ppg датчик что это
Обзор: Почему гаджеты измеряют пульс у туалетной бумаги? Сравниваем различные гаджеты
Мы решили разобраться с тем, что происходит на самом деле, получить консультации экспертов и провести расширенный тест с участием нескольких гаджетов.
Что у нас получилось, узнаем далее!
Началось все из-за самого известного фитнес-трекера Xiaomi Mi Band 3. Пользователи выяснили, что датчик сердечного ритма бюджетного фитнес-трекера был каким-то образом способен считывать сердечный ритм, привязанный к рулону туалетной бумаги. Как такое возможно, не понятно.
И вот, мы решили понять, каким образом это происходит и какие гаджеты помимо Mi Band 3 на это способны.
Garmin Forerunner 935
Начали с гаджета для профессиональных спортсменов. Любители триатлона наверняка прекрасно знают эти смарт-часы. И к нашему приятному удивлению, Forerunner 935 нас не подвел! Сколько бы раз мы не пытались осуществить измерение, ничего не получилось.
FITBIT VERSA
Гаджет от Fitbit отнесся к рулону туалетной бумаги прохладно. Наши попытки провести измерения и получить хотя бы какой-то результат, не увенчались успехом. Отличная работа, Fitbit!
Samsung Galaxy Watch, как и Fitbit Versa, провести не удалось. Как только мы надели умные часы корейского производителя на рулон туалетной бумаги и застегнули ремешок, гаджет отказался измерять пульс, предлагая очистить сенсор и плотнее застегнуть смарт-часы. Отличный показатель!
Apple Watch Series 4
В этом весьма интересном тесте, новые умные часы от яблочной компании нас удивили. И причем удивление это было неприятным. Тест показал значения пульса у туалетной бумаги от 29 до 176 ударов в минуту за несколько измерений. Неожиданно.
О том, что более бюджетные гаджеты спокойно находят сердцебиение у туалетной бумаги мы уже писали ранее.
А теперь немного теории: почему это происходит?
После завершения экперимента становится понятно, что проблема не только у гаджетов Xiaomi.
Теперь постараемся разобраться, почему оптический датчик, встроенный в носимые гаджеты, так легко обмануть?
«Что происходит, когда датчик не может установить сигнал от кровотока? Датчик начинает искать любые похожие сигналы. И может принять за кровоток все, что угодно: микроскопические мерцания света, не заметные человеку вибрации от электроприборов или блоков питания, расположенных рядом. То есть можно положить датчик на неодушевленный предмет и он где-нибудь найдет световой сигнал».
Чтобы избежать недостоверности, подобные датчики постоянно определяют сигналы кровотока, просвечивая кожу пользователя зеленым светом. И когда гаджет снят с запястья, датчик все время пытается найти сигнал.
Также, по объяснениям доктора, подобная проблема касается лишь датчиков PPG, в связи с тем, что технология основана на свете. Напротив, технология ЭКГ лишена подобного недостатка, так как основана на электропроводности.
Так ли это важно?
Так что, если гаджет используется для фитнеса, то здесь не должно возникнуть вопросов. Однако, если гаджет используется как медицинское устройство и речь потенциально может идти о жизни пользователя, критично важно, чтобы гаджет понимал, находится ли он на запястье или нет!
Как работает ЭКГ в умных часах и других гаджетах
Что нужно знать о технологиях отслеживания здоровья с помощью носимой электроники.
Обновление: февраль 2021г.
Что такое ЭКГ?
Большинство носимых устройств на рынке в настоящее время имеют оптические датчики сердечного ритма. Это датчики, которые используют мигающие светодиоды для проникновения под кожу и обнаружения кровотока. Когда излучаемый датчиком свет отражается от потока крови, он фиксируется самими датчиками. Затем, с помощью собственного алгоритма гаджет вычисляет данные о частоте сердечных сокращений. Но этот способ измерения не так точен, как должен быть при необходимости медицинского измерения.
Поэтому разработчики обратили внимание на ЭКГ. Вместо того, чтобы измерять кровоток, ЭКГ предназначен для измерения качества работы сердца.
Это название прибора, который часто можно услышать в медицинских учреждениях и относится он к электрокардиографу, использующемуся для выявления любых сердечных нарушений.
Как работает технология?
ЭКГ записывает незначительные электрические сигналы, которые генерируются биением сердца, и фактически представляют собой след. Это позволяет специалистам, машинам или носимым устройствам лучше понять, как работает сердце и определить, есть ли какие-либо отклонения.
