Как работает определение пульса в носимых устройствах
Сегодня на рынке ежеквартально появляется множество спортивных браслетов, предназначенных для мониторинга активности, а также измерения пульса.
Что примечательно, многие мои знакомые покупали себе фитнес–трекеры именно для слежения за показателями частоты сердечного ритма. Но многие из них так толком и не знают, как конкретно работают оптические пульсометры. Давайте разбираться.
Первый аппарат ЭКГ
Виллем Эйнтховен
Впервые в истории электрическая активность сердца была обнаружена учеными еще в конце 19 века, а в начале 20–го уже была технически зарегистрирована нидерландским физиологом Виллемом Эйнтховеном при помощи специального струнного гальванометра. Им же была записана и первая в мире электрокардиограмма. За свой вклад, внесенный в развитие науки и медицины, ученый был награжден Нобелевской премией.
Процесс записи ЭКГ с помощью струнного гальванометра
Благодаря разработанной Виллемом системы отведений, сегодня стали существовать специализированные аппараты для снятия ЭКГ (электрокардиограмм), благодаря которым врачи получили возможность детального изучения работы сердца.
Кроме аппаратов ЭКГ, требующих подключения массивных электродов к разным частям тела, появились и миниатюрные аппараты измерения ЧСС (частоты сердечных сокращений), которые мы с вами называем попросту пульсометрами.
Комплект пульсометра Tunturi Pulser
Самый первый в мире портативный пульсометр появился в 1977 году и буквально сразу стал незаменимым гаджетом в тренировках Финских спортсменов. К 1983 году на рынке стали появляться первые в мире пульсометры, предназначенные для бытового использования. То есть тренд на использования устройств мониторинга пульса среди профессионалов и спортсменов–любителей стал зарождаться еще в конце прошлого века.
В современных спортивных помощниках система отведений была упрощена до двух электродов. За счет этого в 1990–х на потребительском рынке стали активно появляться решения пульсометров в виде нагрудного ремешка, электроды в которых были выполнены в виде двух полосок из специального проводящего материала. Из–за точности в показаниях многие спортсмены используют подобные гаджеты до сих пор, несмотря на то, что на рынке существует множество более компактных аналогов, помещающихся на запястье.
Результаты измерений в таких ремешках, как правило, отправляются на умные часы, либо смартфон по протоколу Bluetooth.
Сегодня же самым распространенным и по–настоящему массовым способом измерения пульса стала технология оптической плетизмографии, применяемой в смартфонах, спортивных часах и браслетах. Самые первые попытки по реализации данной технологии предпринимались учеными еще в начале 19–го века, но особого успеха не сыскали, так как еще не было толком понятно куда её применить.
Визуализация процесса оптического измерения пульса
Принцип работы фотоплетизмографии заключается в регистрации сужения и расширения сосудов под воздействием кровотока. Фотоприемник определяет колебания, подсчитывает их количество за определенное время и полученное значение вставляет в формулу, после вычисления которой выводит на экран частоту пульса в ударах в минуту.
Благодаря появлению и популяризации плетизмографии, сегодня мы имеем множество вариантов компактных браслетов, с помощью которых можно более детально следить за своим здоровьем. Одним из первых устройств в которых была применена эта технология стали часы Mio Alpha, ставшие новой вехой в развитии современных спортивных гаджетов.
Давайте углубимся и подробнее рассмотрим нюансы в работе оптического мониторинга пульса.
Зеленый цвет для светодиодов был выбран не случайно. Оказывается для измерения пульса необходимо поглощение излучаемого цвета кровью. С помощью исследований было выяснено, что диапазон поглощаемого света варьируется от 500 до 600 нм. Зеленый цвет как раз соответствует заветным 510-525 нм.
Сегодня эта технология отработана до мелочей и применяется практически во всех наручных спортивных трекерах за разную стоимость.
Технология оптического определения пульса конечно же имеет неточности. Было выявлено, что при повышении частоты до 160–170 ударов в минуту, кровоток настолько быстро проходит через лучи датчика, что показатели при измерении становятся менее точными, но незначительно.
К примеру, нагрудные измерители пульса имеют точность считывания 91%, тогда как оптические датчики в фитнес браслетах имеют точность 85%. Эти цифры были выяснены в ходе экспериментов с двумя фокус группами, одна из которых выполняла физические упражнения с нагрудном пульсометром, а другая с запястным.
По данным компании Mio Global, являющейся пионером в разработке технологий плетизмографии, ни один из оптических датчиков измерения пульса на сегодняшний день по уровню точности считывания не приблизился к нагрудным вариантам.
К слову, оптические пульсометры, используемые в привычных для нас фитнес–трекерах и умных часах, имеют ряд нюансов, из–за которых оптический датчик может не работать, либо работать с серьезными погрешностями. Например, из–за набитого на запястье тату излучаемый свет не сможет проникать под кожу и просвечивать сосуды. Соответственно ни о какой точности показаний речи идти не может. Поэтому ребятам с обеими руками покрытыми тату резона в приобретении компактных фитнес–браслетов и часов для мониторинга пульса нет.
Теперь мы примерно знаем, как происходит процесс считывания пульса с помощью данной технологии. Давайте еще чуточку углубимся и поговорим о том, какие показания для улучшения своих тренировок можно получить при помощи использования носимых девайсов.
Так как речь сегодня у нас идет о фитнес–браслетах и умных часах, выступающих зачастую в роли электронных помощников для спортсменов, производителями был предусмотрен мониторинг еще нескольких показателей. В более продвинутых моделях носимых устройств от таких производителей как Garmin и Suunto есть мониторинг подъема, благодаря использованию барометра и альтиметра. А также присутствует возможность слежения за GCT (временем контакта с землей), VO (вертикальными колебаниями), VO2Max (максимальным потреблением кислорода), RP (беговой производительностью), каденсом (частотой шагов) и еще много чем другим.
Если вы серьезно занимаетесь бегом или велотренировками, то знание определений показателей каждого из пунктов вам очень пригодится. Поэтому при выборе спортивного браслета или часов обращайте внимание на их наличие. Так как их наличие позволит более продуктивно проводить тренировки, и со временем вы сможете улучшить свои показатели. Это очень важно.
Чтобы вы понимали, что все это не просто так, и эти цифры вам пригодятся, поясню что все это значит.
GCT или попросту время контакта с землей — показатель отвечающий за измерение времени, которое вы тратите на контакт подошвы с поверхностью. Как правило это 160–300 мс, но у всех показатели могут быть разными.
Если вы ускоряете темп, то соответственно время, затрачиваемое на контакт с землей уменьшается, тем самым поддерживая определенную частоту вы можете во время тренировки сжечь больше калорий, а также понизить шанс получения травм. Обычно тактикой, которой пользуются спортсмены, является в первую очередь включение коротких спринт–забежек в тренировке, а также уменьшение длины шага. Таким образом, помимо укрепления икроножных мышц, в работу подключаются ягодичные мышцы.
Показатель каденса (частоты шагов) определяет ваше количество сделанных шагов за определенный промежуток времени, как правило за минуту. Самым оптимальным значением каденса является бег с частотой 180 шагов в минуту.
VO (вертикальные колебания) — это показатель того, насколько часто ваше туловище при беге совершает движения по вертикали. Если посмотреть со стороны на технику бега профессиональных спортсменов, то можно заметить, что верхняя часть их тела практически не двигается (не подпрыгивает). Чтобы повысить качество результатов бега, следует стараться следить за этим показателем и пытаться совершать как можно меньше вертикальных колебаний. Достичь этого можно, к слову, при помощи повышения частоты каденса.
Следующее, за чем можно следить в ходе своих тренировок при помощи умных часов, либо фитнес–браслетом, является уровень максимального насыщения крови кислородом. Это является одним из важнейших показателей для любых кардионагрузок. Повышения его уровня можно добиться путем регулярных тренировок.
