حسگرهای ناجی؛ ساعت هوشمند چطور سلامت ما را رصد می‌کند؟

وقتی اپل در سال ۲۰۱۵ اولین اپل واچ را معرفی کرد، کمتر کسی تصور می‌کرد که روزی ساعت مچی به یک کامپیوتر کوچک مینیاتوری تبدیل شود. آن زمان، اپل واچ صرفا به‌عنوان گجت همراه آیفون برای نمایش اعلان‌ها و ردیابی فعالیت‌های ورزشی معرفی شد؛ اما امروز، ساعت‌های هوشمند به دستگاه‌های پیشرفته‌ای تبدیل شده‌اند که با حسگرهای متنوع خود از پایش ضربان قلب گرفته تا تشخیص سطح اکسیژن خون و حتی ثبت نوار قلب (ECG)، توانسته‌اند نقش مؤثری در نظارت‌بر سلامت کاربران ایفا کنند.

وقتی به سیر تحول ساعت‌های هوشمند نگاه می‌کنیم که چطور از گجتی ساده به دستگاه‌هایی با قابلیت شناسایی علائم اولیه بیماری و حتی توانایی نجات جان انسان‌ها تبدیل شده‌اند، واقعا شگفت‌زده می‌شویم. اما چگونه این دستگاه‌های کوچک، چنین قابلیت‌های گسترده‌ و پیشرفته‌ی را در دل خود جا داده‌اند؟ با ما همراه باشید تا در این مطلب، به بررسی دقیق اجزای داخلی ساعت‌ هوشمند و طرز کار حسگرهای آن‌ بپردازیم.

سنسورهای به‌کاررفته در ساعت‌های هوشمند از نور و بازتاب آن برای شناسایی تغییرات بسیار کوچک در بدن استفاده می‌کنند. یکی از رایج‌ترین آن‌ها، سنسور ضربان قلب است که از نور سبز استفاده می‌کند.

نورِ سبز در پشت ساعت‌های هوشمند بر پایه‌ی فناوری‌ای به‌نام تغییر حجم‌سنجی نوری (Photoplethysmogram یا PPG) توسعه یافته و روشی غیرتهاجمی برای پایش اطلاعات بیومتریک بدن است. این فناوری با ارسال نور به پوست و تحلیل بازتاب آن کار می‌کند تا داده‌های سلامت مانند ضربان قلب و سطح اکسیژن خون را به دست آورد.

ساعت‌های هوشمند مدرن از نورهای قرمز و فروسرخ (با طول موج‌های بیشتر از ۶۰۰ نانومتر) برای نفوذ بیشتر در پوست استفاده می‌کنند. این طول موج‌ها برای اندازه‌گیری سطح اکسیژن خون و بررسی تغییرات عروق در عمق پوست به کار می‌روند. به دلیل نفوذپذیری بالاتر، نور فروسرخ می‌تواند از بافت‌های عمیق‌تر عبور کند و اطلاعات دقیق‌تری را درباره‌ی سلامت بدن ارائه دهد. این فناوری‌ها به ساعت‌های هوشمند امکان می‌دهند تا داده‌های سلامتیِ ما را به صورت مستمر و دقیق رصد و به بهبود سبک زندگی و سلامت عمومی کمک کنند.

نور سبز هنگام برخورد به پوست و نفوذ به داخل آن با بخش‌های مختلفی مانند سطح پوست، ماهیچه‌ها، چربی‌ها و رگ‌های خونی برخورد می‌کند. برهم‌کنش نور سبز با رگ‌های خونی برای اندازه‌گیری ضربان قلب ضروری است. به این دلیل که با هر تپش، قلب خون را از طریق رگ‌ها به سراسر بدن پمپاژ می‌کند. این جریان خون، سبب تغییراتی در حجم رگ‌ها می‌شود که ساعت‌های هوشمند از این تغییرات برای اندازه‌گیری ضربان قلب استفاده می‌کنند.

با تغییر حجم رگ‌، قطر آن‌ نیز تغییر می‌کند. فرض کنید قبل از پمپاژ خون به داخل رگ، قطر آن برابر t میلی‌متر است و پس از پمپاژ خون به داخل رگ و افزایش حجم، قطر آن به مقدار s میلی‌متر افزایش می‌یابد. با هر ضربان قلب، قطر رگ‌ بین t و s نوسان می‌کند، بنابراین تغییرات نوسانی قطر رگ را برحسب زمان می‌توانیم به‌صورت زیر رسم کنیم:

این تغییرات چگونه به ما در خواندن تعداد ضربان قلب کمک می‌کنند؟ در اینجا وسیله‌ای به‌نام آشکارسازی نوری (Photodetector یا فوتودتکتور) به کمک ما می‌آید. آشکارساز نوری یک نوع نیمه‌رسانای حساس به نور است که در سنسورهای نوری ساعت‌های هوشمند و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود و پس از برخورد نور به آن، جریان الکتریکی تولید می‌کند. به‌بیان دیگر، آشکارساز نوری، پس از دریافت نور به صورت داده‌ی ورودی، جریان الکتریکی را به صورت داده‌ی خروجی تحویل می‌دهد.

