موبایل
لپ تاپ
هدفون
ساعت هوشمند
کامپیوتر
ساعت هوشمند چطور سلامت ما را پایش می‌کند؟
وقتی اپل در سال ۲۰۱۵ اولین اپل واچ را معرفی کرد، کمتر کسی تصور می‌کرد که روزی ساعت مچی به یک کامپیوتر کوچک مینیاتوری تبدیل شود. آن زمان، اپل واچ صرفا به‌عنوان گجت همراه آیفون برای نمایش اعلان‌ها و ردیابی فعالیت‌های ورزشی معرفی شد؛ اما امروز، ساعت‌های هوشمند به دستگاه‌های پیشرفته‌ای تبدیل شده‌اند که با حسگرهای متنوع خود از پایش ضربان قلب گرفته تا تشخیص سطح اکسیژن خون و حتی ثبت نوار قلب (ECG)، توانسته‌اند نقش مؤثری در نظارت‌بر سلامت کاربران ایفا کنند.
ساعت هوشمند چطور ضربان قلب را می‌سنجد؟
سنسورهای به‌کاررفته در ساعت‌های هوشمند از نور و بازتاب آن برای شناسایی تغییرات بسیار کوچک در بدن استفاده می‌کنند. یکی از رایج‌ترین آن‌ها، سنسور ضربان قلب است که از نور سبز استفاده می‌کند.
نورِ سبز در پشت ساعت‌های هوشمند بر پایه‌ی فناوری‌ای به‌نام تغییر حجم‌سنجی نوری (Photoplethysmogram یا PPG) توسعه یافته و روشی غیرتهاجمی برای پایش اطلاعات بیومتریک بدن است. این فناوری با ارسال نور به پوست و تحلیل بازتاب آن کار می‌کند تا داده‌های سلامت مانند ضربان قلب و سطح اکسیژن خون را به دست آورد.
برای توضیح طرز کار فناوری PPG لازم است از قطعات اپتوالکترونیک (قطعات نوری و الکتریکی) شروع کنیم. ابتدا یک LED، نوری به رنگ سبز به سطح پوست می‌تاباند. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، نور سبز که در محدوده‌ی طول موج ۴۹۵ تا ۵۷۰ نانومتر (عمق نفوذ بین بین ۰٫۵ تا ۲ میلی‌متر) قرار دارد، به لایه‌های سطحی پوست نفوذ می‌کند و برای اندازه‌گیری ضربان قلب ایده‌آل است، زیرا به خوبی توسط خون جذب می‌شود و تغییرات حجم خون در رگ‌ها را به‌دقت تشخیص می‌دهد.
ساعت‌های هوشمند مدرن از نورهای قرمز و فروسرخ (با طول موج‌های بیشتر از ۶۰۰ نانومتر) برای نفوذ بیشتر در پوست استفاده می‌کنند. این طول موج‌ها برای اندازه‌گیری سطح اکسیژن خون و بررسی تغییرات عروق در عمق پوست به کار می‌روند. به دلیل نفوذپذیری بالاتر، نور فروسرخ می‌تواند از بافت‌های عمیق‌تر عبور کند و اطلاعات دقیق‌تری را درباره‌ی سلامت بدن ارائه دهد. این فناوری‌ها به ساعت‌های هوشمند امکان می‌دهند تا داده‌های سلامتیِ ما را به صورت مستمر و دقیق رصد و به بهبود سبک زندگی و سلامت عمومی کمک کنند.
فناوری PPG ساعت هوشمند چطور کار می‌کند؟
پژوهشگران برای نخستین بار از PPG در دهه‌ی ۳۰ میلادی برای مطالعه‌ی جریان خون استفاده کردند، اما این روش تا دهه‌ی ۸۰ میلادی به‌طور رسمی برای بررسی سلامت قلب استفاده نشد. شکل ظاهری موج پالسی اطلاعات ارزشمندی را در مورد سلامت قلب به ما می‌دهد.