К примеру, в моем фитнес–браслете Huawei Band 2 Pro, который я купил за относительно небольшие деньги, есть такая функция, позволяющая после пробежки или велотренировки просмотреть показания насыщения крови кислородом. Выполняется это при помощи анализа сердечного ритма и динамических показателей активности при тренировке.
Следующей немаловажной функцией в спортивных трекерах является определение зон пульса. То есть, зная ваш максимальный порог сердечной активности, многие спортивные часы и браслеты имеют возможность определять уровень и тип кардионагрузки.
Что примечательно, такая возможность есть даже в бюджетных моделях большинства известных производителей. В используемом мной на данный момент фитнес–трекере предусмотрено пять порогов и границ пульса, как и в более профессиональных устройствах.
Теперь мы знаем с вами нюансы в работе одной из самых важных технологий в спортивных часах и браслетах, благодаря которой я думаю они появились. Многие почему–то ошибочно считают фитнес–трекеры и спортивные часы бесполезным гаджетами, когда речь идет о занятиях спортом. Я, как человек, который недавно начал заниматься собой, не могу сказать, что фитнес–браслет это какой–то незаменимый гаджет, без которого я не могу бегать, кататься на велосипеде.
Но после того, как я разобрался во всех нюансах его работы, мне удалось понять, каким образом можно улучшить результаты тренировок.
Автор, есть еще наушники, которые определяют пульс 8)
Объясните, почему фитнес браслет показывает разные результаты частоты пульса на разных руках и если датчик на внутренней и внешней стороне запястья?
Получается что у меня может быть 4 данных о моем пульсе с разницей в 10-20 ударов.
И каким данным верить? Или среднее высчитывать?))
Как я впервые реанимировал
Я студент медвуза в Германии и работаю в уходе за больными в отделении интенсивной терапии. Эта работа учит никогда не расслабляться. Даже когда кажется, что медсестры сейчас отдыхают и страдают фигней, они все равно остаются внимательными и реагируют на такие мелочи, которые я иногда даже не заметил бы.
Теперь сама история:
Посреди отделения стоит большой монитор, на который выводится основная информация о всех пациентах: давление, пульс, ЭКГ, насыщение крови кислородом и т.д. Еще этот монитор умеет очень противно пищать, если любые показатели упали ниже или поднялись выше установленной границы.
Начало ночной смены, еще нужно сделать много работы, прежде чем можно будет отдохнуть. Одна медсестра просто заходит в центр отделения, чтоб взять маркер, бросает взгляд на монитор, смотрит на него какое-то время, а потом кричит проходящему мимо врачу «Эй, подойди сюда, тебе надо взглянуть на это».
Она УВИДЕЛА небольшое окошко (слева сверху пример), в котором было давление пациента, его ЭКГ и высчитанный на основе ЭКГ пульс. То, что ЭКГ у него очень нездоровое, это и так понятно, он у нас из-за проблем с сердцем и лежал.
Но она РАСПОЗНАЛА, что программа на самом деле неправильно считала его пульс! На фотке выше уже открыта полная информация об этом пациенте. HF — это его пульс на основе ЭКГ. 85 ударов в минуту — это в целом нормально, ничего необычного. Но ей показалось, что там должна быть какая-то ошибка, ибо линия ЭКГ двигалась слишком медленно для этого пульса. И она оказалась права: его настоящий пульс, который определял пульсоксиметр, был 43 удара в минуту, что может быть уже опасно. В обычной ситуации ЭКГ и пульсоксиметр выдают одинаковую информацию, но в этом случае автоматическое определение сердечного ритма дало сбой.
Красным я обвел место в ЭКГ, где его сердце действительно сокращалось и выбрасывало кровь в аорту. А синее — это не сердечные сокращения, это электрическая активность его больного сердца, которая была такой большой, что автоматика думала, что это сердечное сокращение. И вместо здоровых 85 ударов в минуту у него были опасные 43!
И медсестра распознала что-то неладное проходя мимо и бросив взгляд на монитор, на котором была информация о всех пациентах!
Ну а дальше отделение быстро перешло в состояние боевой готовности: врач начал делать 12 канальный ЭКГ, одна медсестра подготовила дефибриллятор, другая подготовила медикаменты на случай реанимации. А я стоял с медбратом и медсестрой в центре отделения. Мы смотрели на ЭКГ пациента и медсестра рассказывала нам, как именно она заметила проблему и что ее смутило. В это время я как раз и сделал эту фотку.
А спустя минуту у него началась фибрилляция желудочков. Еще до того, как монитор сам распознал проблему и начал тревожно пищать на все отделение, мы бегом бросились в комнату. Я оказался первым, кто подбежал к пациенту, положил руки ему на грудь и собирался начать качать.
До этого момента я действовал на автомате. Я столько читал и слышал про реанимацию, как и что правильно делать, как правильно работать в команде и т.д. Я работал на курсах повышения квалификации врачей, где реанимация была основном темой. Во время учебы нас этому учили. Я участвовал в нескольких симуляциях реанимации в рамках учебы/работы/курсов первой помощи и поэтому я точно знал, что надо делать. Моя задача как первого, кто подбежал к пациенту с фибрилляцией желудочков, — это положить руки ему на грудь и начать давить. Не слишком медленно, не слишком быстро, не слишком глубоко, но и не слишком поверхностно. Но надо давить.
Мои руки уже на нем и тут я вижу, что он смотрит на меня. Куклы, на которых я раньше тренировался, просто лежат с открытыми глазами. А это живой человек, который смотрит на меня. К такому меня жизнь не готовила. А я смотрю на него, в его глаза. И думаю «А может это ошибка? А может программа выдала неправильный ЭКГ? Может быть мы слишком рано побежали к нему? Может надо сначала убедиться, что у него действительно фибрилляция? Может. «
— ЧЕГО ТЫ ЖДЕШЬ, ДАВИ ДАВАЙ
Ну и я начал давить. Задержка длилась всего несколько секунд, а в голове успело пролететь десятки мыслей. Я давлю, а вокруг люди включают дефибриллятор, готовят медикаменты, врач становится у головы пациента и готовится к интубации. Дефибриллятор включили и зарядили, он стал очень громко и противно пищать. Я надеюсь, что меня предупредят достаточно громко, чтоб я отошел от пациента, когда по нему пустят ток, и продолжаю давить, хотя теперь и страшненько, ибо этот писк заставляет понервничать.
— ВСЕ ПРОЧЬ ОТ ПАЦИЕНТА
Сразу после него другой медбрат продолжает реанимировать. Я осмотрелся в попытках понять, надо ли где помочь, но понял, что помогать-то некому, ибо все готово. Спустя две минуты пациента еще раз ебом шокнули, но в этот раз не сразу продолжили давить, а посмотрели на ЭКГ. Оно было в порядке. Проверили пульс. В порядке. Через несколько минут человек был уже в себе и не понимал, что происходит и почему в комнате так много людей.
В итоге с человеком все хорошо. Его пришлось спустя какое-то время снова реанимировать, но потом его прооперировали, поставили водитель ритма и автоматический дефибриллятор, какое-то время он полежал у нас, но потом его быстро перевели на обычное отделение, ибо у него все было в порядке.
Мобильная диагностика: как работают датчики уровня кислорода, пульса, ЭКГ и шума
Непростой 2020 год показал, что за здоровьем надо тщательно следить даже при самой невероятной занятости. Тем более, что развитие технологий позволяет делать это при помощи смартфона, умных часов или фитнес-браслета. Комбинация различных датчиков и софта может контролировать ряд важных параметров и делать выводы: все ли в порядке или стоит запланировать визит к врачу.
