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!
Пульсометр с Bluetooth или устройство фотоплетизмографа. Часть 1
В этой статье вы познакомитесь с конструкцией прибора, позволяющего измерять пульсовую волну и передавать данные по радиоканалу на андроид устройство.
Лирическое вступление
Фотоплетизмограф – прибор, который определяет изменение размера органов человека с помощью фоточувствительных элементов. Он может использоваться для измерения пульса. В этом случае регистрируется изменение интенсивности света от искусственного источника из-за прохождения пульсовой волны. Как правило, для регистрации используются последняя фаланга пальца, мочка уха, запястье или висок. Очень часто принцип фотоплетизмографии применяется в различных спортивных аксессуарах.
Для регистрации фотоплетизмограммы нужны источник света и фотоприемник. Источником обычно служит светодиод, а приемником – фототранзистор или фотодиод. Свет, излученный источником, поглощается телом человека. В первом приближении можно сказать, что степень поглощения зависит от количества крови в той точке тела, где находится датчик. При изменении количества крови, изменяется поглощение света и сигнал на выходе фотоприемника.
По отношению друг к другу источник и приемник могут располагаться двумя способами. Эти способы называются «на отражение» и «на просвет». В случае «на отражение» приемник и источник располагаются в одной плоскости. Свет от источника попадает на кожу, частично поглощается и, отражаясь, попадает на приемник. На следующем рисунке чувствительный элемент собственного производства. Он состоит из печатной платы, с напаянными на неё фототранзистором и светодиодом. Провод идет к измерительной коробочке.
В варианте «на просвет» источник и приемник располагаются по разные стороны от части тела. На следующем рисунке они находятся в разных половинках пульсометрической клипсы. Излученный свет проходит палец насквозь и попадает в фотоприемник. Эта клипса предназначена для измерения пульса с мочки уха. На картинке палец, потому что так удобнее фотографировать.
Сигнал с фотоприемника поступает на схему усиления и фильтрации. Пример такой схемы приведен на следующем рисунке. Резисторы R1 и R2 задают ток светодиода и рабочую точку фототранзистора соответственно. Разделительный конденсатор C1 убирает постоянную составляющую, которая возникает из-за освещенности помещения, где происходит измерение. Подтягивающий резистор R3 сдвигает напряжение в положительную область (так как усилитель однополярный). Напряжение сдвига подается также в обратную связь усилителя, чтобы избежать насыщения. После усиления сигнал поступает на еще один разделительный каскад, чтобы окончательно убрать напряжение сдвига. Затем происходит оцифровка данных с помощью АЦП.
Эта схема является распространённой, но не единственной. Все желающие могут пройти по ссылке к интересной статье фирмы Микрочип. Кроме измерения пульса с помощью фотодиодов вы там прочитаете о принципах измерения насыщения крови кислородом (оксигенации), там же приведены используемые типовые схемные решения, и программы для микроконтроллера. Кстати, совсем недавно у Микрочипа появилась демонстрационная плата для пульсометрии.
Описание фотоплетизмографа
Для повышения мобильности измерения пульсограммы было разработано устройство, содержащее сенсор «на отражение», схему усиления, микроконтроллер и радиомодуль HC-05 стандарта блютус.
Принцип действия
Основным элементом датчика является микроконтроллер PIC16F1705. У него на борту встроенный операционный усилитель, АЦП, ЦАП, COM порт и достаточно ресурсов для проведения несложных вычислений. Первоначально разработанная схема включения усилителя соответствовала приведенной выше. После испытаний некоторые узлы были изменены. В частности, в обратную связь вместо напряжения смещения добавлен конденсатор 47 мкФ. Он выполняет функцию устранения постоянной составляющей, которая создается делителем напряжения. Для снижения энергопотребления светодиод подключается к выходу ЦАП, который работает только в момент выборки данных АЦП. Питающее напряжение поступает от Li-Ion аккумулятора LP502030 емкостью 250 мАч. Зарядка происходит через разъем мини-USB и схему, реализованную на контроллере заряда MCP73831. Радиосвязь обеспечивается модулем HC-05. Для связи с компьютером или смартфоном используется символьный протокол. Датчик располагается в корпусе OKW minitec, в комплекте с которым может идти ремешок для крепления на запястье.
