پیشرفتهای اخیر در فناوری، امکان تولید محصولات هوشمند پوشیدنی با قابلیت ثبت علایم حیاتی بدن انسان، نظیر نرخ ضربان قلب را فراهم کرده است. بااینحال، تنوع بالای این محصولات ممکن است انتخاب یک گزینه مناسب را برای کاربران دشوار کند.
یکی از ویژگیهای کلیدی این محصولات در فناوری مورد استفاده جهت اندازهگیری نرخ ضربان قلب آنها است. در حال حاضر، دو فناوری اصلی و رایج در این زمینه وجود دارد: ECG (الکتروکاردیوگرام) و PPG (فوتوپلتیسموگرام).
در این بخش، به تعریف و ارزیابی قابلیتهای هر یک از این فناوریها خواهیم پرداخت. مقایسهی این دو فناوری میتواند به کاربران کمک کند تا بر اساس نیازهای فردی خود، انتخاب مناسبی داشته باشند.
حسگرهای الکتروکاردیوگرام (ECG)
در روش ECG (الکتروکاردیوگرام) از الکترودهایی استفاده میشود که تغییرات الکتریکی کوچک ناشی از دپلاریزاسیون و رپلاریزاسیون عضله قلب را در طول هر چرخه قلبی شناسایی میکنند. این روش به دلیل اندازهگیری فعالیت واقعی قلب، بهعنوان یک روش تشخیصی معتبر شناخته میشود.
بااینحال، یکی از محدودیتهای این روش، لزوم قرارگیری الکترودها در نزدیکی قلب است. به همین دلیل، محصولات مبتنی بر این فناوری معمولاً به شکل بندهایی طراحی میشوند که بهدور قفسه سینه یا ناحیه نیمتنه قرار میگیرند. این طراحی، دقت اندازهگیری را افزایش میدهد، اما ممکن است از نظر راحتی و کاربرد روزمره برای برخی کاربران چالشهایی را به وجود آورد.
حسگرهای فوتوپلتیسموگرام (PPG)
حسگرهای PPG (فوتوپلتیسموگرام) از یک منبع نور و یک آشکارساز نوری که بر روی سطح پوست قرار میگیرد، استفاده میکنند. در این روش تغییرات حجمی در گردش خون، معیار اندازهگیری است. این فناوری به کمک یک LED کوچک، نوری را به پوست میتاباند و میزان نور جذب و بازتاب شده را ثبت میکند.
میزان نور جذب شده به حجم خون در رگها بستگی دارد. به عبارتی، زمانی که حجم خون افزایش مییابد، نور بیشتری جذب میشود و در مواقعی که حجم خون کاهش مییابد، نور کمتری جذب میشود. بهاینترتیب، PPG به طور غیرمستقیم ضربان قلب را اندازهگیری میکند.
از نظر تئوری این روش قابلیت استفاده در هر نقطهای از بدن که عروق خونی به سطح پوست نزدیک هستند، را دارد. به همین دلیل، محصولات مبتنی بر فناوری PPG معمولاً بهصورت مچبند، ساعت و بازوبند طراحی و عرضه میشوند. این نوع طراحی باعث میشود که حسگرهای PPG راحتتر و کاربردیتر باشند و بتوانند در زندگی روزمره بهراحتی استفاده شوند.
اندازهگیری نرخ ضربان قلب (HR)
نرخ ضربان قلب (HR یا Heart Rate) به تعداد پیکهای R موجود در سیگنال الکتروکاردیوگرام (ECG) در هر دقیقه اشاره دارد. بهرغم اینکه سیگنالهای PPG و ECG منشأ متفاوتی دارند، هر دو به طور مستقیم با چرخه قلبی مرتبط هستند و قادر به اندازهگیری نرخ ضربان قلب هستند.
نرخ ضربان قلب را میتوان با هر دو روش ECG و PPG اندازهگیری کرد. حسگرهایPPG برای اندازهگیری میانگین نرخ ضربان قلب در یک بازه زمانی مناسبتر هستند. حسگرهای ECG به زمان استقرار طولانی نیاز ندارند. به عبارت دیگر میتوان در مدت کوتاهی پس از راهاندازی، اعداد قابلاعتمادی به دست آورد. اما حسگر PPG به دلیل اینکه نیاز به اندازهگیری میزان نور محیط و حذف تاثیر آن از سیگنال قلب را دارد، به زمان استقرار طولانی نیاز دارد.
نرخ تغییرات ضربان قلب (HRV)
نرخ تغییرات ضربان قلب (HRV) به تغییرات زمانی بین فواصل پیکهای متوالی (پیکهای R در سیگنال ECG) اشاره دارد و با استفاده از روشهای آماری مختلف مورد بررسی قرار میگیرد. HRV بهعنوان یک شاخص ارزشمند برای ارزیابی وضعیت فیزیولوژیکی قلب و عملکرد سیستم عصبی خودمختار شناخته میشود.
اهمیت HRV
شاخص سلامتی: مقدار متوسط HRV برای افراد بالغ و سالم به طور معمول 42 میلیثانیه (با محدوده 19 تا 75 میلیثانیه) است. برای ورزشکاران، این مقدار میتواند به 120 میلیثانیه برسد.
