Muse 2 forehead photoplethysmography agrees with Polar H10 for heart rate but overestimates ultra-short RMSSD

인간의 심장은 메트로놈처럼 뛰지 않습니다. 한 번의 두근거림과 다음 두근거림 사이에는 미세하고 자연스러운 시간적 변동이 존재합니다. 심박 변이성(heart-rate variability)이라고 알려진 이 변동은 건강하고 반응성이 좋은 신경계의 신호입니다. 몸이 이완되면 심장은 호흡에 맞춰 속도가 느려지거나 빨라지며, 복잡하고 변화무쌍한 패턴을 만들어냅니다. 과학자들은 오랫동안 이 패턴을 통해 신체가 스트레스와 휴식을 어떻게 처리하는지 이해해 왔습니다. 전통적으로 이를 측정하려면 가슴에서 심장의 전기적 신호를 직접 읽는 기계인 의료용 심전도계가 필요했습니다. 그러나 웨어러블 기술이 폭발적으로 보급됨에 따라, 이제 사람들은 손목이나 이마에 착용하는 간단한 기기를 사용하여 이와 동일한 데이터를 추적하기를 원합니다. 이 기기들은 전기를 읽는 것이 아니라, 피부를 통해 흐르는 혈액의 맥박을 관찰하기 위해 빛을 사용합니다. 연구자들의 과제는 전기적 불꽃이 시작되는 지점이 아니라 맥파의 도착을 측정하는 이 광학적 방식이, 의료 표준과 동일한 이야기를 들려줄 수 있는지 여부입니다.

최근 Physiological Reports에 발표된 한 연구에서 인도네시아 발리의 연구팀은 두 가지 대중적인 기기를 사용하여 이 질문을 검증했습니다. 고정밀으로 심박을 기록하는 가슴 스트랩인 Polar H10과, 이마의 맥박을 함께 측정하는 명상용 헤드밴드인 Muse 2입니다. 연구진은 다음과 같은 단순하지만 결정적인 질문을 던졌습니다. 만약 당신이 두 기기를 동시에 착용하고 조용히 앉아 있다면, 두 기기가 당신의 심장 리듬의 세부 사항에 대해 일치하는가? 그들은 두 가지 특정 척도에 집중했습니다. 첫 번째는 단순히 심장이 1분 동안 몇 번 뛰는지를 나타내는 평균 심박수였습니다. 두 번째는 더 미묘한 척도로, 한 순간에서 다음 순간으로 넘어갈 때 비트 사이의 시간이 얼마나 변하는지를 살펴보는 것입니다. 이 두 번째 척도는 사람이 얼마나 이완되었는지를 가늠하는 데 자주 사용되지만, 타이밍의 작은 오류에도 훨씬 더 민감합니다.

연구에는 28명의 성인이 참여하여 두 기기를 착용한 채 2분 동안 조용히 앉아 있었습니다. 첫 1분 동안은 눈을 뜨고 있었고, 나머지 1분 동안은 눈을 감았습니다. 연구진은 그 후 헤드밴드의 데이터 스트림을 가슴 스트랩과 비교했습니다. 결과는 명확했으며 두 가지 매우 다른 이야기를 보여주었습니다. 평균 심박수에 있어서 두 기기는 사실상 동일했습니다. 헤드밴드는 분당 심박수를 측정함에 있어 차이가 1회 미만일 정도로 정확했습니다. 이 측면에서 이마 센서는 완벽하게 작동했으며, 그것이 당신의 심장이 얼마나 빨리 뛰고 있는지를 신뢰할 수 있게 알려준다는 것을 확인해 주었습니다.

