그림 1. 인바디 장치
여러분은 혹시 인바디 검사를 해보신 적이 있나요? 체중만 측정해주는 체중계와 달리, 30초도 안 되는 짧은 시간에 종이 한 면을 꽉 채워 여러분 몸의 분석 결과를 알려주는 인바디 장치의 원리가 궁금하진 않으셨나요? 이번 기사에서는 인바디 장치가 도대체 어떻게 기기 위에 올라가 손잡이를 잡고 서 있는 것만으로 우리 몸을 이루는 수많은 요소를 수치화해주는 것인지 알아보려고 합니다.
인바디 장치는 생체전기임피던스법(Bioelectrical Impedance Analysis; BIA)을 이용해 체성분을 측정합니다. 이름만 들으면 복잡해 보이지만, 단어를 쪼개어 살펴보면 그 의미를 유추할 수 있습니다. 인체에 미세한 '전기'를 통하게 해서 나타나는 '임피던스(Z)'를 이용하여 체성분을 분석하는 것입니다. 그렇다면, 임피던스가 무엇인지 알아야겠죠? 임피던스는 전압을 가했을 때 전류가 흐르는 것에 반항하는 정도를 의미합니다. 많은 분이 임피던스의 정의를 읽고 저항을 떠올리셨을 것이라는 생각이 듭니다.
인바디 장치는 생체전기임피던스법(Bioelectrical Impedance Analysis; BIA)을 이용해 체성분을 측정합니다. 이름만 들으면 복잡해 보이지만, 단어를 쪼개어 살펴보면 그 의미를 유추할 수 있습니다. 인체에 미세한 '전기'를 통하게 해서 나타나는 '임피던스(Z)'를 이용하여 체성분을 분석하는 것입니다. 그렇다면, 임피던스가 무엇인지 알아야겠죠? 임피던스는 전압을 가했을 때 전류가 흐르는 것에 반항하는 정도를 의미합니다. 많은 분이 임피던스의 정의를 읽고 저항을 떠올리셨을 것이라는 생각이 듭니다.
그림 2 저항, 리액턴스와 임피던스의 관계
임피던스와 저항은 비슷하지만, 저항은 직류 회로1 에서, 임피던스는 교류 회로2에서 입력 대비 출력의 비율로 설명된다는 점에서 차이를 갖습니다. 더불어, 교류 회로에서는 시간에 따라 전압이 정현파3의 형태로 변화하기 때문에 임피던스에는 위상 변화라는 개념이 추가로 관여하게 됩니다. 그렇지만, 직류 회로에서 옴의 법칙 V=IR이 성립하듯 교류 회로에서 V=IZ가 성립하기 때문에 전압과 전류를 측정하면 임피던스 값을 구할 수 있습니다. 이렇게 임피던스까지 알아보았으니 본격적으로 인바디 장치의 분석 원리를 파헤쳐볼까요?
1 직류 전원이 연결된 회로로, 전원이 공급될 때 전류의 방향이 바뀌지 않는 회로를 의미해요.
2 교류 전원이 연결된 회로로, 전력 공급원으로부터 전류의 양과 방향이 주기적으로 바뀌는 회로를 의미해요. 우리가 사용하는 대부분의 전자제품은 교류 회로로 이루어져 있답니다.
3 파형이 sin 함수인 파동을 의미해요.
2 교류 전원이 연결된 회로로, 전력 공급원으로부터 전류의 양과 방향이 주기적으로 바뀌는 회로를 의미해요. 우리가 사용하는 대부분의 전자제품은 교류 회로로 이루어져 있답니다.
3 파형이 sin 함수인 파동을 의미해요.
그림 3 인바디 검사 결과지
하지만 인바디 장치가 실질적으로 직접 측정하는 정보는 앞서 알아본 ‘임피던스’입니다. 인바디 기계는 임피던스를 통해 총 체수분, 부위별 체지방률, 세포 내외 수분비라는 3가지 정보를 우선 측정한 후, 이를 바탕으로 하여 다른 수치들을 계산과 통계를 통해 도출해 내는데요. 하나하나 같이 알아봅시다!
먼저, 인바디 장치는 체내 수분을 정확하게 측정합니다. 우리 몸의 70%는 물로 이루어져 있다는 말을 들어보신 적이 있을 것입니다. 그만큼 물은 우리 몸의 많은 부분을 차지합니다. 인바디 장치는 이 점을 이용해서 신체의 체수분 전체에 전류를 흐르게 하고, 전류가 흐를 때 생기는 저항을 측정합니다. 수분량이 많을수록 저항이 작아지므로, 측정된 임피던스 데이터를 이용해서 총 체수분량을 알 수 있습니다. 나아가, 근육세포가 지방세포보다 더 많은 수분을 가지고 있다는 점을 이용하여 체지방률 또한 계산할 수 있습니다. 근육량이 많을수록 작은 임피던스 값이 측정되겠죠?
두 번째로 인바디 장치는 부위별 체지방률을 측정합니다. 임피던스는 통과하는 물체의 단면적과 길이에 크게 영향을 받는데, 신체 부위마다 이러한 특성이 다르게 나타납니다. 따라서 인바디 장치는 우리 몸을 두 팔, 몸통, 두 다리의 5개 실린더로 세분화하고, 각 부분의 저항을 측정하여 부위별 체지방률을 도출해냅니다. 우리의 몸을 회로로 표현한 그림은 아래와 같습니다.
