Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр Гаджет

Что мы считаем пульсом

В те времена, когда медицина не имела технических средств диагностики, пульс измеряли всем известным способом – пальпацией, т.е. прикладывали палец к определенной области тела и слушали свои тактильные ощущения, и считали количество толчков стенки артерии через кожу за некоторое время — обычно 30 секунд или одну минуту.

Отсюда и появилось латинское название этого эффекта — pulsus, т.е. удар, соответственно единица измерений: ударов в минуту, beatsperminute (bpm). Есть много методик пальпации, самые известные это прощупывание пульса на запястье и на шее, в области сонной артерии, который так популярен в кино.

В электрокардиографии пульс вычисляется по сигналу электрической активности сердца — электрокардиосигналу (ЭКС) путем замеров длительности интервала (в секундах) между соседними R зубцами ЭКС с последующим пересчетом в удары в минуту по простой формуле:

BPM = 60/(RR-интервал)

. Соответственно нужно помнить, что это желудочковый пульс, т.к. период сокращения предсердий (PP интервал) может немного отличаться.

Attention!!! Cразу хотим отметить важный момент, который вносит в путаницу в терминологию и часто встречается в комментах к статьям про гаджеты с измерением пульса. Фактически пульс, который измеряется по сокращениям стенок кровеносных сосудов, и пульс, который измеряется по электрической активности сердца, имеют разную физиологическую природу, разную форму временной кривой, различный фазовый сдвиг и соответственно требует различные методы регистрации и алгоритмы обработки.

Поэтому не может быть никаких RR-интервалов при измерении пульса по модуляции объемов кровенаполнения артерий и капилляров и механических колебаний их стенок. И обратно, нельзя говорить, что если у вас нет RR-интервалов, то вы не можете измерить аналогичные по физиологической значимости интервалы по пульсовой волне.

Измерение пульса по электрокардиосигналу

После обнаружения в конце 19 века электрической активности сердца появилась техническая возможность ее зарегистрировать.Первым, по настоящему, это сделал Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven) в 1902 году, с помощью своего мегадевайса – струнного гальванометра (string galvanometer).

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / ХабрТри банки с “рассолом” и электрокардиограф весом 270 кг! Вот так рождался метод, который сегодня помогает миллионам людей во всем мире.

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
До боли знакомый сигнал и RR-интервал!

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

Возможные измерения

Измерения и вычисления, которые можно осуществлять при помощи прибора.

Частота пульса. Измерение частоты сердечных сокращений в текущий момент времени; данная возможность является основной для приборов с функцией пульсометра и практически единственной — для кардиодатчиков и пульсоксиметров. Скорость сердцебиения является едва ли не самым важным параметром при занятиях фитнессом: разным целям занятий (сжигание жира, поддержание формы, укрепление сердечно-сосудистой системы) соответствуют разные значения оптимальной частоты пульса. Кроме того, многие модели с этой функцией способны отслеживать опасные ситуации — нарушения сердечного ритма, критическое увеличение скорости сердцебиения — и предупреждать о них пользователя. В то же время стоит отметить, что далеко не все пульсометры или комбинированные приборы способны постоянно отслеживать частоту пульса — в некоторых моделях измерение осуществляется при прикосновении к датчику. Поэтому если Вы хотите получать данные о пульсе постоянно — стоит убедиться в том, что выбранный прибор обеспечивает подобную возможность.

Кол-во шагов. Измерение количества отдельных шагов, сделанных пользователем. Некоторые рекомендации по здоровому образу жизни, поддержанию физической формы, лечебной физкультуре и т.п. описывают именно количество шагов, которое пользователь должен пройти заопределённый промежуток времени; для их подсчёта и служит данная функция. Конкретные же возможности по измерению количества шагов могут быть разными: к примеру, некоторые модели способны фиксировать результаты за несколько сеансов работы или даже дней, выводить общее и среднее количество за период, запоминать целевое значение и сигнализировать о его достижении и т.п. В то же время отметим, что данное измерение поддерживается далеко не всеми приборами с функцией шагомера (см. «Тип»). Дело в том, что некоторые подобные устройства рассчитаны на профессиональные занятия спортом, в которых ключевую роль играет скорость передвижения, а количество шагов может вообще не иметь значения.

Пройденное расстояние. Измерение общего расстояния, пройденного пользователем. Простейшие модели с данной функцией вычисляют только расстояние за один раз, более продвинутые способны суммировать результаты, работать с целевыми значениями и т.п. Существует два основных способа замера пройденного расстояния: классические шагомеры вычисляют его по количеству шагов, умноженному на заданную длину шага (см. «Индивидуальные настройки»), модели с GPS (см. «Функции/возможности») пользуются данными спутниковой навигации. Первый способ имеет большую погрешность, но чаще всего этот недостаток не является критичным; второй довольно точен, но обходится дороже и может плохо работать в условиях плотной городской застройки, в помещениях и других местах, куда сигнал со спутников доходит слабо.

