Ixzi.ru

Датчик сердечного ритма: особенности работы и применения

Нагрудный пульсометр: устройство, принцип действия и верный выбор

Нагрудный пульсометр — это классический вариант портативного монитора частоты сердечных сокращений. Он состоит из датчика, крепящегося на груди на эластичном ремне, и приемника, который чаще всего бывает выполнен в виде часов и располагается на запястье.

Рассмотрим плюсы и минусы таких пульсометров и разберемся, как выбрать среди множества моделей подходящий вариант для себя.

Кому нужен

Эти устройства могут быть незаменимы:

  • для профессиональных спортсменов и спортсменов-любителей, которые хотят заниматься с максимальной отдачей;
  • для всех, кто хочет сбросить лишний вес;
  • для людей с сердечными заболеваниями.

В этом случае они выполняют две основные функции:

Позволяют контролировать нагрузку: при тренировках в циклических видах спорта для каждого спортсмена существует определенный пульсовой коридор — например, от 150 до 180 ударов в минуту — заниматься в котором наиболее эффективно.

Во время занятий спортсмен с помощью пульсометра отслеживает частоту сердечных сокращений. Если она выходит за пределы этого коридора — становится слишком низкой или слишком высокой — это значит, что необходимо прибавить или снизить темп.

Позволяют отслеживать прогресс. Если спортсмен только начинает заниматься спортом, физическая активность вызывает большое повышение пульса. Со временем организм будет становиться все более и более тренированным, и при тех же нагрузках частота сердечных сокращений будет увеличиваться незначительно.

Для того чтобы похудеть, нужно заниматься все теми же циклическими видами спорта или выполнять физические упражнения с отягощениями с малой нагрузкой, но высокой интенсивностью. При этом также нужно следить, чтобы пульс во время занятий держался в определенном коридоре — не был ни слишком большим, ни слишком маленьким.

При заболеваниях сердца физическая активность также может быть очень полезной. Разумеется, начинать заниматься спортом можно только после консультации с врачом, и тренироваться надо с осторожностью. При этом также необходимо контролировать пульс, следя за тем, чтобы он не повышался слишком сильно. В этом случае занятия не нанесут вреда организму, а будут только полезны.

Кроме того, прибор дает возможность следить за частотой сердечных сокращений в течение дня, чтобы получить полную картину активности сердца.

Что же это за прибор, как он появился и для чего нужен, как рассчитать необходимый пульсовый коридор — узнайте все из видео:

Как работает

Датчик, который определяет частоту сердечных сокращений, крепится на груди при помощи специального эластичного ремня. Расположенные на нем электроды при этом обычно смачиваются водой или покрываются специальным гелем — это обеспечивает им хороший контакт с кожей.

Датчик передает сигнал на приемник, который отображает частоту сердечных сокращений. Передача сигнала осуществляется в аналоговом или цифровом виде.

При этом нагрудные пульсометры различаются по типу приемника. Его роль могут выполнять:

  • специальный запястный приемник;
  • gps-навигатор;
  • велокомпьютер;
  • смартфон;
  • умные часы или браслет.

Плюсы и минусы

Основные альтернативы пульсометрам с нагрудным датчиком — модели со встроенным датчиком (запястный пульсометр) и модели с датчиком пульсации крови (крепится на палец или на мочку уха).

Основное преимущество нагрудного пульсометра — точность измерений. Он качественно измеряет частоту сердечных сокращений в любой ситуации — независимо от того, находитесь ли вы в покое, заняты легкой физической работой или активно занимаетесь спортом.

Второй важный плюс прибора с нагрудным датчиком — не нужно предпринимать никаких дополнительных действий, чтобы измерить пульс: ЧСС всегда отображается на экране приемника. А вот для того, чтобы узнать пульс на некоторых запястных пульсометрах, нужно положить на электроды такого прибора вторую руку — во время тренировки это может быть затруднительно.

Есть у нагрудных пульсометров и два важных недостатка:

  • датчик может вызывать неудобство во время ношения;
  • сложность использования: для того чтобы начать пользоваться нагрудным пульсометром, необходимо не только надеть на руку приемник, но и закрепить датчик.