Всплеск интереса к повседневному контролю здоровья случился после появления на рынке «умных» часов и браслетов. Разработчики с самого начала встраивали в них не только акселерометр и/или гироскоп с навигационным приемником, но и датчики контроля сердечных ритмов. Сейчас в такие устройства ставят несколько дополнительных чипов, позволяющих узнать о своем организме много полезного.
Давайте разберемся, какие датчики применяются в «умных» гаджетах, что они умеют и насколько точным получается результат измерений.
Акселерометр и гироскоп
Изначально эти датчики устанавливали в смартфоны. Когда появились «умные» часы и браслеты, их также оснастили такими чипами: на работе акселерометра, например, построена одна из основных задач всех «умных» гаджетов — подсчет количества шагов.
Сейчас все настолько привыкли к тому, что акселерометр и гироскоп есть в мобильных устройствах, что не видят между ними разницы. Тем более, что функции этих датчиков реализуются одной микросхемой. На самом деле разница есть. Если коротко, то акселерометр реагирует на ускорение предмета, а гироскоп — на изменение его положения в пространстве. Поэтому с помощью акселерометра можно, например, понять, нужно ли сменить ориентацию экрана смартфона или посчитать шаги. А с помощью гироскопа — точно определить положение тела.
Зачем это нужно в мобильной диагностике? С подсчетом шагов все ясно — это контроль здорового образа жизни. Но это больше относится к фитнесу. А как это помогает в плане наблюдений за своим самочувствием?
Дело в том, что связка акселерометра и гироскопа обеспечивает работу функции, способной определить, что владелец устройства упал. «Умный» гаджет на основании резкого изменения показаний датчиков делает вывод, что пользователю необходима помощь, и автоматически вызовет экстренные службы, например, скорую или полицию. Зачем это нужно? Например, гаджет оперативно вызовет врачей, если с вами случится какая-то неприятность на улице. А при инсульте и инфаркте очень важно, чтобы квалифицированная медицинская помощь была оказана как можно быстрее.
К примеру, такая функция реализована в Apple Watch. По умолчанию она активируется у пожилых пользователей, также можно ее включить вручную.
Кстати, обратите внимание, что наличие акселерометра вместе с гироскопом позволяет получать более точные результаты тренировок: гироскоп точно распознает такие вещи, как бег на месте или прыжки, и понимает, когда вы идете пешком, а когда бежите.
Датчик пульса
Датчик пульса — первое устройство для мобильной диагностики, появившееся в носимых гаджетах. Он предназначен для контроля сердечных ритмов в состоянии покоя и при физической нагрузке. На основании собранной статистики можно оценить состояние здоровья и понять, оптимальны ли нагрузки на тренировках или, если имеются какие-либо заболевания, сориентироваться, не пора ли обратиться к специалисту.
Измерения пульса
Датчики пульса, используемые в мобильных гаджетах, работают на основе оптической технологии — фотоплетизмографии (PPG). Смысл ее заключается в следующем. При сокращении сердечной мышцы в кровеносных сосудах изменяется кровяное давление и происходит изменение интенсивности капиллярного кровотока. Увеличившееся количество крови в сосуде поглощает больше поступающего света. Если подать поток света определенной интенсивности, то на основании прошедшего через ткань или отраженного сигнала можно сделать вывод об изменениях анализируемой среды: например, подсчитать количество «всплесков» кровотока в минуту и сделать вывод о частоте пульса.
В мобильных гаджетах подсчет пульса реализуется на основе как прошедшего через ткань света (в компактных пульсоксиметрах), так и отраженного — в «умных» часах и фитнес-браслетах. В них светодиод, размещенный на внутренней стороне устройства, испускает свет,который отражается от тканей запястья и поступает на фотодатчик, регистрирующий уровень отраженного сигнала.
Для подсветки используется светодиод зеленого цвета (525 нм). Зеленый цвет излучения выбран потому, что является наиболее контрастным к красному цвету крови, согласно цветовому кругу Иттена, а следовательно, лучше всего поглощается.
«Умные» гаджеты регистрируют пульс автоматически (по расписанию) или по желанию пользователя. На основании измеренных значений они построят красивые графики в мобильных или десктопных приложениях, которые помогут следить за уровнем пульса: контролировать выход за установленные пределы, наблюдать процесс в динамике за определенные интервалы времени. В целом с этой задачей мобильные устройства справляются хорошо.
Измерения артериального давления
Раз датчик пульса анализирует сердечные ритмы на основе изменений кровотока и давления, то логично предположить, что с его помощью можно не только посчитать пульс, но и измерить давление. Это на самом деле так. На основании данных, полученных от датчика пульса, программа может рассчитать величину артериального давления.
Но проблема заключается в том, что для того, чтобы получить близкий к реальному результат, необходимо выполнить калибровку устройства под конкретного пользователя. В противном случае измерение давления будет корректным только для тех, у кого оно находится на нормальном уровне, и еще не проявились возрастные изменения или проблемы, связанные с различными заболеваниями. Поэтому, если вы хотите с помощью «умных» гаджетов контролировать еще и давление, ищите модель с настройкой измерений под владельца.
Датчик ЭКГ
Еще более интересная вещь в плане контроля здоровья — датчик электрокардиографии (ЭКГ). Дело в том, что о работе сердца можно судить не только по изменениям кровотока в сосудах, но и по электрическим сигналам, которые возникают в процессе работы этого органа. И эта информация точнее и информативнее. Электрокардиограмма, полученная специалистом медицинского центра, позволяет сделать выводы о работе сердца и его здоровье. Для этого на руки, ноги и грудную клетку устанавливают электроды, а результат интерпретирует компьютер.
Точно такой же датчик ЭКГ, только миниатюрных размеров, сейчас устанавливают в ряд мобильных устройств. Например, начиная с 4-го поколения, датчик ЭКГ имеется в Apple Watch. Но с мобильными датчиками существует ряд проблем.
Дело в том, что в профессиональном медицинском оборудовании обычно используют 10-12 датчиков, минимум шесть из них размещают в области сердца. А носимое мобильное устройство крепится на запястье. То есть, оно удалено от сердца на большое расстояние. И датчиков в таких устройствах значительно меньше.
Например, в Apple Watch их всего два: один размещен в Digital Crown, второй вместе с датчиком пульса установлен на внутренней стороне.
Поэтому точность ЭКГ, снятого с помощью мобильного устройства, не настолько высока, чтобы делать серьезные клинические выводы. Тем не менее, даже такой точности достаточно, чтобы определить мерцательную аритмию, показывающую, что визит к врачу откладывать не стоит.
Еще один важный момент — работа функции ЭКГ должна пройти проверку надзорных органов в разных странах. На момент написания статьи у Apple, например, получено разрешение для использования функции ЭКГ на территории США. В России Росздравнадзор сертифицировал ее буквально несколько дней назад. В остальном мире она официально отключена, хотя датчики в устройствах имеются. Остается только надеяться, что вопрос рано или поздно решится и полезная функция будет разблокирована.
Датчик уровня шума
Еще одна занятная функция, которая имеется, например, в Apple Watch — измерение уровня шума. Датчик регистрирует уровень фонового шума и, если он в течение некоторого времени превышает пороговое значение, гаджет выдает уведомление и предлагает покинуть место с высоким уровнем шума.
Полезна ли такая функция? Да, поскольку ВОЗ обращает внимание на то, что значительное количество людей подвергается риску потерять слух из-за сильного шумового воздействия в местах развлечений. Вы, наверное, замечали, что после того, как выходишь с рок-концерта или из клуба, некоторое время все слышно словно сквозь вату. Вот от таких «сюрпризов» датчик шума вас и защитит. Если, конечно, вы сами захотите защищаться.