Скорость движения. Измерение текущей скорости передвижения. Как и пройденное расстояние, данный показатель может вычисляться двумя способами — по количеству шагов или по данным с модуля GPS; подробнее об обоих способах см. выше. Наиболее простой вариант измерения предусматривает замер скорости только в текущий момент времени, однако могут предусматриваться и дополнительные возможности — например, построение графика за тренировку.

Расход энергии (калории). Измерение количества энергии, потраченного за тренировку («сожжённых калорий»). Расход энергии — один из главных параметров в тех случаях, если тренировки рассчитаны на снижение или набор веса: во время курса таких занятий нужно следить за обменом веществ. Правда, стоит иметь в виду, что современные пульсометры и шагомеры не способны определить фактический расход энергии — они лишь высчитывают приблизительное количество калорий на основе данных о частоте пульса, скорости передвижения, количестве шагов, личных особенностях пользователя (см. «Индивидуальные настройки») и других косвенных параметров. Тем не менее, точность таких расчётов в большинстве случаев вполне достаточна для практического применения.

Кол-во сжигаемого жира. Расчёт количества жира (в единицах веса — например, граммах), сожжённого за время тренировки. Как и в случае с расходом энергии, описанным выше, прибор не замеряет фактическое количество сожжённого жирового вещества, а вычисляет его по различным вспомогательным данным. Точность таких измерений довольно невысока, да и сам по себе этот параметр не является основным в фитнессе. В то же время данные о количестве устранённого жира могут послужить хорошей дополнительной мотивацией.

— Средняя/максимальная частота пульса. Вычисление среднего и максимального значения частоты пульса за определённый период времени (обычно за одну тренировку). Данные вычисления осуществляются на основе общей информации о частоте пульса; о её значении см. выше.

Время активности. Замер общего времени физической активности пользователя. При этом фиксируется только то время, в течение которого датчики устройства фиксировали упомянутую активность, перерывы в занятиях «в зачёт» не идут: например, если Вы за 20 минут прошли 1000 шагов, сделав в процессе перерыв в 3 минуты, время активности составит 20 – 3 = 17 минут. Этим данная функция отличается от обычного секундомера (см. «Функции/возможности»); а её применение позволяет максимально точно отслеживать длительность и интенсивность нагрузок на тренировках.

Датчик пульса

Внешний

. Внешний (нагрудный) датчик, закрепляемый непосредственно на груди (напротив сердца) при помощи специального пояса. Как правило, связь с основным блоком такой датчик осуществляет при помощи беспроводного интерфейса; это может быть как универсальный интерфейс вроде Wi-Fi или Bluetooth (см. «Передача данных»), так и специализированный — например,

ANT

(см. там же) или даже собственная частота, отличающаяся от общепринятых стандартов. В любом случае подобная конструкция обеспечивает хорошую точность измерений и позволяет предусмотреть любой способ крепления для основного блока пульсометра (см. «Назначение»), а датчики создают минимум неудобств, практически не ограничивают движений и имеют довольно мягкие требования к габаритам и весу, что положительно сказывается на стоимости. Благодаря всему этому нагрудные сенсоры приобрели широкую популярность.

Встроенный. Под встроенными в данном случае подразумеваются датчики, установленные непосредственно в основном блоке пульсометра и постоянно контактирующие с кожей (пальцевые сенсоры тоже могут помещаться прямо в корпус, однако они вынесены в отдельную категорию, см. ниже). Устройства со встроенными сенсорами удобны тем, что всё необходимое для работы находится в одном корпусе — грубо говоря, потерять датчик можно только вместе с самим прибором. Кроме того, они обеспечивают постоянный мониторинг пульса (в отличие от упомянутых пальцевых сенсоров). В то же время подобная конструкция ограничивает способы крепления (см. «Назначение»), т.к. прибор должен постоянно контактировать с кожей. Фактически единственным доступным для полноценных пульсометров вариантом является запястье — установка на грудь превращает устройство в кардиодатчик (см. «Тип»). При этом жёсткие требования к габаритам и весу, а также сложность конструкции соответствующим образом сказывается на цене, а точность измерений получается невысокой. Из-за всего этого встроенные датчики не получили широкого распространения.

— Пальцевый сенсор. Датчик, считывающий данные о пульсе с кончика пальца (обычно указательного). Конструкция такого датчика может быть разной. Так, многие модели с креплением на запястье (см. «Назначение») имеют сенсоры, установленные непосредственно в корпусе. Ключевое отличие таких датчиков от описанных выше встроенных состоит в том, что для замера пульса требуется прикоснуться к сенсору — соответственно, о постоянном мониторинге речи не идёт; с другой стороны, у пальцевых измерителей выше точность. Встречается и другой вариант — характерный зажим-«прищепка», закрепляемая на кончике пальца (наподобие датчиков, применяемых в стационарном медицинском оборудовании). Такие «прищепки» позволяют обеспечить постоянное наблюдение за пульсом, однако они не слишком удобны для активной деятельности, поэтому встречаются весьма редко.