Как правильно выбрать

Если три основных момента, на которые стоит обратить внимание при покупке монитора частоты сердечных сокращений с нагрудным датчиком:

  • компания-производитель: при покупке первого пульсометра имеет смысл остановиться на моделях известных и проверенных производителей, таких как Polar, Sigma, Beurer или Suunto;
  • дополнительные функции: практически все пульсометры помимо измерения ЧСС имеют дополнительные функции, поэтому стоит выбрать прибор с характеристиками, которые устроят именно вас;
  • длина ремня: для людей с избыточным весом длины стандартного ремня может не хватить, эта проблема встречается не так часто, однако данный момент тоже нужно учесть.

Дополнительные функции

К стандартным дополнительным функциям пульсометров на грудь относятся:

  • часы;
  • таймер и секундомер — полезная функция при занятиях спортом;
  • шагомер;
  • возможность задать требуемую пульсовую зону — можно указать нижнюю и верхнюю границу требуемого пульсового коридора, при выходе из него прибор будет подавать звуковой сигнал;
  • ведение статистики тренировок;
  • калькулятор индекса массы тела;
  • калькулятор сожженных калорий;
  • измерение интенсивности и частоты дыхания.

Больше полезного о выборе подходящего устройства смотрите на видео:

Нюансы использования

Если вы купили самый простой прибор с приемником в виде часов, все, что вам нужно сделать — закрепить датчик на груди и надеть приемник на руку. После этого на экране сразу отобразится ЧСС. Также понадобится выставить дату и время и произвести другие необходимые настройки.

Популярные модели

Torneo H-102

Недорогой сердечный монитор с функцией подсчета времени тренировки и счетчиком потраченных калорий. Издает звуковой сигнал при выходе из установленного пульсового коридора.

В памяти можно сохранять данные о тренировках. Есть встроенная подсветка, которая позволяет заниматься в сумерках или в темноте.

Polar FT4

Эта модель стоит в два раза дороже предыдущей и отличается в лучшую сторону как по функциональности, так и по качеству изготовления.

Среди всего прочего, FT4 издает звуковой сигнал при выходе из нужного пульсового коридора, подсчитывает количество потраченных калорий, отображает данные об изменениях показателей занимающегося в виде графиков. Прибор можно использовать под водой. Этот сердечный монитор отличается хорошим соотношением качества и цены и пользуется большой популярностью.

Garmin Forerunner 610 HRM

Устройство топового уровня для тех, кому нужны максимальный функционал и максимальная надежность.

Среди интересных особенностей — возможность зарядки через USB-порт, GPS, наличие вибросигнала в дополнение к звуковому сигналу и превосходный дизайн.

Ответы на часто задаваемые вопросы

    Сколько стоит монитор частоты сердечных сокращений с нагрудным датчиком?

Эти устройства стоят сегодня от 2500 до 50000 руб. Средняя цена надежного прибора со всем необходимыми функциями — от 5000 до 15000 руб., при этом большинство простых моделей по цене от 3000 до 5000 руб. корректно определяют ЧСС и обладают дополнительными функциями, что делает их хорошей покупкой для всех, кто хочет избежать лишних затрат.
Что идет в комплекте?

Стандартная комплектация — датчик, приемник, инструкция и гарантийный талон.

При покупке обратите внимание на срок гарантии — обычно он составляет от 12 до 24 месяцев.

Приборы с гарантией менее года покупать не стоит. Также при покупке необходимо уточнить, идут ли в комплекте элементы питания, если нет — сразу их приобрести.
В чем разница между дешевыми и дорогими моделями?

Стоимость устройства зависит от нескольких факторов — раскрученности бренда, функциональности и качества изготовления. Дорогие приборы обычно обладают большим количеством дополнительных возможностей, но в том случае, если вас они не интересуют, и покупать такой прибор необязательно.
Какие меры предосторожности нужно соблюдать при использовании устройства?

Перед применением стоит ознакомиться с инструкцией. Уточните, является ли прибор водозащищенным или нет — пульсометры с защитой от воды можно использовать для плавания, в том случае, если защиты нет, делать этого, разумеется, нельзя. В остальном никаких особых предосторожностей не требуется.

