ساعت هوشمند چگونه ضربان قلب شما را اندازه‌گیری می‌کند؟

برخی از بهترین ردیاب‌های تناسب‌اندام با استفاده از یادگیری ماشینی قادرند تا براساس نحوه تغییر معیارهای سلامتی‌تان در طول زمان، توصیه‌های تمرینی مفصلی را به شما ارائه کنند و پوشیدنی‌های هوشمند می‌توانند ابزار ارزشمندی برای ورزشکاران استقامتی باشند.

دراین‌بین این سؤال مطرح می‌شود که ردیاب‌های تناسب‌اندام دقیقاً چگونه ضربان قلبتان را اندازه‌گیری می‌کنند؟ و این اندازه‌گیری‌ها چقدر دقیق هستند؟

بیشتر ساعت‌های تناسب‌اندام و حلقه‌های هوشمند به تکنیکی به نام فتوپلتیسموگرافی (PPG) وابسته‌اند؛ این نام شاید پیچیده به نظر برسد، اما در حقیقت نوعی فناوری مبتنی بر یک مفهوم نسبتاً ساده است: جذب نور توسط بافت‌های بدن.

فوتوپلتیسموگرافی چگونه کار می‌کند؟

دکتر پیتر سوگارد، استاد قلب و عروق دانشگاه آلبورگ دانمارک و مدیر ارشد پزشکی در VentriJect(شرکتی که دستگاه جدیدی را در این راستا تولید کرده) درباره این تکنیک توضیح داد: «PPG با استفاده از سنسورهای نوری، تغییرات در حجم خون جریان یافته از طریق رگ‌های خونی کوچک در پوست و بافت همبند زیرین را اندازه‌گیری کرده و ضربان قلب را تشخیص می‌دهد.»

او ادامه داد: «با هر ضربان ، عضله قلب منقبض و شل می‌شود تا بخش بعدی خون را وادار به گردش کند. این انقباض باعث افزایش موقت حجم خون و افزایش فشار بر روی دیواره شریان‌ها می‌شود که مرحله سیستولیک چرخه قلبی نامیده می‌شود. وقتی قلب در بین ضربان‌ها، آرام می‌گیرد، جریان خون کاهش می‌یابد که همان فاز دیاستولیک است.» طبق توضیح سوگارد، حسگرهای PPG این تغییرات در حجم خون و فشار نبض (تفاوت بین فشار سیستولیک و دیاستولیک) را اندازه‌گیری کرده و این معیارها را به اندازه‌گیری ضربان قلب تبدیل می‌کنند.

حسگرهای PPG این تغییرات در حرکت خون را با انتشار نور در طول‌موج‌های خاصی به داخل پوست تشخیص می‌دهند. برخی از اجزای خون ازجمله هموگلوبین و پروتئین‌های موجود در گلبول‌های قرمز، مقداری از این نور را جذب می‌کنند. در ادامه، ردیاب نوری میزان نور بازتاب شده را اندازه‌گیری می‌کند.

سوگارد گفت: «هر چه نور بیشتری توسط خون جذب شود، حجم آن در رگ‌های خونی بیشتر می‌شود؛ این همان چیزی است که ردیاب‌های تناسب‌اندام آن را به‌عنوان ضربان قلب تعبیر می‌کنند. متداول‌ترین منابع نور، مادون‌قرمز و LED سبز هستند.» بر اساس بررسی انجام‌شده در سال ۲۰۲۲، به همین دلیل است که این طول‌موج‌های نور در نفوذ به بافت پوست بسیار مؤثر هستند. طبق گفته نویسندگان این بررسی، به‌طورکلی، دقت PPG با طول‌موج نور افزایش می‌یابد و برخی از حسگرهای نوری برای بهبود دقتشان حتی چندین طول‌موج را ترکیب می‌کنند.

این یک نظریه است؛ اما سنسورهای نوری در عمل چقدر دقیق هستند؟

فتوپلتیسموگرافی چقدر دقیق است؟

دکتر ماساکی متخصص بهداشت و درمان موسسه قلب و عروق میامی، دراین‌باره گفت: «عوامل متعددی بر دقت PPG تأثیرگذارند؛ از قرارگیری ردیاب و دمای بدن گرفته تا ضخامت پوست، محصولات مصنوعی حرکتی (تحریف‌های ناشی از حرکت) و اختلالات قلبی-عروقی مثل آریتمی و بیماری‌های عروق محیطی که در آن شریان‌های خارج از مغز و قلب مسدود یا تنگ می‌شوند.»

