كَيْفَ يَقُومُ السَّاعَةُ الذَّكِيَّةُ لِلرِّجَالِ بِتَتَبُّعِ مَعْدَلِ نَبْضِ القَلْبِ خِلَالَ التَّمَارِينِ الشَّاقَّةِ؟

المبدأ البصري للاستشعار الكامن وراء القراءة

يعتمد تتبع معدل ضربات القلب في الساعات الذكية للرجال على تقنية تُسمى التخطيط الضوئي للحجم، وتُختصر عادةً إلى PPG. والمبدأ بسيطٌ: فتُرسل دايودات الإضاءة الموجودة في الجزء الخلفي من الساعة ضوءًا أخضرَ نحو الجلد، بينما يقيس كاشف الضوء كمية الضوء المنعكس. ويتم امتصاص الضوء الأخضر من قِبل الدم أكثر مما يتم امتصاصه من الأنسجة المحيطة، لذا فإن شدة الضوء المنعكس تتغير بتزامن مع نبضات القلب عندما يضخ القلب الدمَ ويختلف حجم الدم في الشعيرات الدموية. وتعدّ الساعة هذه التغيرات لحساب عدد النبضات في الدقيقة. ويُستخدم الضوء الأخضر لأنه يخترق الجلد بكفاءةٍ عاليةٍ ويمتصه الهيموجلوبين بقوةٍ كبيرةٍ. وبعض الأجهزة تضيف دايودات إضاءة باللون الأحمر والأشعة تحت الحمراء لإجراء قياسات أعمق، وهي الطريقة التي تُستخلص بها نسبة الأكسجين في الدم وغيرها من المؤشرات.

لماذا تُشكّل الحركة أكبر تحدٍّ

الطريقة البصرية تعمل جيدًا في حالة الراحة، لكن التمارين الشديدة تُحدث مشاكل. فكل حركة لذراعك، وكل ضربة لقدمك، وكل انقباض عضلي يُحرّك الساعة على المعصم ويغيّر ضغط التماس بين المستشعر والجلد. وتؤدي هذه الحركات إلى إدخال تشويشٍ في الإشارة قد يبدو وكأنه نبضةٌ قلبيةٌ رغم عدم كونه كذلك. كما أن العرق يفاقم المشكلة بتغيير الخصائص البصرية لسطح الجلد، وأحيانًا يشكّل طبقة رقيقة بين المستشعر والجلد تُبدّد الضوء. ولهذا السبب يكون تحقيق دقة في قياس معدل ضربات القلب أثناء الركض أو تمرين «البربيز» أو رفع الأثقال أصعب مما هو عليه أثناء المشي. وللتغلب على ذلك، تستخدم الشركات مُستشعِرات تسارعٍ لكشف الحركة وخوارزمياتٍ لتصفية التشويش الناتج عن الحركة، لكن لا يوجد مستشعر بصريٌّ يحصُل على مناعة تامة من هذه المشكلة.

المستشعرات المادية وما يميّز الجيّد منها عن الأقل جودةً

إن جودة المكوّنات البصرية والواجهة التناظرية الأمامية تُحدث فرقًا يمكن قياسه. وهناك عددٌ قليلٌ من العوامل المادية التي تهمّ فعلًا.

1. عدد أزواج الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وأزواج الثنائيات الضوئية، وترتيبها؛ إذ إن زيادة عدد الأزواج تحسّن التقاط الإشارة في مختلف مواضع المعصم.

2. اختيار الطول الموجي؛ لأن الضوء الأخضر هو الأمثل لقياس معدل ضربات القلب، بينما يدعم الضوء الأحمر والضوء تحت الأحمر مقاييس إضافية.

3. معدل أخذ العينات؛ إذ إن المعدلات الأعلى تلتقط التغيرات السريعة أثناء التدريب المتقطع.

4. جودة الواجهة التناظرية الأمامية، والتي تحدد مدى نظافة الإشارة الأولية قبل معالجتها.

الجهاز المزوَّد بمجموعة حساسات مُصمَّمة جيدًا وواجهة تناظرية أمامية منخفضة الضوضاء يحتفظ بالقراءة خلال فترات الجري السريع، بينما يفقد الجهاز الأرخص الإشارة تمامًا. وهذه مجالٌ تظهر فيه الفروق بين الساعة الرخيصة والمتوسطة القيمة بوضوحٍ تامٍّ، ليس في ورقة المواصفات بل في ملخَّص التمرين.

