วัดชีพจรด้วยกล้อง: อธิบาย PPG อย่างตรงไปตรงมา

เมื่อใช้นิ้วมือบังกล้องและไฟฉายของโทรศัพท์ หน้าจอจะเปลี่ยนเป็นสีแดงก่ำสว่างเรืองแสง สีแดงนั้นคือแสงจากไฟฉายที่เดินทาง ทะลุผ่าน นิ้วของคุณ — ผ่านผิวหนัง เนื้อเยื่อ และเลือด — ก่อนจะไปถึงเซ็นเซอร์ และแสงนี้ไม่คงที่ ทุกครั้งที่หัวใจเต้น เลือดจะถูกสูบฉีดเข้าไปในหลอดเลือดฝอยที่ปลายนิ้วเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เลือดจะดูดซับแสง ดังนั้น ทุกครั้งที่หัวใจเต้น แสงที่ส่องผ่านไปได้จึงลดลงเล็กน้อย แสงเรืองนั้นจะหรี่ลงและกลับมาสว่าง หรี่ลงและกลับมาสว่าง สอดคล้องเป็นจังหวะเดียวกับชีพจรของคุณ

นั่นคือกระบวนการโฟโตเพลทิสโมกราฟี — PPG — ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับเครื่องหนีบนิ้วที่พยาบาลใช้ และไฟ LED สีเขียวที่ด้านหลังของสมาร์ทวอทช์ "Photo" หมายถึงแสง ส่วน "plethysmography" หมายถึงการวัดค่าการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร เครื่องมือ Pulse จะใช้วิธีการแบบส่งผ่านแสง โดยให้ไฟฉายอยู่ด้านหนึ่งของเนื้อเยื่อและกล้องอยู่อีกด้านหนึ่ง และสัญญาณที่ได้คือการปรับเปลี่ยนเป็นจังหวะของแสงที่ส่องผ่านระหว่างสองฝั่ง เครื่องมือนี้จะรายงานผลสองอย่าง ได้แก่ อัตราการเต้นของหัวใจในหน่วยครั้งต่อนาที และความแรงของสัญญาณชีพจรที่วัดได้จริง โดยไม่มีการรายงานผลวินิจฉัยโรคแต่อย่างใด

เหตุใดสัญญาณขนาดเล็กเช่นนี้จึงยังสามารถตรวจวัดกลับมาได้

การเปลี่ยนแปลงของแสงที่ส่องผ่านซึ่งขับเคลื่อนด้วยชีพจรนั้นมีขนาดเล็กมาก — เป็นการปรับเปลี่ยนเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์หรือน้อยกว่านั้น ท่ามกลางระดับแสงคงที่ขนาดใหญ่ การจะตรวจวัดสัญญาณนี้กลับมาได้ขึ้นอยู่กับการที่ทุกสิ่งทุกอย่างรอบข้างต้องนิ่งสนิท และนั่นคือจุดที่ระบบการบันทึกภาพอันเข้มงวดของแพลตฟอร์มทำงานได้อย่างแท้จริง

ประการแรกคือไฟฉาย นี่คือแหล่งกำเนิดแสงเดียวที่มีความสำคัญในที่นี้ และเป็นแหล่งกำเนิดแสง ที่ทราบแน่ชัด นั่นคือ มีตำแหน่งที่แนบสนิทกับนิ้วอย่างคงที่ มีกำลังส่องสว่างคงที่ และเปิดตลอดการบันทึกภาพ ด้านการส่องสว่างของการวัดค่าจึงเป็นค่าคงที่ ดังนั้น ความผันแปรเป็นระยะในสิ่งที่เซ็นเซอร์ได้รับจะต้องเกิดจากตัวกลางที่อยู่ตรงกลางเท่านั้น แสงโดยรอบแทบจะไม่เล็ดลอดเข้ามาเลย เนื่องจากปลายนิ้วที่กดทับบนเลนส์จะช่วยปิดกั้นแสงส่วนใหญ่ไว้ และแสงที่รั่วเข้ามาก็จะมีค่าคงที่มากกว่าที่จะเป็นจังหวะสม่ำเสมอ

