A Wearable IDC-Based Capacitive Sensing Belt for Real- Time Respiratory Monitoring and Weekly Athletic Performance Evaluation

يعد التنفس الإيقاع الأكثر ثباتاً في حياة الإنسان، فهو المحرك الصامت الذي يغذي كل فكرة وحركة. وفي عالم علوم الرياضة والطب، يوفر تتبع سرعة وعمق هذا الإيقاع نافذة تطل على مدى جهد الجسم، ومدى سرعة تعبه، ومدى قدرته على التكيف مع التدريب. لعقود من الزمن، اعتمد قياس هذه العلامة الحيوية على معدات ضخمة أو أحزمة غير مريحة تجد صعوبة في العمل عندما يتحرك الشخص. فغالباً ما تفشل الأدوات التقليدية في التمييز بين الارتفاع والانخفاض الطبيعي للصدر أثناء الجري وبين الحركة الهزية للجسم نفسه، مما يترك المدربين والرياضيين ببيانات إما مشوشة للغاية بحيث لا يمكن الوثوق بها، أو مرهقة جداً لارتدائها. لقد كان التحدي طويلاً في ابتكار جهاز يكون غير مزعج كالحزام، ولكنه حساس بما يكفي لسماع التحولات الميكانيكية الدقيقة للحجاب الحاجز، وهو العضلة الأساسية المسؤولة عن سحب الهواء إلى الرئتين، حتى أثناء حركة مرتدي الجهاز.

ولحل هذه المعضلة، طور باحثون في جامعة ساراواك الماليزية نوعاً جديداً من الأحزمة القابلة للارتداء يستخدم مستشعراً مسطحاً ومرناً "ليستمع" إلى تنفس الجسم في الوقت الفعلي. وبدلاً من استخدام إلكترونيات ثقيلة أو أسلاك صلبة، بنى الفريق المستشعر باستخدام تقنية تشبه طباعة دائرة كهربائية على قطعة من البلاستيك. فقد قاموا بطباعة نمط من "الأصابع" الصغيرة المتداخلة المصنوعة من حبر الكربون الموصل على ورقة رقيقة من البوليستر. هذا النمط، المعروف باسم "المكثف بين الأصابع"، يعمل مثل شبكة كهربائية دقيقة. وعند ارتداء الحزام حول منطقة المنتصف، فوق الخصر مباشرة، تستقر هذه الأصابع المطبوعة بالقرب من الجلد. ومع تنفس الشخص، يتحرك الحجاب الحاجز صعوداً وهبوطاً، مما يغير المسافة بين المستشعر والجسم. هذا التحرك يغير بشكل طفيف المجال الكهربائي حول الأصابع المطبوعة، مما يسبب تحولاً قابلاً للقياس في السعة الكهربائية للمستشعر. وقد صُمم النظام بحيث عندما يدفع الحجاب الحاجز للأعلى أثناء الزفير، تزداد الإشارة الكهربائية، وعندما يتراجع للخلف أثناء الشهيق، تنخفض الإشارة، مما يخلق خريطة كهربائية واضحة لكل نفس.

اختبر الباحثون هذا الحزام بجعل مستخدم يرتديه أثناء أداء أنشطة بدنية متنوعة، من الحركة الخفيفة إلى التمرين المكثف. ووجدوا أن المستشعر يمكنه اكتشاف دورة التنفس بوضوح ملحوظ، حتى أثناء حركة الجسم. أظهر الجهاز درجة عالية من الاتساق، مما يعني أنه إذا تم تطبيق نفس القدر من الضغط، فإن المستشعر يعطي القراءة نفسها في كل مرة، مع وجود حد أدف من التأخير أو الارتباك بين بداية ونهاية القياس. وفي اختبار مستمر استمر لأكثر من ثماني دقائق، تتبع الحزام نمط تنفس مستقر دون فقدان الإشارة، مما أثبت أن حبر الكربون المطبوع ظل مستقراً وموثوقاً تحت ضغط الحركة. كما أظهر النظام قدرته على التمييز بين مستويات الجهد المختلفة، حيث أظهر معدل تنفس أسرع مع زيادة متطلبات النشاط البدني، وهو بالضبط ما يتوقعه المرء من جسم بشري سليم تحت الضغط.

