ساعت هوشمند مردان چگونه ضربان قلب را در طول تمرین‌های شدید اندازه‌گیری می‌کند؟

اصول تشخیص نوری پشت خواندن

پایش ضربان قلب در ساعت‌های هوشمند مردان بر پایهٔ فناوری‌ای به نام فوتُوپلِتیسمُگرافی (PPG) استوار است. این اصل ساده است: دیودهای ساطع‌کنندهٔ نور در پشت ساعت، نور سبز را به داخل پوست می‌تابانند و یک آشکارساز نوری مقدار نور بازتابیده‌شده را اندازه می‌گیرد. خون نسبت به بافت‌های اطراف، نور سبز را بیشتر جذب می‌کند؛ بنابراین هنگامی که قلب منقبض می‌شود و حجم خون در مویرگ‌ها تغییر می‌کند، شدت نور بازتابیده‌شده با ریتم ضربان قلب نوسان می‌کند. ساعت این نوسان‌ها را شمارش کرده و تعداد ضربان‌ها در دقیقه را محاسبه می‌کند. از نور سبز استفاده می‌شود، زیرا این نور به‌خوبی در پوست نفوذ می‌کند و توسط هموگلوبین به‌شدت جذب می‌شود. برخی دستگاه‌ها علاوه بر نور سبز، از دیودهای ساطع‌کنندهٔ نور قرمز و مادون قرمز نیز برای اندازه‌گیری‌های عمیق‌تر استفاده می‌کنند؛ این روش همان است که از آن برای تعیین سطح اکسیژن خون و سایر شاخص‌ها بهره گرفته می‌شود.

چرا حرکت بزرگ‌ترین چالش است

روش نوری در حالت سکون به‌خوبی کار می‌کند، اما تمرین‌های شدید مشکلاتی ایجاد می‌کنند. هر تکان دادن بازو، ضربه زدن پا و انقباض عضله، ساعت را روی مچ جابه‌جا می‌کند و فشار تماس بین سنسور و پوست را تغییر می‌دهد. این حرکت نویزی را در سیگنال ایجاد می‌کند که گاهی شبیه ضربان قلب به نظر می‌رسد، درحالی‌که چنین چیزی وجود ندارد. عرق کردن وضعیت را بدتر می‌کند، زیرا خواص نوری سطح پوست را تغییر داده و گاهی لایه‌ای نازک بین سنسور و پوست ایجاد می‌کند که نور را پراکنده می‌سازد. به‌همین دلیل، دقت اندازه‌گیری ضربان قلب در دویدن، بورپی یا بلندکردن اجسام سنگین، سخت‌تر از زمان راه‌رفتن است. سازندگان با استفاده از شتاب‌سنج‌ها برای تشخیص حرکت و الگوریتم‌هایی برای حذف اثرات حرکتی، این مشکل را برطرف می‌کنند؛ اما هیچ سنسور نوری کاملاً در برابر این مشکل مقاوم نیست.

سخت‌افزار سنسور و عواملی که سنسورهای بهتر را از سنسورهای ضعیف‌تر جدا می‌کنند

کیفیت اجزای نوری و بخش آنالوگِ جلویی تفاوتی قابل‌اندازه‌گیری ایجاد می‌کند. چند عامل سخت‌افزاری اهمیت دارند.

1. تعداد و چیدمان جفت‌های دیود نوری و فوتودیود، که در آن تعداد بیشترِ جفت‌ها، ثبت سیگنال را در موقعیت‌های مختلف مچ دست بهبود می‌بخشد.

2. انتخاب طول موج، زیرا نور سبز برای اندازه‌گیری ضربان قلب بهترین عملکرد را دارد، در حالی که نور قرمز و مادون قرمز امکان اندازه‌گیری متغیرهای اضافی را فراهم می‌کنند.

3. نرخ نمونه‌برداری، که در آن نرخ بالاتر تغییرات سریع را در حین تمرین‌های فاصله‌ای ثبت می‌کند.

4. کیفیت بخش پیش‌روی آنالوگ، که تعیین‌کننده‌ی تمیزی سیگنال خام پیش از پردازش است.

دستگاهی با آرایه‌ی سنسور به‌خوبی طراحی‌شده و بخش پیش‌روی آنالوگ کم‌نویز، در حین یک دوره‌ی اجرای سریع (اسپرینت) قادر به حفظ خواندن است، در حالی که دستگاه ارزان‌قیمت‌تر کاملاً سیگنال را از دست می‌دهد. این حوزه‌ای است که تفاوت بین ساعت‌های ارزان و میان‌رده به‌وضوح آشکار می‌شود — نه در صفحه‌ی مشخصات فنی، بلکه در خلاصه‌ی تمرین.

الگوریتم‌ها و پردازش سیگنال که داده‌ها را قابل استفاده می‌سازند.

داده‌های خام پالس‌اکسیمتری نویزی هستند و پیش از آنکه به عددی برای ضربان قلب تبدیل شوند، نیاز به پردازش سنگین دارند. الگوریتم باید رأس‌های پالس را شناسایی کند، نویزهای ناشی از حرکت را رد کند و دوره‌هایی را که سیگنال قطع می‌شود، مدیریت کند. رد نویزهای ناشی از حرکت سخت‌ترین بخش است. برخی سیستم‌ها از داده‌های شتاب‌سنج برای مدل‌سازی حرکت و کسر آن از سیگنال نوری استفاده می‌کنند. دیگران از فیلترهای تطبیقی بهره می‌برند که الگوی نویز را در زمان واقعی یاد می‌گیرند. کیفیت این الگوریتم‌ها اغلب از خود سخت‌افزار سنسور مهم‌تر است. دو ساعت با سنسورهای یکسان می‌توانند نتایج بسیار متفاوتی ارائه دهند، چرا که یکی پردازش سیگنال بهتری دارد. جدول زیر دقت معمول را در انواع فعالیت‌ها مقایسه می‌کند.

