مستشعر ذكي لفك شفرة التعب والإجهاد من إشارات الجسم أثناء الحركة

يُبلغ نحو ثلث الموظفين في سنغافورة عن شعورهم بالإرهاق الشديد، وهي من أعلى النسب في شتى أنحاء العالم.

يُكبّد الإرهاق والتعب المزمن تكاليف اقتصادية باهظة، ويُشكّلان مخاطر جسيمة في المهن التي تتطلب اليقظة.

ومع ذلك، يعتمد تشخيص التعب والحالات النفسية المرتبطة به اليوم بشكل كبير على استبيانات التقييم الذاتي، والتي غالبًا ما تكون ذاتية ومتقطعة وغير ملائمة للتقييم الفوري.

يمكن للأجهزة القابلة للارتداء أن تسد هذه الفجوة من خلال التتبع المستمر لمؤشرات القلب والأوعية الدموية المرتبطة بالجهاز العصبي اللاإرادي، إلا أن قراءاتها تتدهور بشكل حاد أثناء الحركة اليومية.

وتطغى تشوهات الحركة الناتجة عن نشاط العضلات وحركة الجسم والتداخلات الفسيولوجية على إشارات القلب وضغط الدم الخافتة التي تحاول هذه الأجهزة التقاطها، وعادةً ما تعالج استراتيجيات التخفيف الحالية نوعًا واحدًا فقط من التشويش أو نطاق تردد ضيق.

قام فريق بحثي بقيادة البروفيسور هو غيم وي، مع الباحث الدكتور تيان غو كمؤلف أول، بتطوير منصة ميتاهيدروجيل متكاملة مع معالجة الإشارات المدفوعة بالذكاء الاصطناعي والتي تعمل على قمع مصادر متعددة لضوضاء الحركة في وقت واحد.

يُقدّم النظام نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) لتخطيط كهربية القلب (ECG) تبلغ 37.36 ديسيبل، وانحرافًا في ضغط الدم يصل إلى 3 ملم زئبق أثناء الحركة، وهي دقة تُلبي معايير ISO السريرية وتتفوق على أجهزة التتبع التجارية المتوفرة حاليًا في السوق.

وبالتكامل مع تقنيات التعلّم الآلي، تُصنّف المنصة مستويات الإرهاق بدقة تصل إلى 92%، مما يُشير إلى إمكانية مراقبة الصحة النفسية بشكل موضوعي ومستمر في بيئات الحياة الواقعية.

تم نشر النتائج في مجلة Nature Sensors.

تصفية الضوضاء

بدلاً من الاعتماد كلياً على البرمجيات لتنظيف البيانات المشوشة، عالج الفريق المشكلة عند نقطة اتصال المستشعر بالجسم نفسها.

تجمع منصة تخفيف تشوهات الميتاهيدروجيل (MAP) بين آليتي ترشيح في مادة واحدة.

تتجمع الجسيمات النانوية ذاتيًا في نطاقات دورية داخل الهيدروجيل، مما يؤدي إلى تشتيت وامتصاص الاهتزازات الميكانيكية، تمامًا مثل كيفية قيام لوحة عزل الصوت باحتجاز طاقة الصوت، مما يمنع ضوضاء الحركة ضمن نطاقات التردد المستهدفة.

في الوقت نفسه، يتحكم محلول إلكتروليتي متوافق حيويًا من الجلسرين والماء في سرعة انتقال الأيونات عبر الهلام، مما يسمح بمرور إشارات القلب منخفضة التردد (أقل من 30 هرتز) مع كبح الضوضاء الكهربائية العضلية عالية التردد. ثم تقوم خوارزمية إزالة الضوضاء القائمة على التعلم الآلي بإزالة أي ضوضاء غير منظمة متبقية مع الحفاظ على الخصائص الفيزيولوجية الأساسية.

المنصة ناعمة بما يكفي لتتناسب مع الخصائص الميكانيكية للأنسجة البيولوجية، وهي قابلة للتهوية بمعدل نقل بخار الماء الذي يتجاوز معدل نقل بخار الماء في جلد الإنسان، ومتينة في ظل التمدد المتكرر.

