전극에서 수치까지: 신호 사슬

모든 심박변이도(HRV) 수치는 하나의 사슬 끝에 있습니다. 센서가 신호를 기록하고, 클록이 그 신호를 샘플링하고, 소프트웨어가 박동을 하나씩 찾고, 보정 단계가 정상이 아닌 박동을 없애고, 남은 NN 시계열에서 모든 지표를 계산합니다. 고리마다 고유한 오차가 더해지고, 각 고리에서 내린 선택 때문에 같은 기록을 두 프로그램이 서로 다르게 계산할 수 있습니다.

레벨 13에서는 이 사슬의 대부분을 블랙박스로 다뤘습니다. 이 레벨에서는 그 안을 들여다봅니다. 계산 예시에는 교육용 기록을 씁니다. 안정 시 박동을 오 분 동안 기록한 것으로, 간격 341개, 평균 881 ms(분당 68회), RMSSD RMSSD RMSSD 연속한 NN 간격 차이의 제곱평균제곱근. 심장 박동 간격이 다음 간격과 얼마나 다른지를 밀리초 단위로 나타내는 심박변이도(HRV) 지표이며, 주로 미주신경 활동을 반영합니다. RMSSD 더 알아보기 33.4 ms, SDNN SDNN SDNN 기록에 들어 있는 모든 NN 간격의 표준편차로, 단위는 ms입니다. 전반적인 변동을 나타내며, 값이 기록 시간의 길이에 크게 좌우됩니다. SDNN 더 알아보기 28.7 ms입니다. 같은 기록을 레슨 1719에서도 사용합니다.

고리 1: 신호, 전기 신호 또는 광학 신호

심전도( ECG ECG 심전도(ECG) 피부에 붙인 전극으로 심장의 전기 활동을 기록한 것입니다. 심전도로 구한 RR 간격이 심박변이도(HRV) 측정의 기준 방법입니다. 심전도(ECG) 더 알아보기 )는 피부에 붙인 전극 사이의 전압을 기록합니다. 박동마다 R파라는 뾰족한 파형이 생기고, 그 꼭대기가 분명한 시간 표시가 됩니다. 가슴 스트랩은 전극 두 개짜리 심전도이며, 박동 검출을 스트랩 안에서 합니다.

높고 뾰족한 R 피크 네 개가 있는 심전도 파형입니다. 피크 사이의 간격은 0.98, 1.06, 0.95초로 표시되어 있어, 같은 간격이 하나도 없습니다.

광용적맥파 광용적맥파 PPG 피부에 빛을 비추고 박동마다 밀려드는 혈액의 맥을 감지하는 광학 방식입니다. 대부분의 스마트워치, 링, 휴대폰 카메라 앱이 이 방식으로 심박변이도(HRV)를 추정합니다. PPG 더 알아보기 (PPG) 센서는 시계, 링, 휴대폰 카메라에 들어 있는 초록색이나 빨간색 빛으로, 피부 아래 혈액이 빛을 얼마나 흡수하는지 측정합니다. 박동마다 압력파가 동맥을 따라 퍼지고, 센서는 이 압력파를 박동보다 늦게, 파가 동맥을 지나 도착한 뒤에 나타나는 넓은 봉우리로 봅니다. 이 봉우리에는 날카로운 모서리가 없고, 박동과 봉우리 사이의 지연은 혈관의 경직도, 자세, 체온에 따라 달라집니다. 그래서 맥박 두 번 사이의 간격은 박동 두 번 사이의 간격과 정확히 같지 않습니다. 2024년 Psychophysiology 지침은 PPG의 신호 대 잡음비가 심전도보다 훨씬 낮다고 설명하며, 일치도는 안정 시에 “좋은 편에서 받아들일 만한 수준”이고 신체 활동 중에는 더 나빠지며 기기마다 다르다고 합니다(Quigley 연구진, 2024). 여기서 얻는 것은 HRV와 가까운 사촌인 맥박변이도 맥박변이도 맥박변이도 스마트워치, 링, 휴대폰 카메라가 광학 방식으로 재는 맥박 사이 시간의 변이입니다. 안정 시에는 심박변이도(HRV)와 가깝게 따라가지만 움직이는 동안에는 벗어납니다. 맥박변이도 더 알아보기 (PRV)입니다. PPG: 시계는 맥박을 어떻게 읽을까 페이지에서 파형과 센서, 잘못되는 경우를 자세히 다룹니다.

