Thiết bị theo dõi giấc ngủ không đeo hoạt động thế nào?

Điểm quan trọng là thiết bị không “nhìn thấy giấc ngủ” trực tiếp. Nó đo các tín hiệu vật lý xảy ra khi cơ thể ngủ, sau đó suy luận trạng thái ngủ từ những tín hiệu đó. Vì vậy, chất lượng đo phụ thuộc đồng thời vào loại cảm biến, vị trí đặt, tín hiệu thu được và thuật toán xử lý.

Thiết bị không đeo dùng cảm biến nào để theo dõi giấc ngủ?

Không có một cơ chế duy nhất cho mọi thiết bị. Trong thực tế, các hệ thống không tiếp xúc có thể dùng radar, cảm biến chuyển động, cảm biến áp lực, cảm biến nhiệt hoặc các phương pháp quang học; riêng nhóm thiết bị đặt trên hoặc dưới giường thường tận dụng hiện tượng ballistocardiography (BCG) để ghi nhận những biến đổi cơ học rất nhỏ do cơ thể tạo ra.

Với cảm biến dưới nệm, một lớp cảm biến mỏng có thể nằm giữa nệm và bề mặt đỡ giường. Khi người nằm xuống, cơ thể tạo áp lực lên nệm. Mỗi lần trở mình, cử động tay chân hoặc thay đổi tư thế sẽ làm tín hiệu áp lực thay đổi rõ hơn. Ngược lại, nhịp thở và nhịp tim tạo ra những dao động nhỏ hơn nhưng lặp lại theo chu kỳ. Các hệ thống BCG dùng chính những biến thiên cơ học này để tách các tín hiệu sinh lý khỏi chuyển động lớn.

Với radar, thiết bị phát tín hiệu điện từ công suất thấp về phía vùng ngủ rồi phân tích tín hiệu phản xạ. Chuyển động của cơ thể làm đặc tính tín hiệu phản xạ thay đổi; chuyển động rất nhỏ ở vùng ngực hoặc bụng có thể tạo ra tín hiệu tuần hoàn tương ứng với hô hấp. Google mô tả Motion Sense trên Nest Hub thế hệ 2 là radar công suất thấp dùng để phát hiện chuyển động và nhịp thở, trong khi hệ thống còn có thể dùng micro để nhận diện các sự kiện âm thanh như ho hoặc ngáy nếu người dùng bật tính năng này.

Chuyển động được ghi nhận và phân tích như thế nào?

Chuyển động là tín hiệu tương đối dễ nhận biết vì biên độ thường lớn hơn dao động do hô hấp hoặc nhịp tim. Khi người ngủ đổi tư thế, co duỗi chân, xoay người hoặc thức dậy, cảm biến sẽ ghi nhận một thay đổi đáng kể trong tín hiệu.

Với cảm biến dưới nệm, thay đổi đó thể hiện dưới dạng biến thiên áp lực hoặc dao động cơ học. Với radar, nó xuất hiện dưới dạng thay đổi trong tín hiệu phản xạ. Dữ liệu thô sau đó được lọc để giảm phần nhiễu và tách các đoạn có chuyển động lớn khỏi những khoảng tín hiệu tương đối ổn định. Các nghiên cứu về cảm biến dưới nệm cho thấy dữ liệu sau tiền xử lý có thể được dùng để phát hiện thời điểm lên giường, thức dậy, thời gian nằm trên giường và mức độ chuyển động trong khi ngủ.

Điều này giải thích vì sao một thiết bị có thể nhận biết bạn đã tỉnh mà không cần đo sóng não. Một chuỗi cử động rõ rệt, thay đổi tư thế hoặc rời khỏi vùng ngủ tạo ra dấu hiệu đủ khác biệt để thuật toán phân loại thành một trạng thái khác.

Tuy nhiên, chuyển động không đồng nghĩa tuyệt đối với thức. Người đang ngủ có thể trở mình, cử động nhẹ hoặc có những khoảng ngủ bị gián đoạn mà không hoàn toàn tỉnh táo. Vì vậy, hệ thống thường không dựa vào một lần chuyển động đơn lẻ mà phân tích tín hiệu theo thời gian và kết hợp thêm nhịp thở, nhịp tim hoặc các đặc trưng khác trước khi đưa ra kết quả.

Nhịp thở được nhận biết từ những chuyển động rất nhỏ ra sao?