بفضل دمج أجهزة محسّنة مع خوارزميات ذكية، حسّن النظام إشارة تخطيط القلب الكهربائي بشكل ملحوظ، رافعًا جودة الإشارة من 5.19 ديسيبل إلى 37.36 ديسيبل. هذه الإشارة الأكثر وضوحًا تُساعد على اكتشاف قمم تخطيط القلب الرئيسية بدقة أكبر، مما يرفع دقة اكتشاف القمم من 52% إلى 93%، ويُسهّل التمييز بين أنماط الإرهاق وإيقاعات القلب الطبيعية.

قال الدكتور تيان: "بالمقارنة مع الأجهزة التجارية الحالية، تُظهر منصة الميتاهيدروجيل الخاصة بنا أداءً فائقًا، لا سيما في ظروف الحركة حيث يكون كبح التشويش أمرًا بالغ الأهمية، وعادةً ما تحقق الساعات الذكية الحالية نسب إشارة إلى ضوضاء في تخطيط القلب الكهربائي تتراوح بين 10 و20 ديسيبل، والتي يمكن أن تنخفض بنحو 40% أثناء الحركة بسبب التشويش وعدم استقرار التلامس. أما نظامنا فيحقق حوالي 37 ديسيبل خلال الأنشطة اليومية".

ولأأن التعب يعطل الجهاز العصبي اللاإرادي، فإنه يترك آثارًا قابلة للقياس في تقلب معدل ضربات القلب، وأنماط ضغط الدم، وخصائص شكل موجة تخطيط القلب الكهربائي - ولكن فقط إذا أمكن التقاط تلك الإشارات بوضوح أثناء النشاط اليومي.

قام الفريق ببناء نظام MAP متكامل ومرن وقابل للارتداء مع نقل لاسلكي واستخدمه لمراقبة المشاركين على مدار عدة أيام، بما في ذلك مهام القيادة المحاكاة المصممة لإحداث التعب.

باستخدام بيانات القلب والأوعية الدموية عالية الجودة التي جُمعت من مستشعر الهيدروجيل، حدد نظام التعلم العميق مستويات الإرهاق بدقة 92%، مقابل 64% عند تدريبه على بيانات جُمعت بدون قياس ضغط الدم الشرياني المتوسط. كما أظهر الفريق أن النظام يفي بمتطلبات المعيار الذهبي ISO 81060-2 لمراقبة ضغط الدم.

إلى جانب تتبع التعب، قامت تقنية MAP بكبح التشويشات عبر أنواع الإشارات الحيوية المتنوعة، بما في ذلك أصوات القلب، وأصوات التنفس، والصوت، وموجات الدماغ، وتسجيلات حركة العين، مما يسلط الضوء على إمكاناتها في المراقبة العصبية الفيزيولوجية والصحة العقلية على نطاق أوسع.

أمضى الفريق حوالي أربع سنوات في تطوير تقنيات الاستشعار الأساسية قبل التوصل إلى مفهوم الميتاهيدروجيل منذ حوالي عامين ونصف.

استغرق تصميم وتصنيع المنصة حوالي عام، قام خلاله الباحثون بإنشاء مكتبة من المواد الهيدروجيلية الفائقة ذات أنظمة مواد مختلفة لاستهداف الضوضاء عبر نطاقات تردد مختلفة. وتلا ذلك عام آخر من دمج النظام والتحقق من صحة التطبيق، بما في ذلك استكشاف إمكاناته في مراقبة الصحة العقلية.

"نأمل في العمل عن كثب مع أطباء الصحة النفسية لفهم أفضل لأنواع البيانات الفسيولوجية الأكثر صلة في بيئات العالم الحقيقي، بالإضافة إلى مستوى الدقة المطلوب لتلبية الاحتياجات السريرية. يمكن للأطباء تقديم رؤى قيّمة لمساعدتنا في إقامة روابط ذات مغزى بين البيانات والحالات المرضية"، هذا ما قاله البروفيسور هو.

أما على صعيد الصناعة، فيسعى الفريق إلى إيجاد شركاء لتحسين اتساق الأجهزة وقابليتها للتوسع.

وأضافت: "لا تزال عمليات تصنيع المواد والأنظمة الحالية لدينا تعتمد إلى حد كبير على العمليات المختبرية، ونهدف إلى التعاون مع الشركاء الصناعيين لتحسين استراتيجيات التصنيع وتطوير المنصة نحو تطبيق عملي على مستوى المنتج".