Nguyên lý của công nghệ đo nhịp tim quang học

Điểm quan trọng là thiết bị không “nhìn thấy” nhịp tim trực tiếp. Nó đo một biến đổi quang học gắn với sự thay đổi thể tích máu, rồi suy ra tần số của các dao động tuần hoàn này.

Công nghệ đo nhịp tim quang học là gì?

Công nghệ này thường sử dụng phương pháp photoplethysmography, viết tắt là PPG, tức quang thể tích kế. Một cảm biến PPG cơ bản gồm nguồn phát sáng, thường là LED, và bộ thu quang như photodiode.

Khi LED chiếu ánh sáng vào da, ánh sáng sẽ bị mô và máu hấp thụ, tán xạ hoặc phản xạ. Khi tim co bóp, lượng máu trong hệ mạch tại vùng đo thay đổi theo nhịp. Vì đặc tính quang học của vùng mô cũng thay đổi theo lượng máu, cường độ ánh sáng mà bộ thu nhận được sẽ dao động tương ứng.

Vì vậy, chuỗi đo có thể hiểu theo logic:

Tim co bóp → thể tích máu tại vùng đo thay đổi → đặc tính ánh sáng thay đổi → cảm biến ghi tín hiệu → thuật toán xác định nhịp

Đây là nền tảng của nhiều thiết bị đeo và hệ thống theo dõi sinh hiệu sử dụng cảm biến quang học.

Cảm biến quang xác định nhịp tim theo cơ chế nào?

Ở chế độ đo phản xạ, LED và photodiode được đặt cùng phía trên da. LED phát ánh sáng vào mô, còn photodiode đo phần ánh sáng quay trở lại cảm biến sau khi tương tác với mô và mạch máu.

Khi tim bơm máu, thể tích máu động mạch tại vùng đo tăng lên rồi giảm xuống theo chu kỳ. Sự thay đổi này tạo thành phần dao động trong tín hiệu PPG. Khoảng cách thời gian giữa các đỉnh dao động liên tiếp cho phép hệ thống ước tính chu kỳ của nhịp tim.

Ví dụ, nếu tín hiệu xuất hiện khoảng 1 dao động hoàn chỉnh mỗi giây thì tần số tương ứng là khoảng 60 nhịp mỗi phút. Khi số chu kỳ trong cùng một khoảng thời gian tăng lên, giá trị nhịp tim được tính cũng tăng theo.

Tín hiệu PPG thực tế thường gồm một thành phần dao động nhanh liên quan đến hoạt động tim và một nền tín hiệu thay đổi chậm hơn do nhiều yếu tố sinh lý và mô. Thuật toán cần tách phần dao động có ý nghĩa đối với nhịp tim khỏi các thành phần nền và nhiễu trước khi tính toán.

Tín hiệu PPG được xử lý thành số nhịp tim như thế nào?

Sau khi photodiode thu được ánh sáng, thiết bị không thể sử dụng ngay giá trị thô để hiển thị nhịp tim. Tín hiệu thường phải trải qua các bước xử lý để giảm ảnh hưởng của nhiễu và làm rõ chu kỳ dao động.

Trước hết, hệ thống thu nhận chuỗi tín hiệu theo thời gian. Sau đó, thuật toán có thể lọc các thành phần không mong muốn, phát hiện các đỉnh hoặc chu kỳ đặc trưng, rồi tính khoảng thời gian giữa những lần dao động liên tiếp.

Về nguyên lý, nếu khoảng thời gian giữa hai chu kỳ liên tiếp là T, nhịp tim có thể được biểu diễn gần đúng bằng:

Nhịp tim = 60 / T

trong đó T được tính bằng giây cho mỗi chu kỳ.

Với thiết bị đeo, thuật toán còn phải xử lý những thay đổi do chuyển động, thay đổi tiếp xúc với da và ánh sáng môi trường. Đây là lý do kết quả hiển thị trên đồng hồ hoặc vòng đeo tay không chỉ phụ thuộc vào cảm biến mà còn phụ thuộc đáng kể vào chất lượng xử lý tín hiệu.