Đây là phần quan trọng nhất của cơ chế theo dõi không đeo. Khi hít vào và thở ra, lồng ngực và vùng bụng dịch chuyển theo chu kỳ. Chuyển động này nhỏ hơn đáng kể so với lúc trở mình, nhưng lại có tính lặp lại.

Radar có thể phát hiện sự thay đổi rất nhỏ của vùng ngực hoặc bụng thông qua tín hiệu phản xạ. Trong một nghiên cứu lâm sàng về hệ thống radar không tiếp xúc, thiết bị được đặt cách người nằm khoảng 40–50 cm và sử dụng radar 24 GHz để ghi nhận chuyển động vùng ngực và bụng, sau đó đối chiếu nhịp thở với đai đo nỗ lực hô hấp.

Cảm biến dưới nệm hoạt động theo nguyên lý khác. Hô hấp làm thay đổi lực tác động lên nệm theo nhịp đều đặn, tạo thành thành phần hô hấp trong tín hiệu cơ học. Các thuật toán có thể lọc bỏ một phần chuyển động không liên quan rồi ước tính chu kỳ hô hấp từ tín hiệu còn lại. Một nghiên cứu về thuật toán nhịp thở dựa trên BCG gần đây báo cáo sai số tuyệt đối trung bình 1,29 nhịp/phút trên hơn 68.000 điểm tham chiếu, nhưng đây là kết quả của một thuật toán và tập dữ liệu cụ thể, không phải độ chính xác cố định cho mọi thiết bị trên thị trường.

Điểm khó nằm ở chỗ tín hiệu hô hấp rất nhỏ. Nếu người ngủ cử động mạnh, ho, ngáy, thay đổi tư thế hoặc có nguồn nhiễu khác, tín hiệu tuần hoàn của nhịp thở có thể bị che lấp. Vì vậy, thiết bị phải liên tục lọc nhiễu, xác định các đoạn tín hiệu đủ chất lượng rồi mới tính nhịp thở.

Từ chuyển động và nhịp thở, thiết bị suy ra các giai đoạn ngủ thế nào?

Thiết bị không đeo thường không đo trực tiếp hoạt động điện của não, trong khi đa ký giấc ngủ (PSG) sử dụng nhiều kênh sinh lý, đặc biệt là tín hiệu điện não, để chấm giai đoạn ngủ. Vì vậy, khi một thiết bị gia dụng hiển thị REM, ngủ nông hoặc ngủ sâu, đó thường là kết quả của mô hình suy luận từ các tín hiệu gián tiếp như chuyển động, nhịp thở và trong một số hệ thống là nhịp tim hoặc biến thiên nhịp tim.

Quá trình có thể hình dung theo chuỗi:

Tín hiệu cảm biến → lọc nhiễu → tách chuyển động, hô hấp và tín hiệu sinh lý → trích xuất đặc trưng → thuật toán phân loại → ước tính trạng thái ngủ

Chính vì đây là bài toán suy luận nên cùng một tín hiệu sinh lý có thể xuất hiện trong nhiều trạng thái ngủ khác nhau. Nghiên cứu về công nghệ theo dõi không tiếp xúc cho thấy các hệ thống này có tiềm năng đánh giá một số thông số giấc ngủ và cardiorespiratory, nhưng hiệu quả thay đổi theo công nghệ, cảm biến và điều kiện đo.

Một tổng quan hệ thống và phân tích gộp về thiết bị theo dõi giấc ngủ không tiếp xúc cho thấy các thiết bị này có khả năng phân biệt ngủ và thức ở mức tương đương với actigraphy trong các nghiên cứu được xem xét, đồng thời có thể cung cấp ước tính về các giai đoạn ngủ. Tuy vậy, khả năng này không có nghĩa thiết bị gia dụng có thể tái tạo đầy đủ phép đo PSG trong mọi tình huống.

Điều kiện nào làm kết quả theo dõi giấc ngủ thay đổi?

Chất lượng tín hiệu phụ thuộc mạnh vào cách hệ thống được lắp đặt và môi trường ngủ. Cảm biến dưới nệm có thể yêu cầu loại nệm, độ dày và vị trí đặt phù hợp; chẳng hạn Withings cho biết Sleep Analyzer được thiết kế để đặt trực tiếp dưới nệm và đã được kiểm thử với nệm dày 10–40 cm, cho thấy thông số lắp đặt là một phần của phép đo chứ không phải chi tiết phụ.

