Cảm biến wearable health gồm những loại nào?

Có thể chia các cảm biến wearable health thành ba nhóm chính: cảm biến chuyển động, cảm biến tim mạch – tuần hoàn và cảm biến sinh lý. Một số thiết bị còn kết hợp cảm biến áp suất, độ cao hoặc định vị để bổ sung bối cảnh cho dữ liệu sức khỏe.

Cảm biến wearable health hoạt động theo nguyên lý nào?

Về cơ bản, cảm biến không trực tiếp “hiểu” sức khỏe của người đeo. Nó đo một đại lượng vật lý hoặc sinh học, sau đó hệ thống xử lý tín hiệu để suy ra chỉ số cần theo dõi.

Ví dụ, gia tốc kế đo gia tốc theo các trục không gian. Từ chuỗi dữ liệu này, thuật toán có thể nhận biết các mẫu chuyển động như đi bộ hoặc chạy. Tương tự, cảm biến PPG chiếu ánh sáng vào mô và đo sự thay đổi ánh sáng phản xạ do lượng máu trong mô biến đổi theo nhịp tim.

Một hệ thống wearable thường có chuỗi:

Đại lượng vật lý hoặc sinh học → cảm biến → tín hiệu thô → xử lý tín hiệu → thuật toán → chỉ số sức khỏe

Vì vậy, cùng một cảm biến có thể cung cấp dữ liệu đầu vào cho nhiều tính năng khác nhau. Độ chính xác cuối cùng không chỉ phụ thuộc vào cảm biến mà còn chịu ảnh hưởng của vị trí đeo, chuyển động, chất lượng tiếp xúc với da, thuật toán và điều kiện đo.

Cảm biến chuyển động gồm gia tốc kế, con quay hồi chuyển và từ kế

Nhóm cảm biến chuyển động giúp wearable xác định cơ thể đang di chuyển như thế nào. Đây là nền tảng cho các tính năng như đếm bước, nhận diện hoạt động và theo dõi vận động.

Gia tốc kế đo chuyển động tuyến tính

Gia tốc kế thường là cảm biến MEMS có khả năng đo gia tốc theo nhiều trục, phổ biến là 3 trục. Dữ liệu gia tốc thay đổi theo hướng và cường độ chuyển động của thiết bị.

Wearable có thể dùng dữ liệu này để:

·         Nhận diện các mẫu chuyển động lặp lại

·         Ước tính số bước

·         Phân biệt một số trạng thái hoạt động

·         Theo dõi mức độ vận động theo thời gian

·         Hỗ trợ phát hiện thay đổi tư thế hoặc chuyển động bất thường

Tuy nhiên, gia tốc kế không tự đo trực tiếp “số bước” hay “lượng calo”. Các chỉ số này được suy ra từ tín hiệu cảm biến bằng thuật toán.

Con quay hồi chuyển đo tốc độ xoay

Con quay hồi chuyển đo vận tốc góc, tức mức độ và hướng thiết bị đang xoay quanh các trục.

Khi kết hợp với gia tốc kế, nó giúp hệ thống phân biệt tốt hơn giữa các kiểu chuyển động. Chẳng hạn, hai hoạt động có thể tạo ra mức gia tốc tương tự nhưng khác nhau về chuyển động xoay của cổ tay.

Sự kết hợp này đặc biệt hữu ích khi wearable cần nhận diện hoạt động phức tạp hơn thay vì chỉ phát hiện chuyển động đơn giản.

Từ kế bổ sung thông tin về hướng

Từ kế đo trường từ và thường được sử dụng để ước tính hướng của thiết bị so với từ trường Trái Đất. Trong wearable, dữ liệu từ kế có thể kết hợp với gia tốc kế và con quay hồi chuyển để cải thiện ước tính tư thế và hướng chuyển động.

