ECG smartwatch và PPG khác nhau thế nào?

Khác biệt này giải thích vì sao PPG phù hợp với việc theo dõi nhịp tim thường xuyên trong ngày, trong khi ECG trên smartwatch có thể tạo một dải điện tim để xem nhịp và một số bất thường mà tín hiệu quang học không thể biểu diễn trực tiếp. Hai công nghệ vì thế mang tính bổ sung hơn là thay thế lẫn nhau.

ECG smartwatch và PPG khác nhau ngay từ nguồn tín hiệu

Có thể tóm tắt sự khác biệt cốt lõi như sau:

Điểm quan trọng là PPG không phải một dạng ECG không dùng điện cực. Đây là hai phương pháp đo hai đại lượng sinh lý khác nhau. PPG dùng ánh sáng để ghi biến thiên lượng máu trong vi mạch; ECG ghi trực tiếp biến thiên điện thế liên quan đến hoạt động điện của tim.

ECG trên smartwatch ghi tín hiệu điện tim như thế nào?

Mỗi nhịp tim bắt đầu bằng hoạt động điện lan truyền qua cơ tim và dẫn đến co bóp. Điện tâm đồ ghi lại những thay đổi điện thế liên quan đến quá trình này. Trên smartwatch hỗ trợ ECG, các điện cực được bố trí ở thân hoặc mặt sau đồng hồ và tại một vị trí mà người dùng có thể chạm bằng tay đối diện. Khi ngón tay chạm điện cực, cơ thể trở thành một phần của mạch đo giữa hai tay.

Cấu hình đó thường chỉ tạo ra ECG một đạo trình hoặc một kênh tương tự Lead I, thay vì 12 đạo trình như ECG chẩn đoán tiêu chuẩn. Ví dụ, một số ứng dụng ECG smartwatch ghi khoảng 30 giây khi người dùng giữ ngón tay trên điện cực.

Dạng sóng thu được chứa nhiều thông tin hơn một con số bpm vì thời điểm và hình dạng của tín hiệu điện có thể được quan sát trên dải ECG. Đây là lý do ECG một đạo trình có thể hữu ích khi cần ghi lại nhịp tại thời điểm người dùng cảm thấy hồi hộp hoặc nhận cảnh báo nhịp bất thường.

Tuy nhiên, một đạo trình không tương đương ECG 12 đạo trình. Nó chỉ quan sát hoạt động điện từ một hướng giới hạn, nên không thể cung cấp toàn bộ thông tin mà một hệ thống ECG lâm sàng nhiều đạo trình có thể ghi nhận. FDA cũng nêu rõ ECG smartwatch một đạo trình có giới hạn về những loại rối loạn hoặc tình trạng mà thuật toán được thiết kế để nhận biết.

PPG đo nhịp tim bằng ánh sáng như thế nào?

PPG, viết tắt của photoplethysmography, không cần đo điện thế của tim. Cảm biến phát ánh sáng vào da, sau đó photodiode đo lượng ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua mô. Khi máu trong các mạch nhỏ ở cổ tay tăng và giảm theo chu kỳ tim, khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng cũng thay đổi. Từ biến thiên đó, thiết bị tạo thành một dạng sóng mạch.

Thuật toán tìm các nhịp lặp lại trên dạng sóng PPG và tính khoảng thời gian giữa chúng. Nếu các đỉnh mạch cách nhau trung bình 1 giây, chẳng hạn, nhịp mạch tương ứng khoảng 60 lần mỗi phút.

Ưu điểm của PPG là cảm biến có thể hoạt động mà người dùng không cần đặt ngón tay lên một điện cực thứ hai. Vì vậy, smartwatch có thể dùng PPG để lấy dữ liệu nhịp tim khi nghỉ, trong sinh hoạt hoặc khi tập luyện. Tần suất lấy mẫu cụ thể phụ thuộc thiết bị và chế độ hoạt động; việc “theo dõi cả ngày” không nhất thiết có nghĩa cảm biến ghi liên tục ở cùng một tốc độ lấy mẫu trong 24 giờ.

Đổi lại, tín hiệu quang học phụ thuộc nhiều vào chất lượng tiếp xúc giữa đồng hồ và da. Chuyển động cổ tay có thể tạo dao động quang học giống hoặc che lấp dao động do mạch máu, trong khi tưới máu ngoại vi kém cũng làm tín hiệu yếu đi. Đây là những nguyên nhân khiến PPG thường khó xử lý hơn trong các tình huống vận động mạnh.

Vì sao ECG và PPG cùng cho bpm nhưng không phải cùng dữ liệu?

Một nhịp tim tạo ra một chuỗi sự kiện. Hoạt động điện xuất hiện trước, làm cơ tim co; sau đó máu được đẩy vào hệ động mạch và sóng áp lực truyền tới cổ tay. ECG phát hiện phần đầu của chuỗi này, còn PPG quan sát phần sau.

