Cảm biến sức khỏe trên thiết bị đeo hoạt động thế nào?

Điểm quan trọng là một chỉ số hiển thị trên đồng hồ hay vòng đeo tay thường là kết quả của cả một chuỗi xử lý, chứ không phải phép đo đơn lẻ. Vì thế, muốn hiểu cảm biến hoạt động thế nào cần nhìn toàn bộ quá trình từ tín hiệu cơ thể → cảm biến → xử lý tín hiệu → thuật toán → chỉ số hiển thị.

Cảm biến sức khỏe trên thiết bị đeo thực chất đo gì?

Ở tầng phần cứng, cảm biến thường thuộc một số nhóm chính: quang học, điện, quán tính và nhiệt. Các hệ thống hiện đại còn có thể kết hợp cảm biến hóa sinh, nhưng nhóm này phức tạp hơn và chưa phổ biến như những cảm biến sinh lý cơ bản trên smartwatch và vòng theo dõi sức khỏe.

Cảm biến quang học phát ánh sáng vào da rồi đo ánh sáng phản xạ trở lại. Cơ chế phổ biến nhất là photoplethysmography, hay PPG. Khi tim bơm máu, thể tích máu trong mô thay đổi theo nhịp; những thay đổi này làm lượng ánh sáng hấp thụ hoặc phản xạ thay đổi theo thời gian. Tín hiệu PPG vì vậy có thể được dùng để xác định nhịp tim và làm cơ sở cho một số phép tính khác.

Cảm biến điện thu các tín hiệu điện sinh học của cơ thể. Với điện tâm đồ, các điện cực tạo thành một đường dẫn điện giữa những điểm tiếp xúc và ghi lại biến đổi điện thế liên quan đến hoạt động điện của tim. Đây là cách tiếp cận khác hoàn toàn so với PPG: một bên quan sát thay đổi quang học do dòng máu, bên kia ghi tín hiệu điện của tim.

Cảm biến quán tính như gia tốc kế và con quay hồi chuyển đo gia tốc, chuyển động và vận tốc góc của thiết bị. Dữ liệu này giúp xác định hoạt động thể chất, trạng thái vận động và còn có thể được dùng để hỗ trợ phát hiện giấc ngủ hoặc loại bỏ nhiễu chuyển động khỏi các tín hiệu khác.

Cảm biến nhiệt đo nhiệt độ tại vùng da tiếp xúc. Một số thiết kế dùng nhiệt điện trở, trong đó điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, nhiệt độ da chịu ảnh hưởng rõ bởi môi trường, mồ hôi và độ tiếp xúc giữa da với cảm biến, nên nhiệt độ đo tại cổ tay không thể mặc định đồng nhất với nhiệt độ trung tâm của cơ thể.

Các cảm biến phổ biến tạo ra dữ liệu sức khỏe bằng cách nào?

PPG: từ ánh sáng phản xạ đến nhịp tim và SpO₂

PPG là một trong những công nghệ quan trọng nhất trên thiết bị đeo. Đồng hồ dùng LED để chiếu sáng mô dưới da và photodetector để thu ánh sáng phản xạ. Khi lượng máu thay đổi theo nhịp tim, dạng sóng thu được cũng thay đổi. Thuật toán có thể nhận diện các chu kỳ của tín hiệu để ước tính nhịp tim.

Để ước tính SpO₂, hệ thống có thể sử dụng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, thường bao gồm vùng đỏ và hồng ngoại, rồi phân tích sự khác biệt trong hấp thụ ánh sáng của máu có oxy và máu ít oxy hơn. Đây là nguyên lý tương tự nền tảng của phép đo SpO₂ bằng đo oxy xung, dù thiết bị đeo thường sử dụng cấu hình phản xạ thay vì truyền ánh sáng xuyên qua mô.

Điều này cũng giải thích vì sao PPG có thể tạo ra nhiều loại dữ liệu nhưng không phải dữ liệu nào cũng có cùng mức độ chắc chắn. Một tín hiệu gốc có thể chứa nhiều thông tin, nhưng để biến nó thành một chỉ số cụ thể còn cần mô hình xử lý và hiệu chuẩn phù hợp.

