นาฬิกาอัจฉริยะสำหรับผู้ชายวัดอัตราการเต้นของหัวใจระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนักได้อย่างไร

หลักการตรวจจับด้วยแสงที่ใช้ในการวัดค่า

การติดตามอัตราการเต้นของหัวใจบนสมาร์ตวอตช์สำหรับผู้ชายอาศัยเทคโนโลยีที่เรียกว่า โฟโตเพลธิสโมกราฟี (photoplethysmography) ซึ่งมักย่อเป็น PPG หลักการนี้เรียบง่ายมาก ไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่อยู่ด้านหลังของนาฬิกาจะส่องแสงสีเขียวลงบนผิวหนัง และตัวรับแสง (photodetector) จะวัดปริมาณแสงที่สะท้อนกลับมา เลือดดูดซับแสงสีเขียวได้มากกว่าเนื้อเยื่อรอบข้าง ดังนั้นเมื่อหัวใจบีบตัวและปริมาตรเลือดในหลอดเลือดฝอยเปลี่ยนแปลง ความเข้มของแสงที่สะท้อนกลับก็จะผันแปรตามจังหวะการเต้นของหัวใจ นาฬิกาจะนับจำนวนการผันแปรเหล่านี้เพื่อคำนวณอัตราการเต้นต่อนาที ใช้แสงสีเขียวเพราะสามารถแทรกผ่านผิวหนังได้ดี และถูกฮีโมโกลบินดูดซับอย่างมีประสิทธิภาพ บางอุปกรณ์เสริม LED สีแดงและอินฟราเรดเพื่อวัดลึกขึ้น ซึ่งเป็นวิธีที่ใช้ในการวัดระดับออกซิเจนในเลือดและตัวชี้วัดอื่นๆ

เหตุใดการเคลื่อนไหวจึงเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุด

วิธีการวัดด้วยแสงให้ผลลัพธ์ที่ดีเมื่อร่างกายอยู่นิ่ง แต่จะเกิดปัญหาขณะออกกำลังกายอย่างหนัก ทุกครั้งที่แกว่งแขน กระทบพื้นด้วยเท้า หรือกล้ามเนื้อหดตัว จะทำให้นาฬิกาเลื่อนตำแหน่งบนข้อมือ และเปลี่ยนแรงกดระหว่างเซ็นเซอร์กับผิวหนัง ส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนซึ่งอาจถูกตีความผิดว่าเป็นจังหวะการเต้นของหัวใจ แม้จริงๆ แล้วไม่ใช่ ภาวะเหงื่อออกยิ่งทำให้สถานการณ์แย่ลง เพราะเปลี่ยนคุณสมบัติการรับแสงของผิวหนัง และบางครั้งยังสร้างชั้นบางๆ ระหว่างเซ็นเซอร์กับผิวหนัง ซึ่งทำให้แสงกระเจิง นี่คือเหตุผลที่ความแม่นยำของการวัดอัตราการเต้นของหัวใจขณะวิ่ง ทำบัรพี หรือยกของหนักนั้นยากกว่าขณะเดินธรรมดา ผู้ผลิตจึงใช้เครื่องตรวจจับการเคลื่อนไหว (accelerometer) ร่วมกับอัลกอริทึมที่กรองสัญญาณรบกวนจากแรงสั่นสะเทือน แต่ก็ไม่มีเซ็นเซอร์แบบวัดด้วยแสงตัวใดที่จะสามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้อย่างสมบูรณ์

ฮาร์ดแวร์ของเซ็นเซอร์ และปัจจัยที่ทำให้ประสิทธิภาพดีกว่าหรือแย่กว่า

คุณภาพของชิ้นส่วนออปติคัลและวงจรแอนะล็อกเฟสหน้า (analog front end) มีผลต่อความแม่นยำอย่างวัดได้ ปัจจัยด้านฮาร์ดแวร์ไม่กี่ประการที่มีความสำคัญ

1. จำนวนและรูปแบบการจัดเรียงของคู่ไดโอดเปล่งแสง (LED) กับไดโอดรับแสง (photodiode) โดยจำนวนคู่ที่มากขึ้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการรับสัญญาณในท่าทางต่าง ๆ ของข้อมือ

2. การเลือกความยาวคลื่นของแสง เนื่องจากแสงสีเขียวให้ผลดีที่สุดสำหรับการวัดอัตราการเต้นของหัวใจ ขณะที่แสงสีแดงและแสงอินฟราเรดสนับสนุนการวัดตัวชี้วัดเพิ่มเติม

3. อัตราการสุ่มตัวอย่าง (sampling rate) โดยอัตราที่สูงขึ้นสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วได้ระหว่างการฝึกแบบเว้นจังหวะ (interval training)

4. คุณภาพของส่วนหน้าแอนะล็อก (analog front end) ซึ่งกำหนดระดับความบริสุทธิ์ของสัญญาณดิบก่อนผ่านกระบวนการประมวลผล

