Theo dõi nhịp thở bằng thiết bị đeo hoạt động thế nào?

Điểm quan trọng là thuật toán phải tách tín hiệu hô hấp khỏi tín hiệu tim và nhiễu do chuyển động. Vì vậy, cùng là “nhịp thở”, nhưng đồng hồ đeo tay, dây đeo ngực và miếng dán cảm biến có thể sử dụng các đường đo và cách xử lý khác nhau.

PPG biến đổi theo nhịp thở như thế nào?

PPG (photoplethysmography) là tín hiệu quang học thường dùng để theo dõi mạch. Khi thở, các thay đổi về áp lực trong lồng ngực, hồi lưu tĩnh mạch và đặc tính của sóng mạch làm hình dạng PPG biến đổi theo chu kỳ hô hấp. Vì vậy, dù cảm biến ở cổ tay không nằm trên đường thở, tín hiệu vẫn có thể chứa một “dấu vết” của nhịp thở.

Ba dạng biến thiên thường được khai thác là baseline wander, thay đổi biên độ sóng mạch và thay đổi khoảng thời gian giữa các nhịp. Thuật toán có thể tách những thành phần dao động liên quan đến hô hấp, sau đó tìm tần số hô hấp trội để quy đổi thành số nhịp thở mỗi phút.

Cách này phù hợp với thiết bị đeo vì PPG vốn đã có sẵn để phục vụ các phép đo như nhịp tim. Tuy nhiên, PPG rất nhạy với nhiễu chuyển động và các dao động sinh lý khác, nên tín hiệu hô hấp càng khó tách khi người dùng đi lại hoặc vận động.

ECG có thể suy ra nhịp thở ra sao?

ECG không đo không khí ra vào phổi trực tiếp. Nó cung cấp một cách gián tiếp thông qua những thay đổi của hoạt động tim gắn với chu kỳ hô hấp, trong đó có respiratory sinus arrhythmia và các biến thiên về biên độ hoặc hình dạng tín hiệu điện tim. Những biến thiên này cho phép thuật toán xây dựng một tín hiệu đại diện cho nhịp thở rồi ước tính tần số của nó.

Ý nghĩa của phương pháp này nằm ở mối liên hệ sinh lý giữa hô hấp và điều hòa tim mạch. Khi hít vào và thở ra, ảnh hưởng của hệ thần kinh tự chủ và các thay đổi huyết động làm khoảng cách giữa các nhịp tim thay đổi có quy luật. Thuật toán khai thác quy luật đó thay vì cần một cảm biến đặt ngay trên lồng ngực để đo luồng khí.

ECG vì vậy hữu ích nhất khi thiết bị đã có sẵn kênh điện tim. Nó không đồng nghĩa với việc mọi đồng hồ có ECG đều đo nhịp thở theo cùng một phương pháp, bởi cách trích xuất và kết hợp các đặc trưng tín hiệu phụ thuộc vào thiết kế thuật toán của từng hệ thống.

Gia tốc kế và con quay hồi chuyển ghi nhận chuyển động hô hấp

Một cách trực tiếp hơn là đo chuyển động cơ học do hô hấp tạo ra. Khi lồng ngực và bụng thay đổi thể tích, thân mình cũng tạo ra dao động nhỏ. Gia tốc kế và con quay hồi chuyển trong thiết bị đeo có thể ghi nhận những dao động này, đặc biệt khi cảm biến được đặt ở ngực.

Từ tín hiệu thô, hệ thống thường lọc thành phần dao động nằm trong vùng tần số của hô hấp, sau đó tìm chu kỳ hoặc tần số trội. Một nghiên cứu sử dụng IMU đặt ở vùng ngực đã tách thành phần hô hấp khỏi thành phần tim rồi dùng phân tích phổ để ước tính nhịp thở.

Ưu điểm của cách này là cảm biến đang theo dõi một biểu hiện cơ học gần với hoạt động hô hấp hơn so với việc suy ra từ mạch. Đổi lại, chính chuyển động của người dùng cũng là nguồn nhiễu lớn: đi bộ, đổi tư thế hoặc cử động tay có thể tạo ra tín hiệu mạnh hơn chuyển động hô hấp. Vì vậy, các hệ thống thực tế thường cần thuật toán chống nhiễu hoặc kết hợp nhiều cảm biến.

Dây đeo ngực và cảm biến trở kháng có thể đo trực tiếp hơn

Không phải mọi thiết bị đeo đều dựa vào PPG hoặc ECG. Dây đeo ngực có thể sử dụng cảm biến đo chuyển động thành ngực, cảm biến đàn hồi, respiratory inductive plethysmography hoặc nguyên lý bioimpedance để theo dõi sự thay đổi liên quan đến hô hấp. Đây là nhóm phương pháp gần với tín hiệu hô hấp trực tiếp hơn so với suy luận từ mạch ở cổ tay.

Điểm khác biệt nằm ở vị trí và bản chất tín hiệu: cảm biến ở ngực được đặt nơi chuyển động hô hấp xảy ra rõ hơn, còn PPG và ECG chủ yếu khai thác dấu hiệu hô hấp in dấu lên tín hiệu tim mạch. Do đó, cùng một mục tiêu là tính số lần thở mỗi phút nhưng phần cứng có thể rất khác nhau.

Thuật toán ghép các tín hiệu rồi biến thành nhịp thở

Quá trình theo dõi không dừng ở việc thu tín hiệu. Hệ thống phải lọc, tách đặc trưng hô hấp, đánh giá chất lượng tín hiệu và ước tính tần số. Với PPG hoặc ECG, thuật toán có thể khai thác biến thiên về đường nền, biên độ và nhịp; với IMU, thuật toán tập trung vào dao động cơ học; với hệ thống đa cảm biến, các nguồn này có thể được kết hợp để tăng độ ổn định.

Đây cũng là lý do thiết bị có thể không cho ra một con số đáng tin cậy trong mọi hoàn cảnh. Nhiễu do chuyển động, thay đổi tư thế, tiếp xúc cảm biến và sự thay đổi kiểu thở đều có thể làm tín hiệu hô hấp bị che lấp. Các nghiên cứu gần đây tiếp tục nhấn mạnh rằng theo dõi trong điều kiện vận động là bài toán khó hơn nhiều so với khi người dùng nằm hoặc ngồi yên.

Vì vậy, cần hiểu “nhịp thở” trên thiết bị đeo là một ước tính từ tín hiệu sinh lý hoặc cơ học, không mặc nhiên tương đương với phép đo luồng khí bằng thiết bị hô hấp chuyên dụng. Ở người trưởng thành lúc nghỉ, nhịp thở thường được tham chiếu khoảng 12–20 lần/phút, nhưng việc một thiết bị đeo có thể đo chính xác đến mức nào còn phụ thuộc cảm biến, thuật toán và trạng thái vận động cụ thể.

Tóm lại, theo dõi nhịp thở bằng thiết bị đeo chủ yếu dựa trên ba hướng: PPG và ECG để suy ra dấu vết hô hấp từ hoạt động tim mạch, cảm biến quán tính để ghi nhận chuyển động hô hấp, hoặc cảm biến ngực chuyên dụng để đo sự thay đổi của thành ngực/trở kháng. Sau đó, thuật toán xử lý tín hiệu và có thể hợp nhất nhiều nguồn dữ liệu để đưa ra số lần thở mỗi phút.