Radar theo dõi giấc ngủ hoạt động như thế nào?

Về nguyên lý, radar phát tín hiệu về phía cơ thể rồi thu tín hiệu phản xạ. Khi lồng ngực, bụng hoặc tay chân chuyển động, khoảng cách giữa cơ thể và radar thay đổi, làm tín hiệu phản xạ thay đổi theo. Hệ thống xử lý những biến đổi này để tách chuyển động cơ thể, nhịp thở và trong một số hệ thống cả nhịp tim. Các nghiên cứu tổng quan xác nhận radar là một trong những phương pháp được nghiên cứu để theo dõi hoạt động tim-phổi khi ngủ theo cách không tiếp xúc.

Radar theo dõi giấc ngủ phát hiện cơ thể bằng cách nào?

Có thể hình dung quá trình theo dõi qua bốn bước:

Phát sóng → nhận phản xạ → tách chuyển động → diễn giải tín hiệu

Radar phát một tín hiệu điện từ về vùng cơ thể cần quan sát. Tín hiệu gặp cơ thể sẽ phản xạ trở lại cảm biến. Nếu người ngủ nằm yên, tín hiệu thay đổi tương đối ít; khi lồng ngực chuyển động theo từng nhịp thở hoặc người trở mình, đặc tính của tín hiệu phản xạ thay đổi.

Với radar Doppler, chuyển động của cơ thể tạo ra biến thiên trong tín hiệu thu, từ đó có thể phân tích thành các thành phần liên quan đến chuyển động, hô hấp và nhịp tim. Một nghiên cứu về radar Doppler K-band cho thấy tín hiệu có thể được xử lý để tách chuyển động tay chân, hô hấp và hoạt động tim bằng phương pháp phân tích đa phân giải.

Các hệ thống FMCW hoặc radar sóng milimet có thêm thông tin về khoảng cách. Nhờ đó, thuật toán có thể xác định vùng cơ thể đang tạo tín hiệu và theo dõi những thay đổi theo thời gian. Một nghiên cứu về FMCW millimeter-wave radar đã sử dụng các đặc trưng theo nhiều vùng khoảng cách để phát hiện tín hiệu hô hấp và theo dõi hoạt động tim-phổi không tiếp xúc.

Điểm quan trọng là radar không cần “nhìn thấy” khuôn mặt hay ghi hình cơ thể để nhận biết nhịp thở. Nó chủ yếu khai thác sự thay đổi vật lý của tín hiệu phản xạ do chuyển động.

Radar nhận biết nhịp thở và chuyển động khi ngủ như thế nào?

Nhịp thở tạo ra chuyển động tuần hoàn nhỏ ở vùng ngực và bụng. Nếu radar hướng vào vùng này, mỗi lần hít vào và thở ra có thể tạo ra một biến thiên lặp lại trong tín hiệu phản xạ.

Hệ thống xử lý tín hiệu thường phải làm nhiều việc trước khi tính nhịp thở:

1.    Thu tín hiệu phản xạ từ cơ thể

2.    Lọc nhiễu và những biến động không liên quan

3.    Tách thành phần hô hấp khỏi chuyển động cơ thể lớn hơn

4.    Phân tích chu kỳ của tín hiệu

5.    Ước tính nhịp thở theo thời gian

Một ví dụ lâm sàng sử dụng radar Doppler liên tục 24 GHz đặt cách người ngủ khoảng 40–50 cm. Radar hướng vào vùng ngực-bụng và phân tích thay đổi khoảng cách của vùng cơ thể này để trích xuất chuyển động liên quan đến hô hấp. Trong nghiên cứu xác thực, hệ thống được so sánh với đa ký giấc ngủ (PSG) và cho sai số tuyệt đối tổng thể khoảng 1 nhịp thở/phút trong phép đo nhịp thở.

Chuyển động lớn như trở mình, vung tay hoặc ngồi dậy lại tạo ra tín hiệu khác với nhịp thở. Vì vậy thuật toán cần nhận diện và phân loại các chuyển động này thay vì coi mọi thay đổi tín hiệu đều là hô hấp. Một số hệ thống còn sử dụng thông tin vị trí để phân biệt các vùng cơ thể hoặc các mục tiêu khác nhau.

Từ tín hiệu radar, hệ thống suy ra chỉ số giấc ngủ như thế nào?

