سنسور ضربان قلب ساعت هوشمند چگونه کار میکند؟
ساعتهای هوشمند الان دیگه از یه گجت ساده برای نشون دادن زمان و نوتیفیکیشنها به ابزارهای خیلی قدرتمند برای پایش سلامتی تبدیل شدن. سنسور ضربان قلب ساعت هوشمند توی مرکز این تحول قرار داره؛ یه قطعه کوچیک اما حیاتی که دادههای باارزشی رو از مهمترین عضو بدن ما یعنی قلب، جمعآوری میکنه. اما سؤال اینجاست، این سنسورهای جادویی چطور بدون تماس مستقیم با قلب، موفق میشن نبض ما رو دقیق اندازهگیری کنن؟
توی این مقاله همراه باشین تا به طور کامل به این بپردازیم که چطوری میشه ضربان قلب رو با ساعت هوشمند اندازه گرفت و دو تا فناوری اصلی که استفاده میشن یعنی فوتوپلتیسموگرافی (PPG) و الکتروکاردیوگرافی (ECG) رو توضیح بدیم.
مقدمهای بر پایش ضربان قلب توی گجتهای پوشیدنی
چرا پایش ضربان قلب اهمیت دارد؟
ضربان قلب یکی از علائم حیاتی اصلیه که اطلاعات مهمی درباره سلامت کلی بدن، وضعیت تناسب اندام و حتی میزان استرس ما میده.
سلامت قلبی-عروقی: پایش مداوم میتونه کمک کنه الگوهای نامنظم ضربان قلب (آریتمی) رو شناسایی کنیم و اگه ناهنجاریهای جدیای دیدیم، کاربر رو تشویق کنه که به دکتر مراجعه کنه.
ورزش و تناسب اندام: تعیین دقیق محدوده هدف ضربان قلب موقع ورزش، به کاربرا کمک میکنه تمریناتشون رو برای چربیسوزی بهینه یا بالا بردن استقامت، تنظیم کنن.
پایش استرس و خواب: ضربان قلب تو حالت استراحت و تغییراتش توی طول روز (HRV) جزو معیارهای کلیدی برای ارزیابی سطح استرس و کیفیت خواب به حساب میان.
سیر تکامل سنسورهای ضربان قلب در ساعتهای هوشمند
پایش ضربان قلب اوایل به دستگاههای بزرگ و نوار قلبهای پزشکی محدود بود. اولین نسل از ساعتهای هوشمند و مچبندهای ورزشی از سنسورهای سینه استفاده میکردن که با الکترودها سیگنالهای الکتریکی رو ثبت میکردن.
اما نقطه عطف، معرفی سنسورهای نوری (PPG) توی اواسط دهه 2010 بود. این حسگرا امکان نحوه اندازهگیری ضربان قلب در ساعت هوشمند رو به صورت 24/7 و بدون نیاز به بند سینه فراهم کردن و یه تحول بزرگ توی بازار پایش سلامتی به وجود آوردن. با گذشت زمان، این فناوری نوری با معرفی قابلیتهای دقیقتری مثل ECG تکمیل شد.
فوتوپلتیسموگرافی (PPG): تکنولوژی رایج در اکثر ساعتهای هوشمند
فوتوپلتیسموگرافی یا به طور خلاصه PPG، تکنولوژی اصلی و پرکاربردیه که تقریبا توی همه ساعتهای هوشمند و مچبندهای سلامتی وجود داره و مسئول حسگر ضربان قلب ساعتهای هوشمنده.
اصول علمی PPG: تعامل نور سبز با جریان خون
اساس کار PPG روی این حقیقت علمیه که خون نور رو جذب میکنه. اما مهمتر از اون، مقدار خونی که از رگها میگذره با هر ضربان قلب تغییر میکنه.
وقتی قلب خون رو پمپاژ میکنه: حجم خون توی رگها و مویرگهای زیر پوست زیاد میشه. زیاد شدن حجم خون باعث جذب نور بیشتری میشه.
وقتی قلب بین دو ضربان تو حالت استراحته، حجم خون کم میشه و نور کمتری جذب میشه.
PPG همین تغییرات چرخهای تو جذب نور رو ردیابی میکنه.
