Cảm biến nhịp tim trên Apple Watch hoạt động như thế nào và tại sao không hoạt động với hình xăm?

1. ​

   Một số người dùng cho biết rằng vài chức năng trên Apple Watch như đo nhịp tim, nhận diện cổ tay,… có thể hoạt động không bình thường đối với cổ tay có hình xăm.Vậy nguyên nhân gốc rễ của vấn đề là do đâu? Các chuyên gia công nghệ và y khoa cho rằng nguyên nhân chính là nhược điểm cố hữu của kỹ thuật xác định nhịp tim bằng xung ánh sáng vốn đang được sử dụng phổ biến trên các thiết bị đeo lẫn dụng cụ y tế hiện nay.
   
   Hồi đầu tuần vừa rồi, một người dùng đã cho biết trên trang Reddit rằng Apple Watch sẽ tự động khóa khi đeo trên tay có hình xăm do nó không thể hiểu là đang được đeo. Vài người dùng khác lại báo cáo trên iMore rằng cảm biến đo nhịp tim cho kết quả không trùng khớp khi đeo trên 2 cánh tay có và không có hình xăm. Một số suy đoán cho rằng có thể mực xăm tối màu chính là nguyên nhân của vấn đề.
   
   Apple Watch đo nhịp tim của bạn như thế nào?
   
   

   
   Sơ lược về kỹ thuật dùng ánh sáng đo lường độ bão hòa oxy trong máu, từ đó suy ra nhịp tim​

   
   Kỹ thuật được sử dụng để đo nhịp tim mà Apple và một số hãng khác sử dụng gọi là thông qua thể tích đồ PPG (Photoplethysmography - dùng ánh sáng để đo lường thể tích của một cơ quan trong cơ thể). Bằng cách chiếu các xung ánh sáng lên da và đo lường sự thay đổi của lượng ánh sáng bị hấp thụ, các cảm biến sẽ xác định được lượng máu tưới đến các mô và lớp hạ biểu bì dưới da. Toàn bộ kỹ thuật này được thực hiện bởi Pulse Oximeter - máy đo độ bão hòa oxy trong máu dựa trên cơ sở phép đo quang phổ kế và xung động kế.
   
   Mỗi chu kỳ, tim sẽ bơm máu tới các mạch ngoại biên khắp cơ thể. Mặc dù áp lực mỗi lần bơm máu đã giảm dần khi chảy tới da, nhưng độ lớn của nó cũng đủ làm phồng các động mạch và tiểu động mạch trong mô dưới da. Nếu thiết bị đo được gắn vào bên ngoài da, một áp lực dù rất nhỏ trong hệ mạch cũng có thể được phát hiện. Sự thay đổi về thể tích gây ra bởi áp lực này có thể được phát hiện bằng cách dùng ánh sáng đèn LED chiếu lên da và đo lượng ánh sáng phản xạ trở lại diode cảm quang. Lượng máu tưới mô trong mỗi chu kỳ tim có liên quan tới nhiều hệ thống sinh học khác nhau, do đó PPG có thể được dùng để đo và theo dõi nhịp tim, nhịp thở và các hệ thống tuần hoàn khác.
   
   Mặc dù đây là một kỹ thuật đo không xâm lấn, nhưng PPG vẫn mắc phải một số nhược điểm so với cách lấy máu xét nghiệm truyền thống. Theo các bác sĩ, độ chính xác của kết quả đo được có thể chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố như:
   

   • Màu sắc da (quy định bởi sắc tố Melanin) hoặc móng tay móng chân (do sơn móng)
   • Máu bất thường (ngộ độc CO,…)
   • Nhiễu do cử động
   • Nhiễu do ánh sáng phòng (hiện đã khắc phục được)
   • Tình trạng giảm tưới máu mô (do dùng thuốc, hạ thân nhiệt,…)
   • Do độ sai tiêu chuẩn của máy (± 2%)

   
   Cảm biến và các đèn LED trên Apple Watch nhằm đo lường nhịp tim bằng PPG​

   
   Apple cũng giải thích là họ sử dụng 2 ánh sáng xanh lục và hồng ngoại để chiếu vào mạch máu. Họ cho biết rằng máu màu đỏ vì nó phản xạ ánh sáng đỏ và hấp thụ ánh sáng xanh lục. Apple Watch sử dụng đèn LED xanh lục đi kèm với diode cảm quang độ nhạy cao để phát hiện ra lượng máu chảy qua mạch ở cổ tay tại một thời điểm cụ thể. Khi tim bạn đập, lượng máu chảy qua cổ tay tăng lên, ánh sáng xanh bị hấp thụ nhiều hơn.
   
