Что такое bpm на часах

Нормальный пульс человека. Измеряем пульс с помощью фитнес браслета.

Для оценки состояния работы организма используются различные биомаркеры, а одним из основных показателей является уровень пульса. Но что может повлиять на уровень пульса? Что делать в случае, если пульс повысился или понизился? И как правильно меряется нормальный пульс? Ниже эти вопросы в подробностях будут рассмотрены.

Нормальный уровень пульса у здорового человека

Пульс — это толчкообразные колебания стенок артериальных сосудов, которые возникают в теле человека под действием сокращения сердца. В медицине уровень пульса используется в качестве биомаркера уже более 2.000 лет, а по характеру пульса можно определить состояние здоровья человека. В норме у здорового человека уровень пульса находится в определенных пределах. Таблица нормального пульса у человека по годам выглядит следующим образом:

Если у человека имеется стойкое отклонение от нормы, то это может указывать на наличие скрытого заболевания. Чаще всего патологических пульс наблюдается при хронических болезнях сердца, почек, печени и нервной системы. При этом обратите внимание, что существует ряд факторов, которые могут временно повышать уровень пульса, но при этом человека можно со всей уверенностью назвать здоровым. Основные случаи:

Вышеперечисленные факторы могут на короткое время повышать или понижать пульс, что плохо сказывается на качестве диагностики. Поэтому рекомендуется замерять пульс несколько раз с определенным временным перерывом — это снизит влияние сторонних факторов, что позволит повысить качество диагностики в целом.

Способы измерения пульса

Измерить уровень пульса можно различными способами, однако чаще всего для этого используются 3 техники — ручное измерение пульса, применение тонометра и применение специального фитнес-браслета. Каждый из этих способов измерения имеет свои особенности. Ниже мы рассмотрим способы измерения и коснемся их преимуществ и недостатков.

Ручной замер пульса

Самым древним и простым методом измерения пульса является ручной замер. Выглядит он следующим образом:

Ручной замер является достаточно надежным методом; еще одним его плюсом является то, что для проведения измерений вам не понадобится покупать какое-либо оборудование. Однако этот метод подойдет только тем людям, которые могут хорошо концентрировать свое внимание (в домашних условиях не всегда получается хорошо сконцентрироваться, например, из-за соседей или других членов семьи, которые могут издавать отвлекающие шумы).

Тонометр

Еще одним методом измерения пульса является использование специальных тонометров. Алгоритм проведения замеров выглядит так:

Использование тонометра заметно повышает точность измерений. Однако для покупки тонометра придется потратить определенное количество денег, а сам тонометр со временем портится и приходит в негодность (может испортиться манжета, может выйти из строя электронная схема и так далее).

Фитнес-браслет

Также широкое распространение получили оптические фитнес-браслеты, которые позволяют очень точно определить уровень пульса практически в любой момент времени. Умный браслет с измерением пульса и давления работает следующим образом:

Применение фитнес-браслета имеет массу преимуществ — очень точные результаты, есть возможность контролировать пульс в любой момент времени, есть возможность сохранения информации и так далее. Однако нужно учитывать, что фитнес-браслет необходимо периодически подзаряжать, поскольку для его функционирования требуется электроэнергия. Также частое применение фитнес-браслет неудобно тем, что человек может случайно ударить его о какой-либо предмет, что выведет его из строя.

Отклонения от нормы

При некоторых заболеваниях уровень пульса может отклониться от нормы. Основные моменты:

После стабилизации пульса рекомендуется обратиться к врачу, чтобы он выписал надежные лекарства. Принимать препараты нужно согласно лечебному плану, а самостоятельно прекращать прием лекарств запрещено. Также стоит не забывать, что самолечение может принести гораздо больше вреда, чем пользы, поэтому самому лечить повышенный или пониженный пульс в домашних условиях не рекомендуется (лекарствами или продуктами можно временно стабилизировать пульс — но после этого нужно отправиться в больницу).

Источник

Что такое пульс в покое и зачем все фитнес-браслеты его измеряют?

Пульс в покое — это самый простой, понятный, точный и в то же время самый недооцененный и всеми игнорируемый показатель здоровья, который умеет отслеживать буквально каждый современный фитнес-браслет или смарт-часы.