Датчик уровня кислорода в крови
Теперь поговорим о новомодном датчике, которым мобильные устройства начали оснащать недавно. Это датчик определения уровня кислорода в крови. В свете коронавирусной инфекции, ставшей главной темой 2020 года, эта функция оказалась чуть ли не самой рекламируемой.
Нужно отметить, что, помимо наблюдений за своим состоянием в свете последних событий, контроль за уровнем кислорода в крови интересен и в других случаях: недостаток кислорода приводит к таким нехорошим вещам, как дыхательная недостаточность, одышка, головные боли и так далее.
Медики измеряют уровень кислорода в крови с помощью небольших приборов — пульсоксиметров. Внешне они напоминают прищепку с экраном, которая крепится на палец и выдает информацию о пульсе и степени насыщения кислородом артериальной крови. По этой причине датчики уровня кислорода в крови также называют датчиками SpO2.
Расшифровывается эта аббревиатура так:
- S — степень сатурации (насыщения) кислородом.
- P — пульс.
- O2- кислород.
Нормальной считается величина сатурации от 95 до 100%, показания ниже 90% говорят о наличии проблем.
В пульсооксиметре датчик измерения уровня кислорода работает следующим образом. В приборе установлен светодиод, излучающий сигналы инфракрасного диапазона и красного цвета, а также фотодетектор, фиксирующий, какая часть светового потока прошла через ткани пальца с капиллярными сосудами. Аналогичный способ используется и в умных гаджетах.
Только фотодетектор принимает не прошедший через ткани, а отраженный от них сигнал, так как браслет или часы крепятся на запястье. На основании уровня отраженного сигнала приложение, встроенное в гаджет, делает оценку сатурации и выводит на дисплей измеренное значение.
Такие датчики есть в новой серии Apple Watch, а также в ряде фитнес-браслетов, например, Honor Band 5 и Huawei Band 4 PRO.
Точность измерений и их использование для диагностики
Все перечисленные измерения — сердечных ритмов, ЭКГ и уровня кислорода — работают в мобильных гаджетах в упрощенном режиме. Они имеют уровень погрешности, не позволяющий использовать их как медицинские диагностические приборы. Это написано в документации ко всем «умным» часам и фитнес-трекерам, но, тем не менее, на этом стоит дополнительно заострить внимание.
К примеру, датчик уровня кислорода может ошибаться на несколько процентов, причем значение может колебаться, как в большую, так и в меньшую сторону. Также результаты измерений изменятся в том случае, если браслет или часы неплотно прилегали к вашему запястью, либо потому что резко похолодало.
Поэтому производители и специалисты обращают внимание, что все данные, полученные с мобильных датчиков, могут использоваться для общего контроля здоровья и оценки динамики состояния организма. Они не предназначены для постановки диагнозов и не являются медицинскими приборами. Для профессионального осмотра необходимо использовать специализированную технику.
Вместе с тем, нельзя не отметить и то, что имеется очевидная польза от использования датчиков в мобильной технике. Спортсмены и просто любители активного образа жизни успешно контролируют процесс тренировоки объемы нагрузок. А те, кому пришло время внимательнее относиться к своему здоровью, собирают статистику, показывающую общую картину изменений, и могут ее соотнести со своим самочувствием.
Анализ собранной статистики позволит вовремя заметить, если что-то пошло не так, и своевременно обратиться к врачу, например, при наличии сердечно-сосудистых заболеваний. Поэтому во многих случаях использование мобильной диагностики интересно, полезно и даже необходимо.
Как работают фитнес-трекеры и помогают ли они улучшить здоровье
Фитнес-трекеры похожи на смартфон — внутри тоже процессоры и датчики, иногда экран, динамик и микрофон.
Большинство устройств не просто подсчитывают шаги, а фиксируют изменения в работе тела. Разбираемся, как гаджеты измеряют показатели и есть ли смысл отслеживать не только активность, но и насыщение крови кислородом, сон, устойчивость при ходьбе, ЭКГ и другие данные.
Мы рассмотрели базовые и популярные устройства — браслеты и наручные часы с функцией трекера. Другие портативные трекеры работают по тем же принципам.
Какими бывают фитнес-трекеры
Фитнес-трекеры — это связка аппаратуры и программной обработки. Датчики фиксируют показатели, а алгоритмы анализируют и превращают сырые данные в понятный пользователям вид. Обычно устройства связаны со смартфоном и выгружают показатели еще и туда.
Фитнес-трекеры бывают разных формфакторов, размеров и направленности. К примеру, некоторые устройства предназначены для профессиональных спортсменов и отличаются особыми возможностями. Проще всего разделить трекеры по внешнему виду.
Браслет. Самое доступное устройство для отслеживания активности и здоровья — на рынке их очень много, можно найти вариант за любые деньги. Форма браслета удобна и с точки зрения производства, и с точки зрения потребителя. Браслет на запястье позволяет точно считывать активность, а пользователь получает практичный аксессуар.
Первые популярные браслеты-трекеры от компании Jawbone больше походили на силиконовое украшение. Устройства умели считывать шаги, анализировать периоды активности и отдыха, а возможность мягко разбудить владельца вибрацией в свое время считалась уникальной.
Для некоторых умный будильник стал одной из главных причин покупки таких устройств, но теперь этим сложно кого-то удивить. Подсчет частоты пульса, мониторинг качества сна, уведомления со смартфона — уже стандартный набор для любого гаджета. Почти все браслеты получают цветной экран, распознают разные фразы сна и бодрствования, а также сами определяют виды активности. Даже фитнес-тренеры зачастую опираются на показания трекеров при планировании занятий, хоть и не без скепсиса: устройства могут ошибаться.
Самые доступные модели стоят от 600 ₽, но пользователи плохо отзываются о подобных девайсах малоизвестных производителей. Бюджетные трекеры быстро разряжаются и очень неточно считывают показания — например, поездку в трамвае могут распознать как бег.
Более ходовые устройства, например Xiaomi, стоят уже от 3500 ₽. За эти деньги можно получить все базовые возможности, а еще влагозащиту при погружении в воду на глубину до 50 метров — можно будет плавать в бассейне. Из последних новшеств — уровень насыщения крови кислородом, SpO2.
Дорогие устройства предлагают более точное измерение параметров и некоторые эксклюзивные функции, но стоят уже больше 10 000 ₽. Например, помогают подсчитать, сколько калорий усвоил организм. Браслеты оснащены теми же датчиками, что и более доступные аналоги, но работают точнее.
Умные часы. Похожи на браслеты, но обычно более массивные, крупные и имеют больше возможностей для управления. Самые популярные модели стоят от 2000 ₽, но производители вроде Apple и Samsung предлагают часы и за 40 000 ₽.
Смарт-часы технически почти не отличаются от обычных фитнес-трекеров. Производители позиционируют их как дополнение к смартфонам, но с оглядкой на традиционные часы. Корпус из титана или стали, сапфировое стекло и кожаный ремешок — все это было и раньше, но теперь к подсчету времени добавили акселерометр, гироскоп и анимированные циферблаты.
Кольца. Если пользователю не по душе аксессуары на запястье, то на рынке еще остались альтернативы в виде колец. Правда, в этой категории выбор не очень широкий.
Популярные модели, скажем, от Oura, в России доступны по цене около 25 000 ₽. За эти деньги пользователь получает металлическое кольцо сдержанного дизайна, которое умеет почти все то же , что и другие фитнес-трекеры. Производители упаковали аналогичные микросхемы и датчики в сверхкомпактный корпус, чем и объясняется высокая цена устройств.
На кольцах нет дисплея, но есть индикаторы, сообщающие о состоянии гаджета, и некоторые обозреватели относят это к преимуществам. Пока умные часы нередко постоянно отвлекают уведомлениями с телефона, кольцо тихо выполняет свою работу.