อุปกรณ์ที่มีอาร์เรย์เซ็นเซอร์ออกแบบมาอย่างดีและส่วนหน้าแอนะล็อกที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ จะสามารถรักษาค่าการวัดไว้ได้แม่นยำแม้ในช่วงวิ่งสปรินต์ ในขณะที่อุปกรณ์ราคาถูกกว่าอาจสูญเสียสัญญาณไปโดยสิ้นเชิง นี่คือจุดที่ความแตกต่างระหว่างนาฬิกาข้อมือระดับประหยัดกับระดับกลางจะปรากฏชัดเจนที่สุด — ไม่ใช่จากแผ่นข้อมูลจำเพาะ แต่จากผลสรุปของการออกกำลังกาย

อัลกอริทึมและการประมวลผลสัญญาณที่ทำให้ข้อมูลสามารถนำไปใช้งานได้จริง

ข้อมูลดิบจาก PPG มีสัญญาณรบกวนสูงและต้องผ่านการประมวลผลอย่างเข้มข้นก่อนจะแปลงเป็นค่าอัตราการเต้นของหัวใจได้ อัลกอริทึมจำเป็นต้องระบุจุดยอดของสัญญาณชีพจร กำจัดสัญญาณรบกวนจากเคลื่อนไหว และจัดการกับช่วงเวลาที่สัญญาณหายไป การกำจัดสัญญาณรบกวนจากเคลื่อนไหวถือเป็นส่วนที่ยากที่สุด บางระบบใช้ข้อมูลจากเครื่องวัดความเร่งเพื่อสร้างแบบจำลองการเคลื่อนไหวแล้วลบส่วนนั้นออกจากสัญญาณแสงออก ในขณะที่ระบบอื่นใช้ตัวกรองแบบปรับตัวซึ่งเรียนรู้รูปแบบของสัญญาณรบกวนแบบเรียลไทม์ คุณภาพของอัลกอริทึมเหล่านี้มักมีความสำคัญมากกว่าฮาร์ดแวร์ของเซนเซอร์เอง นาฬิกาสองเรือนที่ใช้เซนเซอร์แบบเดียวกันอาจให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันมาก เนื่องจากหนึ่งในนั้นมีการประมวลผลสัญญาณที่เหนือกว่า ตารางด้านล่างเปรียบเทียบความแม่นยำโดยทั่วไปตามประเภทกิจกรรม

ช่วงค่าเหล่านี้เป็นเพียงตัวแทน โดยอาจแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับอุปกรณ์และลักษณะการสวมใส่ แต่รูปแบบโดยรวมยังคงสอดคล้องกัน ความแม่นยำจะลดลงเมื่อความรุนแรงของการเคลื่อนไหวเพิ่มขึ้น และนาฬิกาแบบออปติคัลทุกรุ่นไม่สามารถหลีกเลี่ยงข้อจำกัดนี้ได้ทั้งหมด

การสวมใส่และการจัดวางตำแหน่งกำหนดประสิทธิภาพในการใช้งานจริง

แม้เซนเซอร์ที่ดีที่สุดก็ให้ผลลัพธ์แย่ลงหากสวมนาฬิกาไม่ถูกต้อง กฎปฏิบัติที่เรียบง่ายเพียงไม่กี่ข้อกลับมีความสำคัญมากกว่าที่ผู้ใช้ส่วนใหญ่คาดคิด

นาฬิกาควรวางแนบสนิทกับผิวหนัง อยู่สูงจากกระดูกข้อมือประมาณความกว้างของนิ้วมือหนึ่งนิ้ว หากสวมหลวมเกินไป แสงจะรั่วเข้ามาและตัวนาฬิกาอาจเลื่อนคลาดระหว่างการเคลื่อนไหว การสวมนาฬิกาสูงหรือต่ำเกินไปจะทำให้เซนเซอร์อยู่ห่างจากบริเวณที่มีระบบไหลเวียนโลหิตดีที่สุด สำหรับผู้ที่มีขนบนข้อมือหนาแน่น เซนเซอร์อาจทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพเนื่องจากขนขัดขวางการส่งผ่านแสง ในสภาพอากาศเย็น กระแสเลือดที่ไหลไปยังส่วนปลายของร่างกายจะลดลง ส่งผลให้สัญญาณอ่อนแอลง การรัดสายนาฬิกาให้แน่นก่อนออกกำลังกายแล้วคลายออกหลังเสร็จสิ้น เป็นนิสัยเล็กๆ ที่ช่วยเพิ่มความแม่นยำได้อย่างชัดเจน

