서는 '노이즈 캔슬링 기능이 내장된 완전 무선형 밀폐형 이어폰'이라는 조건이 필요하다. 외이도에 꼭 맞게 밀착되는 이어폰을 통해 저강도 초음파 신호를 전송하고, 외이도에서 반사되는 초음파를 분석해 생체 신호를 수집하 기록하기 때문이다.

저강도 초음파는 사람이 들을 수 없고 인체에 영향을 주지 않기 때문에, 이어폰으로 음악을 감상하는 데 전혀 영향을 주지 않는다. 또한 강도가 아주 미약하기 때문에 신체에 영향을 주지 않는다는 것이 구글 리서치의 설명이다. 따라서 APG가 본격적으로 상용화되어 현재 널리 사용되고 있는 노이즈 캔슬링 무선 이어폰에 탑재되면, 자유롭게 음악을 들으면서 이어폰을 통해 심장 상태를 실시간으로 모니터 하는 것이 가능하다.

능동형 잡음 제거(ANS ; Active Noise Canceling)를 지원하는 완전 무선형 스테레오(TWS ; True Wireless Stereo) 이어폰은 주변 소리를 감지하는 마이크를 내장하고 있다. APG는 이 마이크를 활용해 심장 박동과 호흡을 감지하고 측정한다. 이어폰에서 생성한 미세한 초음파를 외이도 안으로 보낸 후, 피부에 반사되어 돌아오는 초음파를 분석해 심장 박동을 측정하는 것이 기본 원리다.

구글 리서치는 "초기 실험에서 우리는 이어버드의 밀봉 상태가 좋지 않거나 음악이 재생 중일 때 APG가 안정적으로 작동하는 것을 관찰했다. 그러나 APG 신호가 때때로 매우 잡음이 심하고 신체 움직임에 의해 크게 방해받을 수 있다는 사실을 발견했다. 그 시점에서 우리는 APG를 유용하게 사용하려면 80년 이상 개발된 PPG와 경쟁할 수 있도록 더 강력하게 만들어야 한다고 판단했다"고 연구 과정을 소개했다.

연구팀은 여러 개의 주파수를 생성해 관측하는 멀티톤 신호 처리 기술 등을 개발해 이러한 문제를 해결했다. 현재는 153명의 실험 참가자들을 대상으로 진행한 테스트에서 심박수와 심박수 변화의 오차 중앙값이 각각 3.21%와 2.70%인 것으로 성능을 확인했다. 이어폰이 외이도에 완전히 밀폐되지 않았거나 외이도 크기 등에도 탄력적으로 변화하는 것으로 나타났다고 연구팀은 밝혔다.

구글 리서치가 이번에 공개한 APG를 활용한 심장 박동수 측정은 간단한 소프트웨어 업데이트만으로 완전 무선형 액티브 노이즈 캔슬링 이어폰을 스마트 이어폰으로 활용할 수 있다는 것이 장점이다. 센서와 같은 하드웨어를 추가해야 할 경우 폼 팩터가 변경되면서 무게, 전력, 음향 설계 등 다양한 요소를 변경해야 한다. 하지만 APG는 그런 작업이 필요 없기 때문에, 저비용 건강 센싱 분야에서의 활약을 기대해 볼만하다.

 

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