عملکرد دیود نوری یا LED و آشکارساز نوری برخلاف یکدیگر هستند. در دیود نوری، برخلاف آشکارساز نوری، جریان الکتریکی به عنوان داد‌ه‌ی ورودی، نور را به‌عنوان داده‌ی خارجی تولید می‌کند. همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، دو پایه با اندازه‌ی متفاوت از آشکارساز نوری خارج شده‌اند که پایه‌ی کوتاه‌تر، کاتد (Cathode) و پایه‌ی بلندتر، آند (Anode) نام دارند.

آشکارساز نوری: تبدیل نور به سیگنال الکتریکی

قبل از برخورد نور به آشکارساز نوری، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ برای پاسخ به این پرسش باید کمی با ساختار داخلی این آشکارساز آشنا شویم. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، آشکارساز نوری از دو نیمه‌رسانای نوع n و نوع p ساخته شده است. ازآنجاکه آشکارساز نوری در حالت بایاس معکوس کار می‌کند (یعنی زمانی‌که دیود تحت ولتاژی مخالف جهت جریان طبیعی آن قرار می‌گیرد)، نیمه‌رسانای نوع p به قطب منفی و نیمه‌رسانای نوع n به قطب مثبت منبع تغذیه وصل می‌شوند.

نیمه‌رساناهای نوع n و نوع p به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد خود، نقشی اساسی در فناوری‌های الکترونیکی ایفا می‌کنند. در نیمه‌رسانای نوع n، افزودن عناصری مانند فسفر یا آرسنیک به سیلیکون خالص، تعداد الکترون‌های آزاد آن را افزایش می‌دهد. این الکترون‌ها، به‌دلیل بار منفی خود، به‌راحتی در ماده حرکت می‌کنند و به این نوع نیمه‌رسانا ویژگی منفی (Negative یا n) می‌بخشند.

در مقابل، در نیمه‌رسانای نوع p با افزودن عناصری مانند بور به سیلیکون، نیمه‌رسانا دچار کمبود الکترون می‌شود و در آن حفره‌هایی با بار مثبت ایجاد می‌شوند. این حفره‌ها تمایل به جذب الکترون دارند و به دلیل رفتار مشابهِ بار مثبت، این نوع نیمه‌رسانا به نوع مثبت (Positive یا p) معروف است. ترکیب نیمه‌رساناهای نوع n و p پیوند p-n را تشکیل می‌دهد که اساس عملکرد بسیاری از ابزارهای الکترونیکی مانند دیودها و ترانزیستورها است.

برای آشنایی بهتر با آشکارسازهای نوری باید کمی با اتصال نیمه‌رساناهای p و n با یکدیگر آشنا شویم. همان‌طور که اشاره کردیم، بارهای الکتریکی غالب در نیمه‌رسانای نوع p، حفره‌ها و در نیمه‌رسانای نوع n، الکترو‌ن‌ها هستند. در ناحیه‌ی اتصال دو نیمه‌رسانا، ناحیه‌ای به‌نام ناحیه‌ی تهی به‌وجود می‌آید که هیچ بار آزادی در آنجا وجود ندارد و تنها یون‌های مثبت و منفی ثابت وجود دارند. به‌دلیل وجود این یون‌ها، میدان الکتریکی داخل ناحیه‌ی تهی ایجاد می‌شود.

همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، جهت میدان الکتریکی ایجاد شده داخل ناحیه‌ی تهی به‌گونه‌ای است که از حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها به سمت یکدیگر جلوگیری می‌کند. به‌بیان دیگر، میدان الکتریکی ایجاد شده مانع از عبور الکترون‌ها و حفره‌ها از ناحیه‌ی تهی می‌شود.

در بایاس معکوس، حفره‌ها داخل نیمه‌رسانای p و الکترون‌ها داخل نیمه‌رسانای n به‌ترتیب به سمت قطب‌های منفی و مثبت منبع تغذیه حرکت می‌کنند. با افزایش ولتاژ معکوس، تا زمانی که مقدار آن کوچک‌تر از ولتاژ شکست باشد، طول ناحیه‌ی تهی افزایش می‌یابد. ازآنجا که سطح مقطع در این حالت افزایش می‌یابد، حساسیت آشکارساز نوری به نور افزایش، اما پاسخ فرکانسی کاهش خواهد یافت.