С помощью правильно подобранного пульсометра вы всегда сможете следить за частотой сердечных сокращений. В зависимости от ваших целей и задач этот прибор позволит вам либо эффективно заниматься спортом и сжигать жир, либо следить за активностью сердца во время тренировок и в повседневной жизни, чтобы не дать ему чрезмерно большой нагрузки.

Читать еще:  Почему болит слева в грудной клетке при вдохе

Оптические датчики сердечного ритма. Простой кардиомонитор

Одним из востребованных направлений электроники является медицинская электроника. Данный класс электроники реализует диагностические и лечебные аппараты, решающие какие-либо медико-биологические задачи. Также для медицинской электроники свойственна большая точность и стабильность, так как от этой техники часто зависит жизнь человека.

Болезни сердечно-сосудистой системы на сегодняшний день являются наиболее часто встречающимися болезнями у человека после кариеса. Заболевания сердечно-сосудистой системы могут быть опасны не только для больного, но и для окружающих в те моменты, когда он управляет техникой или в других ситуациях, связанных с выполнением каких-либо ответственных действий.

Начиная с максимально простого и доступного, состояние здоровья сердца и сердечно-сосудистой системы можно определять по частоте сердечных сокращений или по пульсу. Пульс — это важнейший показатель качества физиологических процессов в организме, позволяющий судить о здоровом состоянии организма и его тренированности, о различных заболеваниях организма, причем не только сердца, но и других органов и систем. Пульс — это толчок крови в сосудах при сокращении сердца, производящий колебания стенок кровеносных сосудов. Пульс характеризуется следующими пара метрами: частота, ритм, напряжение и наполнение.

Возвращаясь к электронике, измерить пульс можно разными способами: при помощи оптопары (светодиод, фотодиод) на просвет части тела или на отражение, при помощи микрофонной техники, при помощи измерения электрической активности сердечной мышцы (ЭКГ), при помощи пьезодатчиков и даже по видеоизображению лица в новейших разработках и др.

Одним из самых распространенных и недорогих способов является оптический метод, который при должном подходе может давать достаточно точный результат. В самом простом варианте можно использовать светодиод и фотодиод, с последнего просто снимается сигнал. При сокращении сердца кровь по сосудам движется неравномерно в зависимости от работы сердца и сосудов. В соответствии с этой неравномерностью будет изменяться отраженный или просвечивающий сигнал от светодиода на фотодиоде. Усилив этот сигнал можно получить не только количество сокращений сердца по амплитудам сигнала, но и приблизительную кардиограмму.

Такие датчики в продаже можно найти нескольких исполнений от простейшей пары светодиод – фотодиод, до модулей с усилением и фильтрацией сигнала. Примером последнего является датчик pulsesensor.com, который мы будем сегодня использовать.

Технические характеристики датчика пульса:

  • Напряжение питания от 3 до 5 В
  • Ток потребления при напряжении питания примерно 2 мА
  • Диаметр модуля 16 мм
  • Тип выходного сигнала аналоговый
  • Способ детектирования сердечных сокращений по отраженному сигналу

Подключив питание к этому датчику, с выходного контакта при помощи осциллографа можно получить приблизительную кардиограмму и по временному промежутку между пиками определить частоту пульса.

В качестве минусов данного метода необходимо отметить, что для получения стабильного результата нужно прикладывать датчик к пальцу с некоторым позиционированием и определенной силой прижатия (не сильно, но и не слабо), аналогично для мочки уха и шеи (т.к. на шее располагаются крупные артерии, именно там получается самый четкий результат). Также при измерении любое движение будет искажать результат. При использовании схема должна быть защищена от контакта с другими проводящими объектами, чтобы не допустить искажения и ослабления сигнала.

Однако использование осциллографа не всегда удобно или возможно, поэтому попробуем собрать самостоятельно простейший кардиомонитор.