— Зажим для уха. Ещё одна разновидность «прищепки», в данном случае — предназначенная для крепления на мочку уха. Такие зажимы менее громоздки, чем прищепки для пальцев, не так стесняют движения и лучше подходят для активной деятельности. В то же время датчик должен быть лёгким и компактным, чего трудно добиться при беспроводном подключении; а лишние провода создают неудобство и могут сделать всю конструкцию довольно громоздкой. Из-за этого зажимы для уха встречаются весьма редко, в основном в моделях с креплением на шею (см. «Назначение»).

Гаджет:  Как не сесть в тюрьму за покупку гаджета из-за рубежа - 4PDA

Датчики и модули

Датчики и измерительные модули, предусмотренные в конструкции гаджета.

GPS-модуль. Приёмник сигналов спутниковой навигации GPS, позволяющий определять текущие координаты устройства. Способы использования этих данных могут быть разными; в спортивных гаджетах, с учётом специализации, чаще всего встречается определение пройденного расстояния, однако могут предусматриваться и другие возможности — вплоть до полноценной навигации с определением оптимальных маршрутов.

Альтиметр (высотомер). Датчик, определяющий высоту нахождения прибора (и, соответственно, спортсмена). Принцип работы и возможности альтиметра могут быть разными. Так, в моделях с GPS (см. выше) для работы используется географическая база данных, по принципу «на какой высоте над уровнем моря находится точка с данными координатами»; а устройства с барометром могут вычислять высоту по разнице давлений между текущей и некоторой условной точкой (например, стартовым пунктом маршрута, или тем же условным уровнем моря). Первый вариант несколько точнее, однако определяет только высоту поверхности земли — без учёта лестниц, деревьев, вышек и других объектов, на которые может взобраться спортсмен; второй склонен к погрешностям при изменениях погоды, однако показывает фактическую высоту расположения прибора.

Термометр. Датчик, определяющий температуру окружающего воздуха. Эти данные могут пригодиться как для оценки общего уровня комфорта (личные впечатления могут быть обманчивы, особенно если предстоит долго находиться на улице), так и для специфических задач — например, импровизированных прогнозов погоды (в сочетании с данными барометра и другими наблюдениями).

Барометр. Датчик, измеряющий текущее атмосферное давление. Один из наиболее популярных способов применения барометра — прогнозирование изменений погоды по перепадам давления. Однако этим дело не ограничивается: к примеру, данные барометра можно использовать для измерения разницы высот даже в том случае, если полноценного альтиметра (см. выше) в конструкции не предусмотрено. Отметим, что данная функция указывается только в том случае, если гаджет способен отображать данные об атмосферном давлении на дисплее; альтиметры с барометрическими датчиками, не имеющие такой возможности, в данную категорию не относятся.

Компас. Традиционный компас — устройство для определения сторон света, один из базовых приборов для любой навигации. В современных пульсометрах и других спортивных гаджетах, как правило, используется цифровой компас, отображающий данные непосредственно на дисплее.

Дисплей

Тип дисплея, предусмотренного в конструкции прибора.

— Монохромный. Монохромными называют дисплеи, отображающие только один основной цвет (помимо фонового). Большинство подобных экранов, применяемых в современных шагомерах и пульсометрах — классические черно-белые, наподобие тех, что применяются для электронных часов. Кроме этого, встречаются и специфические разновидности, где основной цвет другой — например, синий или зеленый, на темном или светлом фоне. В любом случае монохромные дисплеи выглядят не так богато и не обеспечивают такого разнообразия информации, как цветные — однако для большинства задач подобное разнообразие попросту не требуется, а обходятся одноцветные матрицы заметно дешевле. Как следствие, данный вариант на сегодняшний день является самым распространённым и встречается во всех ценовых категориях, от бюджетных до топовых.

— Цветной. К цветным относят дисплеи, способные работать с несколькими основными цветами. Функционал таких дисплеев и разнообразие отображаемых цветов могут быть разными, однако в целом для пульсометров и шагомеров характерны более простые экраны, чем для других разновидностей современной портативной электроники (например, медиаплееров или умных часов). Тем не менее, цветные экраны в любом случае обеспечивают больше возможностей для информирования, чем монохромные, к тому же они выглядят приятнее — однако и стоят дороже, притом что реальная необходимость в «раскрашивании» изображения имеется редко, роль этой возможности скорее эстетическая. Поэтому данный вариант встречается заметно реже.

