Cảm biến giấc ngủ dưới nệm hoạt động như thế nào?

Vì vậy, thiết bị không đo nhịp tim giống điện tâm đồ (ECG), cũng không đo luồng khí như thiết bị hô hấp. Nó suy ra các thông số sinh lý từ tác động cơ học của cơ thể lên bề mặt giường. Kỹ thuật khai thác vi chuyển động do hoạt động tim thường được gọi là ballistocardiography (BCG). Các nghiên cứu về BCG cho thấy cảm biến lực, áp suất, áp điện hoặc gia tốc có thể được tích hợp vào giường và nệm để thu tín hiệu liên quan đến nhịp tim, hô hấp và vận động.

Từ áp lực trên nệm đến một tín hiệu có thể phân tích

Tùy thiết kế, cảm biến dưới nệm có thể sử dụng phần tử áp điện, cảm biến lực, cảm biến áp suất, gia tốc kế hoặc một cấu trúc cơ học tương tự. Điểm chung là chúng phản ứng khi lực tác động qua nệm thay đổi.

Với cảm biến áp điện, biến dạng cơ học có thể tạo ra tín hiệu điện. Với cảm biến áp suất, lực do cơ thể tác động làm thay đổi áp suất trong phần tử đo. Gia tốc kế lại ghi nhận những rung động rất nhỏ của bề mặt giường. Các nghiên cứu đã triển khai cả cảm biến áp điện dưới nệm và mạng cảm biến áp suất để ghi đồng thời chuyển động, hô hấp và hoạt động tim.

Dữ liệu thô lúc này chưa phải là “nhịp tim 62 lần/phút” hay “nhịp thở 14 lần/phút”. Nó là một chuỗi tín hiệu tổng hợp theo thời gian, trong đó nhiều nguồn dao động chồng lên nhau. Thiết bị phải thực hiện thêm các bước như lọc nhiễu, xác định khoảng tín hiệu đủ ổn định, phân tách các thành phần có đặc điểm khác nhau và phát hiện chu kỳ lặp.

Điều này cũng giải thích vì sao vị trí cảm biến và đặc tính của nệm có ý nghĩa. Cơ thể không truyền mọi dao động đến cảm biến với cùng cường độ; nệm chính là môi trường cơ học nằm giữa nguồn tín hiệu và đầu đo.

Chuyển động cơ thể được nhận biết từ các biến đổi lớn của tín hiệu

Trở mình, đổi tư thế, ngồi dậy hoặc ra khỏi giường làm phân bố trọng lượng và lực tác động lên nệm thay đổi tương đối mạnh. So với vi rung do tim, những sự kiện này thường có biên độ lớn và dễ nhận biết hơn.

Thuật toán có thể dựa vào cường độ, thời gian và dạng biến đổi của tín hiệu để xác định những khoảng có vận động. Một chuyển động mạnh thường làm nhiễu đồng thời thành phần hô hấp và tim, vì vậy hệ thống không nhất thiết cố tính nhịp tim ngay trong thời điểm người nằm đang xoay người. Nó có thể đánh dấu đoạn đó là nhiễu chuyển động rồi chỉ phân tích dấu hiệu sinh lý khi tín hiệu trở lại ổn định.

Những khoảng ít chuyển động cũng là một nguồn thông tin được các thuật toán theo dõi giấc ngủ sử dụng. Tuy nhiên, nằm yên không đồng nghĩa chắc chắn với đang ngủ. Người tỉnh nhưng nằm bất động có thể tạo mẫu cơ học tương tự một số giai đoạn ngủ, nên chuyển động chỉ là một phần của quá trình ước tính trạng thái ngủ.

Đây là khác biệt quan trọng giữa cảm biến dưới nệm và phép đo đa ký giấc ngủ: cảm biến cơ học quan sát biểu hiện của cơ thể trên giường, trong khi polysomnography còn ghi các tín hiệu như hoạt động điện não, mắt và cơ để xác định trạng thái ngủ bằng những tiêu chí trực tiếp hơn.

Nhịp thở được tách từ dao động chậm do lồng ngực và cơ thể lên xuống

Mỗi chu kỳ hít vào và thở ra làm hình dạng, thể tích và phân bố áp lực của vùng ngực – bụng thay đổi. Những thay đổi này truyền qua cơ thể xuống nệm thành một dao động tương đối chậm và có tính chu kỳ.

Thuật toán có thể lọc tín hiệu để tập trung vào vùng dao động phù hợp với hô hấp. Sau khi loại bớt chuyển động lớn và những thành phần không liên quan, hệ thống tìm các chu kỳ lặp của tín hiệu. Khoảng thời gian giữa các chu kỳ cho phép ước tính tần số hô hấp.