در آشکارساز نوری، زمانی که هیچ نوری به آن نمی‌تابد، جریان کوچکی به نام جریان تاریک (dark current) از دیود عبور می‌کند. این جریان با اندازه‌ای در حدود میکروآمپر، همان جریان اشباع معکوس است که در شرایط بدون نور، به‌دلیل وجود حامل‌های بار اقلیت ایجاد می‌شود.

علت اصلی جریان تاریک، حرکت حامل‌های باری است که به‌واسطه‌ی انرژی گرمایی در دو ناحیه‌ی p و n تولید می‌شوند. به‌عبارت دیگر، در دمای محیط، انرژی حرارتی می‌تواند در ناحیه‌ی p الکترون و در ناحیه‌ی n حفره تولید کند. این حامل‌های بار اقلیت (الکترون در ناحیه p و حفره در ناحیه n) تحت‌تأثیر میدان الکتریکی ناحیه‌ی تهی حرکت و جریان ضعیفی را در جهت معکوس ایجاد می‌کنند.

تا اینجا با ساختار داخلی آشکارساز نوری در ساعت‌ هوشمند آشنا شدیم. نور سبز پس از تابش با پوست انسان، تا عمقی مشخص نفوذ و با رگ که قطر آن برحسب زمان و به‌صورت نوسانی تغییر می‌کند، وارد برهم‌کنش می‌شود. این نور پس از برهم‌کنش با رگ و بازتاب از آن، به آشکارساز نوری برخورد و آشکارساز پس از جذب فوتون‌های نور، آن‌ها را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. نرم‌افزارهای نصب شده روی گوشی هوشمند، سیگنال الکتریکی دریافتی را آنالیز و اطلاعات لازم در مورد تعداد ضربان فلب را به کاربر می‌دهند.

همان‌طور که اشاره کردیم، نور سبز پس از برخورد با پوست، تا عمق مشخصی داخل آن نفوذ می‌کند و پس از برهم‌کنش با جریان خون، قسمتی از آن جذب و قسمتی از آن منعکس و وارد آشکارساز نوری می‌شود. آشکارساز نوری مقدار نور بازتابیده را اندازه‌گیری می‌کند. با هر تپش قلب، حجم خون داخل رگ‌ها افزایش می‌یابد و نور بیشتری جذب می‌شود. درنتیجه، نور کمتری منعکس خواهد شد. حجم خونِ داخل رگ‌ها بین دو ضربانِ متوالی قلب، کاهش می‌یابد؛ بنابراین، نور کمتری جذب و نور بیشتری بازتابیده می‌شود.

آشکارساز نوری، تغییرات و نوسان نور بازتاب شده را اندازه می‌گیرد و از آن برای اندازه‌گیری مقدار ضربان قلب استفاده می‌کند. سیگنال موج پالسی ایجاد شده در PPG باتوجه‌به مکان سنسور یا آشکارساز نوری (دور انگشت یا مچ دست) تغییر می‌کند. دلیل این موضوع به تغییرات ضخامت پوست و ساختار رگ‌های بدن مربوط می‌شود که بر مقدار نور جذب و منعکس شده تاثیر می‌گذارند. ساعت‌های هوشمند برای اندازه‌گیری دقیق باید سطح تماس مناسبی با پوست داشته و دقیقا اندازه‌ی مچ دست، نه خیلی محکم و نه خیلی شل، باشند.

پژوهشگران برای نخستین بار از PPG در دهه‌ی ۳۰ میلادی برای مطالعه‌ی جریان خون استفاده کردند، اما این روش تا دهه‌ی ۸۰ میلادی به‌طور رسمی برای بررسی سلامت قلب استفاده نشد. شکل ظاهری موج پالسی اطلاعات ارزشمندی را در مورد سلامت قلب به ما می‌دهد.

سیگنال الکتریکی ایجاد شده در آشکارساز نوری در چند مرحله پردازش می‌شود:

• تقویت سیگنال: به‌طور معمول، سیگنال الکتریکی دریافت شده بسیار ضعیف است، بنابراین قبل از انجام هر کاری، برای افزایش شدت، به تقویت‌کننده‌ی سیگنال (Amplifier) فرستاده می‌شود.
• فیلتر کردن نویز: سیگنال الکتریکی پس از تقویت ممکن است مقداری نویز داشته باشد که از جمع‌آوری داده‌های دقیق جلوگیری می‌کند. در این مرحله، با استفاده از فیلترهای مختلف (مثل فیلتر پایین‌گذر، بالاگذر یا میان‌گذر)، نویزهای ناخواسته را حذف می‌کنیم.
• دیجیتالی کردن سیگنال: پس از حذف نویز به‌کمک فیلترهای مناسب، مبدل آنالوگ به دیجیتال، سیگنال آنالوگ را به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند. چون با انجام این کار، سیستم‌های دیجیتال به‌راحتی می‌توانند سیگنال را تحلیل کنند.
• پردازش سیگنال دیجیتال: در ادامه، از الگوریتم‌های پردازش سیگنال مانند تحلیل فوریه، فیلترهای دیجیتال یا الگوریتم‌های یادگیری ماشین، برای استخراج اطلاعات استفاده می‌کنیم.