Radar trước hết đo tín hiệu vật lý, sau đó phần mềm mới chuyển tín hiệu thành các chỉ số có ý nghĩa đối với giấc ngủ.

Tùy thiết kế, hệ thống có thể khai thác:

·         Chuyển động cơ thể

·         Nhịp thở

·         Biến thiên của hoạt động tim

·         Thời gian nằm trên giường

·         Các giai đoạn ít hoặc nhiều chuyển động

·         Các mẫu tín hiệu thay đổi theo thời gian

Từ những đặc trưng này, thuật toán có thể ước tính các chỉ số như thời gian ngủ, thời gian thức sau khi đã ngủ hoặc hiệu suất ngủ. Một nghiên cứu về radar theo dõi giấc ngủ không tiếp xúc cho thấy các mô hình radar có thể ước tính những thông số như tổng thời gian ngủ, thời gian đi vào giấc ngủ, hiệu suất ngủ và thời gian thức trong đêm.

Một bước phức tạp hơn là ước tính giai đoạn ngủ. Radar không đo trực tiếp hoạt động điện não như EEG trong PSG. Thay vào đó, thuật toán sử dụng các đặc trưng gián tiếp như chuyển động, hô hấp và biến thiên nhịp tim để suy luận trạng thái ngủ.

Các nghiên cứu đã thử phân loại Wake, NREM và REM bằng machine learning. Chẳng hạn, một nghiên cứu xác thực Somnofy so sánh phân loại giai đoạn ngủ bằng radar với PSG trên 71 đêm ngủ; hệ thống đạt độ nhạy phát hiện ngủ 0,97 và độ đặc hiệu phát hiện thức 0,72 trong bộ dữ liệu nghiên cứu. Tuy nhiên, tác giả cũng lưu ý cần nghiên cứu thêm ở trẻ em, người lớn tuổi và người có rối loạn giấc ngủ.

Radar có thể phát hiện ngưng thở và giai đoạn ngủ đến đâu?

Radar có tiềm năng phát hiện những thay đổi bất thường trong hô hấp vì nó theo dõi chuyển động ngực và bụng liên tục. Khi một khoảng thời gian không còn xuất hiện mẫu chuyển động hô hấp bình thường, thuật toán có thể đánh dấu một sự kiện cần kiểm tra.

Tuy nhiên, cần phân biệt phát hiện một dấu hiệu hô hấp bất thường với chẩn đoán bệnh lý. Radar không tự động thay thế PSG trong mọi tình huống.

Khả năng phân loại giai đoạn ngủ cũng phụ thuộc mạnh vào thuật toán và dữ liệu huấn luyện. Một nghiên cứu năm 2026 về phân loại giai đoạn ngủ bằng radar sử dụng transfer learning đã cải thiện Matthews Correlation Coefficient cho bài toán 5 lớp từ 0,25 lên 0,47; kết quả cho thấy tiềm năng của radar nhưng đồng thời phản ánh rằng việc suy ra giai đoạn ngủ từ tín hiệu radar vẫn là bài toán kỹ thuật phức tạp.

Vì vậy, cách hiểu phù hợp là: radar có thể cung cấp dữ liệu sinh lý và chuyển động để thuật toán ước tính trạng thái ngủ, chứ không phải radar trực tiếp “nhìn thấy” não đang ở N1, N2, N3 hay REM.

Những yếu tố nào ảnh hưởng độ chính xác của radar theo dõi giấc ngủ?

Radar không tiếp xúc giúp người dùng không phải đeo cảm biến, nhưng điều đó không có nghĩa phép đo luôn chính xác trong mọi điều kiện.

Vị trí đặt radar là một yếu tố quan trọng. Radar có thể được đặt cạnh giường, phía trên hoặc cuối giường, nhưng góc quan sát quyết định vùng cơ thể nào tạo tín hiệu mạnh nhất. Một nghiên cứu đánh giá ba vị trí radar trong theo dõi dấu hiệu sinh tồn khi ngủ cho thấy kết quả trích xuất hô hấp có thể tương đương giữa các vị trí, trong khi kết quả đối với nhịp tim thay đổi theo vị trí.

Chuyển động lớn cũng có thể làm nhiễu tín hiệu hô hấp. Một nghiên cứu về ước tính thời gian ngủ và chỉ số sự kiện hô hấp bằng radar milimet đã phải loại bỏ các khoảng dữ liệu sau những chuyển động cơ thể lớn để cải thiện mức độ phù hợp với PSG.