الخوارزميات ومعالجة الإشارات التي تجعل البيانات قابلة للاستخدام

بيانات بُطْءِ النَّبْضِ الظَّاهِرَةِ خَامَّةٌ وَمُشَوَّشَةٌ، وَتَحْتَاجُ إِلَى مُعَالَجَةٍ كَثِيفَةٍ قَبْلَ أَنْ تَتَحَوَّلَ إِلَى رَقْمٍ يُمَثِّلُ مَعْدَلَ نَبْضِ القَلْبِ. وَيَجِبُ عَلَى الخَوَارِزْمِيَّةِ أَنْ تَتَعَرَّفَ عَلَى قِمَمِ النَّبْضِ، وَأَنْ تَرْفُضَ التَّشَوُّهَاتِ النَّاتِجَةِ عَنِ الحَرَكَةِ، وَأَنْ تَتَصَرَّفَ فِي الفَتْرَاتِ الَّتِي يَنْقَطِعُ فِيهَا الإِشَارَةُ. وَيُعْتَبَرُ رَفْضُ التَّشَوُّهَاتِ النَّاتِجَةِ عَنِ الحَرَكَةِ أَصْعَبَ جُزْءٍ. فَبَعْضُ الأَنْظِمَةِ تَسْتَخْدِمُ بَيَانَاتِ مُقَيِّسِ التَّسَارُعِ لِنَمْذَجَةِ الحَرَكَةِ وَطَرْحِهَا مِنَ الإِشَارَةِ البَصَرِيَّةِ. وَيَسْتَخْدِمُ غَيْرُهَا مُرَشِّحَاتٍ تَكِيفِيَّةً تَتَعَلَّمُ نَمْطَ الضَّوْءِ المُشَوِّشِ فِي الوَقْتِ الفِعْلِيِّ. وَكَثِيرًا مَا يَكُونُ جَوْدَةُ هَذِهِ الخَوَارِزْمِيَّاتِ أَهَمَّ مِنْ عُدَّةِ الحَسَّاسَاتِ نَفْسِهَا. فَإِنَّ سَاعَتَيْنِ ذَاتَيْ حَسَّاسَاتٍ مُتَمَاثِلَتَيْنِ يُمْكِنُ أَنْ تُنْتِجَا نَتَائِجَ مُخْتَلِفَةً جِدًّا لِكَوْنِ إِحْدَاهُمَا تَمْتَلِكُ مُعَالَجَةَ إِشَارَةٍ أَفْضَلَ. وَيُقَارِنُ الجَدْوَلُ التَّالِي الدِّقَّةَ النَّمُوذَجِيَّةَ فِي أَنْوَاعِ النَّشَاطِ المُخْتَلِفَةِ.

هذه النطاقات تمثيلية وتفترق اختلافاً واسعاً باختلاف الجهاز ودرجة التوصيف. أما النمط فهو متسق. وتتراجع الدقة كلما زادت شدة الحركة، ولا ينجو أي ساعة بصريّة بالكامل من هذه الظاهرة.

يحدّد التوصيف والموقع الأداء الفعلي في العالم الحقيقي

حتى أفضل مستشعر يؤدي أداءً رديئاً إذا لم تُلبس الساعة بشكل صحيح. وبعض القواعد العملية البسيطة أهمّ مما يدركه معظم المستخدمين.

يجب أن تجلس الساعة بإحكام على الجلد، على بعد عرض إصبع واحد تقريباً فوق عظمة المعصم. فالساعة الفضفاضة تسمح بتسرب الضوء وتتحرّك أثناء الحركة. أما ارتداء الساعة في مكان مرتفع جداً أو منخفض جداً فيبعد المستشعر عن المنطقة الوعائية المثلى. وفي حالة المعاصم الكثيفة الشعر، قد يواجه المستشعر صعوبة لأن الشعر يعيق انتقال الضوء. وفي الطقس البارد، ينخفض تدفق الدم إلى الأطراف ما يضعف الإشارة. وتشديد الحزام قبل التمرين وإرخاؤه بعده عادةٌ بسيطةٌ تحسّن الدقة بشكل ملحوظ.

حالة تم فيها اختبار دقة التتبّع عملياً

أثناء دورة تطوير منتج لساعة رياضية تركز على اللياقة البدنية، أجرى فريق اختبار مقارنةً مع جهاز مراقبة يُرتدى على الصدر، الذي يُعتبر عمومًا المعيار المرجعي لمعدل ضربات القلب أثناء التمرين. وشمل الاختبار جلسةً مدتها ثلاثون دقيقة تتضمن فترات متداخلة من الجري السريع والراحة. وتوافق قراءة الساعة مع قراءة جهاز المراقبة الصدري ضمن عدد قليل من النبضات أثناء الجري المنتظم، لكنها ابتعدت عنه بحد أقصى خمسة عشر نبضةً خلال فترات الجري السريع. وأظهر تحليل البيانات الأولية أن هذا الانحراف حدث في اللحظة التي بلغ فيها تسارع الذراع أقصى درجة. أما الحل فقد تضمّن تعديل خوارزمية رفض حركة الجسم بحيث تُعطى بيانات مقياس التسارع وزنًا أكبر أثناء فترات الحركة العالية. وبعد إدخال هذا التعديل، انخفض الانحراف أثناء فترات الجري السريع بشكلٍ ملحوظ. وهذه النوعية من التكرارات هي ما يُميّز الساعة التي تُسجّل البيانات بدقة في المختبر عن تلك التي تُسجّلها بدقة في الصالة الرياضية.