Программа для Android, обработка данных
Для отображения пульсовой волны на графике и сохранения данных было разработано андроид приложение. Подпрограмма работы с блютус модулем использует коды из свободно распространяемой программы терминала BlueTerm. От блютус адаптера данные передаются в класс-декодер для расшифровки, а затем в класс-обработчик для формирования массива выборок и, возможно, проведения необходимых расчетов. В настоящий момент библиотеки расчета ЧСС и других значимых параметров не подключены. После обработчика данные поступают в главное окно приложения, где выводятся на графике и сохраняются в файл, который может быть открыт сторонним приложением. Во время работы над проектом я наткнулся на хорошую программу LabChart, которая работает с несколькими форматами файлов, в том числе текстовыми. Существуют платная и бесплатная версии этой программы. Бесплатная отображает данные на графике и позволяет проводить математическую обработку: сглаживание, фильтрацию и Фурье анализ. На следующем рисунке изображено окно этой программы с графиком данных, полученных от датчика. Применен фильтр высоких частот.
Платная версия программы пока не попала мне в руки. На сайте разработчика описываются весьма любопытные характеристики. Программа позволяет рассчитывать ЧСС, моду, амплитуду моды, строить интервалограммы и многое другое.
Продолжение следует
В следующих статьях я расскажу о некоторых деталях, которые необходимо учитывать при проектировании аппаратной части фотоплетизмографа, методах обработки данных, устранения помех и артефактов.
Вы можете ознакомиться с чертежами и программой датчика, а также с исходными кодами андроид приложения.
Добавлено (20.05.2015)
— в репозиторий в папку info/ добавлен файл с записью пульсограммы за 10 минут;
— добавлена АЧХ аналоговой части датчика, её оригинальный файл также в репозитории;
Фотоплетизмография: оценка состояния сосудов
От состояния кровеносных сосудов во многом зависит то, насколько долго и активно будет жить человек. Большинство серьезных осложнений возникает именно из-за проблем с сосудами, и наоборот – любые заболевания отражаются на микроциркуляции, т. е. на транспорте биологических жидкостей на уровне тканей организма. Эти проблемы отражаются на форме пульсовой волны и на соотношении анакротической и дикротической фазах пульсовой волны. На анализе пульсовой волны и основан метод фотоплетизмографии.
Этот экспресс-метод исследования сосудов заключается в определении объема крови в капиллярах при просвечивании участка кожи красным и инфракрасным светом. В АПК Медсканер БИОРС-05 (Велнесс) для этого используется пульсоксиметрический датчик. Он надевается на указательный палец левой (или правой) руки, т. к. именно в кончиках пальцев наиболее интенсивный капиллярный кровоток.
КАК РАБОТАЕТ МЕТОД
Объем любого органа включает в себя объем тканей и объем заполняющей его крови. Таким образом, объем тканей постоянен, а объем крови меняется в зависимости от фазы сердечного цикла. Метод фотоплетизмографии представляет собой регистрацию оптической плотности ткани. Исследуемый участок просвечивается красным и инфракрасным светом, который затем попадает на фотопреобразователь. Длина волны излучаемого света подобрана таким образом, чтобы он поглощался эритроцитами в артериальном русле. Поэтому его интенсивность зависит от количества крови в исследуемой ткани. Регистрируемый сигнал называется фотоплетизмограммой, которая оценивается по определенным параметрам.
ДЛЯ ЧЕГО ИСПОЛЬЗУЕТСЯ
Фотоплетизмография помогает выявлять изменения сосудов при сахарном диабете, атеросклерозе, гипертонической болезни. Также по улучшению состояния сосудов можно судить об эффективности лечения или оздоровительных методов, выявлять осложнения после болезни. В частности, этот метод помогает выявить изменения сосудов у людей, перенесших COVID-19.
В спортивной медицине фотоплетизмография помогает разработать индивидуальную программу тренировок. Известно, что интенсивная физическая активность с увеличением мышц в объеме часто приводит к перегрузке вен и даже их разрыву. Регулярный контроль позволяет избежать варикоза (расширения вен) и связанных с этим осложнений.
Метод помогает подобрать индивидуальную диету, исключить из рациона продукты питания, противопоказанием к которым может быть повышенная вязкость крови или нарушения кальциевого обмена. При склонности к образованию тромбов (тромбозу) в сосудах необходимо исключить из рациона куриный желток, печень, икру и т. д., а для предотвращения вымывания кальция из организма необходимо снизить потребление кофе, сахара, пальмового масла.