— Отсутствует. Полное отсутствие дисплея свидетельствует о том, что прибор рассчитан на подключение к внешнему устройству с экраном (смартфону, тренажеру и т.п.). Такую конструкцию имеют все кардиодатчики, однако она встречается и среди других разновидностей приборов (см. «Тип») — например, среди шагомеров с креплением на обувь или на плечо (см. «Назначение»), где смотреть на встронный дисплей было бы попросту неудобно.

Импедансная плетизмография

Как говорит нам Медицинский словарь, импедансная плетизмография – это метод регистрации и исследования пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на регистрации изменений полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты.

В настоящее время методология способа основана на двух или четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления и состоит в следующем: через исследуемый орган с помощью двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей).

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Электродная система импедансной плетизмографии. Картинка отсюда

Главное условие, предъявляемое к генератору сигнала — это постоянство тока, его значение выбирают обычно не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань его амплитуда модулируется изменением кровенаполнения. Вторая система электродов снимает модулированный сигнал, фактически имеем схему преобразователя импеданс-напряжения.

При двухточечной схеме электроды генератора и приемника объединены. Далее сигнал усиливается, из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается нужная нам дельта.Если прибор откалибровать (для клиники это обязательное условие), то по оси Y можно откладывать значения в Омах. В итоге получается вот такой сигнал.

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации. (отсюда)

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

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

Примеров гаджетов, которые используют данный способ, мы пока не нашли. Зато есть пример концепта имплантируемого датчика для контроля кровообращения артерии. Вот статья про него. Активный датчик сажается прямо на артерию, с хост-девайсом общается по индуктивной связи.

Мы считаем, что это очень интересное и перспективный подход. Принцип работы понятен из картинки. Спичка показана для понимания размера 🙂 Используется 4-х точечная схема регистрации и гибкая печатная плата. Думаю, при желании, можно допилить идею для носимого микро-гаджета. Плюс этого решения в том, что потребление такого датчика исчезающее мало.

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Имплантируемый сенсор кровотока и пульса. Похож на аксессуар Джонни-Мнемоника.

В завершении этого раздела сделаем ремарку. В свое время мы считали, что таким способом измеряется пульс в известном стартапе HealBeGo, поскольку в этом устройстве базовая функциональность реализуется методом импедансной спектроскопии, что, по сути, и есть реография, только с изменяемой частотой зондирующего сигнала.

Индивидуальные настройки

Индивидуальные настройки позволяют отрегулировать прибор под личные особенности пользователя. В современных устройствах для фитнеса могут предусматриваться такие настройки:

— Пол. Возможность задать пол пользователя. При одинаковом возрасте, росте и весе мужской и женский организм всё же различаются по особенностям обмена веществ, оптимальным значениям пульса и некоторым другим значимым параметрам.

— Возраст. Возможность задать возраст пользователя. Этот показатель влияет в первую очередь на общее состояние организма и его способность переносить высокие нагрузки (хотя эти моменты зависят и от других факторов, начиная от телосложения и заканчивая физподготовкой, перенесёнными заболеваниями и т.п.).

— Вес. Возможность задать вес пользователя. Сам по себе данный параметр используется при расчётах оптимальной частоты пульса, при вычислениях расхода энергии и количества сожжённого жира (см. «Возможные измерения»). А в сочетании с ростом он позволяет оценить специфику телосложения и наличие необходимости в сбросе/наборе веса.

— Рост. Возможность задать рост пользователя. Самостоятельно данный показатель практически не применяется — обычно он используется в сочетании с весом (см. выше) при определении телосложения. Кроме того, в некоторых шагомерах (см. «Тип») по данным о росте может вычисляться длина шага (хотя чаще встречается всё же соответствующая настройка, см. ниже).

— Длина шага. Возможность вручную задать среднюю длину шага пользователя. Основная сфера применения этих данных — расчёт пройденного расстояния в шагомерах (см. «Возможные измерения»).

— Индивидуальная зона тренировки. Возможность по собственному усмотрению задать индивидуальную зону тренировки — диапазон, в котором желательно поддерживать частоту пульса во время занятий (при выходе за этот диапазон подаётся предупреждающий сигнал). Многие современные гаджеты для фитнеса способны самостоятельно рассчитывать оптимальный диапазон на основании цели тренировки и упомянутых выше индивидуальных настроек. Однако, помимо этого, иногда приходится учитывать и другие параметры, которые могут быть довольно специфическими — например, восстановительный период после болезни или наоборот, выдающуюся физическую форму. В свете этого некоторые приборы с функцией пульсометра (см. «Тип») позволяют вручную задать зону тренировки, рассчитанную отдельно, с учётом всех значимых моментов.