این محدوده‌ها نماینده‌اند و بسته به دستگاه و نحوهٔ پوشیدن، تفاوت گسترده‌ای دارند. الگو ثابت است. دقت با افزایش شدت حرکت کاهش می‌یابد و هیچ ساعت نوری‌ای از این مسئله کاملاً مستثنی نیست.

نحوهٔ پوشیدن و قرارگیری، عملکرد واقعی را تعیین می‌کنند

حتی بهترین سنسور نیز در صورت پوشیدن نادرست ساعت، عملکرد ضعیفی دارد. چند قاعدهٔ عملی اهمیت بیشتری دارند تا آنچه بیشتر کاربران تصور می‌کنند.

ساعت باید به‌صورت محکم روی پوست قرار گیرد، تقریباً در فاصلهٔ عرض یک انگشت بالاتر از استخوان مچ دست. اگر ساعت شل باشد، نور وارد می‌شود و در حین حرکت جابه‌جا می‌شود. پوشیدن ساعت خیلی بالا یا خیلی پایین، سنسور را از منطقهٔ عروقی بهینه دور می‌کند. در مچ‌های پرمو، سنسور ممکن است با مشکل مواجه شود، زیرا مو مانع انتقال نور می‌شود. در هوای سرد، جریان خون کمتری به اندام‌های انتهایی می‌رسد و این امر سیگنال را ضعیف می‌کند. سفت کردن بند قبل از تمرین و شل کردن آن پس از آن، عادتی کوچک اما مؤثر برای بهبود محسوس دقت است.

موردی که در آن دقت ردیابی در عمل آزمایش شد

در طول چرخه توسعه محصول برای ساعتی با تمرکز بر تناسب اندام، تیم آزمایش مقایسه‌ای با نوار قفسه سینه انجام داد که معمولاً به‌عنوان استاندارد مرجع برای اندازه‌گیری ضربان قلب در حین ورزش در نظر گرفته می‌شود. آزمایش شامل جلسه‌ای سی‌دقیقه‌ای با دوره‌های متناوب اجرای سریع و بازیابی بود. ساعت در حالت اجرای پایدار، ضربان قلب را با اختلاف چند نبض نسبت به نوار قفسه سینه اندازه‌گیری کرد، اما در دوره‌های اجرای سریع، این اختلاف تا پانزده نبض افزایش یافت. بررسی داده‌های خام نشان داد که این واگرایی دقیقاً در لحظه‌ای رخ داد که شتاب بازو به حداکثر رسید. راه‌حل این مشکل، تنظیم الگوریتم رد کردن حرکت بود تا در دوره‌های با حرکت شدید، وزن بیشتری به داده‌های شتاب‌سنج داده شود. پس از این تغییر، واگرایی در دوره‌های اجرای سریع به‌طور چشمگیری کاهش یافت. این نوع تکرار و بهبود، تفاوت بین ساعتی است که در آزمایشگاه عملکرد خوبی دارد و ساعتی که در باشگاه نیز به‌خوبی کار می‌کند.

محدودیت‌های صادقانه ردیابی نوری

ارزش دارد که در مورد محدودیت‌ها به‌صورت مستقیم صحبت شود. ردیابی نرخ ضربان قلب با روش نوری، اندازه‌گیری‌ای از رده پزشکی نیست. این روش یک ابزار تناسب اندام است و بیشتر برای شناسایی روند تغییرات در طول زمان مؤثر است تا برای خواندن‌های دقیق لحظه‌ای. کاربرانی که به دقت بالینی نیاز دارند باید از نوار سینه‌ای یا دستگاه پزشکی استفاده کنند. شرایط خاصی مانند ضربان قلب استراحت بسیار پایین یا ریتم‌های نامنظم ممکن است الگوریتم را گیج کنند. رنگ پوست تیره‌تر و خالکوبی‌ها می‌توانند جذب نور را تحت تأثیر قرار دهند، هرچند سنسورهای جدیدتر این مسئله را بهتر از سنسورهای قدیمی‌تر مدیریت می‌کنند. محیط‌های سرد، نشستن نادرست دستگاه روی بدن و حرکت شدید، همه این‌ها دقت را کاهش می‌دهند. درک این محدودیت‌ها به کاربران کمک می‌کند تا داده‌های خود را به‌صورت معقول تفسیر کنند، نه اینکه هر خواندنی را به‌عنوان مقداری دقیق در نظر بگیرند.

چگونه ثبات در تولید، ردیابی قابل اعتماد را پشتیبانی می‌کند

عملکرد ردیابی ضربان قلب به کالیبراسیون سنسور، فرم‌ور و یکنواختی ساخت در خط تولید بستگی دارد. دسته‌ای از ساعت‌های هوشمند با تنظیم نامنظم سنسور یا فرم‌ور غیریکنواخت، نتایج غیرقابل پیش‌بینی در محیط واقعی ایجاد می‌کنند. شرکت شنژن کارن ام الکترونیکس از سال ۲۰۱۴ در شنژن در حال توسعه و تولید دستگاه‌های پوشیدنی هوشمند است و تمرکز آن بر محصولاتی با هزینه مؤثر و خدمات شخصی‌سازی‌شده است. برای برندهایی که عملکرد ردیابی یکنواخت را در سفارش‌های مختلف نیاز دارند، این تجربه در حوزه دستگاه‌های پوشیدنی، قابلیت اطمینان داده‌ها را حفظ می‌کند.