اجزای اصلی سنسور PPG: LED و فتودیود
سنسور PPG شامل دو تا جزء اصلیه که معمولا زیر ساعت، جایی که با پوست مچ دست تماس داره، قرار گرفتن:
الایدی: این قطعه نور تولید میکنه و به داخل پوست میتابونه. توی اکثر موارد، از نور سبز استفاده میشه؛ چون هموگلوبین خون (مولکولی که اکسیژن حمل میکنه) نور سبز رو به خوبی جذب میکنه و این رنگ نور کمتر تحت تاثیر جذب ملانین پوست قرار میگیره (در مقایسه با نور قرمز و مادون قرمز که بیشتر برای SpO2 استفاده میشن).
فتودیود: این قطعه که به نور حساسه، نوری رو که بعد از رد شدن از بافتها و خون، به سطح پوست بازتاب داده شده (منعکس شده) رو اندازهگیری و دریافت میکنه.
فرایند اندازهگیری: جذب و بازتاب نور
تابش نور: الایدی نور سبز (یا ترکیبی از نور سبز و رنگای دیگه) رو به درون پوست مچ دست میتابونه.
جذب نور: یه بخشیش توسط بافتهای بدن و بخش عمدهای توسط خون جاری توی مویرگهای زیرین جذب میشه.
بازتاب و دریافت: نور باقیمونده بازتاب داده میشه و توسط فتودیود دریافت میشه.
ثبت تغییرات: با هر بار پمپاژ خون (پالس)، مقدار بیشتری از نور جذب میشه و میزان نوری که به فتودیود میرسه کم میشه. تو حالت استراحت قلب، میزان نور بازتابی زیاد میشه.
این تغییرات توی شدت نور بازتابی به یه سیگنال الکتریکی تبدیل میشن که یه الگوی موجی رو ایجاد میکنه. هر اوج توی این سیگنال، نشوندهنده یه ضربان قلبه.
نقش الگوریتمها در تفسیر دادههای PPG و محاسبه ضربان قلب
سیگنال خام PPG اغلب پر از نویز و اختلاله؛ مخصوصا وقتی که کاربر داره حرکت میکنه (مثل دویدن یا ورزش کردن). الگوریتمهای پیشرفته پردازش سیگنال اینجا وارد عمل میشن.
فیلتر کردن نویز حرکت: الگوریتمها با استفاده از دادههایی که از سنسورهای حرکتی (شتابسنج و ژیروسکوپ) داخل ساعت جمع کردن، نویز ناشی از حرکت دست رو شناسایی و از سیگنال ضربان قلب جدا میکنن.
تشخیص دقیق پالس: با اعمال فیلترهای ریاضی پیچیده، الگوریتمها میتونن دقیقترین نقاط اوج و فرود سیگنال رو مشخص کنن و زمان بین ضربانها رو محاسبه کنن.
محاسبه ضربان قلب: با شمردن تعداد این اوجها توی یه دوره زمانی مشخص (معمولا 60 ثانیه)، نرخ ضربان قلب در واحد دقیقه (BPM) به دست میآد.
این الگوریتمها، که اغلب با کمک هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی آموزش دیدن، تفاوت اصلی بین ساعتهای هوشمند ارزون قیمت و مدلهای پرچمدار رو توی دقت سنسور ضربان قلب ساعت هوشمند رقم میزنن.
الکتروکاردیوگرام (ECG): اندازهگیری دقیقتر فعالیت الکتریکی قلب
کنار PPG، خیلی از ساعتهای هوشمند پیشرفته، مثل اپل واچ و ساعتهای سامسونگ، از سنسور دیگهای به اسم الکتروکاردیوگرام یا ECG هم استفاده میکنن. این سنسور یه جور اندازهگیری کاملا متفاوت رو ارائه میده.
مبانی ECG: ثبت سیگنالهای الکتریکی قلب
قلب ما یه پمپ عضلانیه که با سیگنالهای الکتریکی کنترل میشه. این سیگنالها تو هر ضربان، از یه ناحیه خاص تو قلب شروع میشن و تو سراسر ماهیچه قلب پخش میشن تا انقباض رو تحریک کنن.
ECG (نوار قلب) پزشکی: دستگاههای پزشکی ECG با قرار دادن چندین الکترود روی قفسه سینه و اندامها (12 لید)، این سیگنالهای الکتریکی ضعیف رو ثبت میکنن و یه نوار قلب جامعی از فعالیت الکتریکی قلب ارائه میدن.