Если бы мне предложили оставить одну единственную функцию на фитнес-трекере, я бы выбрал не количество шагов или сожжённых калорий, не отображение погоды, уведомлений или измерение уровня стресса, а именно пульс в покое.

После прочтения этой статьи вы начнете обращать на него внимание. Ведь эта цифра указывает не только на уровень вашей физической подготовки, но и на продолжительность вашей жизни или, точнее, вероятность умереть раньше времени.

Но прежде, чем разобраться с пульсом в покое, нужно в двух словах прояснить, что вообще такое пульс и почему он постоянно меняется.

Как обычно, все цифры и факты, встречающиеся в этой статье, подтверждены авторитетными научными исследованиями, ссылки на которые вы найдете в конце материала.

Несколько слов о пульсе

Под пульсом мы, конечно же, подразумеваем работу сердца. И работа эта заключается лишь в том, чтобы гонять по кругу кровь внутри тела. То есть, сердце — это насос, который всасывает кровь из вен и выталкивает ее в артерии, предварительно пропустив через легкие.

Вот как выглядит его работа:

Если представить, что сердце на анимации смотрит на нас (т.е. его правая сторона находится на картинке слева), то в правую камеру всасывается кровь из вен, оттуда она выталкивается в легкие, а затем поступает в левую камеру и выталкивается в артерии.

Главная цель этой работы — доставка кислорода по всему организму. Именно через легкие кислород проникает в кровь, откуда возвращается в сердце и разносится дальше. Это важно понимать, когда мы будем говорить о пульсе в покое.

Кислород жизненно необходим каждой клетке нашего организма, ведь он участвует в получении энергии. Как ваш смартфон не может работать без аккумулятора, так и ваше тело не может работать без своего источника энергии — «батареек» под названием аденозинтрифосфат (АТФ):

Именно для синтеза (создания) этих крошечных «батареек» и нужен кислород. Если вы задержите дыхание, синтез батареек (молекул АТФ) прекратится, а уже имеющиеся в наличии батарейки быстро «сядут». В итоге, если не начать дышать в течение 5-7 минут, организм, словно разрядившийся смартфон, выключится. Навсегда.

Транспортировка кислорода кровью — это основная (но не единственная) задача сердца, работу которого мы и определяем по пульсу.

Дирижёр, оркестр и ноты. Или почему наш пульс всё время изменяется?

Итак, сердце должно сжиматься, чтобы выталкивать кровь из своих мышечных «мешков», а также — расслабляться, чтобы заново их наполнять. Но кто или что управляет этими сжатиями? Почему сердце сокращается (бьется) определенное количество раз в минуту?

Ни мозг, ни наша нервная система не являются первопричиной пульса. Даже если мы вырежем сердце и возьмем его в руки, оно какое-то время продолжит ритмично сокращаться, пока и его «батарейки» не сядут.

Всё дело в особых клетках, которые генерируют электричество сами по себе. Главное скопление таких клеток называется синоатриальным (синусовым) узлом. Именно здесь рождается электрический импульс с частотой 60-80 раз в минуту, который затем проходит по всему сердцу, вызывая те самые «конвульсии», которые вы видели на предыдущей анимации:

Но если уничтожить синусовый узел, задающий основной ритм, сердце продолжит сокращаться, правда, медленнее — 40-60 раз в минуту. Управление на себя возьмет другой участок таких же клеток — пучок Гиса. И даже его отключение не приведет к остановке сердца, так как роль водителя ритма возьмут на себя ножки пучка Гиса, а частота упадет еще сильнее — до 25 ударов в минуту.

Так вот, синусовый узел — это своего рода дирижёр, который без чьей-либо помощи задает ритм — 60-80 ударов в минуту. Он управляет оркестром — отдельными камерами сердца, которые сжимаются и расслабляются в строго определенном порядке.

Естественно, у мозга есть контроль над сердцем и он может замедлять или ускорять «стандартный» ритм. Образно говоря, именно мозг подсовывает дирижёру (синусовому узлу) ноты. И делает он это при помощи автономной нервной системы. Автономной в том смысле, что мы не можем сознательно управлять ею (например, силой воли замедлять пульс).

А еще нотки нашему дирижёру могут подсовывать щитовидная железа, гормоны, инфекции и многое другое.

