💻 computer science

Multi-site PPG: An In-the-Wild Physiological Dataset from Emerging Multi-site Wearables

تقدم هذه الورقة "Multi-site PPG"، وهي مجموعة بيانات شاملة من البيئة الواقعية تضم أكثر من 350 ساعة من البيانات الفسيولوجية التي جُمعت من أربعة أشكال ناشئة للأجهزة القابلة للارتداء (أقراط، وخاتم، وساعة، وقلادة) إلى جانب تخطيط كهربائية القلب المرجعي، والذي يُستخدم لتقييم طرق تقدير معدل ضربات القلب وكشف التباينات الكبيرة في الأداء عبر مواقع مختلفة من الجسم.

المؤلفون الأصليون: Jiayi Shao (Shirley), Jiaying Ye (Shirley), Shengyao Liu (Shirley), Zachary Englhardt (Shirley), Girish Narayanswamy (Shirley), Vikram Iyer (Shirley), Qiuyue (Shirley), Xue

نُشر 2026-05-19

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Jiayi Shao (Shirley), Jiaying Ye (Shirley), Shengyao Liu (Shirley), Zachary Englhardt (Shirley), Girish Narayanswamy (Shirley), Vikram Iyer (Shirley), Qiuyue (Shirley), Xue

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك تريد قياس نبضات قلبك، ولكن بدلاً من مجرد التحقق من معصمك (كما تفعل معظم الساعات الذكية)، قررت ارتداء مستشعرات في أذنك، وإصبعك، ورقبتك، ومعصمك في نفس الوقت. هذا بالضبط ما تفعله هذه الورقة البحثية.

لقد أنشأ الباحثون "مكتبة" ضخمة جديدة لبيانات القلب تسمى Multi-site PPG. إليك شرح بسيط لما فعلوه وما وجدوه، باستخدام بعض التشبيهات من الحياة اليومية.

١. المشكلة: "عنق الزجاجة" في المعصم

تخيل معصمك كطريق سريع مزدحم وصاخب. إنه المكان الذي يرتدي فيه معظم الناس الساعات، ولكن نظرًا لأن معصمك يتحرك كثيرًا (عند الكتابة، أو التلويح، أو المشي)، فإن إشارة نبضات قلبك تختلط بـ "ضجيج حركة المرور". أيضًا، الأوعية الدموية تحت جلد المعصم عميقة، مما يجعل الإشارة خافتة، مثل محاولة سماع همس عبر جدار سميك.

أراد الباحثون معرفة ما إذا كان ارتداء المستشعرات في أماكن "أقل ازدحامًا" وأكثر هدوءًا في الجسم يمكن أن يسمع نبضات القلب بوضọc أكثر.

٢. التجربة: الجهاز القابل للارتداء "بأربعة رؤوس"

لاختبار ذلك، صنعوا أربع أدوات مخصصة وغير مزعجة تبدو كأنها مجوهرات عادية:

قرط ذكي (حلق): يُرتدى في شحمة الأذن.
خاتم ذكي: يُرتدى في الإصبع.
ساعة ذكية: تُرتدى في المعصم (المجموعة الضابطة).
قلادة ذكية: تُرتدى حول الرقبة.

طلبوا من ٢٠ شخصًا ارتداء الأجهزة الأربعة معًا أثناء ممارسة نشاطاتهم اليومية العادية — مثل الدراسة، والمشي، وممارسة الرياضة، والدردشة. وللتأكد من دقة البيانات، ارتدى الجميع أيضًا حزام صدر طبيًا (مثل Polar H10) والذي عمل بمثابة "صادق القول" أو المعيار الذهبي.

في المجمل، جمعوا أكثر من ٣٥٠ ساعة من البيانات الخام. الأمر يشبه تسجيل فيلم مستمر لنبضات القلب من أربع زوايا مختلفة لأيام متواصلة.