اگر پشت ساعت هوشمند خود را نگاه کرده باشید، احتمالا از خود پرسیده‌اید چرا نور سبز به‌صورت چشمک‌زن ساخته شده است و به‌صورت پیوسته خاموش و روشن می‌شود. در محیط‌های پرنور یا جایی که نورهای متغیر وجود دارند، ممکن است نویزهایی وارد سیگنال شوند و اندازه‌گیری ضربان قلب را تحت تأثیر قرار دهند.

همان‌طور که اشاره کردیم، برای حذف نویز، از فیلترهای مختلفی استفاده می‌کنیم. فیلترهای پایین‌گذر برای حذف نویزهای فرکانس بالا و فیلترهای بالاگذر برای حذف نویزهای فرکانس پایین استفاده می‌شوند. اکنون سیگنالی بدون نویز داریم که به خوبی تغییرات حجمی خون را نشان می‌دهد. در ادامه، باید تپش‌های قلب تکی را مشخص کنیم. به‌طور معمول این کار را با مشخص کردن پیک‌ها روی سیگنال انجام می‌دهیم، پیک‌های سیستولی (Systolic Peak).

برای تعیین پیک‌ها از الگوریتمی به‌نام Pan-Tompkins استفاده می‌کنیم. پس از مشخص کردن تپش‌ها، اطلاعات مختلفی، مانند فاصله‌ی زمانی بین پیک‌ها، را می‌توانیم از موج پالسی بیرون بکشیم. به‌کمک این فاصله‌ی زمانی می‌توان ضربان قلب و آهنگ آن را محاسبه کرد. همچنین، به‌کمک دامنه‌ی پیک‌ها می‌توانیم اطلاعاتی را در مورد حجم خون به‌دست آوریم.

عوامل زیادی، مانند تنفس، بر سیگنال به‌دست آمده تاثیر می‌گذارند. هنگام نفس کشیدن، فشار داخل قفسه‌ی سینه تغییر می‌کند. این تغییرات فشار، میزان بازگشت خون وریدی به قلب و درنتیجه حجم کلی خون در رگ‌ها را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. تغییرات ایجاد شده در حجم خون، نوساناتی را در خط پایه‌ی سیگنال PPG ایجاد و درنتیجه، دامنه و گاهی فرکانس موج PPG تغییر می‌کند. بنابراین، هنگام تجزیه و تحلیل داده‌های PPG، به‌ویژه برای اندازه‌گیری‌هایی مثل تغییرپذیری ضربان قلب، باید تاثیر تنفس در نظر گرفته شود.

همچنین، انجام حرکات ورزشی، راه رفتن یا حرکت دادن مچ دست می‌توانند نویز زیادی را وارد سیگنال PPG کنند. برای حذف این نویزها به الگوریتم‌های پیشرفته‌ای نیاز داریم. اما نباید فراموش کنیم که PPG همیشه به ما سیگنال درستی نمی‌دهد. فناوری PPG فقط اطلاعات مربوط به ضربان قلب را ارائه نمی‌دهد؛ بلکه با تحلیل شکل موج‌، می‌تواند به شاخص‌های فیزیولوژیکی مهم دیگری دست پیدا کند و پارامترهایی مانند آهنگ تنفس، فشار خون و سطح اشباع اکسیژن خون را تخمین بزند. علاوه بر این، امکان شناسایی اختلالات خواب مانند آپنه نیز وجود دارد.

برای اندازه‌گیری تعداد ضربان قلب در هر دقیقه به کمک سیگنال PPG، هر پیک در موج PPG به‌عنوان یک تپش قلب در نظر گرفته می‌شود. با شناسایی دو پیک متوالی و محاسبه‌ی بازه زمانی میان آن‌ها، می‌توان تعداد ضربان قلب را در دقیقه محاسبه کرد. این فرآیند همان چیزی است که ساعت‌های هوشمند برای پایش ضربان قلب کاربران انجام می‌دهند.

