Smartwatch đo nhịp tim ở cổ tay như thế nào?

Ở mặt sau đồng hồ có các LED và photodiode. LED chiếu ánh sáng vào da, còn photodiode thu phần ánh sáng quay trở lại. Khi tim co bóp, lượng máu ở mạch ngoại vi thay đổi, làm lượng ánh sáng bị hấp thụ và phản xạ cũng thay đổi. Chuỗi biến thiên này tạo thành tín hiệu PPG, từ đó thuật toán xác định nhịp của các xung mạch và quy đổi thành nhịp tim tính bằng lần/phút.

PPG ở cổ tay biến thay đổi lượng máu thành tín hiệu nhịp tim như thế nào?

PPG là phép đo biến thiên thể tích máu ngoại vi bằng ánh sáng. Với smartwatch đeo ở cổ tay, đây thường là phép đo phản xạ: nguồn sáng và photodiode cùng nằm ở mặt sau thiết bị.

Cơ chế có thể hình dung theo chuỗi:

LED → Da và mô → Máu → Ánh sáng phản xạ → Photodiode → Tín hiệu PPG → Thuật toán → Nhịp tim

Trong mỗi chu kỳ tim, lượng máu đi qua các mô ở cổ tay thay đổi. Khi lượng máu tăng, ánh sáng bị hấp thụ nhiều hơn; giữa các nhịp, lượng máu giảm và đặc tính ánh sáng thu được thay đổi theo. Photodiode biến sự thay đổi cường độ ánh sáng thành tín hiệu điện.

Điểm quan trọng là PPG không nhìn thấy trực tiếp tim đang co bóp. Nó ghi nhận một dấu hiệu sinh lý ở ngoại vi có quan hệ với chu kỳ tim. Vì vậy, giá trị nhịp tim trên smartwatch là kết quả của quá trình cảm biến quang học kết hợp xử lý tín hiệu.

Với cảm biến PPG, tín hiệu thu được thường có thành phần dao động theo nhịp mạch nằm trên một nền tín hiệu lớn hơn do mô, da, áp lực tiếp xúc và các yếu tố quang học khác tạo ra. Thuật toán phải tách phần biến thiên có liên quan đến mạch khỏi những thành phần không mong muốn trước khi tính nhịp.

Smartwatch dùng LED và photodiode để thu tín hiệu PPG ra sao?

Một cụm PPG cơ bản gồm nguồn phát sáng và bộ thu ánh sáng. Nguồn sáng thường là LED xanh lục, đỏ hoặc hồng ngoại tùy thiết kế cảm biến và mục đích đo.

Ánh sáng xanh lục được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị đeo để theo dõi mạch vì hemoglobin hấp thụ mạnh ở vùng bước sóng này và tín hiệu có thể phù hợp với phép đo nhịp trong điều kiện vận động. Ánh sáng đỏ và hồng ngoại đi sâu hơn vào mô và có những ưu điểm khác, chẳng hạn trong các phép đo liên quan đến độ bão hòa oxy.

Photodiode không đơn giản là “đếm ánh sáng”. Nó liên tục ghi nhận cường độ ánh sáng phản xạ và tạo ra chuỗi dữ liệu theo thời gian. Khi biểu diễn chuỗi dữ liệu này thành đồ thị, các dao động tuần hoàn tương ứng với nhịp mạch có thể được nhận diện.

Thiết kế cảm biến còn phải kiểm soát:

·         Khoảng cách giữa LED, da và photodiode

·         Độ tiếp xúc giữa mặt lưng đồng hồ với da

·         Cường độ và thời điểm phát sáng

·         Tốc độ lấy mẫu

·         Ánh sáng môi trường lọt vào cảm biến

·         Thay đổi tín hiệu do chuyển động của cổ tay

Vì vậy, chất lượng phép đo không chỉ phụ thuộc vào LED có “mạnh” hay không. Hệ thống quang học, vị trí cảm biến và thuật toán xử lý phải hoạt động đồng thời.