먼저, 인바디 장치는 체내 수분을 정확하게 측정합니다. 우리 몸의 70%는 물로 이루어져 있다는 말을 들어보신 적이 있을 것입니다. 그만큼 물은 우리 몸의 많은 부분을 차지합니다. 인바디 장치는 이 점을 이용해서 신체의 체수분 전체에 전류를 흐르게 하고, 전류가 흐를 때 생기는 저항을 측정합니다. 수분량이 많을수록 저항이 작아지므로, 측정된 임피던스 데이터를 이용해서 총 체수분량을 알 수 있습니다. 나아가, 근육세포가 지방세포보다 더 많은 수분을 가지고 있다는 점을 이용하여 체지방률 또한 계산할 수 있습니다. 근육량이 많을수록 작은 임피던스 값이 측정되겠죠?
두 번째로 인바디 장치는 부위별 체지방률을 측정합니다. 임피던스는 통과하는 물체의 단면적과 길이에 크게 영향을 받는데, 신체 부위마다 이러한 특성이 다르게 나타납니다. 따라서 인바디 장치는 우리 몸을 두 팔, 몸통, 두 다리의 5개 실린더로 세분화하고, 각 부분의 저항을 측정하여 부위별 체지방률을 도출해냅니다. 우리의 몸을 회로로 표현한 그림은 아래와 같습니다.
그림 4. 단일 실린더 모형과 5개 실린더 모형 / 그림 5. 우리 몸의 회로도
그림을 참고하여 오른쪽 팔의 저항 R_RA의 값을 구하는 방법을 예시로 알아보겠습니다. 인바디 장치는 양손에 엄지와 손바닥, 양발에 앞 발바닥과 뒤 발바닥에 위치한 총 8개 전극으로 이루어져 있습니다.
그림 6 인바디 장치의 전극 구성
몸에 전류를 흘려 보내준 후, 오른쪽 엄지 전극과 왼쪽 엄지 전극 사이의 전압을 측정하면 실질적으로 왼쪽 팔 부분의 저항에는 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 오직 오른쪽 팔의 저항에 의한 전압 강하4를 측정할 수 있습니다. 전류와 전압을 바탕으로 임피던스값을 얻으면, 오른쪽 팔만의 체지방률을 계산할 수 있게 됩니다. 왼쪽 팔과 두 다리도 비슷한 방법으로 임피던스를 계측하여 신체 각 부위의 체지방률을 얻을 수 있습니다. 다만, 신체 부분별 무게는 측정이 불가능하기 때문에 신체 부위별 체지방량의 경우에는 통계를 통해서 도출합니다.
그림 7 인바디 결과지의 임피던스 측정표
마지막으로 인바디 장치는 세포 내, 외 수분의 비율을 측정합니다. 인바디 검사 결과지의 하단을 보면 아래 그림과 같은 표를 볼 수 있습니다.
위 표는 여러 주파수의 교류 전류를 흘리고, 이에 따른 임피던스를 측정한 값을 나타냅니다. 우리 몸을 이루는 세포의 막은 인지질 이중층으로 되어 있어서 축전기와 비슷한 역할을 하는데요. 축전기는 직류 전류는 흐르지 못하게 하지만, 교류 전류는 그 주파수에 따라 다른 양의 전류를 흐르게 하는 특징을 가집니다. 따라서 고주파의 전류를 흘리면 세포를 통과하여 흐르지만, 저주파의 전류를 흘리면 세포를 통과하지 못하고 세포외액으로만 흐르게 됩니다.
위 표는 여러 주파수의 교류 전류를 흘리고, 이에 따른 임피던스를 측정한 값을 나타냅니다. 우리 몸을 이루는 세포의 막은 인지질 이중층으로 되어 있어서 축전기와 비슷한 역할을 하는데요. 축전기는 직류 전류는 흐르지 못하게 하지만, 교류 전류는 그 주파수에 따라 다른 양의 전류를 흐르게 하는 특징을 가집니다. 따라서 고주파의 전류를 흘리면 세포를 통과하여 흐르지만, 저주파의 전류를 흘리면 세포를 통과하지 못하고 세포외액으로만 흐르게 됩니다.
4 전류가 전선을 타고 이동할 때 저항을 만나 전압의 크기가 낮아지는 현상을 말합니다. 전압 강하의 정도는 옴의 법칙인 V=IR 을 따르게 돼요.
그림 8 고주파와 저주파 교류 전류에서 전류의 진행 경로
그렇게 되면 고주파의 전류를 흘릴 때 임피던스는 낮게 측정되고, 저주파의 전류를 흘릴 때는 임피던스가 크게 측정되겠죠? 이 차이를 이용하여 세포 내 수분량과 세포 외 수분량의 비율을 측정합니다.
이렇게 오늘은 우리가 일상에서 쉽게 접하는 인바디 장치의 원리를 살펴보았는데요, 생각보다 흥미로운 원리가 숨겨져 있지 않았나요? 여러분도 일상 속에서 사용하는 물건들에 숨겨진 공학적 원리를 찾아보며 공학과 더욱더 친해지기를 바랍니다!
이렇게 오늘은 우리가 일상에서 쉽게 접하는 인바디 장치의 원리를 살펴보았는데요, 생각보다 흥미로운 원리가 숨겨져 있지 않았나요? 여러분도 일상 속에서 사용하는 물건들에 숨겨진 공학적 원리를 찾아보며 공학과 더욱더 친해지기를 바랍니다!
- 그림출처
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- 그림 1, 2, 3, 6, 7, 8: http://store.inbody.com/ 인바디 공식 홈페이지
- 그림 4: Shin S-C, Lee J, Choe S, Yang HI, Min J, Ahn K-Y, Jeon JY, Kang H-G. Dry Electrode-Based Body Fat Estimation System with Anthropometric Data for Use in a Wearable Device. Sensors. 2019; 19(9):2177.