1. 수축기 피크
2. 중복절흔
3. 이완기 피크
4. 맥박 간 간격: 한 수축기 피크에서 다음 수축기 피크까지

맥파 두 개가 이어지는 부드러운 파형입니다. 각 맥파는 가파르게 올라 수축기 피크에 이르고, 중복절흔이라는 작은 골로 내려갔다가, 더 낮은 이완기 피크로 다시 올라간 뒤 처음 높이로 돌아옵니다. 두 수축기 피크 사이의 간격이 1.00초로 표시되어 있습니다.

고리 2: 클록

디지털 기록기는 신호를 일정한 속도로 읽습니다. 이 속도가 샘플링 주파수이며, 단위는 초당 샘플 수(Hz)입니다. 샘플과 샘플 사이는 알 수 없으므로, 피크는 샘플 격자 위에만 놓을 수 있습니다. 박동 하나의 타이밍 오차는 샘플 간격의 절반 정도입니다.

$$\Delta t \approx \frac{1}{2 f_s}$$

풀어 쓰면, 일 초를 샘플링 주파수로 나눈 값이 샘플 간격이고, 그 절반이 실제 피크가 가장 가까운 샘플에서 떨어질 수 있는 최대 거리입니다. 1000 Hz에서 ±0.5 ms, 250 Hz에서 ±2 ms입니다. 간격에는 양 끝이 있어서 간격의 오차는 샘플 간격 하나만큼까지 갈 수 있습니다. Quigley 연구진(2024, 3.1절)은 이 샘플 간격 전체를 R파 검출의 정확도로 제시하며, 1000 Hz에서 ±1 ms, 250 Hz에서 ±4 ms라는 보수적인 수치를 내놓고 1000 Hz를 권합니다. 유럽심장학회와 북미 심박조율·전기생리학회의 태스크포스(Task Force, 1996)가 제시한 수치는 문헌마다 다르게 전해집니다. Catai 연구진(2020)은 이를 인용해 250500 Hz를 이상적인 범위라고 하고, Peltola(2012)는 최소 5001000 Hz로 해석합니다. Laborde 연구진(2017)은 최소 125 Hz를 권하며, 호흡에 따른 변동이 작을 때는 500 Hz를 보수적인 하한으로 봅니다. 또 샘플 사이에서 피크를 보간하면 그보다 낮은 주파수도 쓸 수 있다고 덧붙입니다.

오차가 얼마나 문제가 되는지는 그 오차가 가리는 변이의 크기에 견주어 정해집니다. 교육용 기록의 각 박동을 점점 거친 클록의 가장 가까운 눈금에 맞추어 시간을 매긴 결과가 아래 표입니다. 아래의 대화형 그래프와 같은 모델입니다.

마지막 줄은 초당 25프레임의 휴대폰 카메라이며, 프레임 사이를 보간하지 않은 경우입니다. RMSSD가 33.4 ms일 때 4 ms 격자는 거의 아무것도 바꾸지 않습니다. 40 ms 격자는 RMSSD를 31% 높이는데, 간격마다 양쪽 박동의 반올림 오차가 실리고 RMSSD가 그 가짜 변화를 세기 때문입니다. 가짜 변화의 크기는 누구를 측정하든 같으므로, 변이가 작은 심장에서 가장 크게 작용합니다. 기록의 모든 흔들림을 삼분의 일로 줄여 실제 RMSSD가 11.1 ms가 되게 하면, 같은 카메라로는 28.3 ms가 나옵니다. 카메라 앱과 시계 앱이 원래 프레임 시간을 그대로 쓰지 않고 프레임 사이에서 피크를 보간하는 까닭이 이것입니다. 대화형 그래프에서 맥파로 바꾸고 보간을 켜면 얼마나 되찾는지 볼 수 있습니다.

박동 시점을 얼마나 촘촘히 잴까?