Впрочем, кольцо не всегда подходит для главной цели подобных гаджетов — занятий спортом. Обозреватели пишут, что его надо снимать при поднятии штанги или других подобных активностях. Иначе устройство либо неверно регистрирует события, либо попросту сильно изнашивается.
Несколько лет назад на рынке можно было найти еще и подвесные трекеры, например Fitbit Ultra или Misfit Shine. Но гаджеты спорно считывали показатели и имели проблемы с надежностью, поэтому производители перестали их выпускать.
Из чего состоят трекеры
Гироскоп и акселерометр — распознают физическую активность и отдых. Эти датчики отвечают за базовые возможности вроде подсчета шагов. Их часто путают и считают одним и тем же сенсором, но это разные устройства, которые дополняют друг друга. Акселерометр измеряет ускорение браслета или часов, а гироскоп «понимает», где именно в пространстве находится объект.
Так гаджеты могут примерно понять, чем занимается владелец. Например, во время бега или плавания рука с часами двигается определенным образом, поэтому алгоритмы в часах распознают активность по шаблону.
С помощью таких же технологий разработчики научили трекеры определять нетипичные для человека состояния, например падения. Apple Watch в таком случае предлагают вызвать экстренные службы либо сами совершают вызов, если владелец упал и не двигается в течение минуты. Функция работает в том числе и в России.
За счет акселерометра и гироскопа работает и умный будильник: устройство собирает данные о непроизвольных движениях и распознает конкретную фазу сна, фиксирует его качество.
Оптические датчики — считывают пульс и распознают гемоглобин. Один из главных элементов в уравнении расчета активности — это пульс. Для его измерения существуют оптические датчики. Они измеряют и сердцебиение, и насыщение крови кислородом. Чаще всего фитнес-трекеры работают с помощью плетизмографии — записи колебаний объема внутренних органов.
Устройство просвечивает кожу светодиодом, а специальный сенсор регистрирует, сколько света отразилось обратно. Кровь поглощает свет интенсивнее, чем окружающие ткани, поэтому сужение сосудов из-за сокращений сердца позволяет подсчитать пульс.
В современных трекерах датчики достаточно точны, чтобы распознавать в крови гемоглобин — это белок, который переносит кислород по организму. Для этого используют несколько светодиодов — красный, зеленый и инфракрасный. Если в крови много гемоглобина, то чаще всего много и кислорода — такая кровь хуже пропускает инфракрасный свет, но хорошо пропускает красный. А если гемоглобина мало, то наоборот.
Во время пандемии измерять уровень кислорода стало особенно популярно — болеющие могли следить за сатурацией круглосуточно. Но фитнес-трекеры для этой задачи не очень подходят: они не так точны, как медицинские пульсоксиметры, и могут выдать угрожающие значения, только когда будет слишком поздно.
К тому же технология достаточно простая, а трекеры пока не так умны, чтобы распознавать, на что они надеты. Свет отражается от любых предметов, именно поэтому умные часы могут найти пульс у банана или туалетной бумаги.
Из-за этого даже возникают заблуждения: например, что трекер нужно носить чуть выше центра запястья, чтобы датчики замеряли пульсации лучевой или локтевой артерии. Это не принесет пользы, поскольку современные гаджеты просвечивают не вены и артерии, а капилляры и артериолы. Другими словами, они работают в коже и в подкожном слое. Поэтому стоит следовать советам производителей.
Электроды — снимают электрокардиограмму. С помощью оптических датчиков и электрода некоторые устройства способны замерять ЭКГ. Но точность таких измерений далека от полноценной электрокардиограммы в больнице — например, Apple Watch делают ЭКГ по двум электродам против десяти в медицинских приборах.
Показатель все же может быть полезным для некоторых людей, потому что позволяет зафиксировать нерегулярный сердечный ритм. Это одна из возможных причин развития смертельно опасного сердечного приступа.
Для работы ЭКГ достаточно пропустить слабый разряд тока через тело и зарегистрировать электрические поля, возникающие из-за работы сердца человека. Метод известен с 19 века: нужны только электроды, которые регистрируют разность потенциалов тока.
В больницах обычно используют электроды, образующие 12 отведений, — вариантов расположения датчиков на теле. Только два из них не зависят от остальных, поэтому с помощью математических формул можно рассчитать еще четыре — так работают Apple Watch, Galaxy Watch и другие носимые устройства из той же категории. Им не нужно десять физических контактов, достаточно двух.
Один датчик расположен в колесике управления, а другой встроен в датчик пульса на задней стороне гаджета. Для измерения нужно приложить палец к кнопке и таким образом замкнуть цепь, чтобы часы могли пропустить разряд и измерить электрические поля. После этого нужно подождать 30 секунд, и часы выдадут один из трех результатов: наличие мерцательной аритмии, синусовый ритм — норма, низкий или высокий пульс — повторное измерение.
Алгоритмы — собирают и анализируют информацию. Данные со всех модулей трекер сохраняет в сыром виде. Браслет не умеет считать потраченные калории, но записывает активность через акселерометр и пульс за счет оптического датчика.
Данные программно обрабатываются и на самом устройстве, и на смартфоне. Результаты сопоставляют с ростом и весом пользователя, учитывая возраст и другие базовые показатели. Это похоже на математику в школе: если часть данных известна, то можно вычислить неизвестные.
Алгоритмы фильтруют лишнее — все действия, которые можно принять за внезапный спорт. Мытье рук, набор текста на клавиатуре или активная жестикуляция не вводят современные трекеры в заблуждение.
Графиками активности и умным будильником пользователей удивить уже сложно. Но благодаря программным возможностям современные устройства проводят комплексную оценку состояния, хотя это и не всегда полезно или необходимо.
Можно ли верить устройствам для здоровья
Да, но не совсем. Все фитнес-трекеры — помощники в заботе о здоровье, но не медицинские устройства. Их нельзя использовать для постановки диагноза, но они могут подсказать, когда надо обратиться к врачу.
Производители заявляют, что гаджеты достаточно точны, но предупреждают, что подозрительные или противоречивые результаты измерений стоит перепроверить у врачей. Исследования это подтверждают — иногда трекеры ошибаются, значительно искажая реальную картину.
Обычно ошибки связаны с неправильным ношением устройства. Например, для измерения пульса важно плотное прилегание в правильном месте, а для корректного подсчета сжигания калорий — точное внесение съеденного в программу.
Это не значит, что гаджеты для здоровья бесполезны или опасны. Например, они способны заподозрить коронавирусную инфекцию на ранних стадиях и помочь следить за восстановлением после болезни. А Apple Watch предупреждают о падении и мерцательной аритмии — эти возможности уже неоднократно спасали жизни людям.
По данным исследований, регулярное ношение фитнес-трекеров несет скорее позитивный эффект. Владелец видит свои достижения в измеримых величинах и может добиться большего. Главное, чтобы устройство оставалось инструментом мониторинга, а не провоцировало зависимость от контроля.
Помогают ли фитнес-трекеры заботиться о здоровье?
кардиолог, аритмолог клиники «DocMed»
Чувствительности этих устройств достаточно, чтобы оценивать пульс в покое и определять учащенное сердцебиение. У наручных часов, смартфона, тонометра — хуже, у пульсоксиметра и устройств для снятия ЭКГ — лучше. Так или иначе все они могут использоваться врачами для сбора анамнеза и диагностических данных.
Фитнес-трекеры приветствуются врачами, и наши европейские коллеги выпустили по этому поводу консенсус, который определяет, как лучше использовать информацию с умных гаджетов пациента. Для каждого устройства определена чувствительность и специфичность в оценке изменений пульса.