Tín hiệu PPG thô được xử lý thế nào để ra số nhịp tim?

Tín hiệu từ photodiode ban đầu chưa phải là con số nhịp tim. Smartwatch phải xử lý chuỗi tín hiệu để tìm ra thành phần dao động có tính chu kỳ.

Một quy trình điển hình có thể gồm các bước:

Thu tín hiệu → Làm sạch tín hiệu → Giảm nhiễu → Phát hiện chu kỳ → Tính khoảng thời gian giữa các nhịp → Quy đổi thành BPM → Kiểm tra độ tin cậy

Làm sạch và tách thành phần có ích

Tín hiệu PPG có thể bị ảnh hưởng bởi chuyển động, hô hấp, thay đổi tiếp xúc với da và biến thiên tưới máu ngoại vi. Vì vậy, thuật toán thường phải lọc hoặc xử lý tín hiệu để giảm những thành phần không liên quan đến nhịp mạch.

Một số phương pháp xử lý tín hiệu có thể sử dụng bộ lọc, phân tích tín hiệu theo thời gian hoặc tần số, cũng như các kỹ thuật thích nghi với nhiễu.

Dùng cảm biến chuyển động để nhận diện nhiễu

Gia tốc kế và đôi khi cảm biến quán tính khác có thể cung cấp tín hiệu tham chiếu về chuyển động của cổ tay. Thuật toán có thể sử dụng thông tin này để phân biệt dao động do cơ thể chuyển động với dao động có khả năng xuất phát từ nhịp mạch.

Đây là bước đặc biệt quan trọng khi người dùng đi bộ, chạy hoặc vung tay. Nếu bỏ qua chuyển động, thuật toán có nguy cơ nhầm nhịp chuyển động của cổ tay với nhịp tim.

Xác định chu kỳ nhịp

Sau khi tín hiệu đủ sạch, thuật toán tìm các đặc điểm lặp lại của dạng sóng PPG. Từ khoảng thời gian giữa những chu kỳ liên tiếp, thiết bị có thể ước tính số nhịp trong một phút.

Về nguyên lý, nếu khoảng thời gian trung bình giữa hai nhịp là T giây, nhịp tim có thể được quy đổi theo:

Nhịp tim ≈ 60 / T BPM

Trong sản phẩm thực tế, thuật toán có thể sử dụng nhiều cửa sổ dữ liệu và các phương pháp ước lượng khác thay vì chỉ lấy khoảng cách giữa hai đỉnh liên tiếp.

Kiểm tra chất lượng trước khi hiển thị

Một hệ thống tốt không chỉ tìm được một chu kỳ có vẻ giống nhịp tim mà còn phải đánh giá mức độ đáng tin cậy của tín hiệu. Khi tín hiệu quá nhiễu hoặc chuyển động quá mạnh, thiết bị có thể giảm tần suất cập nhật, loại bỏ một số mẫu hoặc sử dụng dữ liệu ở các khoảng thời gian khác phù hợp hơn.

Vì sao smartwatch thường dùng ánh sáng xanh lục và có thể dùng cả hồng ngoại?

Không phải mọi bước sóng ánh sáng đều tương tác với mô và máu theo cùng một cách.

Ánh sáng xanh lục có độ hấp thụ đáng kể bởi hemoglobin và thường được dùng cho theo dõi nhịp mạch ở thiết bị tiêu dùng. Nó cũng có đặc tính phù hợp với việc giảm một số ảnh hưởng của chuyển động so với một số cấu hình bước sóng khác.

Ánh sáng đỏ và hồng ngoại có khả năng đi sâu hơn vào mô. Vì vậy, chúng có thể hữu ích cho những phép đo cần thông tin quang học từ các lớp mô sâu hơn, chẳng hạn các hệ thống đo độ bão hòa oxy.

Một số smartwatch sử dụng nhiều nguồn sáng và chế độ đo khác nhau tùy nhiệm vụ. Chẳng hạn, Apple Watch công bố việc sử dụng LED xanh lục kết hợp photodiode cho một số phép đo và sử dụng ánh sáng hồng ngoại trong một số chế độ theo dõi nền.