다시 샘플링한 교육용 기록

박동 앞 간격, 처음 60초 780~980 ms, 점선은 실제 시점

시간 분해능

±0.5 ms

RMSSD, 측정값

33.4 ms

RMSSD, 실제 값

33.4 ms

SDNN

28.7 ms

pNN50

8.2 %

1000 Hz에서는 각 박동의 시점이 1 ms 단위로 정해집니다. RMSSD가 실제 값과 일치합니다.

샘플링 주파수 1000 Hz, 1 ms마다 샘플 하나 10005002501005025

박동의 파형

심전도 스파이크(좁음) 맥파(넓음)

샘플 사이를 보간해 각 박동의 시점을 정밀하게 추정

JavaScript를 켜면 조작 도구가 작동합니다.

교육용 기록의 처음 60초 동안 박동 사이 간격을 이은 선으로, 실제 시점은 점선, 기기가 잰 시점은 실선입니다. 수치 표시에는 밀리초 단위의 시간 분해능, 측정한 RMSSD와 실제 RMSSD, SDNN, pNN50이 나옵니다. 슬라이더로 샘플링 주파수를 1000 Hz에서 25 Hz까지 정하고, 라디오 버튼 두 개로 좁은 심전도 스파이크와 넓은 맥파 중에서 고르며, 확인란으로 샘플 사이 보간을 켭니다. 1000 Hz에서는 수치가 일치하고, 보간 없이 25 Hz에서는 RMSSD가 약 3분의 1만큼 높게 나옵니다.

고리 3: 박동 찾기

검출 소프트웨어는 박동마다 한 점을 표시합니다. 심전도에서는 R파의 꼭대기를 높이와 기울기에 관한 규칙으로 찾고, 피크 주변 샘플에 곡선을 맞추어 시간 표시가 샘플 사이에 놓일 수 있게 다듬습니다. PPG에서는 파형의 시작점, 꼭대기, 가장 가파르게 오르는 지점 중 하나를 고르며, 어느 점을 고르느냐에 따라 간격이 몇 밀리초 달라집니다.

여러 지침은 자동 검출 뒤에 파형을 직접 확인해야 한다는 데 의견이 같습니다. Quigley 연구진(2024)은 검출에 이어 “대화형 육안 검사”를 하는 절차를 설명하고, Laborde 연구진(2017)은 스트랩이나 시계가 보고하는 간격에 의존하지 말고 심전도 자체를 기록해 박동을 확인할 수 있게 하라고 권합니다. 소비자용 기기는 이 단계를 건너뜁니다. 연구 프로토콜은 수치를 믿을 수 있지만 시계는 그럴 수 없는 이유 가운데 하나가 이것입니다.

고리 4: 보정, 방법의 이름과 함께

박동 시계열에서는 세 가지 문제가 생깁니다. 검출을 놓치면 간격 하나가 이웃의 두 배쯤으로 깁니다. 검출이 하나 더 생기면 간격 하나가 짧은 두 간격으로 나뉩니다. 소프트웨어가 아니라 심장에서 나온 조기 박동 조기 박동 이소성 박동 심장의 자체 박동 조율기 밖에서 시작해 대개 정해진 때보다 일찍 나타나는 심장 박동입니다. 흔하지만, 제거하거나 보정하지 않으면 심박변이도(HRV)를 왜곡합니다. 이소성 박동 더 알아보기 (이소성 박동)은 짧은 간격 뒤에 긴 보상성 휴지가 따라옵니다. 지표는 모든 간격이 정상 박동이라고 가정하므로, 세 가지 모두 찾아서 처리해야 합니다. 아티팩트와 추가 박동: HRV 측정이 틀어지는 이유 글에서 각각이 남기는 모양과 그 배경이 되는 일상의 원인을 그려 보여 줍니다.

조기 박동 하나가 어떤 영향을 주는지 보겠습니다. 교육용 기록의 171번째 간격은 910 ms였고 그다음은 877 ms였습니다. 이 박동이 간격의 60%에서 일찍 오게 하면 546 ms가 되고, 다음 간격이 나머지를 떠안아 1241 ms가 됩니다. 전체 시간은 변하지 않습니다. 지표는 변합니다.