Vì sao thiết bị đeo thường sử dụng ánh sáng xanh?

PPG có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nhau, trong đó xanh lá, đỏ và hồng ngoại là những lựa chọn phổ biến. Mỗi bước sóng có đặc tính hấp thụ và độ xuyên sâu khác nhau trong mô.

Ở các thiết bị đeo sử dụng phương pháp đo phản xạ tại cổ tay, ánh sáng xanh thường được dùng vì biến đổi của tín hiệu phản xạ có thể nổi bật hơn trong điều kiện phù hợp. Ngược lại, ánh sáng đỏ và hồng ngoại cũng có vai trò quan trọng trong các cấu hình đo khác, chẳng hạn như những hệ thống cần khảo sát các lớp mô sâu hơn hoặc kết hợp với đo độ bão hòa oxy.

Do đó, không nên hiểu rằng “đo nhịp tim quang học” đồng nghĩa với một màu ánh sáng duy nhất. Màu và bước sóng được lựa chọn dựa trên cách bố trí cảm biến, vị trí đo và mục đích của hệ thống.

Những yếu tố nào làm kết quả đo quang học thay đổi?

Tín hiệu PPG rất nhạy với điều kiện đo. Một trong những nguồn sai lệch phổ biến nhất là chuyển động. Khi cổ tay hoặc cảm biến di chuyển, tín hiệu do chuyển động có thể chồng lên dao động sinh lý và làm thuật toán khó xác định đúng chu kỳ tim.

Độ tiếp xúc giữa cảm biến và da cũng quan trọng. Áp lực tiếp xúc thay đổi có thể làm biến dạng tín hiệu PPG, trong khi tiếp xúc không ổn định khiến tín hiệu thu được kém nhất quán.

Ngoài ra, kết quả còn chịu ảnh hưởng bởi vị trí đo, bước sóng ánh sáng, ánh sáng môi trường, nhiệt độ và các đặc điểm sinh lý của từng người. Vì vậy, chất lượng phép đo không chỉ được quyết định bởi LED hay photodiode mà là kết quả của cả hệ thống cảm biến, cách đeo và thuật toán xử lý.

Một điểm cần phân biệt là PPG đo tín hiệu liên quan đến biến đổi thể tích máu ngoại vi chứ không phải tín hiệu điện của tim như điện tâm đồ. Do đó, hai phương pháp có bản chất đo khác nhau và tín hiệu PPG có thể chịu ảnh hưởng rõ hơn từ chuyển động và điều kiện tiếp xúc.

Giá trị đo nhịp tim quang học nên được hiểu như thế nào?

Giá trị nhịp tim mà thiết bị hiển thị là kết quả của một chuỗi suy luận đo lường:

Biến đổi hoạt động tim → thay đổi thể tích máu → thay đổi tín hiệu quang → xử lý tín hiệu → ước tính nhịp tim

Cách đo này có ưu điểm là không xâm lấn và có thể tích hợp vào những thiết bị nhỏ gọn để theo dõi liên tục. PPG vì thế được sử dụng rộng rãi trong thiết bị đeo, hệ thống theo dõi sinh hiệu và nhiều ứng dụng chăm sóc sức khỏe.

Tuy nhiên, kết quả không nên được xem là một con số hoàn toàn độc lập với điều kiện đo. Khi cảm biến tiếp xúc không ổn định, người dùng vận động nhiều hoặc tín hiệu bị nhiễu, độ tin cậy của phép ước tính có thể giảm. Hiểu đúng nguyên lý này giúp phân biệt giữa khả năng phát hiện dao động quang học của cảm biến và độ chính xác của giá trị nhịp tim cuối cùng do toàn bộ hệ thống tính ra.

Công nghệ đo nhịp tim quang học vì thế không trực tiếp đếm từng lần tim co bóp bằng ánh sáng. Nó phát hiện những thay đổi tuần hoàn của lượng máu qua tín hiệu quang học, biến tín hiệu đó thành dạng PPG và dùng thuật toán để xác định tần số dao động tương ứng với nhịp tim.