Cảm biến PPG smartwatch hoạt động như thế nào?

PPG trên smartwatch thực sự đo gì?

Đại lượng PPG theo dõi trực tiếp là sự thay đổi quang học gắn với biến thiên thể tích máu trong mạng vi tuần hoàn dưới da. Vì vậy, nói chính xác hơn, smartwatch đo một xung quang học ngoại vi rồi dùng xung đó để ước tính nhịp tim. Đây không phải phép đo lưu lượng máu tuyệt đối và cũng không phải điện tâm đồ.

Ở smartwatch, phép đo thường là PPG phản xạ. Nguồn sáng và bộ thu nằm cùng phía của mô: ánh sáng đi vào da, bị hấp thụ và tán xạ qua nhiều lớp mô, sau đó một phần quay về photodiode. Cách bố trí này phù hợp với cổ tay vì không cần kẹp một phần cơ thể giữa nguồn sáng và đầu thu như PPG truyền qua thường dùng ở đầu ngón tay.

Sự phân biệt này giải thích một hiểu nhầm phổ biến: mỗi dao động mà đồng hồ dùng để tính nhịp không phải là tín hiệu điện phát ra từ tim. Đó là dấu vết quang học của sóng mạch đến ngoại vi sau mỗi chu kỳ co bóp.

LED và photodiode tạo phép đo phản xạ như thế nào?

Một cụm PPG cơ bản có nguồn sáng LED và photodiode nhạy sáng. LED phát ánh sáng xuống da; photodiode biến lượng ánh sáng phản xạ quay về thành dòng điện rất nhỏ. Mạch xử lý tín hiệu tương tự phía sau khuếch đại, giảm các thành phần không mong muốn và chuyển tín hiệu sang dạng số để thuật toán xử lý.

Nhiều thiết kế dùng nhiều LED hoặc nhiều photodiode thay vì một cặp duy nhất. Các kênh quang học có thể được chọn hoặc kết hợp để tăng khả năng thu được tín hiệu hữu ích khi vị trí tiếp xúc, hình dạng cổ tay hoặc chuyển động thay đổi. Tuy nhiên, nguyên lý cốt lõi vẫn giữ nguyên: cảm biến không “chụp màu máu”, mà đo cường độ ánh sáng nhận lại theo thời gian.

Hình học phản xạ cũng tạo ra một ràng buộc quan trọng. Nếu đáy đồng hồ rời da, nghiêng, trượt hoặc để ánh sáng môi trường lọt vào, đường đi của ánh sáng thay đổi và photodiode có thể nhận dao động không còn chủ yếu xuất phát từ mạch đập. Vì vậy, tiếp xúc cơ học ổn định là một phần của phép đo chứ không chỉ là vấn đề đeo thoải mái.

Mỗi nhịp tim làm ánh sáng phản xạ thay đổi ra sao?

Khi tim co và sóng áp lực truyền ra ngoại vi, thể tích máu trong mạng vi tuần hoàn tại cổ tay tăng theo nhịp. Hemoglobin hấp thụ ánh sáng xanh lục tương đối mạnh; khi lượng máu cục bộ tăng, mức hấp thụ thường tăng và lượng ánh sáng xanh quay về photodiode giảm. Giữa các nhịp, thể tích máu giảm tương đối nên lượng ánh sáng nhận lại tăng. Tùy cách mắc mạch và quy ước phần mềm, thiết bị có thể đảo cực tín hiệu khi hiển thị, nhưng thông tin hữu ích nằm ở dao động tuần hoàn, không ở việc đường cong hướng lên hay xuống.

Dạng sóng PPG thô có thể hình dung gồm hai phần. Thành phần DC là nền lớn, thay đổi chậm, chịu ảnh hưởng của mô, sắc tố, lượng máu trung bình, lực tiếp xúc và ánh sáng nền. Chồng lên đó là thành phần AC nhỏ hơn, dao động đồng bộ với mạch đập. Thuật toán ước tính nhịp tim quan tâm chủ yếu đến tính tuần hoàn của phần AC sau khi đã giảm ảnh hưởng của DC và nhiễu.

Cơ chế này cũng cho thấy vì sao PPG phản ánh biến thiên thể tích máu, không trực tiếp đo vận tốc hay lưu lượng máu tuyệt đối. Hai trạng thái có cùng nhịp tim vẫn có thể tạo biên độ PPG khác nhau do nhiệt độ da, co mạch, lực ép hoặc vị trí cảm biến.

Smartwatch biến dạng sóng PPG thành BPM thế nào?

Sau khi photodiode tạo tín hiệu điện, smartwatch lấy mẫu tín hiệu theo thời gian và thực hiện một chuỗi xử lý. Tùy thiết bị, chuỗi này có thể gồm loại bỏ đường nền, lọc dải tần phù hợp với mạch đập, phát hiện đoạn tín hiệu bị nhiễu, rồi tìm đỉnh trong miền thời gian hoặc tìm thành phần tuần hoàn trội trong miền tần số. Thuật toán thương mại cụ thể khác nhau và có thể là sở hữu riêng, nên không có một bộ lọc duy nhất áp dụng cho mọi smartwatch.

Cách quy đổi cơ bản rất đơn giản: nếu tín hiệu mạch có tần số f hertz, nhịp tim xấp xỉ 60 × f BPM. Chẳng hạn, chu kỳ lặp 1,2 lần mỗi giây tương ứng khoảng 72 BPM. Trong miền thời gian, thiết bị cũng có thể tính khoảng cách giữa các đỉnh liên tiếp rồi lấy nghịch đảo để suy ra nhịp.

