کالبدشکافی سنسورهای سلامت ساعت‌های هوشمند: نورهای سبز و قرمز پشت ساعت شما واقعاً چگونه کار می‌کنند؟

اگر ساعت هوشمند یا مچ‌بند سلامتی دارید، احتمالاً متوجه نورهای سبز و گاهی قرمزی شده‌اید که در تاریکی از زیر آن چشمک می‌زنند. شرکت‌های فناوری در کمپین‌های تبلیغاتی خود، این دستگاه‌ها را به عنوان «پزشک همراه» یا «آزمایشگاه روی مچ دست» معرفی می‌کنند. اما پیش از آنکه تسلیم این فضاسازی‌های بازاریابی شویم، باید بپرسیم این نورهای درخشان واقعاً چه کاری انجام می‌دهند و آیا ادعاهای مطرح‌شده با واقعیت علمی همخوانی دارند؟[3]

واقعیت این است که ساعت هوشمند شما نه صدای قلب شما را می‌شنود و نه نبض شما را به شکل فیزیکی لمس می‌کند. تمام این اندازه‌گیری‌ها بر پایه یک تکنیک نوری به نام «فوتوپلتیسموگرافی» (PPG) استوار است. این فناوری که دهه‌ها در بیمارستان‌ها استفاده می‌شد، اکنون به لطف کوچک‌سازی قطعات، به مچ دست شما رسیده است. اما انتقال یک سنسور از محیط کنترل‌شده بیمارستان به مچ دست در حال حرکت یک ورزشکار، چالش‌های مهندسی بزرگی به همراه دارد.[1]

مکانیسم پایه PPG نسبتاً ساده است: سنسور دارای یک دیود ساطع‌کننده نور (LED) است که نور سبز را به پوست شما می‌تاباند. خون انسان به دلیل رنگ قرمزی که دارد، نور سبز را به شدت جذب می‌کند. با هر تپش قلب، حجم خونی که در مویرگ‌های مچ دست جریان می‌یابد برای کسری از ثانیه افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه، نور سبز بیشتری جذب می‌شود.[1]

در کنار این LED، یک حسگر نوری (فتودیود) قرار دارد که وظیفه آن اندازه‌گیری مقدار نوری است که از زیر پوست به سمت ساعت بازتاب داده می‌شود. وقتی قلب می‌تپد و خون بیشتری در رگ‌هاست، نور کمتری به سنسور برمی‌گردد. نرم‌افزار ساعت با شمارش این افت‌وخیزهای نوری در طول زمان، ضربان قلب شما را محاسبه می‌کند.[1]

اما چرا نور سبز؟ مهندسان نور سبز را انتخاب کرده‌اند زیرا به اندازه کافی در پوست نفوذ می‌کند تا به شبکه مویرگی برسد و در عین حال، بیشترین تضاد نوری را با جریان خون ایجاد می‌کند. با این حال، این انتخاب بی‌نقص نیست. عواملی مانند رنگ تیره پوست، خالکوبی‌های متراکم و حتی موهای ضخیم دست می‌توانند این نور را پراکنده کرده و دقت سنسور را به شدت کاهش دهند.[1]

شاید ویدیوهایی را در شبکه‌های اجتماعی دیده باشید که در آن‌ها یک ساعت هوشمند به دور یک پرتقال یا رول دستمال کاغذی بسته شده و ضربان قلب نشان می‌دهد. این یک نقص فنی نیست؛ بلکه ماهیت سنسورهای PPG را نشان می‌دهد. سنسور تنها تغییرات بازتاب نور را می‌خواند و نمی‌داند که آیا به یک بافت زنده متصل است یا یک جسم بی‌جان. اگر سطح جسم بتواند نور را به شکلی تصادفی بازتاب دهد که شبیه به الگوی نبض باشد، الگوریتم فریب می‌خورد.[1]

در سال‌های اخیر، شرکت‌ها سنسورهای اندازه‌گیری اکسیژن خون (SpO2) را نیز به ساعت‌های خود اضافه کرده‌اند. این سنسورها به جای نور سبز، از ترکیب نور قرمز و مادون قرمز استفاده می‌کنند. خون غنی از اکسیژن، نور مادون قرمز را بیشتر جذب می‌کند و اجازه می‌دهد نور قرمز از آن عبور کند. در مقابل، خونی که اکسیژن کمتری دارد، رفتار برعکسی نشان می‌دهد و نور قرمز را می‌بلعد.[2]