الحدود الصادقة لتتبّع الإشارات الضوئية

يَجْدُرُ بِالذّكْرِ التَّحَدُّثُ بِصَرَاحَةٍ عَنِ الْمُقَيَّدَاتِ. فَتَتْبِيعُ مَعْدَلِ ضَرْبَاتِ الْقَلْبِ بِوَسَائِطَ بَصَرِيَّةٍ لَيْسَ قِيَاسًا طِبِّيًّا دَقِيقًا. بَلْ هُوَ أَدَاةٌ لِلتَّمَرُّنِ، وَتَعْمَلُ أَفْضَلَ مَا يَكُونُ فِي مُرَاقَبَةِ الاتِّجَاهَاتِ عَلَى امْتِدَادِ الزَّمَنِ، وَلَيْسَ فِي الْقِرَاءَاتِ اللَّحْظِيَّةِ الدَّقِيقَةِ. وَعَلَى الْمُسْتَخْدِمِينَ الَّذِينَ يَحْتَاجُونَ إِلَى دِقَّةٍ سَرِيرِيَّةٍ أَنْ يَسْتَخْدِمُوا حِزَامًا صَدْرِيًّا أَوْ جِهَازًا طِبِّيًّا. وَقَدْ تُشَكِّلُ بَعْضُ الظُّرُوفِ، مِثْلُ انْخِفَاضِ مَعْدَلِ ضَرْبَاتِ الْقَلْبِ فِي حَالَةِ الرَّاحَةِ جِدًّا أَوِ الْاِخْتِلَالَاتِ فِي النَّظَامِ، صُعُوبَةً فِي تَفْهِيمِ الْخَوَارِزْمِيَّةِ. وَقَدْ تُؤَثِّرُ لَوْنَاتُ الْبَشَرَةِ الدَّاكِنَةُ وَالْوَشْمُ فِي امْتِصَاصِ الضَّوْءِ، وَلَكِنَّ أَجْهِزَةَ الْكَشْفِ الْأَحْدَثَ تَتَعَامَلُ مَعَ هَذَا الْأَمْرِ بِكَفَاءَةٍ أَكْثَرَ مِنْ أَجْهِزَةِ الْكَشْفِ الْقَدِيمَةِ. وَتُضَعِّفُ الْبِيئَاتُ الْبَارِدَةُ وَسُوءُ التَّثْبِيتِ وَالْحَرَكَةُ الْكَبِيرَةُ دِقَّةَ الْقِرَاءَاتِ. وَيُسَاعِدُ فَهْمُ هَذِهِ الْمُقَيَّدَاتِ الْمُسْتَخْدِمِينَ عَلَى تَفْسِيرِ بَيَانَاتِهِمْ بِشَكْلٍ مَنْطِقِيٍّ، بَدَلًا مِنْ عَدِّ كُلِّ قِرَاءَةٍ دَقِيقَةً بِلاَ تَرَدُّدٍ.

كَيْفَ تُسَاعِدُ اتِّسَاقِيَّةُ التَّصْنِيعِ فِي تَأْمِينِ تَتْبِيعٍ مَوْثُوقٍ

أداء تتبع معدل ضربات القلب يعتمد على معايرة المستشعر، وبرنامج الثابت (الفيرموير)، والاتساق في التصنيع عبر الدفعات الإنتاجية. فدفعة من الساعات التي تختلف فيها محاذاة المستشعر أو يكون برنامج الثابت غير متسق سيؤدي إلى نتائج غير قابلة للتنبؤ بها في الاستخدام الفعلي. وقد بدأت شركة شينتشن كارين إم للإلكترونيات في تطوير وتصنيع أجهزة ارتدائية ذكية منذ عام ٢٠١٤، وتعمل من مدينة شينتشن مع تركيزٍ على تقديم منتجات ذات تكلفة فعّالة وخدمة مخصصة. وللعلامات التجارية التي تحتاج إلى أداءٍ متسقٍ في تتبع البيانات عبر الطلبيات المختلفة، فإن هذه الخبرة المكتسبة في قطاع الأجهزة الارتدائية هي ما يضمن موثوقية البيانات.