Выявить заболевание на ранней стадии при помощи смарт-устройств — это абсолютно реально, и довольно часто люди обращают внимание на данные с гаджетов и приходят на прием именно с вопросом про них. Диагноз на их основе поставить нельзя, но заподозрить то или иное заболевание можно.
Это хорошая практика — приносить на прием дневники давления, пульса, веса. Все эти данные помогают в диагностике и позволяют лучше мониторить состояние пациента.
Как выжать из фитнес-трекера максимум — 6 шагов
- Сформируйте список показателей, который нужен именно вам: например, пульс, ежедневная активность. Не следите за чем-то просто так — чрезмерный контроль вызывает зависимость.
- Заведите медицинскую карту в приложении и внесите актуальные данные о вашем росте, весе или заболеваниях. Необязательно указывать избыточные данные — можно обойтись базовыми параметрами.
- Изучите возможности, о которых ранее не задумывались. Оценка насыщения крови кислородом — SpO2 — может быть полезна и отдельным спортсменам, и людям, страдающим от заболеваний дыхательной системы или живущим в горах. А показания максимального потребления кислорода — VO2max — в основном нужны только профи, но будут полезны и начинающим бегунам.
- Не пренебрегайте измерением пульса. Вы можете не чувствовать учащенного сердцебиения, но в каких-то критических ситуациях трекер подскажет вам, что было бы неплохо успокоиться, или, наоборот, сообщит, что пульс слишком низкий.
- Включите функцию оценки стресса и замер окружающего шума, если эти функции предусмотрены. Это поможет лучше избегать стрессовых ситуаций, в которые вы попадаете неосознанно.
- Свяжите свой трекер с другими девайсами. В некоторых гаджетах есть модуль GPS или протокол связи ANT+, с ними трекер может синхронизироваться с навигаторами, велокомпьютерами и другим оборудованием для туризма и активного спорта.
В том числе за счёт отслеживания показателей активности и сожженных калорий (хотя бы примерно) с помощью фитнес-браслета похудел почти на 18 килограмм. Наверное фишка здесь — именно в наглядности всех показателей. Это в целом мотивирует: видишь, допустим, что прошёл 10000 шагов и потратил условные 200 калорий на тренировке — и как-то худеть приятнее и понятнее.
Была у меня забавная история со смарт-часами на тренировке. После поднятия какой-то тяжести стою и отдыхаю, смотрю на часы, а там пульс 165. Я подумал, что это странно, потому что я вообще не чувствую никакого излишнего сердцебиения. Но прямо на моих глазах пульс становится 170, 180, 190. Я все еще не чувствую ничего при этом, но немного начинаю паниковать. Мало ли, инсульт возможно тоже не сразу чувствуешь. И вот пульс уже 200, 210. Я начинаю думать, куда бы успеть перейти , чтобы падать было не больно, когда отключусь) Пульс 220, 230. Мысленно передал привет апостолу Петру.
через минуту понял, что не умираю и снял часы. Оказывалось, что это такой у них забавный глюк был. Больше никогда не смотрел на их показания во время тренировок)
темич, да, тоже пару раз ловил такой глюк на своем браслете во время тренировки — дышу спокойно, сердце явно не выпрыгивает через рот, а он показывает 190. И потом по итогам тренировки что-то типа 37 минут МПК — ну прямо как у супермена-спецназовца какого-нибудь, третий день без перерыва бегущего по пустыне )
Без нагрудного пульсометра любые часы будут показывать фигню, особенно в 4 и 5 зоне. Перешёл на Гармины пару лет назад, они лучшие в этих вопросах
Шевалье, WAHOO же.
Много лет смотрю на Garmin и каждый раз интерфейса в стиле Nokia отталкивает, как и качество сопутсвующего софта. Глядя на прайс не понимаю за что, это как Lexus с кассетным магнитофоном в 2010-x.
WAHOO всё же заморочились по удобству и стилю, а стоят дешевле.
(Со всем уважением к Garmin, наверно они правда отлично работают на необитаемых островах и в автономных месячных походах по Тибету. Я всего лишь бегаю и катаюсь по парковке/за пивом)
KIZ, мне нравится интерфейс Garmin connect. У часов по началу непривычно, но мы же русские люди, стерпится — слюбится. Плюс на старте спортиков засмеют, если нет гармина, карбоновых колес, карбоновой рамы и.т.д.
Шевалье, я [почему-то] придерживаюсь обратной точки зрения: будет неловко приехать на модном аэро-карбонии, не имея хотя бы 5W/kg.
И тебя обгонят дети на стальных крокодилах в кедах
KIZ, ну эт много. У любителей поменьше
Apple Watch нередко засчитывал мне езду на электросамокате за физическую активность, переубедить их в обратном я не смог 🙂
А алгоритмам подсчёта калорий и интерпретации других показателей типа уровня стресса я не очень верю – это скорее приятный развлекательный элемент, как случайно услышать хороший гороскоп на день. Вроде от балды придумано, а невольно улыбнёшься.
Использую Samsung watch 4, до этого были самые первые, прожили 4 года.
С часами не расстаусь почти нигде, 5 из 7 дней в неделю с ними сплю, чтобы проверить циклы и качество сна. А так же использую в зале, бассейне, при езде на велосипеде и тд.
Считаю незаменимым гаджетом.
Любрпытно, что чем активнее я становлюсь, тем сложнее мне закрыть все круги, счётчик калорий больше не считает, что я сжигаю 500ккал за 10000 шагов. Чтобы сжечь 500ккал мне теперь надо 10000 шагов и 30-40 минут активного плаванья или другой активности
"Apple Watch в таком случае предлагают вызвать экстренные службы либо сами совершают вызов, если владелец упал и не двигается в течение минуты. Функция работает в том числе и в России."
А это точная информация? При покупке своих Apple Watch многие обзорщики на Youtube утверждали, что Apple так и не договорился с Минздравом, поэтому эта функция не для нашей страны. Проверять не хочется.
Стич, можно настроить экстренный звонок жене/маме. Одобрение Минздрава для этого не нужно.
(Хотя типичная бюрократия и "лучше запретить". В РФ скорую вызывают по любому поводу и никакой оплаты для этого не предусмотрено. Впрочем и приедет она через пару дней, т.е. бессмысленные запреты компенсируются бессмысленностью существования института "скорой".
В развитых странах вызов скорой — 2-5 тысяч вечнозелёных, обоснованный вызов включён в страховку, остальное с оплатой по прайсу. Что значит: если можешь вызвать такси и доехать до госпиталя сам — вызываешь и едешь, скорая для этого не нужна. Зато сломав ногу в горах за тобой прилетит вертолёт и это покрывается страховкой)
KIZ, у нас сам в больницу приехал — тебе там скажут "чё припёрся" в 100 процентов случаев. Особенно если где то не по месту прописки. А вызовешь скорую — она привезет и госпитализируют без проблем. Даже поликлиника для госпитализации скорую вызывает, чтобы в больницу отвезти.
Йожег, скорая == социальное такси.
Только мне такая постановка задачи кажется странной?
Очевидно что всем фельдшерам в качестве карьерного роста рекомендуется переходить в Комфорт+?
KIZ, ну так меняйте бюрократию.
Для начала сделайте так, чтобы во всех больницах страны принимали приехавших туда на такси. Независимо прописан ты тут или нет.
А еще лучше институт "прописки" для начала аннулируйте — убожество, из самых плохих пожалуй. которое в наследство от СССР осталось.
Йожег, к сожалению мои взгляды не понятны большинству электората. Пока интеллектуальный уровень хотя бы среднего класса не позволяет что-либо менять и я не вижу этой возможности в обозримом будушем.
А институт прописки существует во всём мире (да, даже в США, это тот самый Billing address).
