와이파이 신호만으로 심박수 측정을?

최근 와이파이 신호를 이용해 인간 위치나 자세를 추정하는 CSI 센싱(와이파이 센싱)이 주목받고 있다. 새롭게 캘리포니아대학교 산타크루즈 캠퍼스 연구팀이 와이파이 신호만으로 웨어러블 기기를 사용하지 않고 심박수를 측정하는 기술을 개발했다.

심박수는 건강 상태 측정에서 가장 기본적이면서도 중요한 지표 중 하나로 신체 활동 강도나 스트레스, 불안, 수분 부족 같은 상태를 파악하는 단서가 된다. 지금까지 심박수를 측정하려면 스마트워치나 병원급 장비 등 어떤 형태든 웨어러블 기기가 필요했다.

새롭게 캘리포니아대학교 산타크루즈 캠퍼스 연구팀은 웨어러블 기기를 필요로 하지 않고 가정용 와이파이 기기 신호를 이용해 심박수를 모니터링하는 방법을 개발했다.

연구팀이 펄스파이(Pulse-Fi)라고 명명한 이 기술은 저가 와이파이 기기와 머신러닝 알고리즘을 결합한 것. 와이파이 기기는 주변 공간에 무선 주파수 전파를 방사해 PC나 스마트폰 등 수신 기기에 전파를 전달한다. 이때 전파가 공간 내 물체를 통과하면 전파 일부가 물체에 흡수되어 수학적으로 검출 가능한 변화가 발생한다.

펄스파이에서는 와이파이 송신기와 수신기를 사용해 수신기에 도달하는 전파 신호 처리 및 머신러닝 알고리즘을 실행한다. 연구팀은 머신러닝 알고리즘을 훈련시켜 환경 요인이나 동작 등으로 인해 발생하는 신호 변화를 모두 제거해 인간 심박으로 인한 신호 내 미세한 변동까지도 식별할 수 있도록 했다. 연구팀은 신호는 환경에 매우 민감하기 때문에 불필요한 노이즈를 모두 제거하기 위해 적절한 필터를 선택해야 한다고 말했다.

연구팀이 피험자 118명을 대상으로 실험을 진행한 결과 단 5초간 신호를 처리하는 것만으로도 임상 수준 정확도로 심박수를 측정할 수 있음이 확인됐다. 5초간 모니터링에서는 분당 0.5회 오차만 나타났으며 모니터링 시간이 길어질수록 정확도가 향상된다고 보고됐다.

또 펄스파이는 장비 위치나 피험자 자세와 관계없이 심박수를 측정할 수 있으며 피험자가 앉아 있는 상태, 서 있는 상태, 누워 있는 상태, 걷고 있는 상태 어느 경우에도 시스템이 작동했다고 한다.

이런 결과는 5~10달러짜리 ESP32 칩과 30달러 가량인 라즈베리파이 4B(Raspberry Pi 4B) 모두에서 확인됐지만 더 고가인 라즈베리파이 4B를 사용했을 때 더 우수한 성능을 발휘했다고 한다.

또 이번 연구에서는 펄스파이가 피험자가 하드웨어로부터 3m 떨어진 위치에 있어도 정확하게 작동한다는 게 밝혀졌다. 연구에서 발표된 내용에 더해 추가 실험을 진행한 결과, 3m 이상 떨어진 경우에도 유망한 결과가 나왔다고 한다. 연구팀은 머신러닝 모델 덕분에 거리는 성능에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다며 이는 기존 모델에서는 큰 과제였다고 말했다.

연구팀은 심박수 뿐 아니라 호흡수도 검출할 수 있는 기술을 개발하기 위해 추가 연구를 진행하고 있다. 인간 호흡수도 검출할 수 있게 되면 수면무호흡증 등 질환 검출에 도움이 될 가능성이 있다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.