Проверку на фотоплетизмографе обязательно стоит пройти до начала реабилитационных мероприятий, основанных на вибрационном воздействии (например, на вибрационных платформах), или других упражнений, которые связаны с риском отрыва тромба (такие как прыжки со скакалкой и т. п.). То же касается использования вибрационных кроватей и прочих приспособлений и процедур, которые вызывают вибрацию в организме. Чаще всего тромбы образуются на стенках вен ног. После отрыва тромб переносится током крови и может закупорить сосуд на своем пути. При этом может возникнуть угрожающее жизни состояние, например при закупорке легочной артерии.
РЕАБИЛИТАЦИЯ ПОСЛЕ COVID-19
Оценка фотоплетизмограммы имеет особое значение для реабилитации постковидных пациентов. Как известно, одним из основных осложнений после перенесенной вирусной пневмонии, ассоциированной с COVID-19, является увеличение вязкости крови, которое выливается в гипертонию, тромбоз, миокардит и другие поражения сердечно-сосудистой системы.
На основании значений индекса жесткости и индекса отражения назначаются процедуры и проводится мониторинг состояния сосудов в процессе реабилитации.
СУТЬ МЕТОДА
Пульсовая волна образуется в результате выброса крови левым желудочком сердца во время его сокращения. Давление распространяется по аорте и артериям, и скорость этой волны зависит от ширины просвета сосуда, эластичности и толщины сосудистой стенки, а также от силы сокращения сердца. Поэтому фотоплетизмография помогает выявить признаки сужения (стеноза) и склероза, оценить сосудистый тонус и работу сердца.
На фотоплетизмограмме пульсовая волна состоит из двух частей. Анакротическая фаза [a] соответствует систоле (сокращению сердца), а дикротическая [b] – диастоле (расслаблению). Дикротический пик образует отражение волны крови, которая передается к ногам и направляется обратно в аорту. Считается, что частота и длительность пульсовой волны зависит от сердечной мышцы, а величина и форма пиков плетизмограммы — от состояния сосудистой стенки.
У здорового человека пульсовая волна имеет достаточно крутой подъем и относительно высокую отраженную волну.
Сужение артерий приводит к сглаживанию подъема, удлинению дикротической фазы и уменьшению высоты отраженной волны. При значительном сужении сосудистого просвета отраженной волны может не быть вовсе.
ОЦЕНКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАММЫ
Фотоплетизмограмма оценивается по нескольким показателям. Самые важные параметры – индекс жесткости и индекс отражения. По индексу жесткости можно выявить сужение крупных артерий, оценить эластичность их стенок и косвенно оценить кальциевый обмен (чем выше жесткость, тем больше кальция в крови). Индекс отражения, в основном, показывает тонус артериол и мелких сосудов. Повышенный индекс отражения указывает на повышенную вязкость крови, что косвенно может свидетельствовать о наличии холестериновых бляшек и атеросклерозе.
ВИЗУАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАММЫ
Для нарушений гемодинамики характерны следующие признаки, визуально определяющиеся на пульсовой волне:
— вблизи вершины имеются дополнительные волны (симптом «петушиного гребня»), которые свидетельствуют об отклонении общей или локальной гемодинамики и возможном наличии тромба;
— крутой подъем пульсовой волны, быстрое снижение и незначительное проявление диктротического подъёма происходит при низком периферическом сопротивлении и большом систолическом выбросе и свидетельствует об аортальной недостаточности;
— отсутствие дикротического зубца свидетельствует о наличии сахарного диабета, атеросклероза или гипертонической болезни;
— продолжительная анакротическая фаза пульсовой волны с пологим неравномерным подъемом и слабо выраженном или высоком дикротическом зубце происходит при повышенном тонусе сосудов и может проявляться при начальном атеросклерозе или повышенном давлении.
Наиболее важными считаются первые три признака. Кроме того, при различных заболеваниях на фотоплетизмограмме могут присутствовать и другие особенности: — при облитерирующем эндартериите амплитуда пульсовых волн снижена на всех пальцах пораженной конечности; — в периоды резкой перемены погоды и при магнитных бурях возрастает количество реакций, указывающих на расширение сосудов, особенно у больных ревматизмом.
КАК ПРОВОДИТСЯ ОБСЛЕДОВАНИЕ
Для проведения фотоплетизмографии требуется подключить Медсканер к ноутбуку или компьютеру. Риск поражения электротоком отсутствует, прибор получает питание через USB-порт. Измерение проводится бесконтактным способом путем определения оптической проводимости капиллярной крови в красном и инфракрасном диапазоне.