Khó nhất không phải phép nhân với 60 mà là quyết định dao động nào thực sự là mạch đập. Khi đi bộ hoặc chạy, chuyển động cổ tay có thể tạo thành phần tuần hoàn nằm gần tần số nhịp tim. Nhiều hệ thống vì thế có thể kết hợp gia tốc kế với PPG để nhận diện thành phần do chuyển động, dùng nhiều kênh quang học hoặc điều chỉnh bộ lọc trước khi chấp nhận một ước tính. Con số BPM trên màn hình vì vậy là kết quả của đo quang kết hợp xử lý tín hiệu, không phải giá trị đọc trực tiếp từ một diode.

Một ví dụ về tốc độ thu tín hiệu là Apple Watch: Apple công bố các LED của cảm biến tim quang học có thể nhấp nháy hàng trăm lần mỗi giây và hệ thống có thể tăng độ sáng LED cũng như tốc độ lấy mẫu khi tín hiệu yếu. Đây là một triển khai cụ thể, không phải thông số bắt buộc của mọi smartwatch.

Vì sao smartwatch thường dùng ánh sáng xanh lục?

Ánh sáng xanh lục tạo sự cân bằng hữu ích cho đo mạch ở cổ tay. Hemoglobin hấp thụ mạnh trong vùng xanh, nên biến thiên lượng máu theo nhịp có thể tạo thành phần PPG tương đối rõ. Đồng thời, ánh sáng xanh xuyên nông hơn đỏ hoặc hồng ngoại, nên tín hiệu tập trung nhiều hơn vào các mạch máu nông gần bề mặt, phù hợp với hình học phản xạ trên cổ tay.

Trong tài liệu về wearable PPG, ánh sáng xanh thường được mô tả quanh 530 nm; đỏ thường ở khoảng 660 nm, còn hồng ngoại dùng bước sóng dài hơn tùy phần cứng. Đây là các giá trị điển hình, không phải chuẩn bắt buộc cho mọi đồng hồ. Bước sóng dài hơn có thể xuyên sâu hơn, nhưng độ xuyên sâu không tự động đồng nghĩa với tín hiệu nhịp tim tốt hơn ở cổ tay.

Vì thế, “xanh lục tốt nhất” không phải quy tắc tuyệt đối. Một số thiết bị dùng thêm đỏ hoặc hồng ngoại cho chế độ đo khác hoặc để có thêm thông tin quang học. Với nhiệm vụ ước tính nhịp tim trên cổ tay, lợi thế của xanh lục đến từ quan hệ giữa hấp thụ của máu, độ sâu xuyên và mức tín hiệu xung so với nhiễu trong phép đo phản xạ.

Vì sao số đo PPG có thể lệch?

PPG nhạy với bất kỳ yếu tố nào làm thay đổi đường đi của ánh sáng mà không xuất phát từ mạch đập. Chuyển động là nguồn nhiễu điển hình: khi đồng hồ trượt trên da, khoảng cách và góc giữa LED, mô và photodiode đổi liên tục; chuyển động còn có thể làm biến dạng mô và tạo dao động có tần số gần với nhịp tim. Vì vậy, thuật toán có thể khó tách tín hiệu mạch khỏi nhiễu khi vận động mạnh.

Độ ôm của dây đeo cũng có hai phía. Quá lỏng làm mất tiếp xúc quang học ổn định; quá chặt có thể làm thay đổi tưới máu da và chính tín hiệu mà cảm biến cần quan sát. Tổng quan tim mạch trên JACC về thiết bị đeo người tiêu dùng xem chuyển động và độ vừa vặn không phù hợp là những nguồn lỗi quan trọng của PPG cổ tay.

Ngoài ra, ánh sáng môi trường, nhiệt độ lạnh gây co mạch, mức tưới máu ngoại vi thấp và khác biệt quang học của da hoặc mô đều có thể làm chất lượng tín hiệu thay đổi. Điều này không có nghĩa PPG “không dùng được” ở một nhóm người cụ thể; nó có nghĩa cảm biến và thuật toán phải làm việc với mức tín hiệu và nhiễu khác nhau, nên không thể giả định một sai số cố định cho mọi người, mọi hoạt động và mọi mẫu smartwatch.

Trong thực tế, nên đeo đồng hồ đủ ôm để mặt cảm biến tiếp xúc ổn định nhưng không siết mạnh, đặt thiết bị nhất quán trên cổ tay và hiểu rằng số đo khi chuyển động mạnh có thể kém ổn định hơn lúc nghỉ. Nếu một giá trị đột ngột không phù hợp với bối cảnh, kiểm tra lại vị trí đeo và đo lại trong điều kiện ít chuyển động là bước hợp lý trước khi diễn giải con số.

Cảm biến PPG smartwatch ước tính nhịp tim bằng một chuỗi đo gián tiếp: chiếu ánh sáng vào cổ tay, thu ánh sáng phản xạ, nhận ra dao động quang học do thể tích máu thay đổi theo sóng mạch, rồi xử lý dao động đó thành tần số và BPM. Ánh sáng xanh lục thường được chọn vì tạo tín hiệu mạch thuận lợi ở lớp mô nông, nhưng chất lượng phép đo vẫn phụ thuộc vào tiếp xúc da, chuyển động, tưới máu và cách thuật toán lọc nhiễu. Vì vậy, con số trên đồng hồ nên được hiểu là một ước tính quang học của nhịp mạch ngoại vi, không phải phép đo điện trực tiếp từ tim.