Источник питания

Аккумулятор

. В данном случае подразумевается собственный оригинальный аккумулятор, не относящийся к стандартным типоразмерам, а часто — ещё и несъёмный. Удобство данного варианта заключается в том, что источник питания изначально входит в комплект поставки, и Вам не придётся заботиться о его приобретении. Кроме того, регулярно подзаряжать штатный аккумулятор проще, чем докупать свежие батарейки; да и ёмкость у таких элементов выше, что положительно сказывается на автономности и делает их более подходящими для продвинутых приборов с обилием функций и высоким энергопотреблением. Из недостатков можно отметить невозможность быстрой замены севшего аккумулятора — его придётся заряжать, что требует времени; кроме того, упомянутая ёмкость требуется довольно редко и для большинства моделей была бы скорее дорогим излишеством, нежели крайней необходимостью. Поэтому аккумуляторные устройства встречаются нечасто и в основном среди топовых моделей, для которых сменной батарейки было бы недостаточно.

Батарейка. Питание от сменной батарейки (батареек) стандартного типоразмера — чаще всего «таблетки» CR2032, однако встречаются и другие варианты. Современные батарейки обеспечивают достаточно энергии для того, чтобы устройство с монохромным дисплеем и без «прожорливых» функций вроде GPS могло проработать достаточно долго, к тому же обходятся сменные элементы недорого, достать их обычно незаставляет проблем, а замена севшей батарейки на свежую занимает обычно не более пары минут. Благодаря всему этому подобный тип питания получил широкое распространение, его можно встретить во всех ценовых категориях пульсомеров и шагомеров.

Крепление

На запястье

. Крепление на запястье, наподобие обычных наручных часов; собственно, многие модели подобного назначения весьма похожи на электронные часы. Это один из самых удобных способов крепления. С точки зрения измерений крепление на запястье довольно удобно для пульсометров, т.к. корпус прибора непосредственно прилегает к коже, и в нём легко можно предусмотреть датчики пульса. А вот для шагомеров данный вариант подходит несколько хуже: на руке устройство подвержено большому количеству разнообразных колебаний, и для корректной работы требуется либо сложная калибровка акселерометра, либо применение GPS-модуля; и то, и другое влияет на стоимость прибора.

На предплечье. Размещение датчика на предплечье (части руки от локтя и выше) и проще и причиняет меньше неудобства. Однако отдаленность датчика от сердца может повлиять на точность измерения. Поэтому большинство кардиодатчиков выполнены именно нагрудными (см. пункт выше).

Гаджет:  Как удалить виджеты на Андроиде с планшета

На грудь. Крепление на грудь при помощи специального ремня, охватывающего грудную клетку. Такой способ позволяет поместить прибор в максимальной близости к сердцу, что обеспечивает высокую точность отслеживания сердечного ритма. С другой стороны, оснащать подобные устройства дисплеями не имеет смысла — смотреть на дисплей было бы очень неудобно. Поэтому данный вариант применяется исключительно в кардиодатчиках (см. «Тип»).

На шею. Традиционный вариант такого крепления предполагает размещение на шнурке, ленте или другом подобном приспособлении, позволяющем, собственно, повесить устройство на шею. Однако многие модели подобного назначения допускают также работу в кармане (а некоторые из них вообще не предназначены для крепления на шнурке и отнесены в данную категорию весьма условно). Большинство «шейных» приборов являются шагомерами (см. «Тип»).

На обувь. Установка на обувь — обычно на верхнюю часть, где в классических кроссовках располагается шнуровка. Такой способ ношения удобен для шагомеров — он обеспечивает высокую точность отслеживания шагов. В то же время с некоторой обувью подобные приборы могут быть несовместимы, а использование на них отдельных функций затруднено (например, для работы с дисплеем придётся или наклоняться, или снимать гаджет). Поэтому широкого распространения данный вариант не получил.

Крепление клипсой. Наличие в конструкции прибора универсальной клипсы-«прищепки», позволяющей крепить его на край одежды — за ремень, воротник, край кармана и т.п. Встречается данный вариант среди классических шагомеров (см. «Тип») — таким устройствами при работе не нужен непосредственный контакт с кожей. Сам способ крепления намного универсальнее, чем установка на обувь (см. выше), а для некоторых пользователей — ещё и удобнее, чем ношение шагомера на шее или на запястье/плече.

Существуют модели, имеющие несколько назначений — как правило, это приборы с креплением на запястье, дополненные альтернативными вариантами (например, клипсой).

Немного о нашем сердце

Как известно, сердце – это автономный мышечный орган, который выполняет насосную функцию, обеспечивая непрерывный ток крови в кровеносных сосудах путем ритмичных сокращений. В сердце имеется участок, в котором генерируются импульсы, ответственные за сокращение мышечных волокон, так называемый водитель ритма (pacemaker).