На указательный палец кисти левой руки надевают датчик таким образом, чтобы красный светодиод внутри датчика был над ногтем пальца. Во время обследования, которое проводится в течение 30 секунд, нельзя двигать рукой с датчиком, чтобы избежать искажения данных из-за сокращения мышц.
После обследования нужно мышкой выбрать на пульсограмме участок с наиболее характерными пульсовыми волнами. Программа автоматически определит контрольные точки измерений, однако выбор программы может быть некорректен из-за нечеткости формы пульсовой волны. В этом случае следует выделить вручную конец анакротической волны и начало дикротической, передвигая маркеры контрольных точек мышкой.
ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ
Фотоплетизмография является безопасным и безболезненным методом. Противопоказания отсутствуют, однако не следует надевать датчик на палец с поврежденной кожей.
В течение суток до обследования не рекомендуется принимать лекарственные препараты и воздержаться от физиотерапевтических процедур (за исключением случаев мониторинга проводимых мероприятий).
Чтобы избежать реакции сосудов на тепло или холод, температура в помещении должна поддерживаться на уровне 19-23°С. Стоит помнить, что при температуре менее 16°С происходит спазм мелких артерий.
Перед обследованием желательно несколько минут для адаптации посидеть или полежать в удобном положении. Во время измерения не следует допускать воздействия на датчик пульсоксиметра яркого искусственного освещения и прямых солнечных лучей.
Сенсор ppg что это
Наушники и гарнитуры
Добавлен к сравнению
Всего товаров для сравнения: 0
ЭКГ vs ФПГ датчики для мониторинга сердечного ритма: что лучше?
Последние технологические достижения позволили создать носимые устройства, которые могут считывать и обрабатывать биосигналы, генерируемые организмом человека. Что касается мониторинга сердечного ритма, производителям устройств доступны две основные технологии: ЭКГ и ФПГ ( PPG ).
Что же такое ЭКГ и ФПГ ( PPG ) датчики?
Датчик ЭКГ (электрокардиография) измеряет биоэлектрические импульсы человека. Во время биения электрический потенциал двигается по сердцу, и это видно в качестве всплесков и выпуклостей на электрокардиограмме.
Датчик ФПГ или PPG (Photoplethysmograph, Фотоплетизмография) отслеживает изменения кровяного потока с использованием источника светового излучения и фоторезистора или фототранзистора. Участок тела человека с одной стороны просвечивается инфракрасным источником света, а с другой стороны располагается фотоприемник, фиксирующий часть инфракрасного потока, прошедшего через ткани. По объему поглощенного света можно судить о кровяном потоке, а также измерять объемный пульс крови, частоту сердечного ритма и т. д.
Вопросы для сравнения: датчик ЭКГ против датчика ФПГ:
· Как измеряется сердечная деятельность?
Датчики ЭКГ напрямую используют электрические сигналы, генерируемые сердечной деятельностью. ФПГ использует сигналы, полученные от отраженного света из-за объемных изменений в кровотоке во время сердечной деятельности.
· Какой самый точный?
ЭКГ является эталонным стандартным сигналом, который используется медицинскими работниками для мониторинга состояния здоровья сердца. Датчики ФПГ обычно используют сигналы ЭКГ в качестве эталона для сравнения статических частот сердечных сокращений (ЧСС).
· Можно ли измерить вариабельность сердечного ритма (ВСР)?
ВСР может быть надежно получена из данных ЭКГ, поскольку R-пиковые интервалы быть извлечены с точностью до миллисекунды, так что значимые данные ВСР могут быть получены с помощью кратковременных измерений. С датчиками ФПГ точность R-пиковых интервалов ограничена используемой частотой дискретизации из-за высокого энергопотребления светодиодов. При использовании ФПГ изменение частоты пульса коррелирует с ВСР для более длительных периодов измерения (> 5 минут), но не для кратковременных измерений.
· Сколько времени занимает требуется для измерения?
Датчики ЭКГ не требуют длительного времени установления, поэтому значимые показания могут быть получены очень скоро после запуска. Датчики ФПГ требуют относительно длительного времени установления из-за необходимости измерения количества окружающего света и расчета компенсации, необходимой для устранения его влияния. Датчики ФПГ также могут требовать компенсации артефактов движения для получения показаний.
Когда речь заходит о ключевых аспектах, таких как размер, энергопотребление, точность, простота интеграции и богатство данных, биосенсоры ЭКГ дают явное преимущество перед аналогами ФПГ для мониторинга сердечного ритма.
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.