Với radar, khoảng cách, hướng cảm biến và vùng ngủ cần được xác định đủ chính xác để tín hiệu tập trung vào người cần theo dõi. Google cũng lưu ý rằng dữ liệu có thể bị ảnh hưởng khi có trẻ em, thú cưng hoặc người khác ngủ trong cùng vị trí mà hệ thống đang theo dõi.

Một giới hạn khác là chuyển động lớn có thể làm hỏng chất lượng của tín hiệu nhỏ dùng để tính nhịp thở hoặc nhịp tim. Vì vậy, một đêm ngủ nhiều gián đoạn có thể khó phân tích hơn một đêm ít chuyển động.

Quan trọng hơn, kết quả theo dõi giấc ngủ nên được hiểu là phép đo và ước tính theo thiết bị, không mặc định là chẩn đoán y khoa. Google nêu rõ Sleep Sensing không được thiết kế để chẩn đoán, điều trị hoặc phòng ngừa bệnh. Tổng quan và phân tích gộp gần đây về công nghệ đeo và không tiếp xúc trong phát hiện ngưng thở khi ngủ cũng kết luận rằng các công nghệ này phù hợp hơn với vai trò sàng lọc và bổ trợ, thay vì thay thế hoàn toàn PSG.

Thiết bị theo dõi giấc ngủ không đeo khác gì máy đo giấc ngủ tại bệnh viện?

Khác biệt lớn nhất nằm ở loại tín hiệu được đo trực tiếp. PSG trong phòng thí nghiệm có thể ghi nhận hoạt động điện não và nhiều tín hiệu sinh lý cùng lúc, nên vẫn là nền tảng tham chiếu quan trọng để đánh giá giấc ngủ. Thiết bị không đeo tại nhà ưu tiên sự thoải mái và khả năng theo dõi dài ngày, nhưng phải suy luận trạng thái từ các tín hiệu gián tiếp.

Điều đó không làm thiết bị không đeo trở nên vô giá trị. Ngược lại, ưu điểm của nó là người dùng không cần đeo thiết bị suốt đêm, có thể duy trì cách ngủ quen thuộc và thu thập dữ liệu trong thời gian dài. Một số nghiên cứu triển khai cảm biến dưới nệm trong môi trường sống thực tế đã theo dõi được giờ đi ngủ, giờ thức dậy, thời gian nằm trên giường, chuyển động, nhịp tim và nhịp thở trong nhiều tuần.

Vì vậy, giá trị lớn nhất của thiết bị theo dõi giấc ngủ không đeo nằm ở việc biến những thay đổi rất nhỏ của cơ thể thành chuỗi dữ liệu liên tục. Cảm biến ghi nhận dao động, thuật toán tách tín hiệu, rồi hệ thống mới suy ra trạng thái ngủ từ đó. Hiểu đúng chuỗi này cũng giúp tránh kỳ vọng rằng thiết bị đang “đọc” trực tiếp giấc ngủ hay hoạt động của não.

Thiết bị theo dõi giấc ngủ không đeo hoạt động bằng cách đo chuyển động và các dao động sinh lý rất nhỏ, chủ yếu thông qua cảm biến dưới nệm hoặc radar. Chuyển động lớn giúp xác định thay đổi trạng thái và thời gian nằm ngủ; chuyển động tuần hoàn ở ngực, bụng hoặc nệm cung cấp tín hiệu để ước tính nhịp thở; các tín hiệu khác như BCG có thể hỗ trợ ước tính nhịp tim. Sau đó, thuật toán kết hợp những đặc trưng này để suy ra các thông số giấc ngủ.

Có cần đeo thiết bị khi ngủ không?

Không. Với các hệ thống không đeo, cảm biến có thể đặt dưới nệm hoặc thiết bị radar đặt cạnh giường, nên người dùng không cần mang cảm biến trực tiếp trên cơ thể.

Thiết bị có ghi được nhịp tim không?

Một số hệ thống có thể ước tính nhịp tim từ BCG hoặc các tín hiệu sinh lý khác. Tuy nhiên, khả năng này phụ thuộc loại cảm biến, chất lượng tín hiệu và thuật toán của từng thiết bị.

Thiết bị không đeo có thay thế được đo đa ký giấc ngủ không?

Không nên mặc định như vậy. Thiết bị không tiếp xúc có giá trị trong theo dõi tại nhà và theo dõi dài hạn, nhưng PSG vẫn cung cấp tập hợp tín hiệu trực tiếp và toàn diện hơn để đánh giá giấc ngủ và chẩn đoán rối loạn giấc ngủ.