Электрокардиограф в медицинских условиях обычно требует установки электродов на кожу в районе сердца, которые измеряют электрическую активность, производимую сердцем, когда оно сжимается. Собранные данные электрической активности отправляются в прибор, который записывает информацию и анализирует сердечный ритм, а также обнаруживает нарушения.
Но технология, применяемая в Apple Watch (и других устройствах с функцией измерения ЭКГ для домашнего использования), работает по-другому.
Например, вместо того, чтобы крепить электроды на кожу, в случае с Apple Watch необходимо держать палец на цифровой короне устройства. Следует подождать 30 секунд и электрическая активность сердца отобразится красной нитью на экране часов. После окончания замеров приложение сообщит, зафиксировал ли датчик нормальное сердцебиение (синусовый ритм), или ненормаль ное сердцебиение.
В Fitbit Sense, при открытии приложения ЭКГ будет предложено приложить пальцы к углам рамки часов на те же 30 секунд, чтобы снять показания. Затем экран покажет результат: нормальный синусовый ритм, наличие признаков фибрилляции предсердий и точность результатов.
В умных часах Samsung с функцией ЭКГ сенсорная кнопка используется в качестве датчика, на который также нужно положить палец на 30 секунд. После этого устройтсво измерит частоту сердечных сокращений и ритм, классифицирует их как синусовый ритм (нормальный) или AFib.
Как технология ЭКГ может спасти жизнь?
ЭКГ, выполненная медицинским работником, может выявить многие проблемы с сердцем. Действительно, ЭКГ-устройства, разработанные для использования дома или в качестве носимой электроники, еще не так эффективны. Тем не менее, приведем далее несколько вариантов, при которых эта технология, применяемая в часах Apple или KardiaBand, может спасти жизнь.
Это заболевание сердца, которое может вызвать нерегулярное и ненормально быстрое сердцебиение. Это достаточно распространенное нарушение сердечного ритма и потенциально может оказаться смертельным. Кстати, это единственный тип измерений, одобренный FDA для гаджетов Apple и AliveCor. Писатель ZDNet Джейсон Перлоу принимал участие в ранних испытаниях Apple по выявлению мерцательной аритмии и выявил проблему с сердцем в 2018 году благодаря собранным данным. Персональные устройства достаточно эффективны для распознавания данного вида аритмии (нерегулярное сердцебиение). Причина подобной эффективности проста – измерения можно провести в любое время.
Это означает, что можно провести быстрое 30-секундное измерение ЭКГ, когда пользователь почувствует симптомы. Это позволит лучше понять причины, которые могли привести к изменениям ритма. Например, если владелец только что вернулся с пробежки.
Доктор Джулия Рейнольдс, заместитель директора Агентства по инновациям, утверждает, что иногда по этой причине пациентам даже прописывают Kardia Mobile. «Физическим лицам может быть предоставлено мобильное устройство ЭКГ, если они обеспокоены тем, что у них может возникнуть пароксизмальная фибрилляция предсердий ». Таким образом, если они чувствуют признаки и симптомы, они могут взять портативное устройство ЭКГ».
Нарушения сердечного ритма (аритмия)
Команда в AliveCor смогла использовать данные из KardiaBand для обнаружения синдрома удлиненного интервала QT (LQTS), который может вызвать нерегулярное сердцебиение, приводящее к потере сознания или даже к внезапной смерти.
Как и мерцательная аритмия, одна из причин, по которой персональные устройства ЭКГ позволяют обнаруживать такое состояние, как LQTS, заключается в том, что оно часто вызывается физическими упражнениями и стрессом. То есть, даже если пользователь осуществил измерение ЭКГ на стационарном аппарате, не факт, что данное нарушение будет обнаружено. Но возможность провести измерение в любом месте и в любое время, в тренажерном зале или вдали от цивилизации, может спасти жизнь.
В ходе исследования была протестирована стандартная ЭКГ в 12 отведениях (подобная той, которую используют в медицинских учреждениях) в сравнении с мобильной ЭКГ, и приложение AliveCor обнаружило, что мобильная версия была эффективной при выявлении ИМБП с высокой чувствительностью по сравнению с профессиональным тестом.
Общий контроль организма
Обнаружение сердечного приступа или мерцательной аритмии может спасти жизнь, но технология ЭКГ может также помочь составить более точную картину здоровья организма и уровня физической формы.
