Что такое врм при измерении пульса на фитнес браслете
Фитнес-браслеты и часы не измеряют вариабельность сердечного ритма! Неужели всё это — обман?
Для непосвященного человека, заголовок статьи может показаться совсем неинтересным и вовсе неважным. Что вообще такое вариабельность сердечного ритма? Почему всё — обман? И какое отношение к этому показателю имеют все фитнес-трекеры?
На самом деле, даже если вы ни разу не слышали о вариабельности сердечного ритма (ВСР), то скорее всего, используете одну или несколько функций на своем фитнес-трекере, основанных именно на вариабельности.
Если среди всех смарт-часов и фитнес-браслетов, которые мы обозревали на dR, вариабельность непосредственно отображается только на Apple Watch, то у других производителей на основе этого показателя работают такие популярные функции, как:
Как видите, вариабельность сердечного ритма — это один из ключевых показателей, от которого зависят многие полезные фитнес-функции. И в дальнейшем их будет становиться только больше, так как основным источником вариабельности сердечного ритма является автономная нервная система. А эта система отвечает за функционирование всего организма.
Но я всё чаще встречаю в интернете, особенно на форумах, популярную точку зрения или даже авторитетное заявление о том, что ни один фитнес-трекер физически не способен измерять вариабельность сердечного ритма. Соответственно, все эти функции — не более чем баловство.
Так ли это на самом деле? Если вариабельность можно измерить только на электрокардиограмме, значит, производители часов и браслетов обманывают нас, подсовывая совершенно бесполезные функции?
Надеюсь, эта статья даст исчерпывающие ответы на эти вопросы.
Что такое вариабельность сердечного ритма?
Для того чтобы кровь могла циркулировать по всему организму, нам нужен «насос», который бы непрерывно толкал ее по сосудам. И таким насосом является сердце.
Думаю, каждый из нас видел, как интересно оно сокращается. Сжатие происходит в строго определенной последовательности в разных частях:
Вначале сердце должно «втянуть» кровь из вен в одну из своих пустых камер (правую), затем вытолкнуть ее в легкие для очистки от углекислого газа и обогащения кислородом, после чего из легких протолкнуть в другую камеру (левую), а уже оттуда — вытолкнуть в артерии, чтобы она прошла по всему организму и снова через вены попала в правую камеру.
Когда такой цикл завершается, мы говорим, что сердце сократилось один раз, то есть, произошло одно сердцебиение. Затем всё повторяется заново. И так примерно 100 тысяч раз в день. Каждый день.
А теперь позвольте задать очень простой вопрос. Если сердце сокращается 60 раз за 60 секунд, сколько времени проходит между каждым сокращением?
Правильный ответ — сколько угодно. Например, между первым и вторым сокращениями может пройти полсекунды, между вторым и третьим — полторы секунды, а между третьим и четвертым — секунда. Итого, за 3 секунды мы насчитали 3 удара, но вариабельность сердечного ритма при этом была очень высокой.
Из этого примера можно сделать такой вывод:
Вариабельность сердечного ритма — это изменение интервала между последовательными сердцебиениями
Если разница по времени между сокращениями большая (как в нашем примере), то это здорово. Если же сердце сокращается через ровные промежутки времени (например, ровно каждую секунду) — это очень плохо. В таком случае мы говорим, что вариабельность очень низкая. То есть, промежутки времени между ударами не отличаются между собой по длительности.
Чтобы понять, почему это так, нужно вначале разобраться, что вообще заставляет наше сердце биться.
Это заслуга синусового узла — скопления уникальных клеток, которые способны без всякой причины (без участия мозга и влияния нервов) сами по себе генерировать электрические импульсы с определенной периодичностью.
Находится синусовый узел вот здесь:
Именно с этой точки начинается сердцебиение. Вы можете еще раз посмотреть анимацию выше и заметить, что именно эта область сжимается первой при возникновении электрического импульса.
Затем импульс волнообразно проходит по всему сердцу, вызывая последовательное сокращение мышц в других его частях.