Всё это нагромождение механизмов нужно по одной простой причине — клетки сердца понятия не имеют, в каком объеме кислорода нуждается организм. Они просто «настроены» на определенный ритм (60-80 ударов в минуту) без учета реальной потребности.

И когда такая потребность в кислороде возрастает (например, во время физической активности), нужно заставлять «дирижёра» играть быстрее.

Но, как уже было сказано, причин, по которым пульс может ускоряться или замедляться — огромное количество. Слишком много всего может влиять на работу синусового узла, включая такие вещи, как:

Одним словом, пульс — это мощный индикатор состояния всего организма. Стресс, болезни, опухоли, гормональные сбои, радость, депрессия — всё, что угодно, может влиять на пульс. И любое отклонение от «нормы» должно обращать на себя ваше внимание.

Но есть одна проблема…

Пульс в покое. Или что такое «норма»

Если мы откроем Википедию и посмотрим рамки частоты нормального пульса для взрослого человека, то увидим цифру 60-100 ударов в минуту. Но что это значит? Как и когда нужно измерять пульс, чтобы сравнить его с нормой и что вообще подразумевается под «нормой»?

Дело в том, что пульс постоянно и непрерывно меняется. Даже смена положения тела вызывает учащение сердцебиения, не говоря уже о других факторах.

Поэтому измерять пульс нужно именно в состоянии покоя, когда влияние внешних факторов сведено к минимуму. То есть, мы проверяем минимальную частоту, с которой должно сокращаться сердце, чтобы обеспечить все органы достаточным количеством кислорода во время бодрствования организма.

Многие владельцы фитнес-трекеров ошибочно думают, что пульс в состоянии покоя — это пульс во время сна. А затем приходят в ужас, сравнивая свои показатели с «нормой» (60-100 уд/м). Согласитесь, становится как-то не по себе, когда видишь свой ночной пульс в районе 40 ударов/мин:

На самом деле, не стоит бояться таких значений, так как во время сна пульс всегда опускается ниже «нормы». В конце концов, сердце — это мышца, которой также не помешает расслабление. Может это не лучший пример, но у некоторых медведей в спячке пульс снижается с 55 ударов до 9 ударов в минуту.

Как бы там ни было, пульс в покое — это пульс не во время сна, а во время бодрствования, но без какой-либо физической активности в течение хотя бы 10 минут. И обычно пульс в покое измеряется утром, сразу после пробуждения.

Почему высокий или низкий пульс — это плохо?

Дело в том, что объем крови, который перекачивает сердце, зависит в основном от двух важных параметров: частоты сокращений (пульса) и ударного объема — количества крови, которое выталкивает сердце за одно сокращение.

Например, когда сердце еще очень маленькое и слабое (у детей), ему необходимо сокращаться очень часто, чтобы перекачивать достаточное количество крови. И пульс 120 уд/мин в этом возрасте является нормой. Но так как сердце — это мышца, то оно постепенно растет и тренируется, становясь всё более сильным.

Можно сказать, что пульс в покое показывает эффективность работы сердца. Условно говоря, если у одного человека пульс в покое составляет 50 ударов в минуту, а у другого — 100, то в первом случае сердце работает вдвое эффективнее. Оно может сокращаться вдвое реже, выталкивая в аорту тот же объем крови из-за того, что сам толчок мощнее. Сердце совершает вдвое меньшую работу с тем же результатом.

Если у среднестатистического офисного сотрудника, ведущего малоподвижный образ жизни, пульс в покое может составлять 80-90 ударов в минуту, то вот результаты самых «накачанных» сердец велогонщиков и легкоатлетов:

Конечно, не нужно стремиться к таким показателям, так как это уже патология (сердечная мышца сильно утолщается, увеличивается его масса, границы сердца расширяются), которая иногда приводит к смерти в молодом возрасте.

При паталогически низком пульсе (брадикардия) также снижается скорость циркуляции крови по организму.

Что интересно, современные фитнес-трекеры умеют предупреждать пользователей как о повышении пульса в состоянии покоя, так и о его снижении до опасных значений:

В любом из этих случаев организм получает меньше кислорода, чем нужно. И мозг, как орган, который находится в самой высокой точке, первым ощущает на себе эту нехватку. Головокружение, слабость и, тем более, потеря сознания — типичные признаки недостатка кислорода для работы мозга.