ساعت هوشمند با تاباندن همزمان این دو نور و مقایسه نسبت بازتاب آن‌ها، درصد اشباع اکسیژن خون شما را تخمین می‌زند. در حالی که این ویژگی در بروشورهای تبلیغاتی بسیار جذاب به نظر می‌رسد، دقت آن در روی مچ دست (جایی که رگ‌های خونی ضخیم‌تری نسبت به نوک انگشت وجود دارد) همچنان محل بحث جامعه پزشکی است.[2]

شکاف اصلی میان بازاریابی و واقعیت در همین نقطه شکل می‌گیرد. برندهایی مانند اپل، سامسونگ و گارمین توانسته‌اند برای الگوریتم‌های تشخیص ریتم نامنظم قلب (AFib) تاییدیه مراجع بهداشتی را دریافت کنند. این یک دستاورد بزرگ است، اما به معنای تبدیل شدن ساعت به یک دستگاه تشخیصی بالینی نیست. این دستگاه‌ها برای پایش روندهای کلی طراحی شده‌اند، نه برای جایگزینی نوار قلب (ECG) استاندارد بیمارستانی.[3][4]

یکی دیگر از نقاط ضعف پنهان این سنسورها، عملکرد آن‌ها در حین فعالیت‌های شدید است. سنسورهای PPG در حالت استراحت یا دویدن نرم بسیار دقیق هستند، اما در ورزش‌هایی مانند وزنه‌برداری، کراس‌فیت یا تنیس، انقباض شدید عضلات مچ دست و حرکت مداوم ساعت روی پوست، باعث ایجاد «نویزهای حرکتی» می‌شود. در این حالت، سنسور به جای جریان خون، حرکت فیزیکی ساعت را ثبت می‌کند.[4]

برای حل این مشکل، شرکت‌ها به الگوریتم‌های نرم‌افزاری و یادگیری ماشین پناه برده‌اند. آنچه روی صفحه نمایش ساعت می‌بینید، داده‌های خام سنسور نیست، بلکه خروجی یک الگوریتم پیچیده است که سعی کرده نویزها را فیلتر کند. به همین دلیل است که دو ساعت از دو برند مختلف ممکن است در یک تمرین ورزشی یکسان، ضربان قلب متفاوتی را نشان دهند؛ تفاوت در سخت‌افزار نیست، تفاوت در نحوه حدس زدن الگوریتم است.[3]

با نگاه به آینده، شرکت‌های فناوری وعده سنسورهای غیرتهاجمی قند خون و فشار خون را می‌دهند. با این حال، باید با رویکردی انتقادی به این ادعاها نگریست. در حالی که ثبت اختراعات متعددی در این زمینه‌ها انجام شده و اخبار توسعه آن‌ها به طور مداوم منتشر می‌شود، هنوز هیچ ساعت هوشمندی نتوانسته پایش نوری و دقیق قند خون را به شکل تجاری و قابل اعتماد روانه بازار کند.[3]

یکی از جنبه‌های کمتر پرداخته‌شده در این فناوری، مسئله مصرف انرژی است. روشن نگه‌داشتن مداوم LEDها باتری ساعت را به سرعت تخلیه می‌کند. به همین دلیل، مهندسان الگوریتم‌هایی طراحی کرده‌اند که سنسور را در فواصل زمانی مشخصی روشن و خاموش می‌کند. در طول روز، ساعت شما ممکن است تنها هر چند دقیقه یک‌بار ضربان قلب را بررسی کند، مگر اینکه تشخیص دهد شما در حال ورزش هستید.[5]

درک این محدودیت‌ها به معنای بی‌ارزش بودن این فناوری نیست، بلکه به ما کمک می‌کند انتظارات واقع‌بینانه‌ای داشته باشیم. وقتی می‌دانیم که سنسورهای نوری چگونه کار می‌کنند، متوجه می‌شویم که چرا محکم بستن بند ساعت در حین ورزش یا تمیز نگه‌داشتن شیشه زیر ساعت، تاثیر مستقیمی بر دقت داده‌ها دارد.[5]

در نهایت، ساعت‌های هوشمند ابزارهای شگفت‌انگیزی برای هدایت ما به سمت سبک زندگی سالم‌تر هستند. آن‌ها در نشان دادن روندهای بلندمدت، مانند کاهش ضربان قلب در حالت استراحت به مرور زمان، عملکردی بی‌نظیر دارند. اما تا زمانی که محدودیت‌های فیزیکی نور و پوست انسان وجود دارد، بهتر است به این گجت‌ها به چشم یک قطب‌نمای سلامتی نگاه کنیم، نه یک آزمایشگاه دقیق پزشکی.[4][5]