Так вот, синусовый узел генерирует электрические импульсы через ровные промежутки времени без какого-либо вмешательства. Но ведь мозг также должен иметь контроль над таким важнейшим параметром, как сердцебиение, не так ли?
Действительно, к синусовому узлу подключены «провода» (нервные окончания) автономной нервной системы для вмешательства мозга в работу сердца. И именно это вмешательство мы наблюдаем в виде изменения интервала между ударами сердца.
Другими словами, анализируя, как сильно и как часто изменяется продолжительность этих интервалов, мы можем анализировать вмешательство автономной нервной системы в работу сердца. А это уже позволяет оценивать стресс и другие важные параметры. Об этом у нас есть подробная и интересная статья.
Как на самом деле измеряется вариабельность сердечного ритма?
Не нужно быть гением, чтобы ответить на этот вопрос. Достаточно просто посчитать, сколько миллисекунд проходит между каждым сокращением сердца. А затем остается взять квадратный корень из среднего значения квадратов последовательных различий.
Согласен, последнее предложение было лишним.
Хотя именно это делает компания Apple в своих Apple Watch, когда показывает в качестве вариабельности сердечного ритма всего одну цифру за день, например, 53 мс, как на этом скриншоте:
Мы не будем сейчас разбирать, что значит эта цифра, хорошо это или плохо. Просто важно понимать, что измерять вариабельность в теории очень просто — достаточно засекать промежутки времени между каждым сердцебиением.
Но как это делать? Самый очевидный ответ — измерять электрическую активность сердца. То есть, смотреть, как проходит электрический импульс по сердцу, прикрепив к телу электроды. Ведь мы знаем, что этот импульс, проходя по сердцу, точно будет вызывать сокращение мышц. А значит, считая интервалы между электрическими импульсами, мы будем считать интервалы между сокращениями сердца.
Именно это и делает ЭКГ (электрокардиограмма). Она не показывает нам пульс, течение крови по артериям и т.п. Всё, что отображается на ЭКГ — это движение электрических импульсов по сердцу. Чем выше напряжение, тем выше отклоняется график от прямой линии и чем быстрее этот импульс возрастает или затухает, тем резче линия на графике поднимается или опускается.
Вот небольшая анимация, которая показывает электрическую активность сердца (распространение электрического импульса показано красным цветом) и соответствующий график ЭКГ:
Именно на ЭКГ можно максимально точно посчитать вариабельность сердечного ритма, так как мы непосредственно анализируем работу сердца, а точнее, прохождение электрических импульсов по нему.
Все эти отклонения линии на графике мы называем зубцами и каждый такой зубец мы называем определенной буквой (P, Q, R, S, T). Для анализа вариабельности (длительности интервалов между ударами) мы выбираем самый большой зубец, который называем буквой R:
На этом рисунке показана хорошая вариабельность сердечного ритма, так как между каждым последовательным электрическим импульсом (= сокращением сердца) проходит разное время.
Вроде бы всё понятно, но как быть с фитнес-браслетами и смарт-часами? Ведь даже Apple Watch или Galaxy Watch (с поддержкой ЭКГ) не используют этот датчик для определения вариабельности пульса.
Фитнес-трекеры не измеряют вариабельность сердечного ритма!
И это правда. Если ЭКГ показывает электрическую активность сердца, то фитнес-трекеры при помощи светодиодов измеряют объем крови в сосудах, показывая пульс (как именно это работает?). Соответственно, на «графиках пульса» ЭКГ и фитнес-трекера показываются совершенно разные процессы и сравнивать напрямую эти картинки нельзя.
Вариабельность сердечного ритма (HRV) измеряется по ЭКГ, а с помощью фитнес-браслета мы можем определить лишь вариабельность пульса (PRV).
Показатель PRV (вариабельность пульса) всегда считался альтернативой HRV (вариабельности сердечного ритма), так как по сути они отображают одно и то же — разницу во времени между последовательными сокращениями сердца.
Когда электрический импульс проходит по сердцу и оно сжимается, выбрасывая порцию крови в аорту, спустя примерно 100 миллисекунд фитнес-браслет на запястье регистрирует пульсовую волну (увеличение объема крови в сосудах).