Другое ли дело связь ОМС и прописки. Да, в мире есть институт семейного врача, который имеет историю твоих болезней и прививок, но ни что не мешает обратится к любому врачу, который принимает твою страховку.
Опять же, проблема в массовом сознании о "бесплатной" медицине, в том числе самых врачей. Ничего бесплатного нет, есть страховка и её покрытие, и если врач/больница отказывается принимать твою страховку — звонить нужно в страховую. Страховая в этот момент тормозит все оплаты этому врачу, т.к. это финансовый схематоз врача, который берет деньги дважды — и со страховой и с клиента. Это повод приостановки лицензии, а возможно и судебных разбирательств и крупных финансовых претензий опять же от страховой, они это ОЧЕНЬ не любят (и да, такие случаи есть, да в России).
Так что все инструменты уже сейчас есть, вопрос в конкретных исполнителях.
KIZ, я умею качать права 🙂
Проблема в том, что я потом не стану лечиться в больнице где качал права и ломал ее через колено, даже если я на 100% в своем праве. Просто сцыкотно 🙂
Поэтому система должна работать таким образом, чтобы даже прецедентов таких не создавалось.
А пока, увы, находясь в другом регионе и нуждаясь в более-менее серьезной медицинской помощи которую я не смогу или не захочу проводить самостоятельно по советам из интернета — я буду вызывать "социальное такси" чтобы попасть в больницу.
Йожег, понимаю вашу личную позицию.
При этом система никому не должна. Мы и есть система.
И я, не смотря на распространенность, все еще не понимаю тезиса "ломать через колено" в смысле "вежливо но настойчиво просить работать по закону".
К сожалению, пока общество не поймет что системность (==законность) и есть их личное благополучие — результат останется прежним, т.е. личная коррупционная выгода превыше всего. Как ни странно этого не понимают даже прямые бенефициары в лице врачей, что открытая и честная система = их процветание. Как официанты, которые охотно берут "чаевые" и плют кто их не даёт. При этом никаких вопросов к работодателю не имеют (а именно к нему и только к нему должны быть вопросы, и всё обслуживание включается в цену и выплачивается по договору. Вот только с этого нужно налоги платить, а с "чаевых" — нет. В итоге мелочный обман налоговой ведет к стрессам, обидам и непредсказуемому заработку)
Стич, у меня в велокомпьютере стоит автоалярм если я упал или пульс пропал :-). Тупо бомбит письмами и звонить через приложение.
Стич, Эта функция работает в вотчах с самого начала только вот есть маленькая проблемка-по задумке если ты упал и лежишь без сознания они вызывают "скорую" и автоматом отправляют твои координаты в 911 используя технологию Advanced Mobile Location, но вот только наши операторы и 112 эту функцию не поддерживают, а если учитывать какой "квалифицированный" персонал там работает то твой звонок скорее всего просто сбросят если будешь молчать, а вот с ЭКГ действительно были проблемы но их уже давно решили.
Я и не говорила, что эта функция не работает. Я лишь сказала, что для России она по сути бесполезна. Скорую она не вызовет.
В гармине у меня есть пульсоксиметр — весьма точно работает. Оценка стресса тоже отличная. Body Battery — по больше части точен, но полагаться на него не следует.
Пульсометр на высоком пульсе привирает. Но в целом девайс не для этого.
KIZ, при наличии мощемера на велике лучше тренироваться по нему. А что не так с мощемерами на валу которые?
Павел, мощемер не заменитель пульсометра: пульсометр показывает состояние сердца, а мощемер — выходной результат. Например в горах итоговый коэффициент будет ниже, плюс усталость или заголодал: всегда лучше сверять телеметрию с двух сторон.
Плюс, мощемеры это €500-2000+, а нагрудный пульсометр — €50-80 условно. Странно между ними выбирать��
На валу: если имеется ввиду кареточные — всё хорошо с ними, хотя обычно все же используются встроенные в систему. А то валов много в велосипеде��
KIZ, на валу я и имел в виду встроенный в систему. Так как там датчик измеряет деформацию вала. У меня такой от FSA.
Понятно, что без пульсометра пользоваться мощеметром глупость.
Но в целом для оценки прогресса и тренировок мощеметр эффективнее, так как пульс не очень стабильный показатель.
Нехетти, после любой кардио тренировки калории продолжают сжигаться ещё несколько часов, так что это норм)
Серафима, об этом я знаю. Вопрос в другом: почему такой малый расход показывается непосредственно по окончании тренировки?
Нехетти, вот не знаю �� у меня в конце 40-минутной HIIT калорий сожжено 270-300..для меня это мало))
Фитнес-браслеты и точность измерений. Или почему у туалетной бумаги есть пульс?
В конце 2018 года интернет немножко всколыхнула волна разоблачений фитнес-трекеров, которые без зазрения совести определяли пульс у туалетной бумаги, бананов и других предметов. Причем, речь шла не только о самых дешевых китайских поделках, но и очень дорогих устройствах, включая Apple Watch и Samsung Galaxy Watch.
Множество роликов на YouTube и в соцсетях вызывали бурную реакцию у зрителей. Кто-то просто разочаровывался в носимых гаджетах, другие быстро сообразили, что все это время, оказывается, производители их обманывали, отображая случайные цифры, не имеющие никакого отношения к реальному пульсу.
Я уже давно хотел написать об этом отдельный материал, но руки все как-то не доходили. И вот на днях одна знакомая сделала репост в Facebook очередного разоблачения, на котором хорошо видно, как фитнес-трекер зафиксировал повышенное сердцебиение у туалетной бумаги! Естественно, это снова вызвало ожидаемую реакцию — сотни насмешек вперемешку с праведным гневом.
Неужели фитнес-трекеры и в самом деле показывают случайные цифры вместо пульса? А может у туалетной бумаги действительно есть сердце!?
Если вам интересно узнать ответ только на этот вопрос, можете сразу перелистывать статью в самый конец, а для всех остальных я расскажу о том, как вообще трекеры измеряют пульс, могут ли они измерять артериальное давление и почему не делают этого.
Надеюсь, после прочтения этой статьи вы узнаете много нового и интересного о фитнес-браслетах!
Как фитнес-браслеты и умные часы определяют пульс?
Все мы прекрасно понимаем, что у этих устройств нет маленьких ушей, которые бы прослушивали сердечный ритм или пальчиков, которые бы могли прощупать пульс.
Вместо этого они используют небольшие лампочки (светодиоды), излучающие свет определенной волны и один фотодиод (грубо говоря, миниатюрную фотокамеру).
Принцип работы такого устройства до безобразия прост! Лампочка импульсами подает свет, который проходит сквозь кожу, рассеиваясь и поглощаясь кровью и тканями. Оставшийся свет отражается от кости и возвращается назад, попадая на фотодиод:
И как, спросите вы, с помощью всего этого можно определить пульс? На самом деле, таким образом можно определить не только пульс, но и узнать много другой полезной информации о работе сердца и других органов.
Дело в том, что степень поглощения света зависит от количества крови в сосудах. Чем больше крови — тем больше света будет поглощено, соответственно, тем меньше света вернется на сенсор браслета.
Так вот, количество крови в сосудах постоянно меняется. При сокращении сердце перекачивает кровь, повышая давление в сосудах и расширяя их. А когда сердечная мышца расслабляется, давление снижается и сосуды сужаются. Таким образом, появляются пульсовые волны. То есть, кровь по артериям распространяется будто волны, то усиливаясь, то затухая. Именно эти волны мы и привыкли видеть на всевозможных графиках пульса:
Получается, подавая световые импульсы с высокой частотой, а затем анализируя отраженный свет, мы можем, по сути, регистрировать объем крови в сосудах каждую долю секунды. И соответственно, рисовать пульсовые волны.