ECG: ghi hoạt động điện của tim

ECG không quan sát dòng máu mà đo hoạt động điện của tim thông qua các điện cực. Khi người dùng chạm vào vị trí điện cực được thiết kế trên thiết bị, hệ thống tạo một đường đo điện thế và ghi lại dạng sóng điện tim.

Do đó, ECG phù hợp với những bài toán mà dạng sóng điện của tim mang thông tin trực tiếp, chẳng hạn đánh giá nhịp tim và một số bất thường về nhịp. PPG và ECG có thể cùng xuất hiện trên một thiết bị nhưng không nên xem chúng là hai cách đo giống nhau.

Gia tốc kế và con quay hồi chuyển: đo chuyển động để hiểu hành vi

Gia tốc kế phát hiện sự thay đổi gia tốc theo các trục không gian, trong khi con quay hồi chuyển bổ sung thông tin về chuyển động quay. Khi kết hợp hai loại dữ liệu này, thiết bị có thể phân biệt các trạng thái như đứng yên, đi bộ, chạy hoặc thay đổi tư thế ở mức thuật toán cho phép.

Dữ liệu chuyển động còn có vai trò quan trọng ngoài việc đếm bước. Nó có thể được dùng để nhận diện và giảm ảnh hưởng của chuyển động lên tín hiệu PPG, giúp hệ thống hạn chế một nguồn nhiễu lớn khi người dùng đang vận động.

Cảm biến nhiệt và điện da

Cảm biến nhiệt chủ yếu cung cấp thông tin về nhiệt độ tại vùng tiếp xúc. Giá trị này có thể hữu ích khi theo dõi xu hướng thay đổi theo thời gian, nhưng không nên tự động coi là nhiệt độ cơ thể trung tâm.

Cảm biến điện da, hay EDA, đo sự thay đổi độ dẫn điện của da liên quan đến hoạt động của tuyến mồ hôi. EDA có thể được nghiên cứu để phân tích phản ứng sinh lý liên quan đến stress, nhưng mối quan hệ giữa tín hiệu và trạng thái tâm lý không phải phép đo trực tiếp, và độ tin cậy trong môi trường đời thực vẫn là vấn đề cần được đánh giá.

Từ tín hiệu thô đến chỉ số sức khỏe được xử lý ra sao?

Cảm biến chỉ là điểm bắt đầu. Sau khi nhận tín hiệu, thiết bị thường phải thực hiện nhiều bước xử lý trước khi đưa ra kết quả.

Đầu tiên là lấy mẫu và số hóa tín hiệu. Tín hiệu từ cảm biến được chuyển thành chuỗi dữ liệu số để bộ xử lý có thể phân tích. Sau đó hệ thống thực hiện lọc nhiễu, loại bỏ hoặc giảm những thành phần không phản ánh trạng thái sinh lý cần quan tâm.

Một trong những nguồn nhiễu lớn nhất là chuyển động. Khi cổ tay rung hoặc thay đổi vị trí, PPG có thể biến dạng mạnh. Vì vậy dữ liệu từ gia tốc kế và con quay hồi chuyển có thể được dùng cùng với PPG để nhận biết chuyển động và hỗ trợ xử lý tín hiệu.

Tiếp theo là trích xuất đặc trưng. Thuật toán không nhất thiết sử dụng toàn bộ tín hiệu theo cách nguyên bản mà có thể tìm các đặc điểm như chu kỳ, biên độ, hình dạng sóng hoặc mối quan hệ giữa những tín hiệu khác nhau.

Cuối cùng, hệ thống đưa các đặc trưng này vào công thức hoặc mô hình tính toán để tạo thành chỉ số. Ở các hệ thống phức tạp hơn, thuật toán học máy hoặc AI có thể tham gia vào bước phân loại, phát hiện mẫu hoặc dự đoán. Các nghiên cứu gần đây về cảm biến đeo tiếp tục phát triển theo hướng kết hợp tín hiệu cảm biến với xử lý dữ liệu và AI để diễn giải trạng thái sinh lý.

Có thể hình dung chuỗi xử lý như sau:

Cơ thể → Cảm biến → Tín hiệu thô → Lọc nhiễu → Trích xuất đặc trưng → Thuật toán → Chỉ số sức khỏe

Vì vậy, cùng một phần cứng nhưng thuật toán và cách hiệu chuẩn khác nhau có thể tạo ra kết quả khác nhau.

