چگونگی عملکرد واقعی حسگرهای ضربان قلب ساعت‌های هوشمند (و چرا هنوز هم خطا می‌کنند)

میلیون‌ها نفر هر روز چراغ‌های سبز درخشان را به مچ دست خود می‌بندند و صدها دلار برای پلتفرم‌های تناسب اندام ممتاز هزینه می‌کنند تا خواب، فشار و ضربان قلب خود را ردیابی کنند. ما به این دستگاه‌ها اعتماد می‌کنیم تا سرعت دو ماراتن ما را هدایت کنند، ریکاوری ما را نظارت کنند و حتی آریتمی‌های خاموش را تشخیص دهند.[5]

اما در زیر رابط‌های شیشه‌ای شیک و ادعاهای بازاریابی مبنی بر دقت در حد بالینی، هر ساعت هوشمند و بند تناسب اندام به همان محدودیت‌های فیزیکی اپتیک پایبند است. فناوری که به آن‌ها قدرت می‌دهد، فوتوپلتیسموگرافی (PPG) نام دارد.

مکانیسم پشت PPG به طرز فریبنده‌ای ساده است. یک دستگاه پوشیدنی نوری را به پوست می‌تاباند و از یک فتودیود برای اندازه‌گیری میزان نوری که بازتاب می‌شود، استفاده می‌کند. با هر ضربان قلب، موجی از خون مویرگ‌های مچ دست شما را منبسط می‌کند.

از آنجایی که خون نور را جذب می‌کند، فتودیود در طول ضربان قلب کاهش جزئی در نور بازتاب شده و با دور شدن خون، افزایش جزئی را تشخیص می‌دهد. با شمارش این نوسانات میکروسکوپی در شدت نور، ساعت ضربان شما را محاسبه می‌کند.

اگر یک اپل واچ، گارمین یا ووپ را برگردانید، تقریباً همیشه LEDهای سبز خواهید دید. تولیدکنندگان از رنگ سبز استفاده نمی‌کنند چون تنها گزینه است؛ بلکه به این دلیل استفاده می‌کنند که هموگلوبین – پروتئین حامل اکسیژن در گلبول‌های قرمز – نور سبز را به طور استثنایی جذب می‌کند.

این جذب قوی، تضاد بزرگی بین فازهای سیستولیک (پمپاژ) و دیاستولیک (استراحت) چرخه قلبی ایجاد می‌کند. در محیط‌های آزمایشگاهی، نور سبز یک سیگنال ضربانی ایجاد می‌کند که به طور قابل توجهی قوی‌تر از نور قرمز یا مادون قرمز است و ریتم واضح و بلندی را برای ردیابی در اختیار نرم‌افزار قرار می‌دهد.

با این حال، نور سبز یک محدودیت فیزیکی حیاتی دارد: عمق نفوذ آن بسیار کم است. این نور به سختی از لایه‌های بالایی پوست عبور می‌کند و پراکنده می‌شود. این مسیر نوری کم‌عمق، اولین مانع اصلی برای دقت دستگاه‌های پوشیدنی را معرفی می‌کند: سوگیری ناشی از رنگ پوست.

ملانین، رنگدانه‌ای که مسئول رنگ پوست انسان است، در جذب نور با طول موج کوتاه، از جمله نور سبز، بسیار مؤثر است. در افرادی که رنگ پوست تیره‌تری دارند – به ویژه انواع ۴ تا ۶ مقیاس فیتزپاتریک – ملانین بخش قابل توجهی از نور سبز را قبل از رسیدن به رگ‌های خونی جذب می‌کند.

این امر نسبت سیگنال به نویز را کاهش می‌دهد. یک بررسی جامع در مورد دقت دستگاه‌های پوشیدنی نشان داد که در حالی که دستگاه‌ها در حالت استراحت در تمام رنگ‌های پوست عملکرد مناسبی دارند، نرخ خطا در طول ورزش به شدت واگرا می‌شود. برخی از برندهای ساعت هوشمند، ضربان قلب کاربران با پوست تیره‌تر را در طول فعالیت شدید، ۱۰ تا ۱۵ ضربان در دقیقه کمتر از حد واقعی تخمین زدند.[3]

دومین محدودیت PPG، که مسلماً مخرب‌تر است، آرتیفکت حرکتی است. هنگامی که کاربر می‌دود، دوچرخه‌سواری می‌کند یا وزنه می‌زند، دستگاه پوشیدنی به طور فیزیکی روی پوست جابجا می‌شود. بافت زیرین تغییر شکل می‌دهد، مسیر نوری عوض می‌شود و نور محیط به داخل حسگر نشت می‌کند.