اشباع اکسیژن خون (Saturation of Peripheral Oxygen یا SpO2) یکی دیگر از پارامترهایی است که می‌توانیم به‌کمک سیگنال PPG اندازه‌گیری کنیم. به درصد هموگلوبینِ اشباع شده با مولکول‌های اکسیژن، اشباع اکسیژن خون می‌گوییم. هموگلوبین، پروتئینی در گلبول‌های قرمز است که اکسیژن را از ریه‌ها به بافت‌های بدن منتقل می‌کند. میزان SpO2 نشان می‌دهد که چه مقدار از هموگلوبین موجود در خون، اکسیژن را با خود حمل می‌کند.

در حالت کلی، درصد اشباع اکسیژن خون نباید از مقداری مشخص کمتر باشد (کمتر از ۹۰ درصد)، به‌همین دلیل امروزه بیشتر گوشی‌های هوشمند علاوه بر اندازه‌گیری تعداد ضربان قلب در دقیقه، درصد اشباع اکسیژن خون را نیز اندازه می‌گیرند. مقدار درصد اشباع اکسیژن خون همچنین نشان می‌دهد آیا فردی دچار آپنه‌ی خواب (Sleep Apnea) است یا خیر. آپنه‌ی خواب یک اختلال جدی است که در آن تنفس فرد در طول خواب به‌طور مکرر و در حدود ۳۰ ثانیه متوقف و دوباره شروع می‌شود. در این وضعیت، اکسیژن کافی به بدن و مغز نمی‌رسد و فردِ مبتلا دچار مشکلات جدی خواهد شد.

مشابه اندازه‌گیری تعداد ضربان قلب، ساعت‌های هوشمند برای اندازه‌گیری درصد اشباع اکسیژن خون از تابش نور و بازتاب آن کمک می‌گیرند، اما این بار به جای نور سبز، از نور قرمز و فروسرخ استفاده می‌کنند. نور قرمز و فروسرخ به‌دلیل طول موج بلندتر و عمق نفوذ بیشتر در پوست، می‌توانند اطلاعات دقیق‌تری از عمق بافت‌ها به دست آورند. با این حال، رنگ پوست یا تتو می‌تواند بر دقت این اندازه‌گیری‌ها تاثیر بگذارد.

تا اینجا فهمیدیم ساعت‌های هوشمند به‌کمک نور قرمز با طول موج بلندتر، درصد اشباع اکسیژن خون را اندازه می‌گیرند. دلیل استفاده از نور قرمز، تنها به خاطر طول موج بلندتر آن نیست، بلکه هر چه مقدار اکسیژن خون بیشتر باشد، رنگ آن قرمزتر خواهد بود، بنابراین نور قرمز را به شکل متفاوتی جذب می‌کند. پس از تابش نور قرمز به پوست، آشکارساز نوری مقدار نور بازتابیده را اندازه‌ می‌گیرد.

ازآنجاکه مقدار خون عبوری از رگ‌های ناحیه مچ دست با هر ضربان قلب تغییر می‌کند، انتظار داریم سیگنال دریافتی از آشکارساز به‌صورت نوسانی باشد. با این حال، بالا یا پایین بودن این سیگنال به‌طور مستقیم نشان‌دهنده‌ی مقدار اکسیژن خون نیست، بلکه نشان‌دهنده‌ی تغییرات حجم خون است. عواملی مانند قطر رگ‌ها، نور محیط، ضخامت پوست، و فاصله‌ی سنسور از رگ می‌توانند بر شدت سیگنال تاثیر بگذارند و نویز ایجاد کنند.

بنابراین، راهی برای به‌دست آوردن مقدار اکسیژن خون با نگاه کردن به سیگنال دریافتی پس از تابش نور قرمز وجود ندارد. برای این کار باید از نوری با رنگ متفاوت استفاده کنیم؛ درواقع، آن‌قدر متفاوت که حتی نتوانیم آن را ببینیم؛ نور فروسرخ! درنتیجه، برای اندازه‌گیری درصد اشباع اکسیژن خون از دو طول موج نور، قرمز (۶۶۰ نانومتر) و فروسرخ (۹۴۰ نانومتر) استفاده می‌کنیم، زیرا هموگلوبین (پروتئینی که اکسیژن را حمل می‌کند) در حضور اکسیژن و در غیاب آن، این دو نور را به شکل متفاوتی جذب می‌کند.

سیگنال دریافتی پس از تابش نور فروسرخ به صورت نشان داده شده در تصویر زیر است. در حالتی‌که مقدار اکسیژن خون کمتر باشد، سیگنال دریافتی بالا و برای حالتی که مقدار اکسیژن خون بالا است، سیگنال دریافتی پایین‌تر قرار می‌گیرد.