Vì sao dữ liệu từ thiết bị đeo có thể sai lệch?

Sai số không nhất thiết có nghĩa cảm biến hỏng. Nó có thể phát sinh ngay từ điều kiện đo.

Chuyển động là một yếu tố quan trọng. PPG đặc biệt nhạy với motion artifact, khiến dạng sóng bị biến dạng khi người dùng chạy, vung tay hoặc thay đổi vị trí cổ tay.

Áp lực tiếp xúc và vị trí đeo cũng ảnh hưởng đến tín hiệu. Đeo quá lỏng có thể làm tín hiệu yếu và không ổn định; tiếp xúc thay đổi trong quá trình vận động cũng làm điều kiện đo biến đổi. Đây là một trong những nguyên nhân khiến chất lượng tín hiệu PPG khác nhau giữa các tình huống sử dụng.

Môi trường đặc biệt quan trọng với cảm biến nhiệt. Nhiệt độ da có thể thay đổi theo nhiệt độ bên ngoài, mồ hôi và khả năng truyền nhiệt giữa da với cảm biến. Vì vậy một giá trị nhiệt độ da không nên được diễn giải như một phép đo nhiệt độ trung tâm nếu thiết bị không được thiết kế và xác thực cho mục tiêu đó.

Chất lượng tín hiệu và hiệu chuẩn thuật toán cũng quyết định kết quả cuối cùng. Trong một tổng quan về Apple Watch Series 6, năm nghiên cứu so sánh SpO₂ với thiết bị đo oxy xung y khoa cho thấy giới hạn thỏa thuận 95% dao động từ −2,7 đến 5,9 điểm phần trăm, trong khi một số giá trị ngoại lệ có thể chênh lệch tới 15 điểm phần trăm. Đây là kết quả của một nhóm thiết bị và nghiên cứu cụ thể, không phải sai số mặc định cho mọi thiết bị đeo.

Một giới hạn khác còn quan trọng hơn: không phải chỉ số nào hiển thị trên thiết bị cũng là phép đo trực tiếp. FDA hiện cảnh báo rằng smartwatch hoặc smart ring không được FDA cho phép, phê duyệt hay cấp phép để tự đo hoặc ước tính đường huyết mà không lấy mẫu xâm lấn.

Nên đọc dữ liệu từ thiết bị đeo như thế nào?

Giá trị lớn nhất của thiết bị đeo thường nằm ở việc theo dõi dữ liệu theo thời gian thay vì coi từng con số đơn lẻ là một kết luận y khoa.

Một lần đo bất thường có thể liên quan đến chuyển động, vị trí đeo, chất lượng tiếp xúc hoặc điều kiện môi trường. Ngược lại, một xu hướng lặp lại trong nhiều lần đo có thể cung cấp thông tin đáng chú ý hơn, dù vẫn cần xem xét bối cảnh và cách thiết bị đã được xác thực.

Khi đánh giá một chỉ số, nên phân biệt ba tầng:

Tín hiệu đo được: thiết bị thực sự thu được gì từ cơ thể

Chỉ số suy ra: thuật toán đã biến tín hiệu đó thành đại lượng nào

Ý nghĩa sức khỏe: đại lượng đó có thể nói gì và không thể nói gì về tình trạng của người dùng

Cách phân biệt này đặc biệt quan trọng với các chỉ số được suy ra từ nhiều tín hiệu hoặc mô hình tính toán. Một con số có vẻ chính xác đến từng đơn vị không đồng nghĩa với việc nó có độ chính xác lâm sàng tương đương một thiết bị y tế chuyên dụng.

Vì vậy, thiết bị đeo phù hợp nhất với vai trò theo dõi, phát hiện xu hướng và hỗ trợ nhận biết thay đổi, thay vì mặc định thay thế mọi phép đo y khoa. Với những chỉ số có ý nghĩa chẩn đoán hoặc điều trị, cần xem xét phương pháp đo, mức độ xác thực của thiết bị và bối cảnh sử dụng trước khi đưa ra kết luận.

Cốt lõi của công nghệ nằm ở sự kết hợp giữa cảm biến và thuật toán: cảm biến biến thay đổi sinh lý thành tín hiệu, còn hệ thống xử lý biến tín hiệu đó thành thông tin mà người dùng có thể hiểu và theo dõi.