กรณีศึกษาหนึ่งที่ทดสอบความแม่นยำของการติดตามในสถานการณ์จริง

ในระหว่างวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์สำหรับนาฬิกาที่เน้นด้านความฟิต ทีมทดสอบได้เปรียบเทียบผลกับเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจแบบสายรัดหน้าอก ซึ่งโดยทั่วไปถือเป็นมาตรฐานอ้างอิงสำหรับการวัดอัตราการเต้นของหัวใจขณะออกกำลังกาย การทดสอบนี้ใช้เซสชันแบบเว้นช่วงเป็นเวลาสามสิบนาที โดยสลับระหว่างช่วงวิ่งเร็วและช่วงพัก นาฬิกาให้ค่าตรงกับเครื่องวัดแบบสายรัดหน้าอกภายในไม่กี่ครั้งต่อนาทีขณะวิ่งคงที่ แต่ค่าที่วัดได้เบี่ยงเบนสูงสุดถึงสิบห้าครั้งต่อนาทีในช่วงวิ่งเร็ว การวิเคราะห์ข้อมูลดิบแสดงว่า ความเบี่ยงเบนเกิดขึ้นในขณะที่ความเร่งของแขนสูงสุด แนวทางแก้ไขคือการปรับอัลกอริธึมปฏิเสธสัญญาณเคลื่อนไหว โดยให้ความสำคัญกับข้อมูลจากเครื่องวัดความเร่งมากขึ้นในช่วงที่มีการเคลื่อนไหวรุนแรง หลังจากปรับเปลี่ยนแล้ว ความเบี่ยงเบนในช่วงวิ่งเร็วลดลงอย่างมีนัยสำคัญ กระบวนการวนซ้ำเช่นนี้คือสิ่งที่ทำให้นาฬิกาหนึ่งสามารถวัดค่าได้แม่นยำในห้องปฏิบัติการ แตกต่างจากนาฬิกาอีกเรือนที่วัดค่าได้แม่นยำในโรงยิม

จุดที่การติดตามด้วยแสงมีข้อจำกัดอย่างแท้จริง

การกล่าวถึงข้อจำกัดอย่างตรงไปตรงมานั้นคุ้มค่ามาก ระบบติดตามอัตราการเต้นของหัวใจด้วยแสงไม่ใช่เครื่องมือวัดระดับทางการแพทย์ แต่เป็นอุปกรณ์เพื่อสุขภาพและฟิตเนส ซึ่งให้ผลดีที่สุดเมื่อใช้วิเคราะห์แนวโน้มในระยะยาว มากกว่าการวัดค่าทันทีแบบแม่นยำสูง ผู้ใช้ที่ต้องการความแม่นยำระดับคลินิกควรใช้สายรัดหน้าอกหรืออุปกรณ์ทางการแพทย์ ภาวะบางอย่าง เช่น อัตราการเต้นของหัวใจขณะพักต่ำมาก หรือจังหวะการเต้นผิดปกติ อาจทำให้อัลกอริธึมประมวลผลผิดพลาด สีผิวเข้มและรอยสักอาจส่งผลต่อการดูดซับแสง อย่างไรก็ตาม เซนเซอร์รุ่นใหม่สามารถจัดการกับปัญหานี้ได้ดีกว่ารุ่นเก่า สภาพแวดล้อมที่เย็นจัด การสวมใส่ไม่กระชับพอ และการเคลื่อนไหวรุนแรงล้วนลดความแม่นยำลง การเข้าใจข้อจำกัดเหล่านี้จะช่วยให้ผู้ใช้ตีความข้อมูลของตนได้อย่างเหมาะสม แทนที่จะถือว่าค่าทุกค่าที่วัดได้นั้นแม่นยำสมบูรณ์แบบ

ความสม่ำเสมอในการผลิตช่วยสนับสนุนการติดตามที่เชื่อถือได้อย่างไร

ประสิทธิภาพของการติดตามอัตราการเต้นของหัวใจขึ้นอยู่กับการปรับค่าเซ็นเซอร์ ซอฟต์แวร์ฝังตัว และความสม่ำเสมอในการผลิต นาฬิกาที่ผลิตเป็นชุดหนึ่งๆ ซึ่งมีการจัดแนวเซ็นเซอร์ไม่เท่ากัน หรือมีซอฟต์แวร์ฝังตัวไม่สอดคล้องกัน จะให้ผลลัพธ์ที่คาดเดาไม่ได้ในสภาพการใช้งานจริง บริษัท เซินเจิ้น แคเรน เอ็ม อิเล็กทรอนิกส์ จำกัด ดำเนินการวิจัย พัฒนา และผลิตอุปกรณ์สวมใส่อัจฉริยะมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2014 โดยมีสำนักงานใหญ่อยู่ที่เมืองเซินเจิ้น และมุ่งเน้นผลิตภัณฑ์ที่คุ้มค่าและบริการเฉพาะบุคคล สำหรับแบรนด์ที่ต้องการประสิทธิภาพการติดตามที่สม่ำเสมอทั่วทุกออร์เดอร์ ประสบการณ์อันยาวนานในภาคอุปกรณ์สวมใส่นี้คือสิ่งที่ทำให้ข้อมูลที่ได้มีความน่าเชื่อถือ