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

साँस लेना मानव जीवन की सबसे निरंतर लय है, एक शांत इंजन जो हर विचार और गति को शक्ति प्रदान करता है। खेल विज्ञान और चिकित्सा की दुनिया में, इस लय की गति और गहराई को ट्रैक करना इस बात की खिड़की खोलता है कि शरीर कितनी मेहनत कर रहा है, वह कितनी जल्दी थक रहा है, और वह प्रशिक्षण के प्रति कितनी अच्छी तरह अनुकूलित हो रहा है। दशकों से, इस महत्वपूर्ण संकेत को मापने के लिए भारी उपकरणों या असुविधाजनक पट्टियों पर निर्भर रहना पड़ा है, जो किसी व्यक्ति के चलते समय कार्य करने में संघर्ष करती हैं। पारंपरिक उपकरण अक्सर दौड़ते समय छाती के प्राकृतिक उतार-चढ़ाव और शरीर की झटकेदार गति के बीच अंतर करने में विफल रहते हैं, जिससे कोचों और एथलीटों को ऐसा डेटा मिलता है जो या तो भरोसे के लायक नहीं होता या पहनने में बहुत बोझिल होता है। चुनौती लंबे समय से एक ऐसा उपकरण बनाने की रही है जो एक बेल्ट की तरह अदृश्य हो, फिर भी डायफ्राम (diaphragm) के सूक्ष्म यांत्रिक परिवर्तनों को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो—जो फेफड़ों में हवा खींचने के लिए जिम्मेदार प्राथमिक मांसपेशी है—भले ही पहनने वाला व्यक्ति गति में हो।

इसे हल करने के लिए, यूनिवर्सिटी मलेशिया सारावाक के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का पहनने योग्य बेल्ट विकसित किया है जो वास्तविक समय में शरीर की सांस लेने की प्रक्रिया को सुनने के लिए एक सपाट, लचीले सेंसर का उपयोग करता है। भारी इलेक्ट्रॉनिक्स या कठोर तारों के बजाय, टीम ने अपने सेंसर को एक ऐसी तकनीक का उपयोग करके बनाया है जो प्लास्टिक के टुकड़े पर सर्किट प्रिंट करने के समान है। उन्होंने पॉलिएस्टर की एक पतली शीट पर कंडक्टिव कार्बन इंक (conductive carbon ink) से बनी छोटी, आपस में जुड़ी उंगलियों के एक पैटर्न को प्रिंट किया। यह पैटर्न, जिसे इंटरडिजिटल कैपेसिटर (interdigital capacitor) कहा जाता है, एक नाजुक विद्युत जाल की तरह कार्य करता है। जब बेल्ट को कमर के ठीक ऊपर, मध्य भाग में पहना जाता है, तो ये प्रिंट की गई उंगलियां त्वचा के करीब रहती हैं। जैसे ही कोई सांस लेता है, डायफ्राम ऊपर और नीचे की ओर गति करता है, जिससे सेंसर और शरीर के बीच की दूरी बदल जाती है। यह गति सेंसर के आसपास के विद्युत क्षेत्र को सूक्ष्म रूप से बदल देती है, जिससे सेंसर की विद्युत क्षमता में एक मापने योग्य बदलाव आता है। सिस्टम को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि जब डायफ्राम सांस छोड़ते समय ऊपर की ओर धक्का देता है, तो विद्युत संकेत बढ़ जाता है, और जब यह सांस लेते समय पीछे की ओर खिंचता है, तो संकेत कम हो जाता है, जिससे हर सांस का एक स्पष्ट विद्युत मानचित्र तैयार होता है।

शोधकर्ताओं ने इस बेल्ट का परीक्षण करने के लिए एक उपयोगकर्ता को हल्के आंदोलन से लेकर तीव्र व्यायाम तक विभिन्न शारीरिक गतिविधियों के दौरान इसे पहनाया। उन्होंने पाया कि सेंसर शरीर की गति के बावजूद, सांस लेने के चक्र का उल्लेखनीय स्पष्टता के साथ पता लगा सकता है। उपकरण ने उच्च स्तर की निरंतरता दिखाई, जिसका अर्थ है कि यदि समान मात्रा में दबाव डाला जाता है, तो सेंसर हर बार समान रीडिंग देता है, जिसमें माप की शुरुआत और अंत के बीच बहुत कम अंतराल या भ्रम होता है। आठ मिनट से अधिक के निरंतर परीक्षण में, बेल्ट ने बिना सिग्नल खोए एक स्थिर श्वसन पैटर्न को ट्रैक किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि प्रिंट की गई कार्बन इंक गति के तनाव के तहत भी स्थिर और विश्वसनीय बनी रही। सिस्टम ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह परिश्रम के विभिन्न स्तरों के बीच अंतर कर सकता है, जो शारीरिक गतिविधि के कठिन होने पर तेज़ श्वसन दर दिखाता है, जैसा कि तनाव के तहत एक स्वस्थ मानव शरीर से अपेक्षित होता है।