То есть, оптический пульсометр видит пульс с небольшой задержкой. Если мы одновременно измерим ЭКГ и пульс фитнес-браслетом, то графики будут немного смещаться относительно друг друга:
Так в чем же проблема? Если оптический пульсометр смарт-часов или фитнес-браслета определяет каждое сокращение сердца, пусть и с небольшой задержкой (она вообще не играет никакой роли), тогда в чем сложность измерить вариабельность?
Конечно, если бы фитнес-браслет получал такую красивую пульсовую волну, как на картинке выше, то никаких проблем бы не было. Посчитать длительность интервалов по таким графикам вплоть до миллисекунды — сущий пустяк для процессора.
Проблема лишь в том, что браслет не может получить настолько чистый сигнал. Даже если вы будете соблюдать все правила, о которых я рассказывал здесь, чтобы фитнес-трекер максимально точно определял пульс, ошибок не избежать.
Пульсовая волна даже в идеале выглядит не в виде чередующихся горбиков, а вот так:
Именно самый высокий подъем (систолический пик) соответствует зубцу R на ЭКГ. И вариабельность пульса фитнес-браслеты измеряют по систолическим пикам, точнее, времени между ними.
Но обратите внимание, что после такого пика идет спад, а сразу за ним — небольшой подъем (дикротический зубец).
А теперь представьте, что хватит даже малейшего визуально неуловимого движения браслета на руке, чтобы внести помехи в сигнал и по ошибке незначительно увеличить дикротический зубец.
Вот, каким должен был быть график пульса без ошибок, вызванных движением браслета или сокращением мышц запястья:
А вот, что вышло в реальности, когда во время второго сердцебиения в сигнал попала ошибка:
Мы видим, что на второй волне дикротический зубец по ошибке стал чуть выше систолического пика. Это привело к тому, что разница во времени между первым и вторым сокращениями сердца увеличилась, а между вторым и третьим — сократилась. То есть, из-за одной «испорченной» волны мы получили два неверных значения вариабельности пульса.
И такие проблемы действительно встречаются, что влияет на точность работы всех функций, связанных с вариабельностью.
Кроме того, есть одно фундаментальное отличие ЭКГ от пульсометра браслета. ЭКГ измеряет электрическую активность и прекрасно «видит», откуда и куда направляются электрические импульсы. А фитнес-трекер не видит ничего, кроме периодического изменения объема крови в артериях.
Так вот, нередко бывают ситуации, когда источником пульса является не синусовый узел (который контролируется автономной нервной системой). ЭКГ увидит это и посчитает такой пульс, как результат деятельности автономной нервной системы. А вот браслету всё равно, откуда взялся пульс. Он посчитает любое изменение объема крови, как работу автономной нервной системы.
Тем не менее, все эти проблемы и ошибки незначительны, если мы говорим об измерении вариабельности в состоянии покоя. Есть научные исследования, которые утверждают, что даже смартфон со вспышкой достаточно точно измеряет PRV (вариабельность пульса), чтобы применять этот показатель в качестве альтернативы HRV (вариабельности сердечного ритма) для клинического использования!
Подведем итоги
В самой идее измерения фитнес-браслетами промежутков времени между последовательными сердцебиениями нет ничего странного или сверхъестественного.
Любой современный фитнес-трекер при правильном ношении довольно точно измеряет пульс. Этого уже достаточно для определения вариабельности пульса. Чтобы максимально исключить артефакты движения, смарт-часы замеряют вариабельность только в состоянии покоя.
Да, ошибки могут быть. Но не забывайте, что сигнал от фитнес-трекера проходит очень жесткую фильтрацию. Применяются различные алгоритмы для его очистки от ошибок. Используются показания акселерометра и гироскопа, чтобы вычитать малейшие движения из графика пульса.
Если ваш фитнес-браслет точно измеряет пульс, можно быть уверенным, что погрешность в определении вариабельности пульса незначительна, когда вы находитесь в состоянии покоя (а не во время физической активности). Это доказывают многие научные исследования.
Алексей, глав. ред. Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?
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.