معهد الهندسة في جامعة كولومبيا يطور غطاء وسادة ذكي PillowSense يمكنه مراقبة معدل ضربات القلب ومعدل التنفس

طور فريق من قسم الهندسة في جامعة كولومبيا نموذجًا أوليًا لغطاء وسادة يسمى PillowSense، حيث يستخدم هذا الجهاز مستشعرات قماشية لتقدير وضعية النوم ومعدل ضربات القلب ومعدل التنفس، وتستند البيانات إلى منطقة رقبة النائم. وفقًا لمعلومات الجامعة ومنشور في مجلة جمعية الحاسبات (ACM)، فإن معظم أجهزة تتبع النوم تُرتدى على الجسم، مثل المعصم أو الإصبع. أشار مؤلفو المقال إلى أن بعض الأشخاص يجدون هذه الأجهزة غير مريحة، وأن الأجهزة القابلة للارتداء الحالية لا تستطيع الإبلاغ عن وضعية النوم. وأوضحت جامعة كولومبيا أن وضعية النوم تؤثر على التنفس والراحة، وأن التغيرات في وضعية النوم تظهر سلوكيات لا يمكن التقاطها فقط من خلال العلامات الحيوية.

يحتوي غطاء الوسادة على قماش موصل يعمل كأقطاب كهربائية، حيث تقيس الأجهزة الإلكترونية الفروق الطفيفة في الجهد الكهربائي الناتجة عند ملامسة المستشعرات لرقبة النائم. يمكن للنظام فصل نوعين من الإشارات: تخطيط القلب (ECG) الذي يسجل النشاط الكهربائي للقلب، والكهربية السطحية للعضلات (sEMG) التي تسجل نشاط العضلات. أشار المقال إلى أن معدل ضربات القلب ومعدل التنفس يأتيان من تخطيط القلب.

المبادئ التقنية لـ PillowSense

حقق PillowSense دقة تصنيف وضعيات النوم السبع بنسبة 88% في اختبارات منزلية استمرت 151 ليلة، حيث تم قياس الدقة باستخدام درجة F1. تجمع درجة F1 بين دقة المصنف في تسمية الوضعيات وعدد الحالات الحقيقية التي تم التقاطها. تشمل هذه الوضعيات السبع: النوم على الظهر، النوم على البطن، الجانب الأيسر، الجانب الأيمن، والانكماش على الجانب الأيسر أو الأيمن أو الظهر. أظهر المقال أن 21 بالغًا صحيًا شاركوا في الاختبار، بمتوسط عمر 23.7 عامًا، وتم اختبار النموذج على بيانات لم يتم تدريبه عليها.

وفقًا لجهاز قياس نسبة الأكسجين في الدم المعتمد من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، كان متوسط انحراف قراءات معدل ضربات القلب في الاختبارات المنزلية 2.7 نبضة في الدقيقة، بينما كان انحراف قراءات التنفس 3.1 مرة. تم استخدام مستشعرات القماش لقراءة إشارات القلب في القمصان الذكية في جامعة رايس. قال أستاذ علوم الحاسوب المساعد في قسم الهندسة بجامعة كولومبيا، تشو شيا، إن الوضعية توفر "سياقًا ماديًا" لهذه العلامات الحيوية.

أشار المقال إلى أنه تم استبعاد 71.2 ساعة من البيانات المطابقة من 88% من البيانات، وهو ما يمثل حوالي 7.8%: حيث جاء 3.8% من مشاكل في ملامسة المستشعر، و4% من النوماء الذين لم يكونوا مستلقين على الوسادة. كان من الصعب اكتشاف انحناء الساقين، حيث كانت درجة F1 80%، بينما كانت وضعيات الجزء العلوي من الجسم 91%. بالنسبة للمشاركين الذين لديهم شعر في منطقة الرقبة، كانت هناك أخطاء أكبر في معدل ضربات القلب، حيث كانت 3.0 و2.6 نبضة في الدقيقة، بينما أبلغ جهاز قياس الأكسجين المرجعي عن خطأ قدره 3 نبضات في الدقيقة.

اتجاهات التطوير المستقبلية

حاليًا، لا تزال التحليلات تعمل بشكل غير متصل، لذا فإن المعالجة المعتمدة على الهاتف المحمول تظل هدفًا مستقبليًا. يعد PillowSense حاليًا نموذجًا بحثيًا وليس أداة تشخيصية. يتطلب الاستخدام السريري مقارنة مع قياسات مرجعية سريرية، ويشمل مجموعة أكبر وأكثر تنوعًا، بما في ذلك كبار السن والأشخاص الذين يعانون من اضطرابات النوم. كانت الملابس الذكية المبكرة، مثل تلك التي طورتها جامعة ماساتشوستس أمهرست، قادرة أيضًا على قياس معدل ضربات القلب ومعدل التنفس. يعمل مؤلفو المقال على إعداد دراسة لمرضى مختبر النوم، ويخططون لتحسين قدرة المستشعرات على التلامس ومعالجة الشعر.

تم نشر هذه الدراسة في مجلة ACM للحوسبة القابلة للارتداء والمتحركة.

التأثيرات المحتملة والتحديات لـ PillowSense

يمثل تطوير PillowSense تقدمًا مهمًا في تقنية مراقبة النوم الذكي، خاصةً أن تصميمه الذي لا يتطلب ارتداءه يمكن أن يزيد من راحة المستخدمين. من خلال مراقبة وضعية النوم والعلامات الحيوية، يمكن لهذا الجهاز تقديم تحليل أكثر شمولاً لجودة النوم. ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث والاختبار، خاصةً في التطبيقات السريرية، ويجب معالجة التحديات التقنية مثل مشاكل ملامسة المستشعر. مع تطور تقنية الأجهزة القابلة للارتداء، إذا تمكن PillowSense من دمج معالجة بيانات إضافية بشكل فعال، فسيساعد ذلك في تحسين إدارة صحة النوم.