وضعیت سیستم عصبی: HRV بازتابی از عملکرد و تعامل بین سیستم عصبی سمپاتیک (SNS) و پاراسمپاتیک (PNS) است. بهطوریکه سیستم عصبی سمپاتیک با آزادسازی ایپینفرین باعث افزایش ضربان قلب و پاسخهای فوری به استرس میشود. درحالیکه سیستم عصبی پاراسمپاتیک برای ایجاد آرامش و کاهش ضربان قلب عمل میکند.
کاربردهای HRV
نرخ تغییرات ضربان قلب ، بهعنوان یک ابزار مهم در زمینههای مختلف پزشکی و روانشناختی، از جمله، شناسایی استرس، ارزیابی سلامت روان، تشخیص اختلال استرس پس از سانحه (PTSD) و پیشبینی بیماریهای قلبی و دیابت، استفاده می شود.
اندازهگیری نرخ تغییرات ضربان قلب (HRV)
شاخص HRV را میتوان با دقت مناسب از دادههای ECG استخراج کرد. در این روش برای بهدستآوردن دادههای معنیدار HRV، اندازهگیریهای کوتاهمدت (حدود 1 دقیقه) کافی است. در حالی که اندازه گیری این شاخص با حسگرهای PPG با چالش هایی همراه است. حسگرهای PPG به دلیل مصرف بالای برق LED ها و نرخ نمونهبرداری محدود، دقت کمتری در اندازهگیری فواصل پیک R، دارند. لذا جهت دستیابی به مقدار قابل اعتماد، اندازهگیریهای طولانیمدت (بیش از 5 دقیقه)، مورد نیاز است.
عوامل مؤثر بر کیفیت سیگنال در حسگرهای PPG
هنگامی که از حسگرهای PPG موجود در ساعتها یا مچبندها برای اندازهگیری نرخ تغییر ضربان قلب (HRV) استفاده میشود، کیفیت سیگنال به چندین عامل بستگی دارد که به شرح زیر هستند:
تماس حسگر و پوست
کیفیت اتصال حسگر به پوست بهشدت بر دقت سیگنال تأثیر میگذارد. در حین فعالیت بدنی، امکان دارد حسگر بهخوبی روی پوست قرار نگیرد و این مسئله باعث اختلال در سیگنال دریافتی شود. همچنین، هرگونه جابهجایی حسگر نسبت به پوست میتواند موجب ایجاد نویز و دادههای ناپایدار شود.
رنگ پوست و تتو
تحقیقات نشان میدهد که رنگ پوست میتواند بر میزان جذب و بازتاب نور در سیگنالی که توسط PPG ثبت میشود تأثیر بگذارد. پوست تیره ممکن است جذب نور را بهگونهای متفاوت از پوست روشن انجام دهد و موجب کاهش دقت شود. همچنین تتوها میتوانند باعث ایجاد سایه و تغییرات در جذب نور شوند که میتواند بر کیفیت سیگنال PPG تأثیر منفی بگذارد.
رطوبت
دما و رطوبت محیط میتواند بر روی کیفیت تماس و عملکرد حسگر PPG تأثیر بگذارد. رطوبت ممکن است باعث کاهش چسبندگی حسگر به پوست و همینطور تغییر در خصوصیات نوری آن شود.
نرخ نمونهبرداری
دقت سیگنال PPG به نرخ نمونهبرداری حسگر بستگی دارد. نرخ نمونهبرداری بالا معمولاً به استخراج دقیقتری از دادهها منجر میشود، اما مصرف برق بیشتری نیز دارد.
روش تشخیص پیک
روش مورد استفاه جهت تشخیص پیک (نقاط R) ، بر روی دقت دادههای بهدستآمده تأثیرگذار است.
نتیجهگیری
درحالیکه حسگرهای PPG چالشهای خاص خود را دارند، حسگرهای ECG بهعنوان استاندارد طلایی برای اندازهگیری HRV مطرح میشوند. چرا که روش ECG میتواند دادههای دقیقتری را بدون تأثیرگذاری عوامل خارجی (مانند رنگ پوست یا تتو) ارائه دهد. همچنین در شرایطی که کنترلی وجود ندارد یا حرکت کاربر زیاد است، ECG معمولاً دقت بیشتری نسبت به PPG ارائه میدهد. روشهای متنوع تشخیص پیک و نرخ نمونهبرداری در ECG تأثیر چندانی بر دقت دادهها ندارند و به همین دلیل این فناوری بهعنوان مرجع اصلی در مطالعات علمی شناخته میشود.
نرخ تغییرات ضربان قلب (HRV) یک شاخص مهم در ارزیابی وضعیت فیزیولوژیکی و عملکرد سیستم عصبی خودمختار است و کاربردهای پزشکی و روانشناختی زیادی دارد؛ لذا توجه به عوامل مؤثر بر کیفیت سیگنال و انتخاب صحیح فناوری اندازهگیری، ضرورت دارد تا نتایج دقیقتری به دست آید. در نهایت، آگاهی از تفاوتها و چالشهای فناوری های مختلف میتواند به کاربران و محققان در انتخاب ابزار مناسب برای اهداف خاص بهمنظور نظارت بر سلامت کمک کند.