Do đó, không nên hiểu rằng “smartwatch đo nhịp tim = chỉ có một LED xanh chiếu vào da”. Cấu hình cảm biến và thuật toán có thể thay đổi giữa các thế hệ thiết bị.

Những yếu tố nào làm smartwatch đo nhịp tim sai lệch?

PPG ở cổ tay có ưu điểm là tiện lợi và phù hợp theo dõi lâu dài, nhưng đây cũng là vị trí dễ chịu ảnh hưởng của chuyển động và điều kiện tiếp xúc.

Chuyển động cổ tay

Đây là một trong những nguồn nhiễu quan trọng nhất. Khi đồng hồ dịch chuyển tương đối so với da, lượng ánh sáng thu được thay đổi không chỉ vì máu mà còn vì vị trí cảm biến thay đổi.

Chạy, vung tay hoặc các chuyển động lặp lại có thể tạo ra tín hiệu tuần hoàn khiến thuật toán khó phân biệt với nhịp mạch.

Đeo quá lỏng hoặc quá chặt

Nếu đồng hồ quá lỏng, cảm biến có thể thay đổi vị trí liên tục và tín hiệu PPG không ổn định. Nếu đeo quá chặt, áp lực lên mô cũng có thể làm thay đổi điều kiện đo.

Vì vậy, mục tiêu không phải là siết dây tối đa mà là giữ cảm biến tiếp xúc ổn định với da trong khi vẫn thoải mái.

Tưới máu ngoại vi thấp

Khi lưu lượng máu ngoại vi giảm, biên độ tín hiệu PPG có thể nhỏ hơn. Nhiệt độ thấp hoặc co mạch ngoại vi có thể làm tín hiệu khó xử lý hơn.

Đặc tính da và mô

Bước sóng ánh sáng, sắc tố da, cấu trúc mô và vị trí mạch máu đều ảnh hưởng đến lượng ánh sáng đến được photodiode. Vì vậy, hiệu năng PPG không thể được đánh giá chỉ bằng một yếu tố duy nhất.

Các nghiên cứu về thiết bị đeo cũng cho thấy độ chính xác có thể thay đổi theo thiết bị, điều kiện vận động và đặc điểm người dùng. Không nên coi một con số BPM trên smartwatch là phép đo có độ chính xác cố định trong mọi hoàn cảnh.

Smartwatch đo PPG khác ECG ở điểm nào?

PPG và ECG đều có thể được dùng để xác định nhịp tim, nhưng chúng đo hai hiện tượng sinh lý khác nhau.

Điều này giải thích vì sao một smartwatch có thể hiển thị nhịp tim liên tục bằng PPG nhưng vẫn có một tính năng ECG riêng nếu phần cứng hỗ trợ.

PPG phù hợp để theo dõi nhịp theo thời gian, nhưng không nên đồng nhất số BPM từ PPG với một bản ghi ECG. Hai phép đo cung cấp những loại thông tin khác nhau.

Về bản chất, smartwatch đo nhịp tim bằng cách dùng ánh sáng để phát hiện biến thiên lượng máu ở cổ tay, chuyển biến thiên quang học thành tín hiệu PPG, sau đó dùng xử lý tín hiệu và thuật toán để nhận diện chu kỳ mạch và ước tính số nhịp mỗi phút.

Độ tin cậy của kết quả phụ thuộc vào toàn bộ chuỗi đo: thiết kế LED và photodiode, tiếp xúc với da, bước sóng, chất lượng tín hiệu, chuyển động của cổ tay và thuật toán xử lý. Vì vậy, PPG rất hữu ích cho theo dõi sức khỏe và hoạt động hằng ngày, nhưng một giá trị nhịp tim từ smartwatch cần được hiểu trong bối cảnh điều kiện đo thay vì xem như một phép đo y khoa tuyệt đối.