- تقویت سیگنال: به‌طور معمول، سیگنال الکتریکی دریافت شده بسیار ضعیف است، بنابراین قبل از انجام هر کاری، برای افزایش شدت، به تقویت‌کننده‌ی سیگنال (Amplifier) فرستاده می‌شود.
- فیلتر کردن نویز: سیگنال الکتریکی پس از تقویت ممکن است مقداری نویز داشته باشد که از جمع‌آوری داده‌های دقیق جلوگیری می‌کند. در این مرحله، با استفاده از فیلترهای مختلف (مثل فیلتر پایین‌گذر، بالاگذر یا میان‌گذر)، نویزهای ناخواسته را حذف می‌کنیم.
- دیجیتالی کردن سیگنال: پس از حذف نویز به‌کمک فیلترهای مناسب، مبدل آنالوگ به دیجیتال، سیگنال آنالوگ را به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند. چون با انجام این کار، سیستم‌های دیجیتال به‌راحتی می‌توانند سیگنال را تحلیل کنند.
- پردازش سیگنال دیجیتال: در ادامه، از الگوریتم‌های پردازش سیگنال مانند تحلیل فوریه، فیلترهای دیجیتال یا الگوریتم‌های یادگیری ماشین، برای استخراج اطلاعات استفاده می‌کنیم.
ساعت هوشمند چطور سطح اکسیژن خون را می‌سنجد؟
اشباع اکسیژن خون (Saturation of Peripheral Oxygen یا SpO2) یکی دیگر از پارامترهایی است که می‌توانیم به‌کمک سیگنال PPG اندازه‌گیری کنیم. به درصد هموگلوبینِ اشباع شده با مولکول‌های اکسیژن، اشباع اکسیژن خون می‌گوییم. هموگلوبین، پروتئینی در گلبول‌های قرمز است که اکسیژن را از ریه‌ها به بافت‌های بدن منتقل می‌کند. میزان SpO2 نشان می‌دهد که چه مقدار از هموگلوبین موجود در خون، اکسیژن را با خود حمل می‌کند.
در حالت کلی، درصد اشباع اکسیژن خون نباید از مقداری مشخص کمتر باشد (کمتر از ۹۰ درصد)، به‌همین دلیل امروزه بیشتر گوشی‌های هوشمند علاوه بر اندازه‌گیری تعداد ضربان قلب در دقیقه، درصد اشباع اکسیژن خون را نیز اندازه می‌گیرند. مقدار درصد اشباع اکسیژن خون همچنین نشان می‌دهد آیا فردی دچار آپنه‌ی خواب (Sleep Apnea) است یا خیر. آپنه‌ی خواب یک اختلال جدی است که در آن تنفس فرد در طول خواب به‌طور مکرر و در حدود ۳۰ ثانیه متوقف و دوباره شروع می‌شود. در این وضعیت، اکسیژن کافی به بدن و مغز نمی‌رسد و فردِ مبتلا دچار مشکلات جدی خواهد شد.
مشابه اندازه‌گیری تعداد ضربان قلب، ساعت‌های هوشمند برای اندازه‌گیری درصد اشباع اکسیژن خون از تابش نور و بازتاب آن کمک می‌گیرند، اما این بار به جای نور سبز، از نور قرمز و فروسرخ استفاده می‌کنند. نور قرمز و فروسرخ به‌دلیل طول موج بلندتر و عمق نفوذ بیشتر در پوست، می‌توانند اطلاعات دقیق‌تری از عمق بافت‌ها به دست آورند. با این حال، رنگ پوست یا تتو می‌تواند بر دقت این اندازه‌گیری‌ها تاثیر بگذارد.
تا اینجا فهمیدیم ساعت‌های هوشمند به‌کمک نور قرمز با طول موج بلندتر، درصد اشباع اکسیژن خون را اندازه می‌گیرند. دلیل استفاده از نور قرمز، تنها به خاطر طول موج بلندتر آن نیست، بلکه هر چه مقدار اکسیژن خون بیشتر باشد، رنگ آن قرمزتر خواهد بود، بنابراین نور قرمز را به شکل متفاوتی جذب می‌کند. پس از تابش نور قرمز به پوست، آشکارساز نوری مقدار نور بازتابیده را اندازه می‌گیرد.