با قرار دادن سیگنال‌های دریافتی از نور‌های قرمز و فروسرخ در کنار یکدیگر، اگر خون مقدارِ کافی اکسیژن داشته باشد نموداری به صورت نمودار یک و اگر خون مقدار کافی اکسیژن نداشته باشد، نموداری به‌صورن نمودار دو خواهیم داشت.

در این حالت، دیگر نباید نگرانی در مورد نور محیط یا محل قرار گرفتن آشکارساز نوری داشته باشیم. زیرا با تغییر عوامل خارجی مانند نور محیط، خط‌های بنفش و قرمزرنگ با یکدیگر به‌سمت بالا یا پایین حرکت می‌کنند و فاصله‌ی نسبی بین آن‌ها ثابت می‌ماند.

از آنجا که مقدار اکسیژن خون به‌طورمعمول برابر ۹۰ درصد است و خون با این مقدار اکسیژن، نور فروسرخ را به‌مقدار زیادی جذب می‌کند، به‌کمک نور فروسرخ می‌توانیم آنچه ساعت هوشمند می‌بیند را مشاهده کنیم. تصویر زیر آنچه ساعت هوشمند می‌بیند را نشان می‌دهد.

اندازه‌گیری دقیق مسافت با ساعت‌های هوشمند، حتی به‌لطف فناوری GPS، همچنان با چالش‌هایی همراه است. گروهی از پژوهشگران با انتشار مقاله‌ای در سال ۲۰۲۰ و مقایسه‌ی ساعت‌های هوشمند مختلف با یکدیگر، نشان دادند که میزان خطا در اندازه‌گیری مسافت بین ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد است. در مکان‌هایی با موانع زیاد مانند ساختمان‌ها یا در مسیرهای پیچ‌درپیچ، سیگنال GPS ممکن است دچار اختلال شود.

برای رفع این مشکل، برخی شرکت‌ها به سمت استفاده از فناوری‌های پیشرفته‌تر مانند دریافت سیگنال از چندین ماهواره و فرکانس‌های مختلف روی آورده‌اند. این روش به ساعت‌ها کمک می‌کند تا سیگنال‌های دقیق‌تر را انتخاب کنند و مسافت را با دقت بیشتری اندازه بگیرند.

استفاده از فرکانس‌های چندگانه‌ی ماهواره‌ای (Multi-Band Frequencies) یکی از فناوری‌های پیشرفته‌ای است که به تازگی در ساعت‌های هوشمند مدرن استفاده می‌شود. هدف اصلی این فناوری، بهبود دقت در ردیابی موقعیت جغرافیایی است، به‌ویژه در شرایطی که سیگنال‌های ماهواره‌ای ممکن است دچار اختلال شوند. در صورتی‌که GPS دردسترس نباشد، ساعت‌های هوشمند از شتاب‌سنج داخلی برای اندازه‌گیری مسافت و سرعت استفاده می‌کنند.

از شتاب‌سنج‌ها برای تشخیص حرکت خطی (حرکت‌ در راستای محورهای مختصات) استفاده می‌کنیم. شتاب‌سنج‌ها هیچ اطلاعاتی در مورد سرعت حرکت یا تندی به ما نمی‌دهند، بلکه اندازه‌ی شتاب حرکت جسم در راستای محور مختصات را به ما می‌دهند. شتاب‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری شتاب از سنسورهای خازنی (Capacitive Sensing) استفاده می‌کنند و به شکل زیر ساخته می‌شوند.

قطعه‌ی نارنجی‌رنگ و متحرک شتاب‌سنج، جرم آزمایشی (Proof Mass) نام دارد که نقش عنصر اصلی را در سنسور ایفا می‌کند. این جرم با شتاب گرفتن دستگاه، کمی جابه‌جا و حرکت آن سبب تغییر در ظرفیت خازنی می‌شود که دستگاه از آن برای محاسبه‌ی میزان شتاب و حرکت استفاده می‌کند. ساعت‌های هوشمند از شتاب‌سنج‌ها برای تشخیص حرکات دست، گام‌شماری، و ردیابی فعالیت‌های ورزشی استفاده می‌کنند.

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، جرم آزمایشی از دو نقطه‌ی انتهایی روی زیرلایه قرار گرفته است و بین این دو نقطه می‌تواند اندکی جابجا شود.

الکترود‌ها ساختارهای ثابتی روی زیرلایه هستند که مطابق تصویر زیر مابین دندانه‌های جرم آزمایشی قرار می‌گیرند. به این نکته توجه داشته باشید که الکترودها و جرم آزمایشی هیج تماسی با یکدیگر ندارند و به‌صورت دندانه‌های دو شانه در یکدیگر فرو رفته‌اند.