그러나 연구진이 리듬의 미묘한 변동을 살펴보았을 때 이야기는 완전히 바뀌었습니다. 헤드밴드는 가슴 스트랩이 기록한 것보다 심장 리듬이 더 가변적이라고 일관되게 보고했습니다. 거의 모든 세션에서 헤드밴드는 가슴 스트랩이 기록한 것보다 훨씬 더 큰 비트 간 차이를 보여주었습니다. 평균적으로 헤드밴드는 이 변이성을 약 19밀리초 정도 과대평가했는데, 이는 심장 리듬의 세계에서 상당한 차이입니다. 이를 설명하자면, 만약 가슴 스트랩이 특정 수준의 이완을 측정했다면, 헤드밴드는 그 사람이 실제보다 더 이완된 것처럼 시사한 것입니다. 이러한 과대평가는 매우 일관적이어서, 연구진은 일부 사례에서 헤드밴드의 수치가 가슴 스트랩 값의 거의 두 배에 달한다는 것을 발견했습니다. 데이터는 헤드밴드가 매 비트마다 미세한 타이밍 노이즈를 포착하고 있으며, 변이를 계산하는 방식이 한 비트와 다음 비트 사이의 차이를 보기 때문에, 이러한 작은 오류들이 쌓여 심장을 실제보다 훨씬 더 불규칙하게 보이게 만들었다는 점을 시사했습니다.

연구진은 또한 왜 이런 현상이 발생하는지 조사했습니다. 그들은 기기가 이마의 움직임이나 피부를 통과하는 빛의 방식 때문에 맥박의 정확한 순간을 찾는 데 어려움을 겪고 있는 것인지 고려했습니다. 그들은 오차가 비트당 약 16밀리초의 타이밍 불확실성과 일치한다는 것을 발견했습니다. 이는 기기 자체의 한계와 혈액이 심장에서 이마까지 이동하는 데 걸리는 짧은 시간(이 시간은 매 심박마다 약간씩 변함)이 혼합된 결과일 수 있습니다. 연구가 실제 심장의 전기적 신호를 기록하지 않았기 때문에, 연구진은 기기의 오류와 자연적인 생물학적 지연을 분리해낼 수 없었습니다. 그들이 확실히 알 수 있었던 것은, 두 기기가 이 특정 측정에 있어 서로 대체될 수 없다는 사실이었습니다. 헤드밴드는 가슴 스트랩의 정밀한 세부 사항을 측정하려 할 때 이를 단순히 대체할 수 없습니다.

연구진은 또한 기기들이 신체의 변화를 추적할 수 있는지 조사했습니다. 참가자들이 일반적인 이완 기술인 눈을 감았을 때, 가슴 스트랩은 심박 변이도의 명확한 증가를 보여주며 신체가 진정되고 있음을 나타냈습니다. 그러나 헤드밴드는 이와 동일한 변화를 신뢰성 있게 추적한다는 충분한 증거를 제시하지 못했습니다. 데이터는 변화를 전혀 추적하지 못하는 상태부터 중간 정도의 추적 능력까지 다양한 가능성과 부합했는데, 이는 헤드밴드가 변화를 감지할 수 있다는 확증이 부족할 뿐만 아니라, 그것이 불가능하다는 증거 또한 부족함을 의미합니다. 즉, 헤드밴드가 심박수를 알려주는 데는 탁월할지 모르나, 맥박의 변이성을 바탕으로 이완의 변화를 추적할 수 있다는 점은 가슴 스트랩만큼 신뢰성 있게 확인할 수 없습니다.

연구진은 Muse 2 헤드밴드가 평균 심박수를 측정하는 데는 신뢰할 수 있는 도구이지만, 심박 변이도 측정값은 주의해서 다루어야 한다고 결론지었습니다. 이 기기는 가슴 스트랩과 동일한 것을 측정하는 것이 아니라, 가슴 스트림이 보지 못하는 추가적인 노이즈와 생물학적 지연을 포함하는 맥박 변이(pulse-rate variability)를 측정합니다. 정밀한 신경계 기능 데이터를 필요로 하는 과학자와 임상의들에게 헤드밴드의 수치는 직접적인 대체물이 될 수 없습니다. 연구는 만약 이 기기들을 변이도 측정에 사용한다면, 그 결과를 심장 리듬이 아닌 맥박 리듬의 척도로 보고해야 하며, 사용자는 그 수치가 의료용 기기가 보여주는 것보다 높게 나타날 가능성이 있음을 이해해야 한다고 제언합니다. 기술은 유용하지만, 특정한 한계가 있습니다. 즉, 비트의 수를 셀 수는 있지만, 심장 타이밍의 미묘하고 변화무쌍한 춤을 완벽하게 포착할 수는 아직 없다는 것입니다.