ประการที่สอง กล้องจะหยุดปรับเปลี่ยนตัวเองโดยอัตโนมัติ พฤติกรรมเริ่มต้นของกล้องโทรศัพท์คือการต่อต้านสัญญาณที่เราต้องการวัดโดยตรง ระบบควบคุมแสงอัตโนมัติ (AE) จะมองเห็นเฟรมที่มืดลงเล็กน้อยและเพิ่มเกนขึ้นเพื่อชดเชย ส่วนระบบสมดุลแสงสีขาวอัตโนมัติ (AWB) จะปรับโทนสีของเฟรมใหม่เพราะพยายามเดาทางแสงสีแดงที่ท่วมท้น ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จะทับถมการปรับเปลี่ยนทางสรีรวิทยาเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ด้วยการแก้ไขทางซอฟต์แวร์ไม่กี่เปอร์เซ็นต์ ดังนั้น เครื่องมือ Pulse จึงล็อกค่า AE และ AWB ตลอดระยะเวลาการบันทึกภาพ เพื่อให้เฟรมต่างๆ ถูกวัดด้วยสเกลคงที่เพียงสเกลเดียว และสิ่งเดียวที่ยังคงเคลื่อนไหวอยู่คือตัวแสงเอง นี่คือกฎข้อเดียวกับที่ทำให้ เครื่องมือวัดการสะท้อนแสงและความโปร่งแสง ทำงานได้ และเป็นคู่แฝดทางออปติคัลของเส้นทางเสียงที่ไม่มีการประมวลผลในการทดสอบการเคาะ นั่นคือการปิดระบบช่วยเหลือทั้งหมด และปล่อยให้ฟิสิกส์ทำงานไป

จากนั้น การวิเคราะห์จะเป็นเรื่องของการเฉลี่ยค่าเฟรมต่างๆ ให้ออกมาเป็นกราฟความสว่างตามเวลา ค้นหาความถี่หลักที่เป็นไปได้ในระดับที่สมเหตุสมผล และ — ที่สำคัญไม่แพ้กัน — คือการวัดค่าว่าพลังงานของกราฟนั้นเกิดจากความถี่หลักดังกล่าวมากน้อยเพียงใด ตัวเลขสุดท้ายนั้นก็คือตัวบ่งชี้ความแรงของสัญญาณที่รายงานควบคู่ไปกับอัตราชีพจร ปลายนิ้วที่กดนิ่งและมั่นคงจะให้การแกว่งตัวของสัญญาณที่แรงและชัดเจน ส่วนการจับที่สั่นเทา นิ้วที่เย็น หรือการกดปิดเลนส์เพียงครึ่งเดียวจะให้สัญญาณที่อ่อน เครื่องมือนี้จะบอกคุณว่าสัญญาณที่ได้เป็นแบบใด เพื่อให้สามารถคัดทิ้งการวัดค่าที่มีความน่าเชื่อถือต่ำแทนที่จะไปเชื่อค่านั้น ทุกอย่างประมวลผลบนอุปกรณ์ ไม่มีเฟรมใดส่งออกจากโทรศัพท์

ฟิสิกส์ไม่รู้ว่าสิ่งที่วัดอยู่นั้นคือนิ้วมือ

นี่คือส่วนที่ทำให้ Pulse เป็นมากกว่าแอปวัดอัตราการเต้นของหัวใจทั่วไปที่ทำขึ้นมาขำๆ ไม่มีสิ่งใดในการวัดค่านี้ที่เจาะจงเฉพาะนิ้วมือเท่านั้น เครื่องมือนี้จะวัดการปรับเปลี่ยนเป็นระยะของแสงที่ส่องผ่านตัวกลางที่กดทับอยู่บนเลนส์ ปลายนิ้วสามารถใช้ได้เนื่องจากปริมาตรของเลือดมีการเต้นเป็นจังหวะ แต่สิ่งอื่นใดก็ตามที่เต้นเป็นจังหวะก็สามารถวัดได้เช่นกัน

ลองกดท่ออ่อนจากปั๊มขนาดเล็กเข้ากับเลนส์และไฟฉาย ทุกๆ รอบการทำงานของปั๊มจะทำให้ปริมาตรของของเหลวเปลี่ยนไป — และส่งผลให้ปริมาณแสงที่ถูกดูดซับเปลี่ยนไปด้วย — ในลักษณะเดียวกับการเต้นของหัวใจ เครื่องมือนี้จะอ่านอัตราการหมุนเวียนรอบของปั๊มแบบเดียวกับที่อ่านชีพจร ในบางกรณี วิธีนี้ก็มีประโยชน์อย่างแท้จริง:

• ท่อของตู้ปลา — ปั๊มจ่ายสารหรือปั๊มลมที่คุณต้องการตรวจสอบอัตราการทำงานโดยไม่ต้องเปิดอุปกรณ์ใดๆ หรือไม่ต้องพึ่งพาแต่หน้าปัดบนตัวเครื่อง
• ระบบรดน้ำ — การยืนยันว่าท่อน้ำหยดแบบเป็นจังหวะนั้นทำงานในอัตราเดียวกับที่ตัวควบคุมระบุจริงหรือไม่ โดยเฉพาะที่ปลายสายจุดที่สำคัญ
• ปั๊มขนาดเล็กทั่วไป — การเปรียบเทียบอัตราการทำงานในวันนี้กับอัตราการทำงานเมื่อครั้งยังใหม่ การวัดค่าที่บันทึกไว้ภายใต้วัตถุเดียวกันในแค็ตตาล็อกของคุณในแต่ละเดือนจะเปลี่ยนคำถามที่ว่า "คุณว่าเสียงมันเปลี่ยนไปไหม" ให้กลายเป็นเส้นแนวโน้มข้อมูล