همان‌طور که می‌دانید، دو جسم در فاصله‌ای نزدیک به یکدیگر، بدون آن‌که یکدیگر را لمس کنند، یک خازن را می‌سازند. ظرفیت خازن به چند عامل بستگی دارد، که فاصله‌ی بین دو صفحه از یکدیگر یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر مقدار ظرفیت خازن است. هرچه فاصله‌ی دو صفحه کمتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر و هرچه فاصله‌ی دو صفحه بیشتر باشد، ظرفیت خازن کمتر است.

حالتی را در نظر بگیرید که دو صفحه‌ی فلزی ثابت و یک صفحه‌ی فلزی متحرک داریم که در کنار یکدیگر وسیله‌ای به نام خازن تفاضلی را می‌سازند. در این نوع خازن، اختلاف بار الکتریکی را در خازن پایینی (پایین‌ترین صفحه و صفحه‌ی میانی) و خازن بالایی (صفحه‌ی میانی و بالترین صفحه)‌ اندازه می‌گیریم.

حال فرض کنید جرم مرجع یا آزمایشی، درست در مرکز دو الکترود مجاور و در فاصله‌ی یکسان از آن‌ها قرار دارد. در این حالت ولتاژی با مقدار مشخص به سیستم اعمال می‌کنیم. ازآنجاکه صفحه‌ی میانی با فاصله‌ی یکسان از صفحه‌های پایینی و بالایی قرار گرفته است، ظرفیت خازن‌های بالا و پایین با یکدیگر برابر هستند.

حال اگر صفحه‌ی میانی را به صفحه‌ی پایینی نزدیک کنیم، ظرفیت خازنی خازنِ پایین افزایش و ظرفیت خازنی خازن بالا کاهش می‌یابد. شتاب‌سنج نیز به این صورت کار می‌کند.

تغییرات ظرفیت خازنی پس از ضبط شدن، از تقویت‌کننده‌ی بار می‌گذرد. از آنجا که سیگنال اولیه بسیار ضعیف است، نیاز به تقویت دارد تا به سطح قابل‌استفاده برای پردازش برسد. این بخش، سیگنال را تقویت و آن را آماده‌ی مراحل بعدی می‌کند.

سپس سیگنال وارد مرحله‌ی آماده‌سازی و اصلاح می‌شود که با حذف‌ نویزهای محیطی همراه است. این اصلاحات باعث می‌شوند که سیگنال‌های پایدارتر و دقیق‌تری داشته باشیم. پس از آن، سیگنال از یک فیلتر پایین‌گذر (Low-Pass Filtering) عبور می‌کند که فرکانس‌های بالاتر و نویزهای ناخواسته را حذف می‌کند و تنها اطلاعات مرتبط با حرکت‌های واقعی (فرکانس‌های پایین‌تر) را عبور می‌دهد.

در پایان، خروجی این فرآیند به سیگنالی دیجیتال تبدیل می‌شود و پردازنده‌ی دستگاه‌های هوشمند مانند ساعت‌های هوشمند یا تلفن‌های همراه آن را پردازش می‌کنند. برای تشخیص حرکت در جهت‌های مختلف باید سنسورهای داخل شتاب‌سنج را در جهت‌های مختلف و در زوایای ۹۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار دهیم. اکنون می‌توانیم حرکت‌ها را در سه‌بعد تشخیص دهیم.

پایش خواب یکی دیگر از قابلیت‌های جذاب ساعت‌های هوشمند است که به شما کمک می‌کند، کیفیت خواب خود را بررسی و برای بهبود آن تلاش کنید. خواب انسان به سه مرحله‌ی اصلی تقسیم می‌شود:

• خواب سبک (Light Sleep): در این مرحله، بدن به‌آرامی وارد حالت استراحت می‌شود و به‌راحتی می‌توانید بیدار شوید.
• خواب عمیق (Deep Sleep): پس از وارد شدن به این مرحله، به‌سختی بیدار می‌شوید.
• خواب REM (حرکات سریع چشم): مرحله‌ای که مغز فعال می‌شود و رویاها شکل می‌گیرند. این فاز برای پردازش اطلاعات و حافظه بسیار حیاتی است.

ساعت‌های هوشمند برای پایش خواب از ترکیب چند سنسور استفاده می‌کنند. شتاب‌سنج‌ها یکی از اصلی‌ترین سنسورهایی هستند که ساعت‌ برای پایش خواب از آن‌ها استفاده می‌کند. همان‌طور که در بخش قبل گفتیم، این سنسور حرکات بدن را در راستای سه محور (x, y, z) ثبت می‌کند.

