심박수 모니터링을 위한 ECG와 PPG

ECG 및 PPG 센서의 정의

 

 

전극을 사용하는 ECG와 달리, PPG는 각각의 심장 박동과 함께 발생하는 말초 동맥의 혈액량 변화를 감지하기 위해 빛 반사를 적용한다. 기록은 보통 손끝이나 귓불과 같이 혈관이 피부에 가까운 신체의 일부에서 측정된다.

 

ECG (electrocardiography)	센서는 심실의 확장 및 수축을 제어하는 ​​전기 신호에 의해 생성된 생체 전위를 측정한다.
PPG (photoplethysmography)	센서는  빛 기반 기술을 사용하여 심장의 펌프 작용에 의해 제어되는 혈류 속도를 감지한다.

 

ECG 및 PPG 센서 비교

 

ECG 센서는 심장 활동에 의해 생성된 전기 신호를 직접 사용한다. 반면, PPG는 심장 활동 중 혈류의 변화로 인해 반사되는 빛에서 파생된 전기 신호를 사용한다. ECG는 의료 서비스 제공자가 심장 건강 및 웰빙을 모니터링하는 데 사용되는 참조 표준 신호이다. 반면에 PPG 센서는 일반적으로 정적 HR (심박수) 비교를 위한 기준으로 ECG 신호를 사용한다.

 

ECG를 사용하면 HR을 정확하게 측정할 수 있다. HR은 PPG로 측정할 수 있지만 평균 또는 이동 평균 측정에만 적합하다. 심박 변이도 (HRV)를 측정에서 R-Peak 간격을 밀리초 정확도로 추출할 수 있으므로 ECG 데이터에서 HRV를 안정적으로 도출할 수 있으므로 단기 측정으로 의미 있는 HRV 데이터를 얻을 수 있다. PPG 센서를 사용하면 피크 간격 정확도는 LED의 높은 전력 소비로 인해 사용 가능한 샘플링 속도에 의해 제한된다. PPG에서 맥박수 변동은 더 긴 측정 기간 (5분이상)의 경우 HRV와 상관 관계가 있지만 짧은 기간 측정의 경우에는 그렇지 않다.

 

데이터를 읽는 데에 있어서 ECG 센서는 긴 안정화 시간이 필요하지 않으므로 시작 후 바로 의미 있는 판독값을 얻을 수 있다. PPG 센서는 주변광의 양을 측정하고 그 효과를 취소하는 데 필요한 보정을 계산해야 하기 때문에 비교적 긴 정착 시간이 필요하다. PPG 센서는 또한 판독값을 생성하기 위해 모션 아티팩트의 보정이 필요할 수 있다.

 

소비 전력이 대체적으로 ECG 센서는 2.5mW에서 작동하는 매우 낮은 전력 소비를 특징으로 하고 대부분의 PPG 센서에는 약 30mW의 작동 전력이 필요하기 때문에 ECG 센서가 효율적이다. 설치 공간은 ECG는 추가 구성 요소가 필요하지 않다. PPG 센서는 상대적으로 큰 PCB footprint 패키지와 마이크로컨트롤러 장치 (MCU), 배터리 관리, 크리스탈 및 LED 회로를 위한 추가 PCB 영역이 특징이기 때문에 PPG 센서의 footprint가 크다.  ECG 센서는 온칩 HR 측정 기능을 제공하므로 외부 장비가 필요하지 않다. 반대로 PPG 센서는 HR 계산을 위해 외부 마이크로컨트롤러 장치가 필요하다.  PPG 센서에는 호스트 플랫폼 앱 개발 및 통합 SDK (Android/iOS) 외에도 MCU 펌웨어 개발 및 통합이 필요하다.

 

크기, 전력 소비, 정확도, 통합 용이성 및 풍부한 데이터와 같은 주요 고려 사항과 관련하여 ECG 바이오 센서는 심박수 모니터링에 대해 PPG에 비해 분명한 이점을 제공한다.

 

ECG 바이오 센서는 심박수 (HR) 및 심박 변이도 (HRV)를 포함하여 전반적인 심장 성능에 대한 보다 포괄적인 신호를 포착할 수 있기 때문에 가장 광범위한 심장 건강 지표를 제공할 수 있다.

 

반대로 PPG 센서는 HR만 측정할 수 있으며 ECG 바이오 센서보다 신뢰성이 떨어진다. PPG 기술의 주요 과제는 주변광의 영향을 없애고 다양한 피부 상태와 색상을 수용하며 물리적 움직임 아티팩트를 처리하는 것이다. 또한, PPG는 혈관이 밀집된 신체 부위에만 사용할 수 있다 (ex: 손목에서 좋은 PPG 신호를 수신하기 어려울 수 있음).

 

https://neurosky.com/2015/01/ecg-vs-ppg-for-heart-rate-monitoring-which-is-best/

ECG vs PPG for Heart Rate Monitoring: Which is Best?