‘간격 한 쌍 삭제’는 교란된 간격 두 개를 버립니다. ‘간격 한 쌍 보간’은 두 간격을 모두 이웃 간격의 평균인 909 ms로 바꿉니다. 국소 중앙값 규칙은 이 사이트의 계산기가 쓰는 규칙으로, 여기서는 간격 2개, 기록의 0.6%를 버렸습니다. 341개 중 박동 하나가 RMSSD를 사분의 삼만큼 높였습니다. RMSSD는 변화량을 제곱하므로 695 ms의 변화 하나가 20 ms나 30 ms 정도의 변화 수백 개보다 더 크게 작용하기 때문입니다. Laborde 연구진(2017)은 Berntson과 Stowell에서 같은 교훈을 인용합니다. 심장 박동 하나가 차이를 만든다는 것입니다. 이 문제를 처리하는 방법에는 이름이 있고, 보고서에서는 그 이름을 써야 합니다.

삭제는 잘못된 간격을 없애고 틈을 메웁니다. SDNN에서는 견딜 만하지만, 이웃이었던 적이 없는 두 간격을 이어 붙이므로 연속한 차이를 쓰는 지표와 스펙트럼에는 가짜 계단이 보입니다. Peltola(2012)는 삭제가 남기는 계단 모양과 삭제가 더하는 가짜 LF LF LF 파워 0.04~0.15 Hz 대역, 곧 7~25초마다 반복되는 리듬에 들어가는 심장 박동 간격의 분산이며 단위는 ms²입니다. 한때 교감신경 활동으로 읽혔지만 지금은 논란이 있습니다. LF 파워 더 알아보기 (저주파) 및 HF HF HF 파워 0.15~0.40 Hz 대역, 곧 일반적인 호흡 범위에 들어가는 심장 박동 간격의 분산이며 단위는 ms²입니다. 호흡이 분당 9~24회일 때는 주로 미주신경 활동을 반영합니다. HF 파워 더 알아보기 (고주파) 성분을 설명하며, 느린 대역에는 적합하지 않다고 봅니다.

보간은 잘못된 간격을 이웃 값으로 만든 값으로 바꿉니다. 이웃의 평균(영차), 직선(선형), 주변 점을 지나는 매끄러운 곡선(삼차 스플라인) 중 하나를 씁니다. 박동 수와 타이밍이 그대로 유지되는데, 스펙트럼에는 이것이 필요합니다. 대가는 보간이 저역 통과 필터처럼 작용한다는 점입니다. 보간한 구간은 실제 박동보다 매끄러워지고, 선형 보간과 스플라인 보간은 LF 파워와 VLF 파워 VLF 파워 VLF 파워 0.003~0.04 Hz 대역에서 심장 박동 간격의 분산으로, 단위는 ms²입니다. 25초에서 5분 주기로 반복되는 리듬이며, 최소 5분 기록이 필요하고 24시간에 걸쳐 읽는 것이 가장 좋습니다. VLF 파워 더 알아보기 (초저주파 파워)를 높이는 것으로 보고되었습니다(Peltola, 2012). 같은 리뷰에서 인용한 Salo 연구진은 RMSSD와 pNN50에서 삭제보다 보간을 선호했습니다.

임계값 규칙은 어떤 간격을 바꿀지 정합니다. Kubios HRV의 임계값 보정은 각 간격을 국소 중앙값과 비교해, 정해진 값보다 많이 차이 나는 간격에 표시를 하고, 표시한 간격을 삼차 스플라인으로 채웁니다. 정해진 값은 평균 심박수에 맞추어 조정되며 ‘very low’(매우 약함) 설정에서 0.45초, ‘low’(약함) 0.35초, ‘medium’(중간) 0.25초, ‘strong’(강함) 0.15초, ‘very strong’(매우 강함) 0.05초입니다(Kubios HRV User’s Guide, 2021). 설정이 중요하고, 설정을 확인하는 것도 중요합니다. Laborde 연구진(2017)은 자동 임계값 보정이 ‘very low’ 설정에서도 실제 박동을 아티팩트로 표시해 미주신경 미주신경 미주신경 뇌간에서 심장, 폐, 장으로 이어지는 부교감신경계의 주된 신경입니다. 심장으로 가는 빠른 신호가 박동 간 심박변이도(HRV)의 대부분을 만듭니다. 미주신경 더 알아보기 지표를 11% 바꾼 기록을 보여 주며, 자동 보정만 믿지 말고 심전도를 직접 살펴보라고 권합니다. 이 사이트의 HRV 계산기는 범위 규칙(300~2000 ms)과 국소 중앙값 규칙을 쓰는데, 후자는 이웃 간격의 중앙값에서 25%보다 많이 벗어난 간격을 버립니다. 위 표에서는 교란된 간격 두 개를 모두 잡았고 다른 간격은 건드리지 않았습니다. 채우지 않고 버리는 것은 시간 영역 지표를 보고하는 도구에 맞춘 선택이며, 스펙트럼에는 채우기가 필요합니다.