Điểm quan trọng là từ kế không phải cảm biến đo sức khỏe trực tiếp. Giá trị của nó nằm ở việc bổ sung bối cảnh không gian cho dữ liệu chuyển động.

Cảm biến PPG, ECG và SpO₂ theo dõi tim mạch như thế nào?

Đây là nhóm cảm biến quan trọng khi wearable cần theo dõi nhịp tim và các tín hiệu liên quan đến tuần hoàn.

PPG dùng ánh sáng để theo dõi thay đổi thể tích máu

PPG, hay photoplethysmography, sử dụng nguồn sáng và bộ thu quang để đo sự thay đổi lượng ánh sáng tương tác với mô.

Mỗi chu kỳ tim làm lượng máu trong mô thay đổi, từ đó tạo ra biến thiên trong tín hiệu quang học. Thuật toán có thể sử dụng dạng sóng này để ước tính nhịp tim và một số chỉ số liên quan.

PPG có ưu điểm là có thể đo liên tục bằng cảm biến quang học nhỏ gọn, phù hợp với đồng hồ và vòng đeo tay. Tuy nhiên, chuyển động cổ tay, độ khít của dây đeo, vị trí cảm biến, mồ hôi và đặc điểm da có thể làm nhiễu tín hiệu.

ECG đo hoạt động điện của tim

ECG, hay điện tâm đồ, không dựa vào ánh sáng. Nó ghi nhận tín hiệu điện do hoạt động của tim thông qua các điện cực tiếp xúc với cơ thể.

So với PPG, ECG cung cấp một loại tín hiệu khác: hoạt động điện của tim thay vì biến thiên quang học của lưu lượng máu ngoại vi.

Một số wearable có điện cực tích hợp ở mặt sau hoặc khung thiết bị và yêu cầu người dùng chạm vào một điện cực khác để tạo thành đường dẫn đo. Do đó, ECG trên wearable thường có cách sử dụng và phạm vi đo khác với hệ thống điện tâm đồ lâm sàng nhiều chuyển đạo.

SpO₂ sử dụng quang học để ước tính độ bão hòa oxy

Cảm biến SpO₂ thường sử dụng phép đo quang học với các bước sóng khác nhau để phân biệt đặc tính hấp thụ ánh sáng của hemoglobin oxy hóa và khử oxy.

Kết quả được dùng để ước tính độ bão hòa oxy trong máu ngoại vi. Đây là phép đo chịu ảnh hưởng đáng kể bởi điều kiện tiếp xúc, chuyển động và vị trí đo, vì vậy chỉ số trên wearable không nên được hiểu mặc định là tương đương với phép đo y tế trong mọi tình huống.

Cảm biến sinh lý đo nhiệt độ da, EDA và các đặc tính điện của cơ thể

Ngoài chuyển động và tim mạch, wearable có thể thu thập các tín hiệu sinh lý khác để mô tả trạng thái cơ thể.

Cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ da

Cảm biến nhiệt độ có thể đo nhiệt độ tại vị trí tiếp xúc với da. Dữ liệu này có thể được theo dõi theo thời gian để nhận biết xu hướng thay đổi của nhiệt độ da.

Tuy nhiên, nhiệt độ da không đồng nghĩa với nhiệt độ lõi cơ thể. Nhiệt độ môi trường, lưu lượng máu ngoại vi, vị trí đeo và độ tiếp xúc đều có thể ảnh hưởng đến kết quả.

EDA đo thay đổi tính dẫn điện của da

EDA, còn gọi là GSR trong một số hệ thống, đo sự thay đổi tính dẫn điện của da. Hoạt động của tuyến mồ hôi có thể làm thay đổi đặc tính điện này.

Tín hiệu EDA thường được sử dụng để nghiên cứu phản ứng sinh lý liên quan đến kích thích hoặc trạng thái cảm xúc. Tuy nhiên, nó không phải phép đo trực tiếp và duy nhất của stress. Cùng một thay đổi EDA có thể liên quan đến nhiều nguyên nhân sinh lý khác nhau.