   Đèn LED trên Apple Watch sẽ chớp hàng trăm lần mỗi giây nhằm tính toán số lần tim đập mỗi phút và đó chính là kết quả nhịp tim của người dùng. Mặt khác, cảm biến trên Apple Watch cũng sử dụng ánh sáng hồng ngoại để đo nhịp tim của người đeo trong 10 phút. Tuy nhiên, nếu ánh sáng hồng ngoại không thể cung cấp dữ liệu khả dụng thì Apple Watch sẽ chuyển sang dùng LED xanh lục. Mặt khác, bộ cảm biến nhịp timđược thiết kế với khả năng tự bù đắp tín hiệu thấp bằng cách tăng độ sáng đèn LED và tỷ lệ lấy mẫu.
   
   Tại sao Apple Watch hoạt động không chính xác khi tay có hình xăm? Các chuyên gia nói gì?
   
   

   
   Apple Watch hoạt động khi có hình xăm (tay phải) và không có hình xăm (tay trái)​

   
   Trong đoạn video trên đây do người dùng Michael Lovell thực hiện, bạn sẽ thấy rằng Apple Watch hoạt động hoàn hảo trên cổ tay trái không có hình xăm, nhưng khi chuyển sang bên phải có xăm hình thì một vài chức năng không còn hoạt động chính xác nữa. Người dùng Abeliangrape trên trang Reddit đã đưa ra lập luận nhằm giải thích cho điều này:
   
   "Tôi nghĩ rằng tôi đã tìm ra được nguyên nhân. Có thể dùng ánh sáng với vài tần số khác nhau như xanh lục, vàng, hồng ngoại,… nhằm xác định nồng độ Oxyhemoglobin (OxyHb - nôm na là máu mang oxy). Apple sử dụng 2 ánh sáng là hồng ngoại và xanh lục. Tuy nhiên, điểm mấu chốt xuất hiện ở đây. Cả Melanin và mực xăm đều hấp thụ tốt ánh sáng với bước sóng trên 500 nm - tức là bao gồm cả màu xanh lục. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ của melanin suy giảm rất nhanh chóng nên vào cuối quang phổ hồng ngoại, nó gần như không hấp thụ ánh sáng nữa. Cộng với việc Apple Watch có thể tự điều chỉnh độ nhạy và cường độ ánh sáng đèn LED nên có lẽ những người có màu da đen vẫn có thể sử dụng được Apple Watch. Ngược lại, mực xăm vẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng khá tốt, do đó ngay cả tia hồng ngoại vẫn không thể hoạt động được."
   
   Giáo sư Sijung Hu, giám đốc Nhóm nghiên cứu y tế và kỹ thuật quang tử học tại Đại học Loughborough cũng bày tỏ sự tán thành với ý kiến nêu trên. Đồng thời, ông mở rộng luận điểm rằng: "Tôi đã nhận thấy vấn đề này xuất hiện tại nhiều hãng (nhà sản xuất thời trang hoặc smartwatch)và vài chuyên gia y tế cũng nhận thấy điều này. Về cơ bản, nguồn gốc của vấn đề chính là các thiết bị thông minh hiện tại vẫn còn thiếu hiểu biết về tương tác sinh lý khi đo lường."
   
   "Cần phải hình thành nên "cửa sổ quang phổ" có khả năng ghi lại chính xác sự biến động trong hệ thống mạch bằng các bước sóng khác nhau nhằm giảm thiểu tác động của yếu tố sắc tộc, melanin,… Chúng tôi (ông) đã phát triển một cảm biến điện tử có thể vượt qua được thách thức này. Trong khi hiện tại, rất nhiều hãng sản xuất chỉ đơn thuần là sử dụng PPG (được phát minh vào năm 1930 và tới năm 1970 thì có máy pulse oximetry) để trực tiếp đo lường ánh sáng hấp thụ bởi HbO2 và Hb. Điều đó đã giới hạn chức năng và hiệu suất của những thiết bị này."
   
   Đến đây, có lẽ chúng ta đã phần nào hiểu được nguyên lý hoạt động của cảm biến đo nhịp tim trên Apple Watch và vì sao nó lại hoạt động không được khi cổ tay có hình xăm. Nếu theo như các lập luận từ chuyên gia, có thể Apple phải xem xét tới việc thay đổi kỹ thuật đo lường và rất có thể, biện pháp của giáo sư Hu sẽ được hãng chú ý tới. Nếu quan tâm về kỹ thuật của mà giáo sư cho là ưu việt hơn, các bạn có thể tham khảo thêm tại trang web của nhóm. Cám ơn đã theo dõi bài viết và chúc vui.
   
   

   Tham khảo HM, Wiki (1), (2), Reddit, HEW, TNW, IH, Apple ​