٣. النتائج: من سمع نبض القلب بشكل أفضل؟

اختبر الباحثون خوارزميات حاسوبية متنوعة (من الحيل الرياضية البسيطة إلى الذكاء الاصطناعي المتقدم) لمعرفة مدى قدرتها على تخمين معدل ضربات القلب من البيانات الصاخبة. وقارنوا التخمينات بـ "صادق القول" وهو حزام الصدر.

إليك التصنيف، من الأفضل إلى الأسوأ:

١. القرط (الضيف المميز - VIP): كان الفائز الواضح. حقق معدل خطأ قدره ٢.٣ نبضة في الدبقيقة فقط.

التشبيه: تخيل أنك تحاول سماع أغنية في غرفة هادئة. الأذن قريبة من الرأس، وتتحرك قليلًا، وجلدها رقيق. الأمر يشبه امتلاك ميكروفون عالي الجودة بجانب مكبر الصوت مباشرة.
٢. الخاتم (الوصيف): جاء في المركز الثاني بمعدل خطأ قدره ٥.١ نبضة في الدقيقة.
التشبيه: الإصبع رائع أيضًا لأنه مليء بالأوعية الدموية (مثل نهر مزدحم)، لكنه يتحرك أكثر قليلاً من الأذن عند استخدام اليدين.
٣. الساعة (المكافحة): عانت الساعة التقليدية من معدل خطأ قدره ٨.٤ نبضة في الدقيقة.
التشبيه: هذا هو الطريق السريع المزدحم مرة أخرى. المعصم يتحرك كثيرًا، والإشارة أضعف.
٤. القلادة (غير المستقرة): سجلت أعلى معدل خطأ بلغ ٨.٧ نبضة في الدقيقة.
التشبيه: القلادة تتأرجح وتتمايل. غالبًا ما يفقد المستشعر اتصاله بالجلد، مثل الراديو الذي يفقد الإشارة عندما تتحرك.

٤. عامل "الحركة"

نظرت الورقة البحثية أيضًا في كيفية تأثير الحركة على البيانات.

المناطق الهادئة: ظلت الأذن والرقبة ثابتتين نسبيًا، لذا ظلت البيانات نظيفة حتى عندما كان الناس يتحركون.
المناطق النشطة: تحركت الأصابع والمعاصم كثيرًا. وكلما زادت حركة الشخص، زادت صعوبة تخمين الحاسوب لمعدل ضربات القلب بشكل صحيح.
الإصلاح: وجدوا أن إضافة مستشعرات الحركة (مقاييس التسارع) إلى الخاتم والساعة ساعد الحاسوب على "طرح" ضجيج الحركة، مما جعل تخمين معدل ضربات القلب أفضل قليلاً. ومع ذلك، بالنسبة للأذن، وبما أنها لا تتحرك تقريبًا، فإن إضافة مستشعرات الحركة لم يساعد كثيرًا.

٥. دمج الإشارات (الدمج/Fusion)

حاول الباحثون دمج البيانات من أجهزة متعددة لمعرفة ما إذا كان ذلك سيجعل التنبؤ أكثر دقة.

اثنان أفضل من واحد: دمج بيانات القرط والخاتم جعل التنبؤ أكثر دقة قليلاً مما لو تم استخدام القرط وحده.
أربعة ليست دائمًا أفضل: للمفاجأة، دمج الأجهزة الأربعة معًا لم يجعل الأمر أفضل بكثير من استخدام أفضل جهازين فقط. الأمر يشبه وجود أربعة أشخاص يخمنون رقمًا ما؛ إذا كان ثلاثة منهم يخمنون بشكل خاطئ تمامًا، فإن "متوسطهم" قد يسحب التخمين الجيد في الاتجاه الخاطئ.

ملخص

هذه الورقة البحثية هي في الأساس مجموعة بيانات عامة (مكتبة ضخمة لنبضات القلب) تثبت أن: مكان ارتداء المستشعر يهم بقدر أهمية المستشعر نفسه.