Множество исследований 2 показало прямую связь между пульсом в покое и физической формой человека. Чем выше физическая подготовка (например, показатель VO2 max), тем ниже пульс в состоянии покоя и лучше самочувствие:

Другие исследования показывают прямую связь между пульсом в состоянии покоя и риском сердечно-сосудистых заболеваний и даже риском умереть от любых болезней.

Другими словами, риск умереть от любых болезней (от рака до сердечно-сосудистых) у людей с пульсом в покое 105 уд/мин в 2 раза выше по сравнению с теми, у кого пульс в покое не превышает 50 ударов.

Какая же норма пульса в покое?

Известный многим стандарт «60-100 ударов/мин» был придуман в начале 20 века, задолго до проведения каких-то массовых исследований сердечного ритма с большим количеством участников. Эти стандарты попали во все учебники и учебные заведения, да и подобраны они были так, чтобы можно было удобнее и быстрее расшифровывать кардиограмму.

Но с тех пор прошло почти 100 лет и наука продвинулась далеко вперед, показав несостоятельность этих цифр. Как минимум, нижняя граница пульса слишком сильно завышена, чтобы считаться нормой для здорового человека.

Например, в одном из крупных исследований 5 среди 79743 пациентов была отобрана группа из 46 тыс. человек с очень низкой вероятностью сердечно-сосудистых заболеваний. Нижняя граница пульса в состоянии покоя в этой группе равнялась 48 ударам в минуту. И таких примеров на самом деле много, что доказывают ранее приведенные исследования.

Если трактовать фразу «нормальный пульс» в смысле «встречающийся у многих людей», то действительно 60-100 ударов — это «норма». Но если под «нормой» считать здоровый пульс, то это очень далекие от нормы показатели.

Пульс в покое может меняться в зависимости от времени года. Зимой он обычно повышается, так как физическая активность снижается, а летом наоборот — снижается, так как активность возрастает:

Обратите внимание, что в норме пульс в покое у женщин должен быть примерно на 10 ударов выше, чем у мужчин. Здесь и дальше синяя линия показывает результаты у мужчин, а зеленая — у женщин. В исследовании 6 приняло участие более 92 тыс. человек, пульс в покое которых варьировался в диапазоне от 40 до 109 ударов/мин. На всех графиках показаны средние значения пульса в покое для всего исследования.

Вот так зависит пульс в покое от возраста и индекса массы тела:

Я лишь могу подтвердить эти исследования личным опытом. Сравните мой пульс в покое летом 2017 года, когда я еще ежедневно по 4-5 часов занимался большим теннисом, с пульсом в 2019 году, когда моя физическая активность снизилась практически до нуля:

Фитнес-браслет очень точно показал ухудшение физической формы и, как следствие, значительный рост пульса в покое.

Думаю, к этому моменту становится очевидной простая закономерность — чем ниже пульс в покое, тем лучше.

Считать 80 или 90 ударов в минуту в покое нормой для взрослого мужчины можно только в том случае, если этого мужчину не волнует ни продолжительность, ни качество жизни.

Что касается нижней границы, то волноваться стоит только в том случае, если вы ведете малоподвижный образ жизни, а пульс в покое очень низкий. Особенно, если вы постоянно ощущаете усталость и слабость.

Практически любой фитнес-трекер позволяет следить за тенденцией изменения пульса в покое. Подробные графики изменения этого показателя за неделю, месяц и год есть в подавляющем большинстве приложений (Samsung, Huawei, Xiaomi, OPPO):

Источник

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1

Совсем немного осталось до начала нашей краундфандинговой компании часов для измерения уровня стресса EMVIO. Появилась небольшая передышка и пальцы попросились к клавиатуре.

На самом начальном этапе разработки мы проводили небольшой аналитический обзор способов измерения пульса у человека и периодически обновляли его новыми проектами. Захотелось поделиться с сообществом этой информацией. Надеемся, что она будет интересна широкому кругу читателей и даст представление о состоянии технологий в этой области.

В этом обзоре упор сделан именно на применение способов измерения пульса в гаджетах типа «for fan». Одни способы уже реализованы в готовых массовых продуктах, другие ждут своего часа. Но прежде пару слов про то, что собственно мы измеряем и почему это важно.