فیزیک حرکت انسان برای پردازش سیگنال یک کابوس ایجاد می‌کند. فرکانس آرتیفکت‌های حرکتی معمول انسان از ۰.۰۱ تا ۱۰ هرتز متغیر است. در همین حال، فرکانس ضربان قلب انسان از ۰.۵ تا ۵ هرتز متغیر است.[2]

از آنجایی که نویز ناشی از حرکت بازوی شما کاملاً با سیگنال نبض شما همپوشانی دارد، مهندسان نمی‌توانند به سادگی یک فیلتر پایین‌گذر (low-pass filter) ساده برای تمیز کردن داده‌ها اعمال کنند. اگر حرکت را فیلتر کنند، ضربان قلب را نیز فیلتر کرده‌اند.

برای حل این مشکل، تولیدکنندگان حسگر نوری را با یک شتاب‌سنج سه‌محوره جفت می‌کنند. شتاب‌سنج فرکانس و شدت دقیق حرکت بازوی کاربر را ثبت می‌کند. سپس الگوریتم‌های پیشرفته، مانند فیلتر تطبیقی طیفی، فرکانس حرکت را به صورت ریاضی از فرکانس نوری کم می‌کنند تا ضربان قلب واقعی جدا شود.[2]

با وجود این ژیمناستیک‌های الگوریتمی، فعالیت بدنی شدید همچنان پاشنه آشیل دستگاه‌های پوشیدنی مچی باقی می‌ماند. مطالعات نشان می‌دهد که نرخ خطای مطلق حسگرهای نوری ضربان قلب، به طور متوسط، ۳۰ درصد در طول فعالیت بیشتر از زمان استراحت است.[1]

این توضیح می‌دهد که چرا بسیاری از دستگاه‌ها در طول فعالیت‌هایی با حرکات نامنظم و غیرریتمیک بازو – مانند کراس‌فیت، تنیس یا وزنه‌برداری – در مقایسه با حرکت ثابت و قابل پیش‌بینی دویدن، دچار مشکل می‌شوند. الگوریتم‌ها دائماً در حال تلاش برای جبران هستند و سعی می‌کنند حدس بزنند کدام اوج‌ها ضربان قلب هستند و کدام‌ها فقط ناشی از جهش ساعت روی استخوان مچ دست.

برای عبور از این محدودیت‌های فیزیکی، صنعت به آرامی در حال حرکت به سمت حسگرهای چندطول موجی است. با گنجاندن LEDهای قرمز و مادون قرمز – که عمیق‌تر به بافت نفوذ می‌کنند و از برخی جذب‌های ملانین عبور می‌کنند – دستگاه‌ها می‌توانند چندین مسیر نوری را برای تأیید نبض با هم مقایسه کنند.

همانطور که ساعت‌های هوشمند از ردیاب‌های تناسب اندام معمولی به دستگاه‌های پزشکی مورد تأیید FDA که قادر به تشخیص فیبریلاسیون دهلیزی هستند، تبدیل می‌شوند، این دقت پایه به یک مسئله عدالت در سلامت عمومی تبدیل می‌شود. حسگری که داده‌ها را در طول تمرین از دست می‌دهد، یک آزار است؛ اما حسگری که آریتمی را به دلیل رنگ پوست از دست می‌دهد، یک مسئولیت حقوقی است.

در نهایت، یک ساعت هوشمند الکتروکاردیوگرام نیست. این یک دوربین بسیار پیچیده است که هزاران عکس از مویرگ‌های شما می‌گیرد و از یادگیری ماشین استفاده می‌کند تا ضربان قلب شما را از میان لایه‌های بافت متحرک حدس بزند. در حالی که سرمایه‌های خطرپذیر به شدت به سمت پزشکی مبتنی بر هوش مصنوعی متمایل می‌شوند، جهش بعدی در دقت دستگاه‌های پوشیدنی نه از LEDهای روشن‌تر، بلکه از شبکه‌های عصبی بهتر که بر روی مجموعه‌داده‌های بسیار متنوع‌تری آموزش دیده‌اند، حاصل خواهد شد.[6]