الخلاصة الكبرى: إذا كنت تريد أدق معدل لضربات القلب دون استخدام حزام الصدر، فإن ارتداء مستشعر في أذنك أو إصبعك أفضل بكثير من ارتدائه في معصمك.
المساهمة: لقد أتاحوا هذه البيانات والتعليمات البرمجية (Code) مجانًا حتى يتمكن العلماء الآخرون من بناء تطبيقات وأجهزة صحية أفضل تعمل في العالم الحقيقي، وليس فقط في مختبر هادئ.

ملاحظة: تركز الورقة البحثية حصريًا على جمع هذه البيانات واختبار مدى جودة عمل الخوارزميات الحالية عليها. وهي لا تدعي أن هذه الأجهزة جاهزة للتشخيص الطبي أو الاستخدام السريري بعد.

ملخص تقني: PPG متعدد المواقع: مجموعة بيانات فسيولوجية من العالم الحقيقي من الأجهزة القابلة للارتداء الناشئة متعددة المواقع

بيان المشكلة

تعد تقنية قياس التحجم الضوئي (PPG) وسيلة استشعار مهيمنة لمراقبة معدل ضربات القلب والوظائف الفسيولوجية في الأجهزة القابلة للارتداء. ومع ذلك، تظل مجموعات بيانات PPG العامة "في العالم الحقيقي" مقيدة إلى حد كبير بالساعات الذكية المرتكزة على المعصم أو الجلسات المختبرية القصعة والمتحكم بها. تواجه الاستشعار القائم على المعصم تحديات متأصلة، بما في ذلك عيوب الحركة وتدهور جودة الإشارة الضوئية بسبب الأوعية الدموية الأكثر عمقاً. وبينما توفر الأشكال الناشئة مثل الخواتم الذكية، والأقراط، والقلائد مزايا محتملة (مثل تروية أعلى في الأصابع/شحمة الأذن، واستقرار نسبي)، إلا أن هناك ندرة في مجموعات البيانات واسعة النطاق التي يتم جمعها أثناء الأنشطة اليومية الطبيعية. تركز مجموعات البيانات الموجودة إما على أجهزة مفردة، أو تفتقر إلى الأشكال العملية للاستخدام اليومي (مثل استخدام مواضع غير قياسية مثل عظمة القص أو الكاحل)، أو تكون محدودة بالبيئات المتحكم بها، مما يعيق البحث في الاستشعار الفسيولوجي القوي والمعمم عبر أنواع مختلفة من الأجهزة القابلة للارتداء.

المنهجية

جمع البيانات والأجهزة

يقدم المؤلفون Multi-site PPG، وهي مجموعة بيانات تم جمعها من 20 مشاركاً (19 أنثى، 1 ذكر؛ تتراوح أعمارهم بين 20-51 عاماً) على مدار عدة أيام من الأنشطة النهارية في بيئات حضرية. استخدمت الدراسة أربعة أجهزة قابلة للارتداء مخصصة وغير مزعجة:

القرط الذكي: يُلبس في شحمة الأذن المثقوبة.
الخاتم الذكي: يُلبس في الإصبع.
الساعة الذكية: تُلبس في المعصم.
القلادة الذكية: تُلبس كدلاية.

تتشارك جميع الأجهزة في تصميم عتادي موحد يعتمد على متحكم nRF52832، ويدمج مستشعر MAX30101 PPG (قنوات الضوء الأخضر والأشعة تحت الحمراء)، ومقياس تسارع LIS2DW12، ومستشعر حرارة HDC2010. تقوم هذه الأجهزة ببث البيانات لاسلكياً إلى تطبيق هاتف ذكي. وللحصول على الحقيقة الأرضية (Ground Truth)، ارتدى المشاركون حزام صدر تجاري من نوع Polar H10 يسجل تخطيط القلب (ECG) بتردد 130 هرتز.