В нормальном состоянии, при отсутствии патологий, этот участок полностью определяет частоту сердечных сокращений. В результате образуется сердечный цикл – последовательность сокращений (систола) и расслаблений (диастола) сердечных мышц, начиная от предсердий и заканчивая желудочками.

Оптическая плетизмография или фотоплетизмографияя

Оптический – это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографииСпособ нашел широкое использование в клинике и вскоре технология была применена в бытовых устройствах. Например, в компактных пульсоксиметрах, регистрирующих пульс и сатурацию кислородом крови в капиллярах пальца. В мире производится сотни модификаций. Для дома, для семьи вполне пойдет, но не подходит для постоянного ношения.
Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Пульсоксиметр обыкновенный и клипса для уха. Тысячи их!

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Наушники Jabra Sport Pulse™ Wireless и Glow Headphones. Пульс регистрируется внутриушным (in-ear sensor) способом.

Прорыв

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

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

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Даешь умных часов много и разных!

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

Выбор длины волны излучателя

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Кривая поглощения света гемоглобином и основные спектры излучения пульсовых фотоплетизмаграфических датчиков.

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

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Зеленый светодиод датчика пульса – самых ходовой вариант в смарт-часах и браслетах. В датчике смартфона Samsung Galaxy S5 использован красный светодиод.

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

Желтый для EMVIO. Для нашего прибора EMVIO мы выбирали из двух диапазонов: 525 nm и 590 нм (желтый цвет). При этом мы учитывали максимум спектральной чувствительности нашего оптического датчика. Эксперименты показали, что разницы между ними практически нет (в рамках нашей конструкции и выбранного датчика).

Конечно, измерения можно проводить не только с запястья. Есть на рынке нестандартные варианты выбора точки регистрации пульса. Например, со лба. Такой подход использован в проекте умного шлема для велосипедистов Life beam Smart helmet разработаного Израильской компанией Lifebeam.

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Велосипедист доволен, что не нужно одевать HRM ремешок.

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

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

Новые горизонты фотоплетизмографии

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

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Субъект N3 явно напряжен – пульс под 100 уд/мин, наверно сдает работу своему руководителю Субъекту N2. Субъект N1 просто мимо проходил.

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

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Виды экранов Vital Signs Camera.

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

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

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

Передача данных

Стандарты передачи данных, поддерживаемые прибором.

Wi-Fi. Беспроводной интерфейс, изначально созданный для построения компьютерных сетей и выхода в Интернет через такие сети, однако с недавних пор используемый и для прямой связи между двумя устройствами. Именно второй вариант применения — прямая связь — чаще всего встречается в устройствах для фитнесса. Подключение к Интернету также может предусматриваться, но, как правило, не для веб-серфинга, а для специфических задач вроде обновления прошивки или сохранения записанных данных в сетевом хранилище. Наиболее распространённая на сегодняшний день версия Wi-Fi — 802.11n — теоретически способна обеспечить дальность связи до 100 м в помещения и до 200 м на открытой местности (хотя на практике эти цифры ощутимо скромнее), а следующие поколения, которые уже внедряются, имеют ещё большую дальность. При этом стоит отметить, что модули Wi-Fi являются обязательным элементом оснащения для многих видов современной портативной электроники — в частности, смартфонов, планшетов и ноутбуков. С другой стороны, данный стандарт проигрывает Bluetooth и ANT по экономичности.

Bluetooth. Беспроводная технология, разработанная как универсальный стандарт для соединения различных электронных устройств между собой напрямую. Представлена на рынке в нескольких версиях, совместимых между собой. При этом наиболее новая версия из широко распространённых — Bluetooth 4.0 — обеспечивает дальность соединения до 100 м и включает стандарт связи с низким энергопотреблением, значительно превосходящий Wi-Fi по энергоэффективности. Последнее весьма удобно для миниатюрной электроники наподобие пульсометров и шагомеров, где трудно установить ёмкую батарею. С другой стороны, модули Bluetooth встречаются несколько реже, чем Wi-Fi: к примеру, если в смартфонах данная технология применяется массово, то среди планшетов и ноутбуков попадаются устройства, не поддерживающие её. Это стоит учитывать при выборе модели с таким способом передачи данных.

— ANT . Специализированная технология беспроводной передачи информации, предназначенная для применения в спортивном оборудовании и дистанционном управлении. Характеризуется низким энергопотреблением. Устройства, с которыми может соединяться пульсометр или шагомер с поддержкой данной технологии, включают как тренажёры, так и смартфоны и планшеты — при поддержке USB On-The-Go можно осуществлять связь через специальный адаптер, а в некоторых моделях высшего ценового диапазона предусмотрена поддержка ANT «собственными силами», без применения дополнительного оборудования.