Với ECG, nhịp tim có thể được suy ra từ khoảng thời gian giữa các chu kỳ điện liên tiếp, thường dựa trên các đỉnh R của phức bộ QRS. Với PPG, thiết bị tính khoảng cách giữa các sóng mạch. Vì hai chuỗi sự kiện đều xuất phát từ các nhịp tim liên tiếp, kết quả bpm trong điều kiện bình thường thường gần nhau.

Nhưng đỉnh PPG xuất hiện sau sự kiện điện trên ECG vì sóng mạch cần thời gian truyền từ tim tới vị trí cảm biến. Khoảng trễ này là một trong những lý do không nên xem dạng sóng PPG như một dải ECG được tạo bằng ánh sáng.

Sự khác nhau còn quan trọng khi chất lượng mạch ngoại vi thay đổi. ECG vẫn đang quan sát tín hiệu điện, trong khi PPG phải dựa vào việc nhịp tim tạo ra một sóng mạch đủ rõ tại cổ tay. Do đó, hai thiết bị có thể cùng tính được bpm ở phần lớn thời gian nhưng không nhất thiết thất bại hoặc sai số trong cùng một điều kiện.

ECG và PPG khác nhau thế nào khi nhận biết nhịp bất thường?

PPG có thể phát hiện một chuỗi mạch không đều bằng cách phân tích khoảng thời gian giữa các xung. Đây là nền tảng của một số chức năng cảnh báo nhịp không đều chạy trong nền. Tuy nhiên, FDA mô tả chức năng phân tích PPG kiểu này là công cụ sàng lọc nền; cảnh báo không tự nó tạo thành chẩn đoán rung nhĩ.

ECG có thêm lợi thế là tạo ra dải tín hiệu điện. Với những smartwatch và thuật toán đã được thiết kế, kiểm định cho mục đích này, bản ghi một đạo trình có thể được phân loại thành nhịp xoang, rung nhĩ hoặc kết quả không xác định trong những điều kiện quy định. Dải ECG cũng có thể được lưu để chuyên gia y tế xem lại thay vì chỉ dựa trên một thông báo “mạch không đều”.

Điều đó không có nghĩa “ECG smartwatch luôn chính xác hơn PPG”. Độ chính xác thực tế còn phụ thuộc thiết bị, thuật toán, quần thể được nghiên cứu, tỷ lệ bản ghi không thể phân loại và điều kiện đo. Các phân tích tổng hợp gần đây thậm chí cho kết quả khác nhau khi so sánh hiệu năng phát hiện rung nhĩ của smartwatch dựa trên ECG và PPG, cho thấy không thể xếp hạng hai công nghệ chỉ dựa vào tên cảm biến.

Điểm phân biệt đáng tin cậy hơn là loại bằng chứng mà cảm biến tạo ra: PPG cung cấp bằng chứng về sóng mạch ngoại vi và tính đều của chuỗi mạch; ECG cung cấp một bản ghi hoạt động điện của tim. Cả hai vẫn có thể bị nhiễu và đều có giới hạn so với hệ thống chẩn đoán chuyên dụng.

Khi nào PPG hữu ích hơn và khi nào ECG có giá trị hơn?

Nếu mục tiêu là theo dõi nhịp tim trong sinh hoạt, xem xu hướng nhịp nghỉ hoặc quan sát nhịp khi tập luyện, PPG phù hợp vì quá trình đo có thể diễn ra với ít thao tác của người dùng. Đây cũng là lý do cảm biến quang học trở thành thành phần phổ biến trên thiết bị đeo.

Nếu xuất hiện cảnh báo nhịp không đều hoặc người dùng muốn ghi lại nhịp tại một thời điểm cụ thể, ECG trên smartwatch hỗ trợ chức năng này có thể bổ sung một dải điện tim ngắn. Trong thực tế, hai cảm biến có thể hoạt động theo một chuỗi bổ sung: PPG theo dõi và phát hiện tín hiệu đáng chú ý trong nền; ECG được kích hoạt để ghi một “ảnh chụp” điện học tại thời điểm cần kiểm tra.

Dữ liệu smartwatch vẫn cần được hiểu trong giới hạn của thiết bị. Một ECG một đạo trình không thay thế ECG 12 đạo trình, và cảnh báo PPG không tự xác nhận một chẩn đoán. Khi có triệu chứng đáng lo hoặc kết quả bất thường lặp lại, giá trị lớn nhất của smartwatch là cung cấp thêm dữ liệu theo thời gian để trao đổi với chuyên gia y tế, thay vì tự kết luận chỉ từ một chỉ số hoặc một bản ghi.

ECG smartwatch và PPG khác nhau chủ yếu ở thứ chúng thực sự đo: ECG ghi hoạt động điện của tim bằng điện cực, còn PPG dùng ánh sáng để đo biến đổi của sóng mạch tại cổ tay. Vì vậy, PPG thuận lợi cho theo dõi nhịp tim thường xuyên và phát hiện sự bất thường của chuỗi mạch, còn ECG tạo được dải tín hiệu điện có giá trị hơn khi cần xem nhịp tại một thời điểm cụ thể. Smartwatch có cả hai cảm biến không phải đang đo cùng một thứ hai lần; nó kết hợp hai góc nhìn khác nhau của cùng chu kỳ tim.