การใช้งานทั่วไปในลักษณะนี้ไม่ใช่การฝืนใช้เครื่องมือเกินความสามารถ แต่เป็นคุณสมบัติของการวัดตัวกลางแทนที่จะทึกทักเอาจากสิ่งที่กำลังวัด ค่าที่อ่านได้จะไม่สนใจว่าอะไรเป็นตัวสร้างจังหวะ — ซึ่งนี่คือเหตุผลว่าทำไมเมื่อนำไปใช้ในทางการแพทย์ มันจึงเป็นได้เพียงแค่ตัวเลขเท่านั้น แต่เมื่อนำไปใช้กับงานระบบท่อ มันคือเครื่องมือวัดชั้นดีเครื่องหนึ่งเลยทีเดียว

อัตราการเต้นที่วัดได้นั้นมีประโยชน์อย่างไร หากใช้อย่างตรงไปตรงมา

เนื่องจากผลลัพธ์ที่ได้คืออัตราชีพจรรวมกับความน่าเชื่อถือ การใช้งานอย่างตรงไปตรงมาจึงเป็นสิ่งที่อัตราชีพจรดังกล่าวสามารถสนับสนุนได้จริง เช่น การตรวจเช็กอัตราการเต้นของหัวใจขณะพักด้วยความอยากรู้ ทั้งก่อนและหลังการวิ่ง การตรวจสอบว่าปั๊มกำลังทำงานอยู่หรือไม่และทำงานเร็วแค่ไหน หรือการเฝ้าดูจังหวะของเครื่องจักรที่ค่อยๆ เปลี่ยนไปตลอดหลายสัปดาห์ การวัดค่าแต่ละครั้งสามารถบันทึกไว้ภายใต้วัตถุที่เกี่ยวข้องได้ — คนเราไม่ใช่วัตถุในแค็ตตาล็อก แต่ปั๊มนั้นใช่ และสำหรับการวัดค่าด้วยความอยากรู้ทั่วไป การบันทึกภาพแบบไม่ระบุวัตถุก็สามารถทำงานได้ดี — และแต่ละการวัดค่าสามารถใส่ป้ายกำกับตามความเป็นจริงได้ในภายหลัง เช่นเดียวกับเครื่องมืออื่นๆ ทั้งหมด เช่น ปั๊มที่กำลังจะเสียจริงๆ หรือท่อที่อุดตันจริงๆ นั่นคือวงล้อขับเคลื่อนชุดข้อมูลที่นำมาประยุกต์ใช้กับระบบท่อ

สิ่งที่ผลการวัดไม่เหมาะจะนำไปใช้เลยคือการวินิจฉัยโรค และการออกแบบเครื่องมือก็ตอกย้ำเช่นนั้นเสมอ: เครื่องมือจะรายงานแค่จำนวนครั้งการเต้นต่อนาทีและความแรงของสัญญาณ แล้วจบแค่นั้น ไม่มีการแบ่งโซน ไม่มีแจ้งเตือน ไม่มีคะแนนสุขภาพดี ความเรียบง่ายแบบพอดีนี้แหละคือฟีเจอร์ ตัวเลขที่คุณไว้ใจได้ในสิ่งที่มันเป็น ย่อมดีกว่าคำตัดสินที่คุณเชื่อถือไม่ได้

เคล็ดลับเดียว เครื่องมือหลากหลายชิ้น

Pulse จัดอยู่ในกลุ่มเครื่องมือขนาดเล็กที่ทำงานโดยจับคู่ไฟฉายเข้ากับกล้องที่ล็อกค่า AE/AWB เพื่อสร้างเป็นเครื่องมือวัดทางแสงที่ควบคุมได้ โดยเครื่องมือในกลุ่มเดียวกันจะวัดค่าการสะท้อนแสงและความโปร่งแสงของพื้นผิวด้วยแสงแบบเดียวกันและตัวตรวจจับที่ล็อกไว้เหมือนกัน เพียงแต่พุ่งเป้าไปที่โจทย์ที่แตกต่างกัน และเครื่องมือกลุ่มนี้ก็เป็นเพียงแขนงหนึ่งของโครงการที่ใหญ่กว่าในการเปลี่ยนเซนเซอร์ของโทรศัพท์ให้กลายเป็นเครื่องมือวัด แทนที่จะเป็นแค่ฟังก์ชันเพื่อความสะดวกสบาย หากต้องการดูแผนที่ของภาพรวมทั้งหมด โปรดเริ่มต้นที่ภาพรวมของเครื่องมือ