Немного о нашем сердце

Как известно, сердце – это автономный мышечный орган, который выполняет насосную функцию, обеспечивая непрерывный ток крови в кровеносных сосудах путем ритмичных сокращений. В сердце имеется участок, в котором генерируются импульсы, ответственные за сокращение мышечных волокон, так называемый водитель ритма (pacemaker). В нормальном состоянии, при отсутствии патологий, этот участок полностью определяет частоту сердечных сокращений. В результате образуется сердечный цикл – последовательность сокращений (систола) и расслаблений (диастола) сердечных мышц, начиная от предсердий и заканчивая желудочками. В общем случае под пульсом понимают частоту, с которой повторяется сердечный цикл. Однако есть нюансы, каким способом мы регистрируем эту частоту.

Что мы считаем пульсом

Attention. Cразу хотим отметить важный момент, который вносит в путаницу в терминологию и часто встречается в комментах к статьям про гаджеты с измерением пульса. Фактически пульс, который измеряется по сокращениям стенок кровеносных сосудов, и пульс, который измеряется по электрической активности сердца, имеют разную физиологическую природу, разную форму временной кривой, различный фазовый сдвиг и соответственно требует различные методы регистрации и алгоритмы обработки. Поэтому не может быть никаких RR-интервалов при измерении пульса по модуляции объемов кровенаполнения артерий и капилляров и механических колебаний их стенок. И обратно, нельзя говорить, что если у вас нет RR-интервалов, то вы не можете измерить аналогичные по физиологической значимости интервалы по пульсовой волне.

Как гаджеты измеряют пульс?

Итак, вот наш вариант обзора самых распространённых способов измерения пульса и примеры гаждетов, которые их реализуют.

1. Измерение пульса по электрокардиосигналу

После обнаружения в конце 19 века электрической активности сердца появилась техническая возможность ее зарегистрировать.Первым, по настоящему, это сделал Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven) в 1902 году, с помощью своего мегадевайса – струнного гальванометра (string galvanometer). Кстати он осуществил передачу ЭКГ по телефонному кабелю из больницы в лабораторию и, по сути, реализовал идею удаленного доступа к медицинским данным!

Три банки с “рассолом” и электрокардиограф весом 270 кг! Вот так рождался метод, который сегодня помогает миллионам людей во всем мире.

За свои труды в 1924 году он стал лауреатом Нобелевской премии. Именно Эйнтховен в первые получил реальную электрокардиограмму (название он придумал сам), разработал систему отведений – треугольник Эйнтховена и ввел названия сегментов ЭКС. Самым известным является комплекс QRS — момент электрического возбуждения желудочков и, как наиболее выраженный по своим временным и частотным свойствам элемент этого комплекса, зубец R.

До боли знакомый сигнал и RR-интервал!

В современной клинической практике для регистрации ЭКС используют различные системы отведений: отведения с конечностей, грудные отведения в различных конфигурациях, ортогональные отведения (по Франку) и т.п. С точки зрения измерения пульса можно использовать любые отведения, т.к. в нормальном ЭКС R зубец в том или ином виде присутствует на всех отведениях.

Спортивные нагрудные датчики пульса

При проектировании носимых гаджетов и различных спортивных тренажеров система отведений была упрощена до двух точек-электродов. Самым известным вариантом реализации такого подхода являются спортивные нагрудные мониторы в виде ремешка-кардиомонитора – HRM strap или HRM band. Думаем у читателей, ведущих спортивный образ жизни, такие устройства уже имеются.

Пример конструкции ремешка и Мистер-гаджет 80 lvl. Sensor pad – это два ЭКГ электрода с разных сторон груди.

На рынке популярностью пользуются HRM ремешки фирм Garmin и Polar, также имеется множество китайских клонов. В таких ремешках электроды выполнены в виде двух полосок из проводящего материала. Ремешок может быть частью всего устройства или пристегиваться к нему застежками-клипсами. Значения пульса, как правило, передаются по Bluetooth по протоколу ANT+ или Smart на спортивные часы или смартфон. Вполне удобно для спортивных занятий, но постоянное ношение вызывает дискомфорт.

Мы экспериментировали с такими ремешками в плане возможности оценки вариабельности пульса, считая их за эталон, но поступающие с них данные, оказались сильно сглаженными. Участник нашей команды Kvanto25 публиковал пост, как он разбирался с протоколом ремешка Polar и подключал его к компьютеру через среду Labview.

