Cảm biến SpO2 trên đồng hồ thông minh hoạt động thế nào?

Về bản chất, đây là một dạng đo quang thể tích ký (PPG) kết hợp với phép đo hấp thụ ánh sáng ở nhiều bước sóng. Cơ chế này tương đồng với nguyên lý của máy đo SpO2 đầu ngón tay, nhưng đồng hồ thường sử dụng cấu hình đo phản xạ vì cảm biến và nguồn sáng đều nằm ở mặt dưới thiết bị.

Cảm biến SpO2 dùng ánh sáng để nhận biết oxy trong máu ra sao?

Hemoglobin có hai trạng thái quan trọng đối với phép đo này: oxyhemoglobin, tức hemoglobin đang gắn oxy, và deoxyhemoglobin, tức hemoglobin đã nhả oxy. Hai dạng này hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau.

Ở phép đo SpO2 truyền thống, ánh sáng đỏ khoảng 660 nm và hồng ngoại khoảng 940 nm thường được sử dụng. Oxyhemoglobin hấp thụ tương đối nhiều ánh sáng hồng ngoại và cho ánh sáng đỏ đi qua nhiều hơn, trong khi deoxyhemoglobin có xu hướng hấp thụ ánh sáng đỏ mạnh hơn. Bộ xử lý dùng sự khác biệt này để tính tỷ lệ tín hiệu và chuyển đổi thành giá trị SpO2 dạng phần trăm.

Trên đồng hồ thông minh, cấu hình có thể thay đổi theo nhà sản xuất. Một số thiết bị dùng nhiều LED, kết hợp ánh sáng đỏ, hồng ngoại và các bước sóng khác, rồi phân tích lượng ánh sáng phản xạ trở lại cảm biến quang điện.

PPG giữ vai trò gì trong phép đo SpO2?

Ánh sáng đơn thuần chưa đủ để đồng hồ tách tín hiệu của máu động mạch khỏi da, mô và các thành phần khác. Vì vậy, cảm biến còn dựa vào PPG để theo dõi biến thiên lượng máu theo từng nhịp tim.

Khi tim co bóp, lượng máu động mạch tại vùng cổ tay tăng lên, làm thay đổi lượng ánh sáng được hấp thụ hoặc phản xạ. Khi tim giãn, lượng máu giảm và tín hiệu quang học cũng thay đổi. Chuỗi biến thiên này tạo thành dạng sóng PPG mà bộ xử lý có thể phân tích.

Điểm quan trọng là phần tín hiệu biến thiên theo nhịp đập giúp hệ thống tập trung hơn vào máu động mạch, trong khi những thành phần hấp thụ ánh sáng tương đối ổn định như da, mô và máu tĩnh mạch trở thành nền của phép đo.

Đồng hồ thông minh tính ra chỉ số SpO2 như thế nào?

Quy trình có thể hình dung theo chuỗi:

1.    LED phát các bước sóng ánh sáng vào vùng da ở cổ tay

2.    Ánh sáng đi vào mô và bị hấp thụ, tán xạ hoặc phản xạ

3.    Cảm biến quang điện thu phần ánh sáng quay trở lại

4.    Hệ thống tách thành phần tín hiệu biến thiên theo nhịp tim

5.    Bộ xử lý phân tích tương quan giữa các tín hiệu ở những bước sóng khác nhau

6.    Thuật toán chuyển kết quả quang học thành giá trị SpO2 ước tính

Vì vậy, con số hiển thị trên mặt đồng hồ không phải là một phép “nhìn thấy oxy” trực tiếp. Đó là kết quả suy ra từ đặc tính hấp thụ ánh sáng của hemoglobin và sự biến thiên của máu động mạch.

Với thiết bị đo phản xạ ở cổ tay, bài toán khó hơn máy đo đầu ngón tay vì ánh sáng không đi xuyên qua một vùng mô mỏng rồi tới bộ thu; thay vào đó, hệ thống phải phân tích ánh sáng phản xạ từ mô. Điều này khiến tín hiệu SpO2 dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện đo.

Vì sao kết quả SpO2 trên đồng hồ có thể thay đổi?

Độ ổn định của phép đo phụ thuộc nhiều vào chất lượng tín hiệu quang học. Chuyển động cổ tay có thể làm thay đổi đường đi của ánh sáng và tạo nhiễu. Tư thế, lượng máu tưới tại da, nhiệt độ môi trường hoặc các đặc điểm trên bề mặt da cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng thu tín hiệu. Apple, chẳng hạn, lưu ý rằng tưới máu da thấp do lạnh, chuyển động và hình xăm có thể khiến phép đo không thành công hoặc kém tin cậy hơn.

Đó cũng là lý do nhiều đồng hồ yêu cầu người dùng giữ tay tương đối ổn định trong một khoảng thời gian trước khi hoàn tất phép đo. Mục tiêu là giảm nhiễu và tạo ra tín hiệu PPG đủ rõ để thuật toán xử lý.

SpO2 trên đồng hồ thông minh có phải là phép đo y tế tuyệt đối?

Không nên xem mọi giá trị SpO2 từ đồng hồ thông minh là tương đương với thiết bị y tế chuyên dụng. Độ chính xác còn phụ thuộc vào thiết kế cảm biến, thuật toán, vị trí đeo, điều kiện đo và từng thiết bị cụ thể.

Các nghiên cứu về Apple Watch cho thấy phép đo có thể tương đối phù hợp với máy đo SpO2 thông thường trong một số điều kiện, nhưng vẫn tồn tại sai số và các giá trị ngoại lệ đáng kể.

Ngay cả Apple cũng ghi rõ tính năng Blood Oxygen trên Apple Watch không được thiết kế để sử dụng cho mục đích y tế.

Vì vậy, cảm biến SpO2 phù hợp nhất để theo dõi xu hướng và tham khảo, thay vì tự dùng một giá trị đơn lẻ từ đồng hồ để đưa ra kết luận về tình trạng sức khỏe.

Điểm cốt lõi của công nghệ này nằm ở sự kết hợp giữa ánh sáng, hemoglobin, PPG và thuật toán xử lý tín hiệu. Đồng hồ không đo oxy trực tiếp mà ước tính độ bão hòa oxy bằng cách phân tích cách các dạng hemoglobin tương tác với ánh sáng ở những bước sóng khác nhau.