연구성과

IT융합·기계·전자 박성민 교수팀, 스마트폰 카메라로 내 몸 건강도 ‘찰칵!’

2022-09-16 199

[박성민 교수팀, 일반 카메라 센서만으로 생체 신호 정확히 측정하는 알고리즘 개발]

일상에서 즐거운 순간을 기록해주는 스마트폰의 카메라. 이 카메라로 내 몸속 건강도 들여다볼 수 있다면 어떨까? 국내 연구팀이 스마트폰의 카메라 센서로 생체 신호를 정확히 측정하는 기술을 선보였다. 별도의 센서 없이도 스마트폰만 있으면 손쉽게 혈압이나 혈관 나이를 측정하고, 다양한 생리학적 분석을 할 수 있다.

IT융합공학과·기계공학과·전자전기공학과 박성민 교수·IT융합공학과 베가 프라다나 라힘(Vega Pradana Rachim) 연구조교수·시스템생명공학부 박사과정 백진혁 씨 연구팀은 삼성전자 종합기술원 김영수·김연호 전문연구원과의 공동연구로 스마트폰 카메라를 활용한 광혈류측정(PPG, Photoplethysmography) 신호 획득 알고리즘을 개발했다. 본 알고리즘을 이용한 PPG 신호의 샘플링률은 일반 카메라 센서의 5배에 달해, 더욱 정확한 측정이 가능하다.

심박수 측정에 주로 활용되는 PPG는 빛을 이용해 동맥에서 일어나는 혈관의 부피 변화를 기록하는 측정 방식으로 전용 센서가 필요하다. 센서의 LED를 피부에 쐈을 때 심장박동에 의한 혈관의 수축과 이완에 따라 빛의 반사율이 달라지는 원리를 이용한다. 빛을 피부에 직접 쏘기 때문에 스마트워치처럼 몸에 맞닿아 있는 웨어러블 기기에서 주로 활용된다.

최근 스마트폰용 이미지 센서가 발전하면서 PPG 센서와 같은 생체 신호 측정 전용 센서를 대체할 가능성이 높아지며, 웨어러블 기기에서만 가능했던 건강 수치 측정을 스마트폰으로 확대하는 연구가 이어지고 있다. 작년에는 구글이 특정 스마트폰에 내장된 카메라로 심박수와 호흡수를 측정하는 기술을 선보이기도 했다.

다만, 대부분의 스마트폰 센서는 샘플링 속도가 초당 30프레임(FPS, Frame Per Second)에 불과해 신호의 정확도가 높지 않았다. 단순한 맥박 모니터링 시스템에 적용할 수는 있지만, 혈압, 혈관 탄성 추정과 같은 PPG 신호에 기반한 다양한 생리학적 분석은 불가능했다.

연구팀은 스마트폰 카메라의 롤링 셔터*1 현상을 활용해 신호의 정확도를 높이는 데 성공했다. 샘플링률이 낮은 이미지 센서 픽셀행에서 샘플링률이 높은 신호를 추출하는 알고리즘을 개발한 것이다.


서로 다른 이미지 센서로 검증한 결과, 알고리즘을 활용한 PPG 신호의 샘플링률은 일관적으로 높게 나타났다. 이 연구성과는 생체 신호 획득의 신뢰성을 한층 높인 기술로 학계와 산업계의 주목을 동시에 받는다. 기술을 활용하면 별도의 PPG 전용 센서 없이도 일반적인 스마트폰 카메라만으로 임상에서 활용 가능한 수준의 높은 신뢰도를 갖는 PPG 신호의 추출이 가능해 보다 콤팩트한 구현을 허용하며, 따라서 스마트폰 기반 의료 모니터링 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 국제 학술지 ‘IEEE IoT(Internet of Things)’에 최근 게재된 이 연구는 삼성전자 및 과학기술정보통신부와 교육부의 지원을 받아 이뤄졌다.


1. 롤링 셔터
카메라의 이미지 캡처 방식 중 하나로, 한 번에 프레임 전체가 아닌 한 줄씩 캡처하는 방식.