معالجة البيانات

يتم إصدار مجموعة البيانات بتنسيقين:

مجموعة البيانات الخام: أكثر من 350 ساعة من البيانات المستمرة والموسومة زمنياً (رغم أنها قد تكون غير مستمرة بسبب انقطاعات البلوتوث) لكل جهاز، تشمل PPG (الأخضر/الأشعة تحت الحمراء)، وتسارع ثلاثي المحاور، ودرجة الحرارة.
مجموعة البيانات المقسمة إلى نوافذ: بيانات معالجة مسبقاً وجاهزة للنمذجة، تتكون من نوافذ منزلقة مدتها 8 ثوانٍ (بخطوة 1 ثانية). تستبعد هذه المجموعة المقاطع ذات الجودة الضعيفة لتخطيط القلب (مثل تلامس الحزام الضعيف، أو معدلات ضربات القلب خارج نطاق 40-180 نبضة في الدقيقة) وتعمل على محاذاة بيانات الأجهزة القابلة للارتداء مع الحقيقة الأرضية لتخطيط القلب من Polar. تحتوي على ما بين 229.66 إلى 290.23 ساعة من البيانات لكل جهاز، مع وجود 190.95 ساعة كانت فيها جميع الأجهزة الأربعة نشطة في وقت واحد.

بروتوكول الاختبار المرجعي

قيم المؤلفون أداء تقدير معدل ضربات القلب باستخدام ثلاث فئات من الطرق مقابل الحقيقة الأرضية المستمدة من تخطيط القلب (ECG):

الخوارزميات التجريبية (Heuristic Algorithms): ست طرق تقليدية لمعالجة الإشارات (مثل NeuroKit، وHeartPy، وFFT).
النماذج الخاضعة للإشراف (Supervised Models): خمس بنيات للشبكات العصبية (1D ResNet، وDCL، وFCN، وCNN-LSTM، وTransformer).
النماذج ذاتية الإشراف (Self-Supervised Models): نهجان للتعلم التبايني (SimCLR، وBYOL).
أُجري التقييم باستخدام بروتوكول التحقق المتقاطع "ترك موضوع واحد خارج المجموعة" (LOSO) عبر 20 طية، مع قياس متوسط الخطأ المطلق (MAE)، وجذر متوسط مربع الخطأ (RMSE)، ومعامل ارتباط بيرسون ( $\rho$ ).

المساهمات الرئيسية

أول مجموعة بيانات PPG واسعة النطاق ومتعددة المواقع في العالم الحقيقي: تقدم الورقة أول مجموعة بيانات PPG عامة واسعة النطاق تم جمعها بشكل متزامن من أربعة أشكال مختلفة وعملية للأجهزة القابلة للارتداء (قرط، خاتم، ساعة، قلادة) خلال الأنشطة اليومية الطبيعية. وهي أول مجموعة بيانات من نوعها للخواتم الذكية، والأقراط، والقلائد.
التقييم المرجعي لمواقع الجسم: تضع الدراسة خطوط الأساس لأداء تقدير معدل ضربات القلب عبر مواقع الجسم المختلفة، مما يكشف عن تفاوتات كبيرة في الأداء.
التحليل متعدد المواقع ومتعدد الوسائط: يقدم المؤلفون تقييمات أولية لدمج المستشعرات متعدد المواقع ودمج PPG مع مقياس التسارع، مما يثبت فائدة مجموعة البيانات لدراسة استراتيجيات الاستشعار التكاملية.

النتائج

الأداء عبر مواقع الجسم

لوحظت فروق ذات دلالة إحصائية في دقة تقدير معدل ضربات القلب عبر المواقع الأربعة، مع نتائج أفضل متوسط خطأ مطلق (MAE) باستخدام نموذج DCL الخاضع للإشراف:

القرط: 2.30 نبضة في الدقيقة (أفضل أداء، مما يضاهي الإعدادات المختبرية عالية الجودة).
الخاتم: 5.13 نبضة في الدقيقة (يضاهي مجموعة بيانات $\tau$ -Ring التي تبلغ 28 ساعة).
الساعة: 8.37 نبضة في الدقيقة (يتوافق مع نتائج WildPPG).
القلادة: 8.68 نبضة في الدقيقة.

تفوق القرط والخاتم باستمرار على الساعة والقلادة، ويُعزى ذلك إلى التروية الأقوى، والاقتران الضوئي الأفضل، وعيوب الحركة الأقل في تلك المواقع.

تأثيرات الحركة

أظهر التحليل أن خطأ تقدير معدل ضربات القلب (MAE) يزداد عموماً مع قوة الحركة عبر جميع الأجهزة. ومع ذلك، تعرض القرط والقلادة لمستويات حركة أقل (91% من النوافذ في فئات الحركة المنخفضة) مقارنة بالخاتم والساعة. حافظ الخاتم على دقة أفضل من الساعة حتى عند مستويات الحركة العالية، ويرجع ذلك على الأرجح إلى جودة الإشارة المتفوقة في الإصبع.

استراتيجيات الدمج

الدمج متعدد المواقع: أدى الجمع بين جهازين (مثل القرط + الخاتم) باستمرار إلى تحسين متوسط الخطأ المطلق (MAE) مقارنة بقواعد الأجهزة المفردة (على سبيل المثال، تقليل MAE للقرط من 1.84 إلى 1.82 نبضة في الدقيقة). ومع ذلك، فإن دمج الأجهزة الأربعة معاً لم يؤدِ إلى مكاسب إضافية فوق أفضل تركيبات الجهازين، مما يشير إلى أن المواقع الأكثر ضجيجاً (الساعة، القلادة) قد تسبب تبايناً عند دمجها مع الإشارات عالية الجودة.
دمج PPG مع مقياس التسارع: وفرت إضافة بيانات مقياس التسارع (المحور Z) تحسينات ثابتة، وإن كانت متواضعة، للخاتم والساعة (على سبيل المثال، انخفض MAE للساعة بنحو 0.3 نبضة في الدقيقة). كانت الفائدة محدودة أو مختلطة بالنسبة للقرط والقلادة، مما يشير إلى أن سياق الحركة يكون أكثر قيمة للمواقع المعرضة لعيوب الحركة.

الأهمية والادعاءات

تدعي الورقة أن Multi-site PPG تسد فجوة حرجة في توافر البيانات الفسيولوجية للأشكال الناشئة من الأجهزة القابلة للارتداء. ومن خلال توفير مجموعة بيانات تلتقط تباين الحياة اليومية عبر مواقع الجسم المختلفة، فإنها تتيح:

أبحاث الاستشعار القوية: تطوير نماذج يمكن أن تعمم عبر الأشكال والمواقع المختلفة، متجاوزة النموذج المرتكز على المعصم.
تحليل جودة الإشارة: القدرة على توصيف كيفية اختلاف الإشارات الفسيولوجية وعيوب الحركة حسب الموقع (مثل الأذن مقابل المعصم).
دراسات الدمج: أساس لاستقصاء كيفية دمج البيانات من مستشعرات ووسائط متعددة بشكل أمثل لتحسين الموثوقية.

يؤكد المؤلفون أنه بينما تدعم مجموعة البيانات الأبحاث المستقبلية، فقد تم إصدارها مع قيود محددة: نسبة عالية من المشاركات الإناث (بسبب متطلبات القرط)، ونقص في نوع البشرة Fitzpatrick VI، وLabels الحقيقة الأرضية المستمدة من المعالجة الخوارزمية (Pan-Tompkins) بدلاً من التدوين اليدوي. إن مجموعة البيانات مخصصة للبحث غير التجاري لتعزيز المراقبة الفسيولوجية القوية وغير المزعجة.