С двух рук

Следующим вариантом реализации двух электродной системы является разнесение электродов на две руки, но без постоянного подключения одной из них. В таких устройствах один электрод закрепляется на запястье в виде задней стенки часов или браслета, а другой выносится на лицевую часть устройства. Чтобы измерить пульс, нужно свободной рукой коснуться лицевого электрода и подождать несколько секунд.

Пример пульсометра с фронтальным электродом (Пульсометр Beurer)

Интересным устройством, использующим такую технологию, является браслет Phyode W/Me, разработчики которого провели успешную кампанию на Кикстартере, и их продукт имеется в продаже. На хабре про него был пост.

Электродная система PhyodeW/Me

Верхний электрод совмещен с кнопкой, поэтому многие люди, рассматривая прибор по фоткам и читая отзывы, думали, что измерение происходит просто по нажатию кнопки. Теперь вы знаете, что на подобных браслетах непрерывная регистрация со свободными руками в принципе не возможна.

Плюс этого устройства в том, что измерение пульса не является главой целью. Браслет позиционируется как средство проведения и контроля дыхательных методик, типа индивидуального тренера. Мы приобрели Phyode и проигрались с ним. Все работает, как обещано, регистрируется реальная ЭКГ, соответствующая классическому первому отведению ЭКГ. Однако прибор очень чувствителен к движениям пальца на фронтальном электроде, чуть сдвинулся и сигнал поплыл. С учетом того, что для набора статистики нужно около трех минут процесс регистрации выглядит напряжно.

Регистрация пульса в проекте FlyShark Smartwatch. Будьте добры подержать пальчик.

Что еще нового есть в этой области? Обязательно нужно упомянуть об интересной реализации ЭКГ электрода – емкостного датчика электрического поля EPIC Ultra High Impedance ECG Sensor производства фирмы Plessey Semiconductors.

Емкостной датчик EPIC для бесконтактной регистрации ЭКГ.

Внутри датчика установлен первичный усилитель, поэтому его можно считать активным. Датчик достаточно компактный (10х10 мм), не требует прямого электрического контакта, соответственно не имеет эффектов поляризации и их не надо смачивать. Нам кажется это решение весьма перспективным для гаджетов с регистрацией ЭКС. Готовых устройств на этих датчиках мы пока не видели.

2. Измерение пульса на основе плетизмографии

Поистине самый распространённый способ измерения пульса в клинике и быту! Сотни разнообразных устройств от прищепок до перстней. Сам метод плетизмографии основан на регистрации изменения объемов кровенаполнения органа. Результатом такой регистрации будет пульсовая волна. Клинические возможности плетизмографии выходят далеко за рамки простого определения пульса, но в данном случае нам интересен именно он.
Определение пульса на основе плетизмографии может быть реализовано двумя основными способами: импедансным и оптическим. Есть и третий вариант – механический, но мы не будем его рассматривать.

Импедансная плетизмография

Как говорит нам Медицинский словарь, импедансная плетизмография – это метод регистрации и исследования пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на регистрации изменений полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты. В России часто используется термин реография. Этот способ регистрации ведет свое начала с исследований ученого Манна (Mann, 30 –е годы) и отечественного исследователя Кедрова А.А. (40–е годы).
В настоящее время методология способа основана на двух или четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления и состоит в следующем: через исследуемый орган с помощью двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей).

Электродная система импедансной плетизмографии. Картинка отсюда

Главное условие, предъявляемое к генератору сигнала — это постоянство тока, его значение выбирают обычно не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань его амплитуда модулируется изменением кровенаполнения. Вторая система электродов снимает модулированный сигнал, фактически имеем схему преобразователя импеданс-напряжения. При двухточечной схеме электроды генератора и приемника объединены. Далее сигнал усиливается, из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается нужная нам дельта.
Если прибор откалибровать (для клиники это обязательное условие), то по оси Y можно откладывать значения в Омах. В итоге получается вот такой сигнал.

Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации. (отсюда)

Очень показательная картинка. Обратите внимание, где находится RR-интервал на ЭКС, а где расстояние между вершинами, соответствующее длительности сердечного цикла на реограмме. Также обратите внимание на резкий фронт R зубца и пологий фронт систолической фазы реограммы.