Khoảng cách và hướng cảm biến cũng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Radar phải nhận được biến đổi rất nhỏ do chuyển động hô hấp trong khi đồng thời loại bỏ các tín hiệu không liên quan. Đây là một trong những thách thức cốt lõi của radar cảm biến sinh hiệu không tiếp xúc.

Có nhiều người trong vùng quan sát là một giới hạn khác. Radar có thể theo dõi nhiều mục tiêu trong một số thiết kế, nhưng việc xác định chính xác tín hiệu hô hấp thuộc về ai trở nên khó hơn trong môi trường có người nằm cùng giường hoặc nhiều người trong cùng vùng cảm biến.

Do đó, khi đánh giá một hệ thống radar theo dõi giấc ngủ, không nên chỉ nhìn vào tuyên bố “không tiếp xúc”. Cần xem thêm loại radar, vị trí lắp đặt, thuật toán xử lý, điều kiện thử nghiệm và cách hệ thống được xác thực với PSG hoặc phương pháp tham chiếu.

Radar theo dõi giấc ngủ khác gì cảm biến đeo và PSG?

Radar có lợi thế lớn nhất ở khả năng theo dõi mà không cần tiếp xúc cơ thể. Người dùng không phải đeo đồng hồ, dây đeo ngực hoặc điện cực trong suốt đêm. Điều này phù hợp với theo dõi dài hạn tại nhà và có thể giảm ảnh hưởng của chính thiết bị lên giấc ngủ. Tổng quan hệ thống về công nghệ theo dõi không tiếp xúc cũng xác định radar là một trong các hướng tiếp cận nhằm giảm tính xâm lấn của theo dõi giấc ngủ truyền thống.

Ngược lại, PSG vẫn có vai trò tham chiếu quan trọng, đặc biệt khi cần đánh giá chi tiết hoạt động điện não và phân loại giai đoạn ngủ trong môi trường lâm sàng. Radar chủ yếu suy luận trạng thái ngủ từ các tín hiệu chuyển động và sinh lý gián tiếp, nên mức độ tương đương với PSG phụ thuộc vào từng hệ thống và từng nhóm người dùng.

Có thể xem ba phương pháp theo cách đơn giản:

·         Radar: không tiếp xúc, phù hợp theo dõi thụ động và dài hạn, nhưng phụ thuộc vị trí cảm biến và thuật toán

·         Thiết bị đeo: cung cấp dữ liệu từ cảm biến trên cơ thể nhưng yêu cầu người dùng đeo thiết bị

·         PSG: đo nhiều tín hiệu sinh lý trực tiếp và có giá trị cao trong đánh giá lâm sàng, nhưng nhiều cảm biến và kém thuận tiện cho theo dõi hằng ngày

Vì vậy, radar theo dõi giấc ngủ phù hợp nhất khi mục tiêu là theo dõi liên tục, không làm phiền người ngủ và thu thập các dấu hiệu như chuyển động, hô hấp cùng những chỉ số có thể suy ra từ chúng. Nó không nên được hiểu mặc định là một phương pháp thay thế hoàn toàn cho PSG.

Radar theo dõi giấc ngủ hoạt động dựa trên một nguyên lý khá trực tiếp: phát sóng vô tuyến, thu tín hiệu phản xạ và phân tích những thay đổi rất nhỏ do cơ thể chuyển động. Chuyển động của lồng ngực và bụng tạo cơ sở để ước tính nhịp thở; chuyển động toàn thân cung cấp thêm thông tin về trạng thái ngủ và các sự kiện trong đêm. Những thuật toán phức tạp hơn có thể kết hợp hô hấp, chuyển động và đặc trưng tim mạch để ước tính giai đoạn ngủ.

Giá trị của công nghệ nằm ở chỗ toàn bộ quá trình có thể diễn ra không tiếp xúc, nhưng độ chính xác vẫn phụ thuộc vào vị trí radar, khoảng cách, chuyển động, số người trong vùng quan sát và thuật toán xử lý. Vì vậy, khi đọc các chỉ số từ radar, cần phân biệt rõ giữa tín hiệu được radar đo trực tiếp, chỉ số được thuật toán suy ra và kết luận lâm sàng cần phương pháp xác nhận chuyên biệt.