Схема построена на базе микроконтроллера STM32F103C8T6. В качестве индикатора используется TFT LCD дисплей разрешением 240х320 c интерфейсом SPI на базе контроллера ILI9341. Питание схемы 3,3 В (при питании 3,3 В дисплей будет работать), что позволяет использовать Li-ion аккумуляторы при некоторой модернизации схемы для мобильности и безопасности устройства. Датчик пульса подключается к нулевому каналу АЦП1 микроконтроллера. Аналогично осциллографу по измерениям АЦП строится график на экране дисплея. По значению времени между пиками (отмеряется таймером микроконтроллера) кардиограммы определяем частоту пульса в единицу времени. Каждую миллисекунду происходит прерывание, в котором отсчитывается количество миллисекунд между пиками кардиограммы, то есть период. Для перевода в значение сердечных сокращений в минуту применяем формулу:

На экране устройства отображается приблизительная кардиограмма, получаемая с помощью датчика пульса и рассчитанное значение пульса в ударах в минуту. Таким образом, получаем простой недорогой кардиомонитор, функционал которого можно дорабатывать и дополнять.

Итак, получив данные о сердечных сокращениях, можно судить о здоровье следующим образом. У среднестатистического взрослого человека нормальный пульс составляет 60-80 ударов в минуту. У спортсменов это значение значительно ниже и более стабильно при физических нагрузках. У женщин обычно пульс чаще, а у детей в зависимости от возраста значительно чаще, чем у взрослых. Необходимо отметить, что учащение пульса возникает при физической нагрузке, при нервном напряжении, курении, потреблении чая, кофе и алкогольных напитков. Измерьте пульс в то время, когда вас посетили волнения и нервное напряжение. По величине отклонения пульса можно определить, что у вас уже имеется невроз. Наиболее нервные люди, часто волнуясь по пустякам, напрягают свою нервную систему, и тут же сердце реагирует учащенным пульсом, а сосудистая система — увеличением артериального давления. Вначале у таких людей появляется сердечно-сосудистая дистония, невроз сердца, а затем наступают серьезные заболевания сердечно-сосудистой системы. Если ваш пульс реагирует учащением на мелкие неприятности, то необходимо срочно дать отдых организму и заняться собственным оздоровлением. Учащение пульса более 100 ударов в минуту называется тахикардией и требует к себе особого внимания. По этому поводу вы обязательно должны показаться врачу. Понижение пульса до значения ниже 50 ударов в минуту называется брадикардией и также требует к себе особого внимания. По этому поводу вы обязательно должны показаться врачу, если только вы не являетесь спортсменом или не практикуете йогу. При сердечной недостаточности пульс очень медленный и слабый. Сердечная недостаточность требует обязательного вызова врача.

Ритм пульса определяется интервалами между отдельными пульсовыми ударами. У здорового человека пульсовые временные интервалы всегда одинаковы. Аритмия – это неправильность пульса, характеризуемая неодинаковыми интервалами. Неритмичный пульс может иметь несколько разновидностей. Экстрасистолия – это аритмия, связанная с появлением на интервале лишнего удара. Мерцательная аритмия характеризуется беспорядочностью пульса. Пароксизмальная тахикардия — это внезапное сильное сердцебиение.

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

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.

Читать еще:  Облепиховые свечи от геморроя при беременности

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.

Дела сердечные: как современные гаджеты измеряют пульс

Есть датчики, которые отслеживают кровенаполнение сосудов расположенных в руке — фотоплетизмограмму. Классика — датчик на пальце, пульсометр. То, как свет проникает сквозь палец можно увидеть, если, например, приложить его на обратную поверхность компьютерной мышки, в область сенсора. Этот свет имеет малые пульсации, связанные с сердечным ритмом, которые при определенной сноровке можно заметить даже невооруженным глазом.

Свет регистрируется фотодиодом, по сути, светочувствительной однопиксельной камерой с большим пикселем, который снимает показатели 25−100 раз в секунду. Естественный световой поток от пальца сигнал получается очень слабым и шумным, потому для подсветки используется светодиод.

Принцип снятия PPG с пальца

Со временем возникла идея использовать пульсометр в часах, с датчиком в районе запястья. Проблема в том, что снимать сигнал с запястья гораздо хуже, чем с пальца. С пальца мы берем свет, который пропускается через объект, а на запястье — который отражается (т.к. толщина запястья намного больше пальца и для просвета нужен очень мощный источник). Кроме того, палец является «терминальной точкой» распространения пульсовой волны. Это значит, что волна отражается от кончика пальца и потому именно на этом кончике хорошо видна. Для отражения лучше использовать свет зеленого цвета, поскольку именно он дает оптимальное соотношение глубины проникновения и отражения. Синий почти не проникает под кожу, а красный и инфракрасный, наоборот проникают слишком глубоко и одновременно захватывает сосудистые русла, в которых пульсовые волны распространяются по разному. Как следствие, сигнал получается более шумным.