Из пульсовой кривой можно получить довольно много информации по состоянию кровообращения исследуемого органа, особенно синхронно с ЭКГ, но нам нужен только пульс. Определить его не сложно — нужно найди два локальных максимума, соответствующих максимальной амплитуде систолической волны, вычислить дельту в секундах ∆Tи далее BMP = 60/∆T.

Примеров гаджетов, которые используют данный способ, мы пока не нашли. Зато есть пример концепта имплантируемого датчика для контроля кровообращения артерии. Вот статья про него. Активный датчик сажается прямо на артерию, с хост-девайсом общается по индуктивной связи. Мы считаем, что это очень интересное и перспективный подход. Принцип работы понятен из картинки. Спичка показана для понимания размера 🙂 Используется 4-х точечная схема регистрации и гибкая печатная плата. Думаю, при желании, можно допилить идею для носимого микро-гаджета. Плюс этого решения в том, что потребление такого датчика исчезающее мало.

Имплантируемый сенсор кровотока и пульса. Похож на аксессуар Джонни-Мнемоника.

В завершении этого раздела сделаем ремарку. В свое время мы считали, что таким способом измеряется пульс в известном стартапе HealBeGo, поскольку в этом устройстве базовая функциональность реализуется методом импедансной спектроскопии, что, по сути, и есть реография, только с изменяемой частотой зондирующего сигнала. В общем, все уже на борту. Однако согласно описанию характеристик прибора пульс в HealBe измеряется механическим методом с помощью пьезодатчика (про этот способ во второй части обзора).

Оптическая плетизмография или фотоплетизмографияя

Оптический – это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Самые первые устройства были применены в клинике и измеряли пульс с пальца в режиме просвета или отражения. Форма пульсовой кривой повторяет реограмму.

Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии

Способ нашел широкое использование в клинике и вскоре технология была применена в бытовых устройствах. Например, в компактных пульсоксиметрах, регистрирующих пульс и сатурацию кислородом крови в капиллярах пальца. В мире производится сотни модификаций. Для дома, для семьи вполне пойдет, но не подходит для постоянного ношения.

Пульсоксиметр обыкновенный и клипса для уха. Тысячи их!

Существуют варианты с ушными клипсами и наушниками со встроенными датчиками. Например, такой вариант от Jabra или новый проект Glow Headphones. Функциональность аналогична HRM ремешкам, но более стильный дизайн, привычное устройство, свободный руки. Постоянно носить затычки в ушах не будешь, но для пробежек на свежем воздухе под музыку в самый раз.

Наушники Jabra Sport Pulse™ Wireless и Glow Headphones. Пульс регистрируется внутриушным (in-ear sensor) способом.

Самым заманчивым было измерение пульса с запястья, ведь это такое привычное и комфортное место. Первыми были часы Мио Alpha с успешной компанией на Кикстартере.

Создательница продукта Лиз Дикинсон (Liz Dickinson) пафосно провозгласила это устройство Святым Граалем измерения пульса. Модуль датчика был разработан ребятами из Philips. На сегодняшний день это самое качественное устройство для непрерывного измерения пульса с запястья методом фотоплетизмографии.

Далее миру стали является такие достойные вещи как Basis B1, Samsung Galaxy Gear и Gear Fit, Moto 360 и конечно ожидаемые всеми фанами яблочных брендов AppleWatch.

Даешь умных часов много и разных!

Сейчас можно сказать, что технология отработана и внедрена в серийное производство. Во всех подобных устройствах реализуется измерение пульса по отраженному сигналу.

Выбор длины волны излучателя

Теперь пару слов, как выбирают длину волны излучателя. Тут все зависит от решаемой задачи. Обоснование выбора хорошо иллюстрировать по графику поглощения света окси и дезоксигемоглобина с наложенными на него кривыми спектральных характеристик излучателей.

Кривая поглощения света гемоглобином и основные спектры излучения пульсовых фотоплетизмаграфических датчиков.

Выбор длины волны зависит от того, что мы хотим измерить пульс и/или сатурацию насыщения крови кислородом SO2.