Ví dụ, nếu một mẫu dao động hô hấp lặp lại khoảng 15 lần trong một phút, hệ thống có thể báo nhịp thở xấp xỉ 15 lần/phút. Con số này được suy ra từ chuyển động cơ học, chứ cảm biến không trực tiếp đếm lượng không khí đi qua mũi hoặc miệng.

Cách tiếp cận này đã được kiểm chứng trong nhiều hệ thống BCG. Một nghiên cứu tổng hợp dữ liệu từ 11 nghiên cứu với 400 người và hơn 68.000 điểm tham chiếu báo cáo thuật toán hô hấp dựa trên BCG đạt sai số tuyệt đối trung bình khoảng 1,29 nhịp thở/phút so với các phương pháp tham chiếu, đồng thời cho thấy hiệu năng thay đổi theo môi trường đo.

Kết quả đó không có nghĩa mọi cảm biến dưới nệm đều đạt mức sai số tương tự. Cấu tạo đầu đo, thuật toán, nệm, tư thế và chất lượng tín hiệu đều có thể khác nhau giữa các hệ thống.

Nhịp tim được suy ra từ vi rung cơ học do mỗi lần tim tống máu

Tín hiệu tim khó thu hơn chuyển động và hô hấp vì biên độ nhỏ. Mỗi lần tim co bóp, đặc biệt khi máu được tống nhanh vào các mạch lớn, cơ thể chịu những lực phản hồi cực nhỏ. Những lực này truyền qua thân người và nệm, tạo thành thành phần ballistocardiogram.

BCG vì thế không phải ECG. ECG ghi điện thế phát sinh trong hoạt động điện của tim qua các điện cực; BCG ghi hệ quả cơ học liên quan đến hoạt động bơm máu. Hai tín hiệu liên quan đến cùng chu kỳ tim nhưng không phải cùng một đại lượng.

Để ước tính nhịp tim, hệ thống cần cô lập phần tín hiệu cơ học xuất hiện nhanh hơn hô hấp, sau đó nhận dạng các đặc điểm hoặc đỉnh lặp tương ứng với từng chu kỳ tim. Khoảng cách thời gian giữa các chu kỳ được chuyển thành số nhịp mỗi phút.

Chẳng hạn, nếu các chu kỳ cơ học được phát hiện cách nhau trung bình khoảng một giây, nhịp tim ước tính sẽ vào khoảng 60 lần/phút. Trong thực tế, thuật toán còn phải loại những đoạn mà chuyển động cơ thể làm che khuất BCG.

Các thử nghiệm so sánh hệ thống cảm biến áp điện không tiếp xúc với thiết bị tham chiếu đã cho thấy có thể theo dõi đồng thời nhịp tim và nhịp thở khi người nằm trên giường. Tuy nhiên, ECG vẫn là phép đo trực tiếp và đáng tin cậy hơn khi mục tiêu là đánh giá hoạt động điện tim.

Một tín hiệu tổng hợp được tách thành nhiều lớp thông tin như thế nào?

Điểm khó của cảm biến giấc ngủ dưới nệm không nằm ở việc phát hiện rằng “có lực tác động”, mà ở việc xác định lực đó đến từ đâu. Tín hiệu nhận được có thể đồng thời chứa hô hấp, hoạt động tim, chuyển động chân tay, rung từ giường và nhiễu môi trường.

Các thành phần này có đặc điểm thời gian và tần số khác nhau. Hô hấp thường tạo dao động chậm; hoạt động cơ học của tim nhanh hơn; còn trở mình tạo nhiễu mạnh, không đều và có thể bao phủ cả hai. Các thuật toán xử lý tín hiệu tận dụng sự khác biệt đó để lọc và phân tách dữ liệu. Những phương pháp được nghiên cứu gồm lọc dải tần, biến đổi Fourier, phân tích tín hiệu theo thời gian – tần số và các kỹ thuật phân rã tín hiệu khác.

Sau bước tách tín hiệu, thiết bị có thể tạo ra chuỗi dữ liệu như:

·         Thời điểm có chuyển động

·         Khoảng thời gian nằm tương đối yên

·         Nhịp thở ước tính theo thời gian

·         Nhịp tim ước tính theo thời gian

Từ các biến này, thuật toán cấp cao hơn mới có thể ước tính những thông tin về giấc ngủ. Vì vậy, “đo nhịp tim” và “xác định giai đoạn ngủ” là hai tầng xử lý khác nhau: tầng đầu khai thác tín hiệu sinh lý cơ học; tầng sau suy luận trạng thái ngủ từ nhiều đặc trưng của tín hiệu.