Такой метод называется PPG (фотоплетизмограмма) и используется он во всех без исключения фитнес-браслетах и умных часах. Но, как я уже сказал выше, этим способом можно определить не только пульс. В идеале, фотоплетизмограмма способна показать следующую информацию:
По большому счету, анализируя только фотоплетизмограмму, снятую при помощи лампочек и фотодиода, можно даже определять наличие некоторых заболеваний, вроде атеросклероза или сахарного диабета. Например, при атеросклерозе увеличивается интервал между началом волны и максимальным расширением сосуда, а также сама вершина на графике смещается немножко в сторону:
При сахарном диабете на графике исчезает дикротический зубец или, проще говоря, небольшой подъем волны, который должен следовать сразу после спада основной волны. График становится острым и рваным:
И да, с помощью обычного фитнес-трекера можно измерять даже артериальное давление — то, для чего обычно используется специальный прибор с манжетой (сфигмоманометр или, как его чаще называют, тонометр).
Чтобы проще было все это понять, приведу пример идеальной фотоплетизмограммы (вернее, пульсовой волны), на которой отмечены основные показатели:
Конечно, всё не так просто и прямолинейно, однако, имея только пульсовую волну, полученную с помощью лампочек и фотодиода, можно действительно определить множество важных показателей.
Так почему же тогда фитнес-браслеты до сих пор еще не заменили специализированные медицинские приборы? И почему ни один популярный фитнес-трекер не измеряет, например, артериальное давление?
Несколько слов о точности измерений
В интернете сложился стереотип, будто фитнес-трекеры — это побрякушка, которой вообще нельзя доверять. Случилось это не на пустом месте. Лет 10 назад, когда эти устройства только стали появляться на рынке, многие пользователи и профессиональные обозреватели на личном опыте убедились, насколько неточными являются полученные результаты.
Как уже было сказано выше, принцип работы PPG очень прост. Также и анализ пульсовой волны не является чем-то сверхсложным. Но проблема заключается именно в получении той самой пульсовой волны с помощью PPG-датчика.
Мы рассматривали лишь теорию, идеальные сценарии. А на практике вместо линий пульсовой волны браслет получает крайне зашумленный сигнал. Найти среди этого шума нужную нам информацию — невероятно сложная задача.
Среди основных источников помех можно отметить следующие:
- Внешнее освещение от солнца или ламп. Часть такого света может попадать на фотодиод, внося искажения.
- Помехи, связанные с движением. Это один из главных источников помех, с которым раньше не справлялся ни один трекер, поэтому и рекомендовалось замерять пульс только в состоянии покоя. Возможно, вы не раз сталкивались с такой проблемой: при ходьбе пульс определяется нормально, но как только начинаете пробежку, пульс медленно поднимается, а затем подскакивает вверх и держится на высоком уровне. Реальный пульс не превышает 110 ударов, а на браслете отображается 160. Просто датчик теряет пульсовую волну и цепляется за другой ритмичный сигнал, вызываемый шагами. Как результат, вместо пульса 110 ударов/минуту браслет начинает отображать 160 шагов/минуту, выдавая это за пульс.
- Цвет кожи, татуировки, волосы, загар. Все это также оказывает определенное влияние на поглощение и отражение света, излучаемого светодиодами. Например, чем темнее кожа, тем сильнее она поглощает зеленый свет.
- Расположение датчика. По иронии судьбы, именно запястье является одним из худших расположений для получения точной фотоплетизмограммы. Здесь очень много источников оптического шума (мышцы, сухожилия, кости).
Среди всего этого шума и помех очень тяжело выделить пульсовую волну. Само движение может внести столько шума, что лишь одна тысячная доля света, собранная сенсором, будет содержать фактические данные о пульсе, а все остальное — бесполезный сигнал.
Тем не менее, современные фитнес-браслеты сегодня выдают очень неплохой результат. Делая обзоры на последние модели смарт-часов от Apple, Samsung или Huawei, во время занятий на беговой дорожке я не увидел заметной разницы между их показаниями и данными нагрудного датчика.
У меня нет на руках самых последних научных исследований в этой области, но даже те исследования, что проводились несколько лет назад, подтверждают просто феноменальную точность фитнес-трекеров. К примеру, в исследовании за 2017 год, опубликованном в журнале Journal of Personalized Medicine, говорится о том, что фитнес-браслеты и смарт-часы определяют пульс во время занятий на велотренажере с погрешностью от 0.9 до 2.7%! Примерно такая же ситуация обстоит и с бегом, ходьбой или просто в состоянии покоя:
На этом графике только одно устройство (Basis Peak — на графике зеленым цветом) показывает очень большую погрешность во время ходьбы. Все остальные практически полностью совпадают с показаниями электрокардиограммы. Стоит отметить, что в этом исследовании приняло участие 60 человек разного возраста, роста, веса, цвета кожи и уровня физической активности.
В скором времени трекеры начнут измерять и артериальное давление без какой-либо дополнительной калибровки с использованием тонометра. Первые устройства должны появиться на рынке уже в этом году, так как сама технология прошла успешные испытания и полностью соответствует стандарту ISO 81060-2:2018.
Все дело в том, что за последние 5 лет улучшились не только точность и количество самих датчиков, но и заметно возросло качество алгоритмов. В частности, машинное обучение и нейросети, совершающие революцию в области мобильной фотографии, добрались и до фитнес-трекеров.
Браслеты очень активно используют показания акселерометра и гироскопа, чтобы точно фиксировать любое движение и вычитать создаваемый таким образом шум из общего сигнала.
Огромную роль в «очистке» сигнала от шума играет машинное обучение. Производители проводят целый ряд замеров одновременно браслетом и нагрудным датчиком в состоянии покоя, а также во время занятий спортом. Затем эти данные загружаются в нейросеть и искусственный интеллект, анализируя показания электрокардиограммы, пытается увидеть закономерности в фотоплетизмограмме, полученной с PGG-датчика. Таким образом, нейросеть учится (довольно успешно) выделять из зашумленного набора данных нужный сигнал — пульсовую волну.
Поэтому не стоит пренебрежительно относиться к этим устройствам. Новые браслеты и часы будут все точнее определять жизненно важные показатели, научатся измерять давление и даже предупреждать о возможных проблемах со здоровьем. И этот прогресс происходит на наших глазах.
Но все же, что делать с туалетной бумагой?
Почему фитнес-браслеты определяют пульс у туалетной бумаги, бананов или колбасы?
Если вы полностью прочитали эту статью, то понимаете, что браслет не работает с пульсом, как таковым. Он лишь анализирует свет, излучаемый светодиодом и попадающий на сенсор.
Когда мы прикладываем некоторые фитнес-браслеты к туалетной бумаге, банану или любому другому предмету, они могут продолжать работать в штатном режиме.
Свет, излучаемый зеленой лампочкой, проходит сквозь бумагу, часть его рассеивается, часть отражается и возвращается на датчик. В зависимости от предмета, уровень поглощения или отражения света может отличаться. Это не имеет большого значения. Важно лишь то, что в итоге определенное количество света все же вернется и попадет на фотодиод.
Затем устройство попытается среди всего шума (а по сути, весь свет в этом случае и будет шумом) найти хоть какой-то циклический ритмичный сигнал, напоминающий пульсацию крови. Здесь во внимание берется всё, начиная от мерцающей в комнате лампочки и заканчивая микро-вибрациями от бытовой техники или рук. Буквально всё, что может хоть отдаленно напоминать ритмичный сигнал, будет многократно усилено и интерпретировано, как пульс.
Значит ли это, что показаниям фитнес-браслетов нельзя доверять? Конечно же, нет! Как только вы наденете браслет на руку, он моментально поймает реальную пульсовую волну и с высокой точностью определит ваш пульс.