자동 박동 분류는 간격 자체가 아니라 연속한 간격의 차이(dRR 시계열)를 봅니다. Kubios의 방법은 프리미엄 버전에 있으며, 주변 박동 90개의 사분위 편차에 5.2를 곱해 박동마다 임계값을 정한 다음, dRR 시계열에서 아티팩트가 만드는 모양을 찾습니다. 이소성 박동은 음-양-음 또는 양-음-양 패턴을 만들고, 긴 간격은 양-음, 짧은 간격은 음-양 패턴을 만듭니다. 놓친 박동과 추가 박동은 간격을 주변 10개의 중앙값과 비교해 찾습니다(Kubios HRV User’s Guide, 2021). 심방과 심실의 이소성 박동이 실제로 있는 기록에서 발표된 알고리즘은 그 박동의 96.96%를 찾았고 특이도는 99.94%였습니다. 놓친 박동과 추가 박동을 모의로 만든 기록에서는 보정 뒤 HRV 지표의 오차가 2% 미만이었고, 타이밍 어긋남이 가장 작은 경우에는 8%에 조금 못 미치는 수준까지 올랐습니다(Lipponen과 Tarvainen, 2019).

이 페이지에는 서로 다른 임계값 규칙이 두 가지 나오므로 이름을 헷갈리지 마세요. 아래 대화형 그래프는 고정 임계값, 즉 Kubios의 ‘medium’ 수준을 씁니다. 이웃 열 개의 중앙값에서 250 ms보다 많이 벗어난 간격에 표시를 하고, 어떻게 채울지는 직접 고를 수 있습니다. 위 표에 쓴 이 사이트의 계산기는 비례 규칙을 씁니다. 이웃의 중앙값에서 25%보다 많이 벗어난 간격을 버립니다. 교육용 기록처럼 간격이 881 ms 근처이면 25%는 약 220 ms로 고정값 250 ms에 가깝습니다. 심박수가 빨라 간격이 더 짧아지면 비례 규칙이 둘 중 더 엄격해집니다.

잘못된 박동 하나 정리하기

교육용 기록, 간격 341개

박동 앞 간격, 처음 60초 표시됨

깨끗한 기록 놓친 박동 추가 박동 이소성 박동

그대로 두기 삭제 이웃 평균 선형 보간 3차 스플라인

표시된 간격: 1 개 중 341 개

지표	깨끗한 기록	잘못된 박동	보정 후
RMSSD (ms)	33.4	70.2	70.2
SDNN (ms)	28.7	51.7	51.7
pNN50 (%)	8.2	8.8	8.8
LF 파워 (ms²)	120	1241	1241
HF 파워 (ms²)	635	2314	2314

놓친 박동은 간격 하나를 이웃 간격의 약 두 배로 길게 만듭니다. 그대로 두면 RMSSD가 33.4 ms에서 70.2 ms로 올라 실제 값의 2.1배가 되고, SDNN은 그보다 덜 변합니다.

JavaScript를 켜면 버튼이 작동합니다.

교육용 기록의 처음 60초 동안 박동 사이 간격을 이은 선으로, 일부러 넣은 아티팩트가 스파이크로 보이고, 표시된 간격마다 원이 있으며 그 위에 보정한 선이 겹쳐 그려져 있습니다. 표에는 깨끗한 기록, 아티팩트를 그대로 둔 경우, 보정한 뒤의 RMSSD, SDNN, pNN50, LF 파워, HF 파워와 표시된 간격의 수가 나옵니다. 버튼 한 묶음으로 놓친 박동, 추가 박동, 이소성 박동을 넣거나 깨끗한 기록으로 되돌리고, 다른 한 묶음으로 보정 방법을 고릅니다. 그대로 두기, 삭제, 이웃 평균, 선형 보간, 3차 스플라인 중에서 고릅니다. 놓친 박동을 그대로 두면 RMSSD가 대략 두 배가 되며, 어떤 보정 방법을 쓰든 실제 값과의 차이가 몇 % 이내로 줄어듭니다.