به‌طور کلی فرض اولیه آن است که وقتی بدن حرکتی ندارد، احتمالا خواب هستید. اما برخی افراد هنگام خوابیدن به‌طور مداوم حرکت می‌کنند (پهلو به پهلو شدن یا چرخش هنگام خواب). شاید بیدار باشید، اما بی‌حرکت روی مبل دراز کشیده باشید و فیلم دلخواهتان را تماشا کنید. از این‌رو، شتاب‌سنج به‌تنهایی برای پایش خواب کافی نیست.

ساعت هوشمند برای بررسی دقیق خواب به سنسورهای دیگری مانند سنسورهای ضربان قلب و تنفسی نیز نیاز دارد. این سنسورها با یادگیری الگوی ضربان قلبِ فرد، هنگام استراحت (ضربان قلب پایه)، متوجه می‌شوند که چه زمانی بدن آرام است. اگر ضربان قلبِ فرد به این سطح نزدیک باشد و شتاب‌سنج تیز حرکتی را ثبت نکند، احتمال خواب بیشتر است.

همچنین، تغییرات در نرخ تنفس می‌تواند به ساعت کمک کند تا مراحل مختلف خواب مانند خواب سبک یا REM را شناسایی کند. الگوریتم‌های پیشرفته و مدل‌های هوش مصنوعی، داده‌های جمع‌آوری شده از سنسورها را تحلیل و تفسیر می‌کنند. آن‌ها با مقایسه‌ی ضربان قلب و تنفس با داده‌های استاندارد، می‌فهمند که شما در حال استراحت، خوابیدن یا انجام فعالیت دیگری هستید. به‌عنوان مثال، در مرحله‌ی REM، حرکات سریع چشم، کاهش حرکات بدن و تغییرات خاص در ضربان قلب شناسایی می‌شود.

ساعت‌های هوشمند برای اندازه‌گیری کالری سوزانده‌شده در طول روز یا هنگام ورزش، از سنسورهای مختلف و الگوریتم‌های پیچیده استفاده می‌کنند. همان‌طور که در بخش‌های قبل اشاره کردیم ساعت هوشمند تعداد ضربان قلب و حرکات بدن را ردیابی می‌کند. درنتیجه، با داشتن این اطلاعات و اطلاعات دیگری مانند سن، جنسیت، وزن و قد، مقدار کالری مصرف‌شده را محاسبه می‌کند.

اگر ضربان قلب شما بالا باشد و شتاب‌سنج حرکات سریع‌تری را ثبت کند، ساعت تشخیص می‌دهد که شما در حال انجام یک فعالیت پرشدت مانند دویدن هستید، که کالری بیشتری نسبت به فعالیت‌های کم‌شدت مانند پیاده‌روی می‌سوزاند. اما فراموش نکنید عدد داده شده به‌دلیل محدودیت‌های سنسورها، دقت صددرصدی ندارد.

ساعت‌های هوشمند تنها گجت‌هایی برای نمایش اعلان‌ها یا شمارش قدم‌ها نیستند، بلکه ابزارهای پیشرفته‌ای هستند که نقشی کلیدی در پایش سلامت و بهبود سبک زندگی ایفا می‌کنند. فناوری‌هایی مانند تغییر حجم‌سنجی نوری (PPG) و سنسورهای اکسیژن خون، این ساعت‌ها را به دستگاه‌هایی با توانایی اندازه‌گیری دقیق شاخص‌های حیاتی بدن تبدیل کرده‌اند.

ساعت‌های هوشمند با استفاده از نورهای مرئی و نامرئی، سنسورهای پیشرفته و پردازش داده‌های بیومتریک، اطلاعات حیاتی بدن ما را به‌صورت آنی جمع‌آوری و تحلیل می‌کنند. این گجت‌های پوشیدنی نه‌تنها ضربان قلب، بلکه سطح اکسیژن خون، کیفیت خواب، و حتی علائم اولیه بیماری‌های قلبی را نیز شناسایی می‌کنند. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که ساعت‌ه هوشمند فراتر از یک ابزار، به همدم‌ دیجیتالی برای پایش سلامتی ما تبدیل شوند و در مواقع ضروری هشدارهای حیاتی دهند.

با پیشرفت فناوری، آینده‌ای هیجان‌انگیز در انتظار این دستگاه‌های کوچک اما قدرتمند است. بهبود حسگرها، افزایش دقت در اندازه‌گیری‌ها و استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته یادگیری ماشین، این امکان را فراهم می‌کند که ساعت‌های هوشمند به ابزارهایی جامع‌تر و دقیق‌تر برای پیشگیری و مدیریت بیماری‌ها تبدیل شوند.