Просто пульс. Для этого случая важна область, где поглощение максимально – это диапазон от 500 до 600 нм, не считая максимума в ультрафиолетовой части. Обычно выбирается значение 525 нм (зеленый цвет) или с небольшим смещением – 535 нм (применено в датчике OSRAM SFH 7050 – Photoplethysmography Sensor).

Зеленый светодиод датчика пульса – самых ходовой вариант в смарт-часах и браслетах. В датчике смартфона Samsung Galaxy S5 использован красный светодиод.

Оксиметрия. В этом режиме необходимо мерить пульс и оценивать сатурацию крови кислородом. Способ основан на разнице в поглощении связанного (окси) и не связанного с (дезоки) кислородом гемоглобина. Максимум поглощения деоксигенированного гемоглобина (Hb) находится в “красном” (660 нм) диапазоне, максимум поглощения оксигенированного (Hb02) гемоглобина в инфракасном (940 нм). Для вычисления пульса используется канал с длиной волны 660 нм.

Желтый для EMVIO. Для нашего прибора EMVIO мы выбирали из двух диапазонов: 525 nm и 590 нм (желтый цвет). При этом мы учитывали максимум спектральной чувствительности нашего оптического датчика. Эксперименты показали, что разницы между ними практически нет (в рамках нашей конструкции и выбранного датчика). Любую разницу перебивают артефакты движения, индивидуальные свойства кожи, толщина подкожного слоя запястья и степень прижатия датчика к коже. Мы захотели как-то выделиться из общего “зеленого” списка и пока остановились на желтом цвете.

Конечно, измерения можно проводить не только с запястья. Есть на рынке нестандартные варианты выбора точки регистрации пульса. Например, со лба. Такой подход использован в проекте умного шлема для велосипедистов Life beam Smart helmet разработаного Израильской компанией Lifebeam. В предложениях этой фирмы есть еще бейсболки и солнцезащитные козырьки для девушек. Если постоянно носите бейсболку, то это ваш вариант.

Велосипедист доволен, что не нужно одевать HRM ремешок.

В целом выбор точек регистрации достаточно велик: запястье, палец, мочка уха, лоб, бицпес руки, лодыжка и стопа ноги для малышей. Полное раздолье для разработчиков.

Большим плюсом оптического способа является простота реализации на современных смартфонах, где в качестве датчика используется штатная видеокамера, а в качестве излучателя – светодиод вспышки. В новом смартфоне Samsung Galaxy S5 на задней стенке корпуса, для удобства пользователя, уже имеется штатный модуль датчика пульса, возможно и другие производители будут внедрять аналогичные решения. Это может стать решающими для устройств, в которых нет непрерывной регистрации, смартфоны вберут в себя их функционал.

Новые горизонты фотоплетизмографии

Дальнейшее развитие этого способа связано с переосмыслением функционала оптического датчика и технологическими возможностями современных носимых устройств в плане обработки видеоизображений в реальном времени. В итоге имеем идею измерения пульса по видеоизображению лица. Подсветкой является естественное освещение.

Оригинальное решение, с учетом того, что видеокамера является стандартным атрибутом любого ноутбука, смартфона и даже умных часов. Идея метода раскрыта в этой работе.

Субъект N3 явно напряжен – пульс под 100 уд/мин, наверно сдает работу своему руководителю Субъекту N2. Субъект N1 просто мимо проходил.

Сначала на кадрах выделяется фрагмента лица, потом изображение раскладывается на три цветовых канала и разворачивается по временной шкале (RGB trace). Выделение пульсовой волны основано на разложение изображения методом анализа независимых компонент (ICA) и выделения частотной составляющей, связанной с модуляцией яркости пикселей под действием пульсации крови.

Лаборатория Philips Innovation реализовала аналогичный подход в виде программы Vital Signs Camera для IPhone. Весьма интересная штука. Усреднение значений конечно большое, но принципиально метод работает. Аналогичный проект развивает Fujitsu Laboratories.

Виды экранов Vital Signs Camera.

Так что в будущем системы видеонаблюдения смогут дистанционно измерять ваш пульс. Контора АНБ возрадуется.

Окончание обзора в следующем посте “Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 2”. В той части мы расскажем об более экзотических способах регистрации пульса, которые используются в современных гаджетах.

Удачи! И еще раз пригашаем вас на сайт нашего проекта EMVIO.

Источник