더 알아보기 편집은 어느 정도부터 지나칠까?

합의된 한도는 없습니다. Peltola(2012)에 따르면 대부분의 연구자는 정상 간격이 최소 80%일 것을 요구하고, 발표된 연구에서 편집한 박동은 1%에서 30%까지 다양했으며, 짧은 기록에서는 편집한 간격이 5% 미만이어도 HF, LF, pNN50, RMSSD가 측정할 수 있을 만큼 달라집니다. Quigley 연구진(2024)은 저자에게 삭제하거나 대체한 박동 수와 5초보다 긴 공백을 보고하고, 편집 비율이 1%를 넘으면 편집이 미친 영향을 검증하라고 요구합니다. Catai 연구진(2020)은 제외하거나 보간한 박동 수를 밝히라고 요구합니다. HRV로 운동 역치를 찾은 한 연구에서는 참가자 17명 중 두 명이 이소성 박동이 잦아 제외되었고, 분석한 구간의 아티팩트는 0%~3%였습니다(Rogers 연구진, 2021, 레슨 19에서 인용). 실용적인 기준은 이렇습니다. 보정한 박동이 몇 퍼센트를 넘는 기록은, 소프트웨어가 무엇을 했든 의심하며 읽어야 합니다.

고리 5: NN 시계열

보정을 거치고 남는 것은 정상 동성 박동 사이의 간격 목록인 NN 시계열입니다(Task Force, 1996). ‘RR’이 아니라 ‘NN’이라고 부르는 것은 정상 동성 박동만 남았다는 점을 분명히 하기 위해서입니다(Peltola, 2012). 앱은 두 표기를 엄밀히 구분하지 않고 쓰며, Kubios는 같은 것을 IBI IBI RR 간격 심전도의 R 피크 사이에서 잰, 한 박동에서 다음 박동까지의 시간으로 단위는 밀리초입니다. 심박변이도(HRV)는 이런 간격을 차례로 이은 시계열로 계산합니다. RR 간격 더 알아보기 (심박 간격) 시계열이라고 부릅니다.

이 목록의 두 가지 성질이 이후의 모든 것을 좌우합니다. 첫째, 목록은 시간이 아니라 박동 순서를 기준으로 합니다. 100번째 간격은 약 88초 지점에서, 200번째 간격은 약 176초 지점에서 일어났고, 심박수가 빠르면 일 분에 더 많은 간격이 들어갑니다. 시간 영역 지표(레슨 17)는 이를 신경 쓰지 않습니다. 주파수 영역 지표(레슨 18)는 신경을 쓰므로, 스펙트럼을 만들기 전에 시계열을 일정한 클록 위로 다시 샘플링합니다. 둘째, 목록의 길이는 심박수에 따라 달라집니다. 분당 68회로 오 분이면 간격이 341개이지만, 분당 50회라면 약 250개입니다. 박동 수로 정한 규칙과 초로 정한 규칙은 같은 규칙이 아닙니다.

웨어러블 기기에 이것이 뜻하는 바

같은 사람에게 시계, 링, 가슴 스트랩을 함께 착용하면 세 가지 서로 다른 사슬이 돌아갑니다. 센서도, 샘플링 주파수도, 검출 지점도, 보정 방법도 다르며, 그중 어느 것도 사용자에게는 보이지 않습니다. 기기에서 박동 데이터를 내보낼 수 있다면 RR 변환기로 파일을 RR 간격 목록으로 바꾸어, 보정과 지표 계산을 직접 해 볼 수 있습니다. 레슨 8에서는 기기마다 결과가 다른 이유를 정리했고, 이 레슨은 그중 두 가지의 작동 원리입니다. 제조사가 자사 HRV가 ‘검증되었다’고 할 때 물어야 할 것은, 사슬의 어느 고리를 무엇과 비교해 검증했느냐입니다. 레슨 20에서 이런 주장을 읽는 방법을 다룹니다.

다음 레슨 17에서는 NN 시계열을 가지고, 그 위에 만들어진 시간 영역 지표, 기하학적 지표, 푸앵카레 지표를 하나씩 살펴봅니다.