С двух рук

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

Гаджет:  Зарядки для гаджетов Partner - каталог цен, где купить в интернет-магазинах: продажа, характеристики, описания, сравнение | E-Katalog

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Пример пульсометра с фронтальным электродом (Пульсометр Beurer)

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Электродная система PhyodeW/Me

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

Плюс этого устройства в том, что измерение пульса не является главой целью. Браслет позиционируется как средство проведения и контроля дыхательных методик, типа индивидуального тренера. Мы приобрели Phyode и проигрались с ним. Все работает, как обещано, регистрируется реальная ЭКГ, соответствующая классическому первому отведению ЭКГ.

Вот еще вариант использования принципа двух рук в проекте FlyShark Smartwatch, который выложен на Кикстартере .

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Регистрация пульса в проекте FlyShark Smartwatch. Будьте добры подержать пальчик.

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Емкостной датчик EPIC для бесконтактной регистрации ЭКГ.

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

Смарт часы с пульсометром

— датчик, позволяющий гаджету измерять пульс владельца. Применение этих данных можно условно разделить на две области: спортивную и медицинскую. Так, при физических нагрузках существуют определённые правила по оптимальной частоте пульса; датчик в носимом гаджете облегчает слежение за соблюдением этих правил и оценку эффективности тренировок. С медицинскими целями пульсометр может использоваться как при общей диагностике, так и в качестве индикатора проблем с сердечно-сосудистой системой; некоторые модели гаджетов даже могут предусматривать автоматический «сигнал тревоги» (например, звонок врачу) при обнаружении нарушений, связанных с ритмом или частотой пульса.


§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



§



Смарт часы с экг

— датчик, позволяющий получать подробные данные о работе сердца пользователя. Отметим, что такой датчик не является полноценным электрокардиографом — по сути, он представляет собой продвинутую разновидность пульсометра, способную отслеживать особенности сердечного ритма. Тем не менее, даже этого хватает, чтобы обнаружить некоторые опасные явления — например, фибрилляцию предсердий, которая сперва бывает неощутима для человека— и вовремя принять соответствующие меры.


§



Совместимость

Мобильные операционные системы, с которыми совместимо устройство.

Многие современные пульсометры, шагомеры и кардиодатчики (см. «Тип») могут соединяться со смартфоном или планшетом для обработки собранных данных в специальном приложении. Такие приложения обеспечивают множество разнообразных возможностей, которые трудно или вообще нереально было бы предусмотреть в самом приборе. Однако для нормальной работы гаджета со смартфоном или планшетом необходимо, чтобы он был совместим с соответствующей мобильной ОС.

На сегодняшний день на рынке доминируют две «операционки»:

Android. Система, созданная Google, широко применяется производителями современной портативной электроники — от гигантов вроде Samsung или Asus до малоизвестных китайских производителей. Разнообразие устройств, работающих под данной ОС, чрезвычайно велико; то же можно сказать о версиях самой системы, фирменных интерфейсах, прошивках и т.п. Поэтому при выборе прибора, который планируется использовать со смартфоном или планшетом под Android, будет нелишним дополнительно уточнить совместимость конкретно этой пары устройств.

iOS. Фирменная операционная система компании Apple, применяемая исключительно в портативной электронике этой фирмы — смартфонах iPhone, планшетах iPad и медиаплеерах iPod touch. Модельный ряд этих устройств довольно однообразен, а обновления самой ОС выходят регулярно и распространяются массово. Благодаря всему этому у фитнес-гаджета и устройства под iOS обычно не возникает проблем с совместной работой; уточнять совместимость имеет смысл лишь в том случае, если Вы используете устаревшую или взломанную («джейлбрейк») версию системы, либо старое устройство от Apple (3 года и старше).

Спортивные нагрудные датчики пульса

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

Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 / Блог компании Darta Systems / Хабр
Пример конструкции ремешка и Мистер-гаджет 80 lvl. Sensor pad – это два ЭКГ электрода с разных сторон груди.

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

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

Тип устройства

Шагомер

. В данную категорию включены устройства, основной задачей которых является подсчёт количества шагов, сделанных пользователем. Дополнительные измерения, предусмотренные в конструкции, напрямую связаны с подсчетом шагов — они могут включать также скорость движения, пройденное расстояние, расход энергии и т.п. Подсчет шагов, как правило, осуществляется на основе данных с акселерометра — проще говоря, прибор реагирует на характерные встряхивания, возникающие при ходьбе; однако некоторые шагомеры используют модуль GPS и работают не с отдельными шагами, а с пройденным расстоянием. Еще одна специфическая разновидность — модели, предназначенная для пловцов; такие устройства измеряют не шаги, а гребки, однако по большинству ключевых особенностей они идентичны традиционным шагомерам, поэтому включены с ними в одну категорию.

Пульсометр. Приборы, предназначенные для отслеживания пульса пользователя и соответствующих вычислений на основе этих данных. Они не способны работать с подсчетом шагов — в отличие от шагомеров и комбинированных приборов, см. ниже. Встречаются как устройства со встроенным датчиком, так и с выносным.