Độ chính xác phụ thuộc vào nệm, tư thế, chuyển động và người nằm cùng giường

Việc đặt đầu đo dưới nệm giúp người dùng không phải đeo thiết bị, nhưng cũng khiến tín hiệu phải truyền qua một lớp vật liệu trước khi tới cảm biến. Độ dày, độ cứng và cấu trúc nệm có thể làm thay đổi biên độ cũng như dạng của rung động. Nghiên cứu về BCG trên giường ghi nhận loại cảm biến, vị trí đầu đo, độ dày nệm, vận động và người nằm cùng giường đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.

Tư thế cũng quan trọng vì vùng cơ thể truyền lực xuống nệm thay đổi khi nằm ngửa, nằm nghiêng hoặc nằm sấp. Nếu đầu đo nằm quá xa khu vực nhận được tín hiệu cơ học rõ, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu có thể giảm.

Chuyển động mạnh là một giới hạn khác. Khi người nằm trở mình, tín hiệu vận động có thể lớn hơn nhiều so với vi rung tim và hô hấp. Trong khoảng đó, thiết bị có thể không thu được dữ liệu sinh lý đủ tốt và phải bỏ qua hoặc đánh dấu là dữ liệu chất lượng thấp.

Giường có hai người còn phức tạp hơn vì cảm biến có thể nhận dao động của cả hai cơ thể. Một số hệ thống sử dụng nhiều vùng cảm biến hoặc thuật toán phân tách nguồn, nhưng khả năng xử lý phụ thuộc vào thiết kế cụ thể; không thể mặc định mọi cảm biến dưới nệm đều phân biệt chính xác hai người.

Dữ liệu dưới nệm cho biết nhiều về cơ học cơ thể nhưng không thay thế phép đo lâm sàng

Giá trị nổi bật của cảm biến dưới nệm là khả năng theo dõi dài hạn mà người ngủ không phải đeo điện cực hay thiết bị trên cơ thể. Nó có thể ghi nhận xu hướng vận động, nhịp thở và nhịp tim qua nhiều đêm với mức can thiệp thấp.

Đổi lại, phần lớn thông tin được suy ra gián tiếp. Đặc biệt, một hệ thống chỉ dựa trên chuyển động và tín hiệu tim – hô hấp không trực tiếp đo hoạt động điện não. Do đó, việc thuật toán gắn nhãn các giai đoạn ngủ không tương đương với việc đo các giai đoạn đó bằng polysomnography. Các tổng quan về công nghệ theo dõi giấc ngủ vẫn xem polysomnography và các tín hiệu điện sinh lý liên quan là chuẩn tham chiếu cho đánh giá giấc ngủ.

Cách hiểu phù hợp nhất là xem dữ liệu dưới nệm như ước tính dựa trên tín hiệu cơ học. Nhịp tim và nhịp thở có thể được theo dõi khá sát trong điều kiện tín hiệu tốt, còn những suy luận phức tạp hơn như thời gian ngủ hoặc giai đoạn ngủ phụ thuộc nhiều hơn vào mô hình thuật toán.

Nếu một thiết bị báo biến động bất thường, kết quả đó có thể hữu ích để nhận ra một xu hướng đáng chú ý, nhưng bản thân cảm biến tiêu dùng không đủ để xác lập chẩn đoán về tim, hô hấp hay rối loạn giấc ngủ. Khi cần đánh giá y khoa, phương pháp đo và thiết bị phải phù hợp với câu hỏi lâm sàng cụ thể.

Cảm biến giấc ngủ dưới nệm hoạt động bằng cách biến những lực và rung động rất nhỏ truyền từ cơ thể xuống giường thành dữ liệu. Chuyển động lớn cho biết người nằm đang thay đổi tư thế; dao động chậm theo chu kỳ phản ánh hô hấp; còn vi rung nhanh hơn liên quan đến lực cơ học của từng nhịp tim có thể được khai thác bằng BCG.

Khả năng theo dõi không tiếp xúc đến từ việc xử lý và phân tách những tín hiệu này, chứ không phải cảm biến trực tiếp “đọc” tim hay phổi xuyên qua nệm. Vì thế, chất lượng nệm, vị trí đầu đo, chuyển động và môi trường đo đều ảnh hưởng đến kết quả, còn các chỉ số về cấu trúc giấc ngủ vẫn là những ước tính thuật toán chứ không tương đương với một phép đo đa ký giấc ngủ đầy đủ.