Читать еще:  Станины препарат для снижения холестерина отзывы

Распространение света под кожу

Отдельная история с людьми с черной кожей. Из-за большого поглощения приходится или увеличивать мощность подсветки (что повышает энергопотребление) или использовать «более красный» источник. В часах Huawei применяется инфракрасный светодиод, что дает более шумный сигнал по отношению с зеленому сигналу, снятому с человека со светлой кожей. Для измерения пульса по фотоплетизмограмме (ФПГ) выделяют отдельные периоды и считают число пиков на сигнале, что не всегда возможно. Во‑первых, сигнал отражает колебания в кровеносном сосуде весьма плохо, накладываются различные артефакты в виде дыхательных волн и отражения от неоднородностей. Во‑вторых, и это главное, использование наручных часов — активный процесс весьма и в сигнал вмешиваются движения человека, которые «забивают» полезный сигнал пульса. Кроме того, частоты движения и частоты сердечных сокращений весьма близки, что не позволяет применять методы простого частотного разделения. А раз так, то появляется необходимость в использовании «умного» алгоритма.

Форма сигнала пульсовой волны PPG

Кроме, оптического, в часах и механические датчики, такие как акселерометр и гироскоп. Акселерометр, или датчик линейных ускорений, измеряет по трем осям перегрузки, которым подвергаются часы. Например, благодаря акселерометру наш смартфон считает шаги и чувствует, что его перевернули, меняя ориентацию картинки на экране. Но при перемещении рук на часы может действовать перегрузка в несколько раз превышающая g, кровь в сосудах подвергается значительным возмущениям, что прямо отражается на сигнале ФПГ.

Вторым важным датчиком является датчик угловых скоростей или гироскоп, который фиксирует вращательные движения. По вращательным движениям и акселерометру и определяется изменение положения часов в пространстве. Мы можем записывать показания гироскопа и акселерометра одновременно и использовать их при анализе сигнала ФПГ. Акселерометр — пассивный датчик, потребляющий минимум энергии. Его можно сравнить с пружиной и шариком на конце, где для измерения ускорения достаточно просто «прочитать» показания удлинения пружины. Гироскоп — датчик активный и для его работы требуется больше энергии, поскольку в нем содержатся движущиеся части — колеблющаяся пластина, параметры колебания которой жестко связаны с угловыми скоростями датчика. Потому, для экономии аккумулятора, гироскоп не используют непрерывно.

Показания с трех осей акселерометра во время бега

Если вы пользуетесь фитнес-трекерами, то знаете два режима «снятия» пульса — с состоянии покоя и в движении. Первый требует от пользователя практически не двигаться, но точно считает каждый удар и время между соседними сердечными сокращениями. Этот алгоритм используется в состоянии покоя и во сне. Интересно, что в ночном режиме трекеры переходят на инфракрасную подсветку, которая не видна человеческому глазу и не мешает во время сна, как зеленая. Гораздо сложнее второй случай, когда приходится измерять пульс в условиях сильных механических возмущений. Уровень сигнала сердца становится очень малым на фоне помех движения и считать каждый кардиоимпульс отдельно на кривой сигнала становится неподъемной задачей.

Подсчет каждого пика на сигнале PPG

Такой сигнал рассматривается в частотной области. Для частотного представления используется математическое преобразование Фурье, результатом которого является спектр сигнала. Если применять преобразование Фурье к относительно небольшим временным «окнам», то можно увидеть эволюцию спектра во времени, которая называется спектрограммой. Спектрограмма хороша тем, что на ней становится различима «нить» пульса. На картинке в реальном смысле этого слова видна прямая линия, совпадающая с пульсом и похожая на нить. Однако, нить различима далеко не всегда, т.к. накладывается очень много нежелательных шумов. Самые большие шумы в этой картинке, как правило, шумы движения. Их интенсивность может многократно превосходить интенсивность пульса. Для подавления частот движения используются фильтры, получающие сигналы с акселерометров, и пульс перестает теряться среди множества гармоник движения.