इस कच्चे डेटा को उपयोगी बनाने के लिए, टीम ने इस बेल्ट को एक कस्टम सॉफ्टवेयर प्रोग्राम के साथ जोड़ा जो कंप्यूटर या टैबलेट पर चलता है। यह सॉफ्टवेयर एक फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो चलने या दौड़ने के कारण होने वाले यादृच्छिक झटकों को अनदेखा करने और केवल सांस लेने के लयबद्ध उतार-चढ़ाव पर ध्यान केंद्रित करने के लिए नियमों के एक स्मार्ट सेट का उपयोग करता है। यह वास्तविक समय में सांसों के पैटर्न को एक स्क्रीन पर प्रदर्शित करता है, जो सांस लेते समय ग्राफ के रूप में दिखता है। जानकारी को एक नज़र में समझने में आसान बनाने के लिए, प्रोग्राम एक एनिमेटेड मानव आकृति पर एक सरल रंग-कोडेड सिस्टम का उपयोग करता है। जब सांस लेना शांत और सामान्य सीमा के भीतर होता है, तो आकृति पर सेंसर वाला क्षेत्र हरा चमकता है। यदि सांस लेना थोड़ा अनियमित हो जाता है या प्रयास बढ़ जाता है, तो रंग बदलकर नारंगी हो जाता है। यदि सांस लेना बहुत तेज़ या अनियमित हो जाता है, तो यह लाल हो जाता है, जो एक गंभीर स्थिति का संकेत देता है। यह दृश्य फीडबैक एक एथलीट को जटिल संख्याओं की व्याख्या किए बिना तुरंत अपनी शारीरिक स्थिति देखने की अनुमति देता है।

तत्काल फीडबैक के अलावा, सिस्टम को समय के साथ प्रगति को ट्रैक करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो एक सप्ताह के दौरान एक एथलीट के शरीर के अनुकूलन को मापने का एक तरीका प्रदान करता है। हर दिन समान परिस्थितियों में श्वसन दर को रिकॉर्ड करके, सॉफ्टवेयर यह गणना कर सकता है कि क्या एथलीट अधिक कुशल हो रहा है। यदि एक सप्ताह में व्यायाम की तीव्रता समान रहने के बावजूद श्वसन दर कम हो जाती है, तो यह सुझाव देता है कि शरीर अधिक फिट हो रहा है और उसी कार्य को करने के लिए कम प्रयास की आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने एक सप्ताह के पहले दिन की श्वसन दर की तुलना पूरे सात दिनों की औसत दर से करके इस दृष्टिकोण को मान्य किया, जो एकल स्नैपशॉट की तुलना में सुधार की अधिक विश्वसनीय तस्वीर प्रदान करता है। यह विधि प्रदर्शन का एक व्यक्तिगत दृष्टिकोण प्रदान करती है, जो जेनेरिक मानकों से हटकर एक ऐसे सिस्टम की ओर बढ़ती है जो व्यक्ति के अपने बेसलाइन के आधार पर सीखता है और रिपोर्ट करता है।

परिणामस्वरूप, यह एक कम लागत वाला, गैर-आक्रामक उपकरण है जो हाई-टेक सेंसिंग और रोजमर्रा के एथलेटिक प्रशिक्षण के बीच के अंतर को पाटता है। एक लचीले, स्क्रीन-प्रिंटेड सेंसर को इंटेलिजेंट सॉफ्टवेयर के साथ जोड़कर, यह सिस्टम सांस लेने की प्रक्रिया और प्रदर्शन की निरंतर निगरानी करने का एक तरीका प्रदान करता है, जो पारंपरिक चिकित्सा उपकरणों की असुविधा के बिना संभव है। अध्ययन इस दृष्टिकोण की पुष्टि करता है कि यह विश्वसनीय रूप से काम करता है, जो गतिशील वातावरण में सांस लेने के पैटर्न को मापने का एक स्थिर और दोहराने योग्य तरीका प्रदान करता है। हालांकि वर्तमान परीक्षण में स्व-मूल्यांकन के लिए एक ही विषय (subject) को शामिल किया गया था, यह तकनीक एक स्पष्ट भविष्य की ओर संकेत करती है जहाँ एथलीट और कोच शरीर की सबसे मौलिक लय के बारे में गहरी अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए एक साधारण बेल्ट पर भरोसा कर सकते हैं, जिससे सांस लेने की अदृश्य क्रिया को बेहतर प्रदर्शन के लिए एक दृश्य और कार्रवाई योग्य मीट्रिक में बदला जा सके।