Bioimpedance đo đặc tính điện của mô

Một số thiết bị sử dụng dòng điện rất nhỏ để đo trở kháng điện của cơ thể hoặc mô giữa các điện cực. Nguyên lý này được gọi là bioimpedance.

Tùy thiết kế và thuật toán, dữ liệu có thể được sử dụng để ước tính một số đặc tính cơ thể. Kết quả phụ thuộc vào vị trí điện cực, trạng thái hydrat hóa, tiếp xúc da và mô hình tính toán, nên các chỉ số suy ra cần được phân biệt với phép đo trực tiếp.

Vì sao wearable health phải kết hợp nhiều cảm biến?

Một cảm biến đơn lẻ thường chỉ phản ánh một phần trạng thái của cơ thể. Khi kết hợp nhiều nguồn dữ liệu, hệ thống có thể bổ sung bối cảnh và giảm một số dạng sai số.

Ví dụ, gia tốc kế con quay hồi chuyển giúp mô tả chuyển động tốt hơn một cảm biến đơn lẻ. PPG dữ liệu chuyển động giúp thuật toán nhận biết khi tín hiệu tim bị ảnh hưởng bởi vận động. Trong một số thiết bị, nhiều kênh PPG, cảm biến tiếp xúc và thuật toán lọc tín hiệu cũng được phối hợp để cải thiện chất lượng dữ liệu.

Có thể hình dung vai trò của từng nhóm như sau:

Điểm cần phân biệt là cảm biến đo trực tiếp một đại lượng, còn chỉ số sức khỏe thường là kết quả của quá trình xử lý và suy luận từ dữ liệu cảm biến.

Độ chính xác của cảm biến wearable phụ thuộc vào những điều kiện nào?

Không nên đánh giá cảm biến wearable chỉ dựa trên loại cảm biến. Chất lượng dữ liệu còn phụ thuộc vào toàn bộ hệ thống đo.

Các yếu tố quan trọng gồm:

·         Vị trí đeo: Cổ tay, ngón tay, ngực hoặc vị trí khác tạo ra điều kiện đo khác nhau

·         Tiếp xúc với da: Khoảng cách hoặc áp lực tiếp xúc không phù hợp có thể làm giảm chất lượng tín hiệu quang học và điện

·         Chuyển động: Chuyển động cơ học tạo nhiễu mạnh, đặc biệt đối với PPG

·         Môi trường: Nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến một số phép đo

·         Đặc điểm cơ thể: Đặc tính mô và tuần hoàn ngoại vi khác nhau giữa từng người

·         Thuật toán: Cùng một loại cảm biến nhưng thuật toán lọc, phát hiện mẫu và suy luận khác nhau có thể cho kết quả khác nhau

·         Mục đích đo: Theo dõi xu hướng hằng ngày và chẩn đoán y khoa là hai yêu cầu về độ chính xác hoàn toàn khác nhau

Vì vậy, một chỉ số được wearable hiển thị không nên được hiểu đơn giản là “cảm biến đã đo trực tiếp chỉ số đó”. Cần xem xét đại lượng gốc, phương pháp suy luận và điều kiện đo.

Wearable health thường kết hợp nhiều loại cảm biến thay vì phụ thuộc vào một công nghệ duy nhất. Gia tốc kế, con quay hồi chuyển và từ kế tập trung vào chuyển động; PPG, ECG và SpO₂ phục vụ các phép đo liên quan đến tim mạch và tuần hoàn; trong khi cảm biến nhiệt độ, EDA và bioimpedance mở rộng khả năng theo dõi các tín hiệu sinh lý khác. Giá trị của hệ thống nằm ở việc kết hợp dữ liệu cảm biến với xử lý tín hiệu và thuật toán, đồng thời phải xem xét giới hạn của từng phương pháp đo trước khi diễn giải kết quả.