به‌عنوان‌مثال، طبق متاآنالیز انجام شده در سال ۲۰۲۰ در مجله علوم ورزشی، ترجیح بر این است که حسگرهای نوری در هنگام استراحت و خواب اندازه‌گیری ضربان قلب را انجام دهند و نه به هنگام ورزش. دانشمندان با گردآوری ۴۴ مطالعه، دقت تناسب‌اندام PPG را با ECG دقیق‌تر (الکتروکاردیوگرام) و مانیتورهای ضربان قلب با بند قفسه سینه مقایسه کردند و دریافتند که بزرگ‌ترین اختلافات را می‌توان در هنگام انجام ورزش‌های سنگین و با شدت بالا، مثل وزنه‌برداری و دوچرخه‌سواری مشاهده کرد.

این در حالی است که اکثر ردیاب‌های تناسب‌اندام مدرن از الگوریتم‌های مبتنی بر شتاب‌سنج برای محاسبه حرکات سریع استفاده می‌کنند و البته مصنوعات حرکتی همچنان می‌توانند بر دقت ردیابی آن‌ها تأثیر بگذارند.

سوگارد در ادامه توضیح داد که تماس با پوست عامل دیگری است که می‌تواند بر اندازه‌گیری PPG تأثیرگذار باشد. مثلاً دستگاهی که خیلی شل یا خیلی سفت بسته‌شده باشد، اجازه نمی‌دهد حسگرهای نوری خوانش خوبی داشته باشند. از سوی دیگر دمای پوست نیز ممکن است با PPG تداخل ایجاد کند. طبق گفته سوگارد، اگر بیمار دمای پایینی داشته باشد، عروق منقبض می‌شوند و اندازه‌گیری‌ها نادرست از آب درمی‌آیند.

مشکلات احتمالی در عملکرد

این احتمال وجود دارد که سنسورهای نوری در تشخیص ضربان قلب در افرادی که رنگ پوست تیره‌تر یا خالکوبی دارند، به مشکل بربخورد؛ دلیل آن‌هم این است که ملانین (رنگدانه تیره در پوست) و جوهر خالکوبی می‌توانند نور را جذب کرده و میزان نور بازتاب‌شده به ردیاب را کاهش دهند.

در افراد چاق نیز ممکن است اندازه‌گیری دقیق ضربان قلب با مشکل مواجه شود. نتایج یک بررسی در سال ۲۰۲۱، نشان داد که چربی اضافی بدن ممکن است منجر به تغییر در ضخامت پوست و جریان خون شده و به همین ترتیب، بر دقت حسگرهای نوری تأثیر بگذارد.

خبر خوب اینجاست که دانشمندان در حال کار بر روی توسعه فناوری‌های جدیدی هستند که PPG را برای این گروه‌های جمعیتی قابل‌دسترس‌تر کند.

به گفته ناکامورا، گرچه ردیاب‌های تناسب‌اندام PPG بدون محدودیت نیستند ولی در نظارت بر ضربان قلب در افراد مبتلابه بیماری‌های قلبی عروقی خاص مفید خواهند بود؛ چراکه پایش مداوم ضربان قلب و فشارخون در پیشگیری از اتفاق‌های آتی مثل حمله قلبی، سکته مغزی یا نارسایی حاد قلبی به‌ویژه در بیماران قلبی حیاتی و سرنوشت‌ساز است.

استانداردهای طلایی فعلی برای پیشگیری از چنین مشکلاتی، ارزیابی فشارخون و ضربان قلب، فشارسنج دستی و الکتروکاردیوگرام است. بااین‌حال، هردوی این معاینات را می‌توان به‌صورت متناوب انجام داد و ممکن است فشارخون فرد تحت تأثیر فاکتورهای مختلفی مثل سندروم روپوش سفید (شرایطی که در آن فشارخون شخص، فقط در کلینیک و مراکز درمانی بالا می‌رود)، مصرف کافئین و یا قرار گرفتن در معرض اضطراب و استرس، بالا برود.

درهرحال کارشناسان معتقدند که خوانش ضربان قلب مبتنی بر PPG هرگز نباید به‌عنوان جایگزینی برای آزمایش‌های معتبر بالینی انجام‌شده توسط متخصصان مراقبت‌های بهداشتی در نظر گرفته شود.

منبع: livescience