ساعت هوشمند چطور مسافت را اندازه می‌گیرد؟
اندازه‌گیری دقیق مسافت با ساعت‌های هوشمند، حتی به‌لطف فناوری GPS، همچنان با چالش‌هایی همراه است. گروهی از پژوهشگران با انتشار مقاله‌ای در سال ۲۰۲۰ و مقایسه‌ی ساعت‌های هوشمند مختلف با یکدیگر، نشان دادند که میزان خطا در اندازه‌گیری مسافت بین ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد است. در مکان‌هایی با موانع زیاد مانند ساختمان‌ها یا در مسیرهای پیچ‌درپیچ، سیگنال GPS ممکن است دچار اختلال شود.
برای رفع این مشکل، برخی شرکت‌ها به سمت استفاده از فناوری‌های پیشرفته‌تر مانند دریافت سیگنال از چندین ماهواره و فرکانس‌های مختلف روی آورده‌اند. این روش به ساعت‌ها کمک می‌کند تا سیگنال‌های دقیق‌تر را انتخاب کنند و مسافت را با دقت بیشتری اندازه بگیرند.
قطعه‌ی نارنجی‌رنگ و متحرک شتاب‌سنج، جرم آزمایشی (Proof Mass) نام دارد که نقش عنصر اصلی را در سنسور ایفا می‌کند. این جرم با شتاب گرفتن دستگاه، کمی جابه‌جا و حرکت آن سبب تغییر در ظرفیت خازنی می‌شود که دستگاه از آن برای محاسبه‌ی میزان شتاب و حرکت استفاده می‌کند. ساعت‌های هوشمند از شتاب‌سنج‌ها برای تشخیص حرکات دست، گام‌شماری، و ردیابی فعالیت‌های ورزشی استفاده می‌کنند.
ساعت هوشمند چطور کیفیت خواب را اندازه‌گیری می‌کند؟
پایش خواب یکی دیگر از قابلیت‌های جذاب ساعت‌های هوشمند است که به شما کمک می‌کند، کیفیت خواب خود را بررسی و برای بهبود آن تلاش کنید. خواب انسان به سه مرحله‌ی اصلی تقسیم می‌شود:
- خواب سبک (Light Sleep): در این مرحله، بدن به‌آرامی وارد حالت استراحت می‌شود و به‌راحتی می‌توانید بیدار شوید.
- خواب عمیق (Deep Sleep): پس از وارد شدن به این مرحله، به‌سختی بیدار می‌شوید.
- خواب REM (حرکات سریع چشم): مرحله‌ای که مغز فعال می‌شود و رویاها شکل می‌گیرند. این فاز برای پردازش اطلاعات و حافظه بسیار حیاتی است.
ساعت‌های هوشمند برای پایش خواب از ترکیب چند سنسور استفاده می‌کنند. شتاب‌سنج‌ها یکی از اصلی‌ترین سنسورهایی هستند که ساعت برای پایش خواب از آن‌ها استفاده می‌کند. همان‌طور که در بخش قبل گفتیم، این سنسور حرکات بدن را در راستای سه محور (x, y, z) ثبت می‌کند.
ساعت هوشمند برای بررسی دقیق خواب به سنسورهای دیگری مانند سنسورهای ضربان قلب و تنفسی نیز نیاز دارد. این سنسورها با یادگیری الگوی ضربان قلبِ فرد، هنگام استراحت (ضربان قلب پایه)، متوجه می‌شوند که چه زمانی بدن آرام است. اگر ضربان قلبِ فرد به این سطح نزدیک باشد و شتاب‌سنج تیز حرکتی را ثبت نکند، احتمال خواب بیشتر است.
نظرات کاربران