В сочетании с данными о температуре тела, частоте дыхания и уровнях стресса можно использовать измерение ЭКГ, чтобы узнать больше о своем теле и о том, как оно реагирует на физические нагрузки. Для тех, кто серьезно относится к спортивным тренировкам, это делается с помощью вариабельности сердечного ритма (ВСР) и среднеквадратического значения последовательных различий (RMSDD), которое идентифицирует время между пиками сердцебиения и помогает тренироваться более эффективно и безопасно.
Проблема ложных срабатываний
Доказано, что персональные устройства ЭКГ спасают жизни, но, с другой стороны, они все еще могут пропускать серьезные проблемы или ложно заставлять людей беспокоиться о возможных проблемах с сердцем. Доктор Граймс называет их «ложными срабатываниями». Хотя многие медики предупреждают людей с осторожностью относиться к результатам подобных измерений, полученных с помощью пер сональных устройств, более широкий и полный контроль над здоровьем пользователя в домашних условиях со временем станет более распространенным.
На наш взгляд это значит, что прогресс не стоит на месте. Вместо того, чтобы публично сомневаться в точности результатов измерений, специалистам лучше информировать пользователей о том, что данные могут быть неточными и лучше обратиться к врачу, если измерения вызывают беспокойство.
Гаджеты с поддержкой измерения ЭКГ
Актуальные модели смарт-часов с поддержкой измерения ЭКГ:
Apple Watch Series 4/5/6/7
Fitbit Sense
Samsung Galaxy Watch 4
Samsung Galaxy Watch Active 2
Watch Active 2 были первыми умными часами Samsung, в которых появился датчик ЭКГ и считываются эти показания так же, как и в Galaxy Watch 3. Умные часы были обновлены для поддержки этой функции. Как и старшая модель, функция активирована в Южной Корее, США, Европе и в этом году появится во многих других странах мира.
Withings Move ECG
Первые гибридные часы, которые могут считывать показания электрокардиограммы, помогая выявлять признаки мерцательной аритмии, ЭКГ Move также обладают влагозащитой до 50 метров и автоматически отслеживают активность.
К сожалению, модель в настоящее время все еще проходит клиническую проверку FDA в США, хотя гибриды уже доступна в ЕС.
Withings ScanWatch были анонсированы в Лас-Вегасе, в начале января 2020 года. В новой модели также есть ЭКГ и датчик SpO2 для обнаружения апноэ сна. Эта модель также ожидает одобрения FDA, но компания рассчитывает на старт продаж во втором квартале 2020 года.
Coros Vertix 2
Amazfit Verge 2
Пожалуй, одни из самых интересных умных часов под брендом Amazfit, Verge 2 были представлены относительно недавно и также получили технологию измерения ЭКГ. По мнению менеджеров компании, это поможет гаджету составить конкуренцию Apple Watch. Замеры производятся с помощью действующего ИИ-чипа Huami’s Huanghan No.1.
Эта микросхема оснащена биометрическим кардио-датчиком для более точного мониторинга частоты сердечных сокращений, в том числе для выявления нарушений ритма сердца и мерцательной аритмии. Однако, на данный момент, Verge 2 доступны только в Китае. Планируется запуск в США и Европе.
QardioCore
Датчик Qardio легко можно спутать с нагрудным пульсометром. При этом он использует технологию измерения ЭКГ, которая может отправлять на телефон данные о сердечном ритме пользователя и его вариабельности, измерять частоту дыхания, температуру тела и физическую активность. По аналогии с AliveCor (специальный ремешок для умных часов Apple), QardioCore используется для ежедневного или еженедельного профилактического измерения состояния здоровья в домашних условиях, между в изитами в поликлинику. Ока гаджет доступен Канаде, Европе и Австралии. В США Qardio только в состоянии получения разрешения FDA.
Hexoskin Smart
Умная одежда нового поколения. Обладает возможностью измерения ЭКГ, в том числе, для непрерывного мониторинга сердечного ритма. Основатели компании утверждают, что технология клинически одобрена. Одежда обладает возможностью синхронизации со смартфонами на Ios и Android. Дополнительно, существует возможность измерения вариабельности сердечного ритма для контроля уровня стресса, мониторинга тренировок и определения усталости организма.
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.
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.
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.
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.
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.
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 и т.д. 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.
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.
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.
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:
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.
Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?