ولجعل هذه البيانات الخام مفيدة، ربط الفريق الحزام ببرنامج مخصص يعمل على جهاز كمبيوتر أو جهاز لوحي. يعمل هذا البرنامج كمرشح (فلتر)، مستخدماً مجموعة ذكية من القواعد لتجاهل الاهتزازات العشوائية الناتجة عن المشي أو الجري والتركيز فقط على الارتفاع والانخفاض الإيقاعي للتنفس. ويعرض البرنامج نمط التنفس على الشاشة في الوقت الفعلي، مظهراً رسماً بيانياً حياً للأنفاس أثناء حدوثها. ولجعل المعلومات سهلة الفهم بلمحة سريعة، يستخدم البرنامج نظاماً بسيطاً يعتمد على الألوان على مجسم بشري متحرك. فعندما يكون التنفس هادئاً وضمن النطاق الطبيعي، يتوهج جزء المستشعر في المجسم باللون الأخضر. وإذا أصبح التنفس غير منتظم قليلاً أو زاد الجهد، يتحول اللون إلى البرتقالي. وإذا أصبح التنفس سريعاً جداً أو مضطرباً، يتحول اللون إلى الأحمر، مما يشير إلى حالة حرجة. وتسمح هذه التغذية الراجعة البصرية للرياضي برؤية حالته الفسيولوجية فوراً دون الحاجة إلى تفسير أرقام معقدة.

وإلى جانب التغذية الراجعة الفورية، صُمم النظام لتتبع التقدم بمرور الوقت، مما يوفر وسيلة لقياس كيفية تكيف جسم الرياضي مع التدريب على مدار الأسبوع. ومن خلال تسجيل معدل التنفس يومياً تحت نفس الظروف، يمكن للبرنامج حساب ما إذا كان الرياضي يصبح أكثر كفاءة. فإذا انخفض معدل التنفس على مدار الأسبوع بينما ظلت شدة التمرين كما هي، فهذا يشير إلى أن الجسم يزداد لياقة ويتطلب جهداً أقل لأداء المهمة نفسها. وقد تحقق الباحثون من هذا النهج من خلال مقارنة معدل التنفس في اليوم الأول من الأسبوع بمتوسط المعدل على مدار الأيام السبعة كاملة، مما يوفر صورة أكثر موثوقية للتحسن مما قد يقدمه مجرد لقطة واحدة. تسمح هذه الطريقة برؤية شخصية للأداء، مبتعدة عن المعايير العامة إلى نظام يتعلم ويقدم التقارير بناءً على الخط المرجعي الخاص بالفرد.

والنتيجة هي أداة منخفضة التكلفة وغير جراحية تسد الفجوة بين الاستشعار عالي التقنية والتدريب الرياضي اليومي. ومن خلال الجمع بين مستشعر مرن مطبوع بالشاشة وبرنامج ذكي يفلتر الضجيج، يوفر النظام طريقة لمراقبة الصحة التنفسية والأداء بشكل مستمر، دون الانزعاج الناتج عن الأجهزة الطبية التقليدية. وتؤكد الدراسة أن هذا النهج يعمل بموثوقية، مما يوفر طريقة مستقرة وقابلة للتكرار لقياس أنماط التنفس في البيئات الديناميكية. وبينما تضمن الاختبار الحالي موضوعاً واحداً للتقييم الذاتي، فإن هذه التكنولوجيا تظهر مساراً واضحاً نحو مستقبل يمكن فيه للرياضيين والمدربين الاعتماد على حزام بسيط للحصول على رؤى عميقة حول الإيقونة الأكثر أساسية في الجسم، محولةً فعل التنفس غير المرئي إلى مقياس مرئي وقابل للتنفيذ لتحسين الأداء.