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비의학적 분야에서 인체의 생체 신호에 대한 관심은 날로 증가하고 있으며, 이것은 아마도 우리 경제의 새로운 성장비전으로 제시된 신성장동력 산업에서 헬스케어 산업에 대한 관심도가 높아지기 때문이 아닌가 생각할 수 있다. 본 고는 공학도인 필자가 병원이나 보건소 같은 의료기관에서 착용하는 측정기나 시중에 선보인 헬스케어 장치를 사용할 때 겪는 불편함을 조금이 나마 해소하기 위해서 사용자가 무자각 상태에서 생체 신호 특히 호흡 신호와 심장박동 신호를 측정할 수 있는 작은 가능성을 소개하고자 한다.
전통적으로 호흡 진단기는 흉부 착용식 벨트에 연결되어 있는 힘(Force)을 전기적 신호로 변환하는 센서를 통해 호흡 신호를 측정할 수 있다. 심장박동 신호는 심전도 진단기나 맥박 진단기를 사용할 수 있으며 심전도 진단기는 심장의 미세한 전기적 전위차를 측정하는 전극 센서를, 맥박 진단기는 혈관에 흐르는 헤모글로빈의 밀도를 전기적 신호로 변환하는 광학 센서를 사용한다. 이러한 의료용 진단기 뿐만 아니라 일상 생활의 운동 및 건강 관리를 위해 사용하는 밴드형 맥박 측정기, 흉부 벨트형 심전도 측정기 등은 인체에 감지부를 직접 착용해야 한다. 앞서 언급한 기기 중에 호흡 진단기를 제외하면 모두 센서의 감지부를 피부에 닿아야 하는 피부 접촉식 센서 형태를 갖는다. 피부 접촉식 센서는 센서를 착용하기 위해서 옷을 탈의해야 하거나, 접착 성분이 도포된 센서를 피부에 부착하거나, 센서를 피부에 밀착하기 위해서 접착 재료 (Adhesive material)를 사용하거나 물리적으로 센서를 피부에 고정시키게 된다. 이로 인해 원치 않는 피부 반응이 나타나거나 착용의 번거로움이 생기게 되는데 결국 사용자가 착용한 센서를 의식하게 되어 불편함을 느끼게 되는 것이다.
호흡과 심장박동은 폐와 심장을 둘러싼 기관의 움직임을 동반하게 되는데, 이것은 인체의 피부 표면에 미세한 진동으로 나타나게 된다. 실제 호흡을 통해서 피부 표면은 수 mm 혹은 수 cm이 움직이게 되고, 심장박동은 수백 um의 피부 표면 움직임을 발생시킨다. 피부 표면의 미세한 진동은 도플러 레이더를 통해 관측이 가능하다. 도플러 레이더는 흔히 일상에서 과속 차량 감지기에 사용되는데 실제로 원유 탱크로리 레벨 측정기처럼 매우 정밀도가 요구되는 분야에 주로 사용되는 기술이다. 일반적으로 주파수가 높은 도플러 레이더가 높은 측정 정밀도를 갖는데 그 이유는 다음의 수식으로 이해할 수 있다. 수식 (1)은 도플러 레이더의 출력 신호이다. 수식 (1)에서 λ는 도플러 레이더의 주파수 파장, xr(t)와 xh(t)는 각각 호흡과 심장박동으로 인한 피부 표면이 움직이는 거리이다.