Пульсометр/шагомер. Комбинированные модели, сочетающие возможности пульсометров и шагомеров — то есть способные измерять и количество шагов, и частоту пульса (плюс связанные с этим параметры). Устройства данного типа наиболее универсальны, однако их создание связано с рядом технических сложностей, которые могут сказаться как на качестве измерений, так и на общей стоимости. Поэтому подобных моделей на рынке представлено относительно немного.

Пульсоксиметр. Устройства, способные измерять частоту пульса и степень насыщения крови кислородом. Как правило, имеют вид характерной «прищепки», цепляемой на палец; особая технология позволяет определять уровень кислорода в крове неивазивными методами (то есть не повреждая кожу). Такие приборы могут использоваться как в спорте, так и в медицине — для слежения за состоянием пациента, если более продвинутое медицинское оборудование недоступно. Собственно, по назначению они ближе именно к медицинским приборам: «прищепка» на пальце не очень удобна при активной деятельности.

Кардиодатчик. Модели данного типа представляют собой внешние сенсоры для измерения пульса, рассчитанные на подключение к другим устройствам — чаще всего пульсометрам (см. выше), тренажёрам или смартфонам — и не предназначенные для автономного применения. Соответственно, возможности кардиодатчиков весьма ограничены, однако это не недостаток, а специфическая особенность, связанная с форматом применения — предполагается, что дополнительные измерения будет осуществлять внешнее устройство, датчик же должен всего лишь обеспечить необходимые для этого данные.

Функции и возможности

Часы

. Классические часы — функция отображения текущего времени.

Часы

обеспечивают не только слежение за временем, но и работу некоторых других возможностей — например, они являются обязательными для устройств с будильником (см. ниже).

Будильник. Наличие в приборе функции будильника — подачи звукового сигнала в заданное время. В простейших моделях этот сигнал можно запрограммировать только на одно определённое время, более продвинутые устройства позволяют запоминать несколько будильников, а при наличии календаря (см. ниже) — ещё и выставлять их на определённые дни (например, только в будни или даже по конкретным датам).

Календарь. Наличие в устройстве функции календаря. Она предполагает как минимум отображение текущей даты, а в некоторых моделях могут предусматриваться и расширенные возможности — например, просмотр дат по отдельным месяцам в виде таблиц. Кроме того, данные с календаря часто используются другими функциями — начиная от встроенного дневника тренировок и заканчивая будильником (см. выше).

Секундомер. Возможность использования прибора в роли секундомера — устройства для замера интервалов времени с высокой точностью (до десятых или даже сотых долей секунды). Отсчёт времени начинается и останавливается по команде пользователя, а многие -16424/»>секундомеры имеют также специальные режимы замера — с фиксацией промежуточных результатов или времени каждого отдельного круга. Благодаря всему этому применять секундомеры для измерения временных отрезков значительно удобнее, чем обычные часы.

Таймер. Возможность работы устройства в качестве таймера — то есть в режиме обратного отсчёта времени, с подачей сигнала по завершению заданного отрезка. Данная функция будет полезна при выполнении упражнений, чётко ограниченных по времени: выставить таймер и дождаться сигнала удобнее, чем постоянно смотреть на часы.

Счетчик кругов. Возможность использования устройства для фиксации данных (времени, скорости, сожжёных калорий, среднего пульса и т.п.) по каждому отдельному кругу — например, при беге. Для этого в конструкции обычно предусматривается отдельная кнопка «Lap» («Круг»), при нажатии на которую гаджет запоминает «набежавшие» данные и начинает новый отсчёт. Данная функция позволяет следить за динамикой тренировки — например, отмечать, какие круги были наиболее результативны; при этом параллельно могут фиксироваться и общие данные по тренировке. Помимо этого, может предусматриваться также обратный отсчёт кругов: пользователь задаёт нужное их количество, и при прохождении этого количества (после нажатия кнопки «Lap» соответствующее число раз ) прибор подаёт сигнал, сообщая об окончании тренировки. Таким образом, облегчается подсчёт общего количества кругов.

Мультиспорт. Функция, облегчающая применение прибора при занятиях мультиспортом — тренировках и соревнованиях, которые состоят из нескольких разнотипных спортивных этапов (например: заезд на велосипеде до реки, пересечение её вплавь и бег пешком до финиша). Технически для таких занятий можно применять и неспециализированные устройства, однако гаджеты с функцией «мультиспорт» намного более удобны. Так, они оптимизированы именно под такой режим использования, имеют встроенные программные режимы (например, «Бег», «Гребля» и т.п.), между которыми можно с лёгкостью переключаться, и сохраняют комплексные данные в формате, удобном для последующей обработки и анализа.

Оцените статью
GadgetManiac
Добавить комментарий