Спектрограммы PPG и акселерометра (ACC)

Самое интересное — придумать алгоритм, который бы находил нити на спектрограмме и следил за их изменением. Если частота ушла вверх, то фильтр должен перестроиться на более высокочастотный лад, если вниз — низкочастотный. Для этого применяется математика из теории следящих адаптивных систем. Как следствие, наилучшие результаты достигаются в условиях, когда движения периодичны и очень стабильны. К таковым можно, прежде всего, отнести активность на беговой дорожке. Наоборот, в условиях со слабой периодичностью движений (например, активные игры) не удается добиться таких высоких показателей.

В современных часах и трекерах есть функция распознавания активностей — бег, ходьба, езда на велосипеде, плавание Все эти активности характеризуются определенным ритмом и, как следствие, интенсивностью физических нагрузок. Чем выше нагрузка — тем выше частота сердечных сокращений. Таким образом, мы приходим к одной из ключевых технологий Huawei — к технологии умного предсказания пульса, где используются сложные модели поведения пульса в разных ситуациях. Очевидно, например, что при одинаковой интенсивности ходьбы и бега будут разные отклики частоты сердечных сокращений. Кроме того, при разной тренированности разные люди показывают разные результаты. Так, например, для велосипедной активности у нас алгоритм работает не так, как при ходьбе или беге, поскольку сложный сигнал движения очень легко маскируется под пульс, ибо руки приходится держать на руле и интенсивность крайне мала. Возникает множество случайных помех от неровностей на дороге. Плюс возможно изгибание кистей рук на руле, что приводит к движению часов на запястье. Типовых примеров достаточно много и со всеми приходится иметь дело и уметь их обрабатывать.

Спектрограмма PPG с гармониками движения

Если для самых простых случаев можно попробовать создать модель поведения частоты сердечных сокращений, то для сложных это становится практически невозможно. Но сегодня мы живем в век искусственного интеллекта и компьютерные алгоритмы способны сами создавать сложные математические модели. Именно благодаря алгоритмам машинного обучения и нейросетям нам удается решать задачу оценки пульса с достаточной для любительских задач точностью.

Так, например, можно менять параметры модели в зависимости от пола, возраста, массы тела а также образа жизни человека — вся эта информация содержится в смартфоне. Эти знания могут сделать алгоритм распознавания точнее. Кроме того, можно примерно оценивать как сердечно-сосудистая система откликается на физические нагрузки и вносить изменения в алгоритм «на лету». Именно в этом состоит суть адаптивного алгоритма. Но здесь важно не преувеличивать важность модели и доверять ей только тогда, когда уверенность в достоверности ее результатов высокая. Сделать алгоритм, в котором оптимально сочетаются способности к предсказыванию и оценка реальной измерительной ситуации — достаточно непростая задача. Для её решения приходится применять искусственный интеллект — рекуррентную (сеть с обратными связями) нейронную сеть, которая учится обобщать различные состояния, в которых находится пользователь часов и предсказывать пульс в зависимости от состояния датчиков.

Умный алгоритм оценки ЧСС в часах Huawei

Для обучения нейросети нужны обучающие данные — датасеты. Для сбора этих данных привлекаются разные группы людей, которые выполняют задания имитирующие типовые сценарии поведения с надетыми часами. С датчиков собираются «сырые» данные. Точные данные по пульсу получают с нагрудных пульсометров, регистрирующие электрическую активность сердца (ЭКГ). Наше сердце генерирует очень мощные электрические импульсы, что позволяет регистрировать их очень надежно, но ношение нагрудного ремня очень не удобно. Именно поэтому датчик пульса встроенный в часы пользуется такой популярностью, ибо позволяет привычный предмет, изначально предназначенный только лишь для измерения времени, использовать с гораздо большей эффективностью.

Следует отметить, что точность определения пульса по оптическому датчику ФПГ всегда будет ниже, чем точность нагрудного датчика ЭКГ. В том числе потому, что именно нагрудный датчик служит эталоном для датчика пульса, а не наоборот. Естественно, если вы профессиональный спортсмен и тренируетесь для взятия пьедестала на Олимпийских играх, то нужно пользоваться максимально точными инструментами. Если ваши запросы несколько скромнее то, для большинства практических бытовых задач оптического метода, используемого в умных часах Huawei, вполне достаточно.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector