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:

• Пульс
• Вариабельность сердечного ритма
• Уровень кислорода в крови
• Максимальное потребление кислорода (VO2max)
• Частоту дыхания
• Артериальное давление

По большому счету, анализируя только фотоплетизмограмму, снятую при помощи лампочек и фотодиода, можно даже определять наличие некоторых заболеваний, вроде атеросклероза или сахарного диабета. Например, при атеросклерозе увеличивается интервал между началом волны и максимальным расширением сосуда, а также сама вершина на графике смещается немножко в сторону:

При сахарном диабете на графике исчезает дикротический зубец или, проще говоря, небольшой подъем волны, который должен следовать сразу после спада основной волны. График становится острым и рваным:

И да, с помощью обычного фитнес-трекера можно измерять даже артериальное давление — то, для чего обычно используется специальный прибор с манжетой (сфигмоманометр или, как его чаще называют, тонометр).

Чтобы проще было все это понять, приведу пример идеальной фотоплетизмограммы (вернее, пульсовой волны), на которой отмечены основные показатели:

Конечно, всё не так просто и прямолинейно, однако, имея только пульсовую волну, полученную с помощью лампочек и фотодиода, можно действительно определить множество важных показателей.

Так почему же тогда фитнес-браслеты до сих пор еще не заменили специализированные медицинские приборы? И почему ни один популярный фитнес-трекер не измеряет, например, артериальное давление?

Несколько слов о точности измерений

В интернете сложился стереотип, будто фитнес-трекеры — это побрякушка, которой вообще нельзя доверять. Случилось это не на пустом месте. Лет 10 назад, когда эти устройства только стали появляться на рынке, многие пользователи и профессиональные обозреватели на личном опыте убедились, насколько неточными являются полученные результаты.

Как уже было сказано выше, принцип работы PPG очень прост. Также и анализ пульсовой волны не является чем-то сверхсложным. Но проблема заключается именно в получении той самой пульсовой волны с помощью PPG-датчика.

Мы рассматривали лишь теорию, идеальные сценарии. А на практике вместо линий пульсовой волны браслет получает крайне зашумленный сигнал. Найти среди этого шума нужную нам информацию — невероятно сложная задача.

Среди основных источников помех можно отметить следующие:

• Внешнее освещение от солнца или ламп. Часть такого света может попадать на фотодиод, внося искажения.
• Помехи, связанные с движением. Это один из главных источников помех, с которым раньше не справлялся ни один трекер, поэтому и рекомендовалось замерять пульс только в состоянии покоя. Возможно, вы не раз сталкивались с такой проблемой: при ходьбе пульс определяется нормально, но как только начинаете пробежку, пульс медленно поднимается, а затем подскакивает вверх и держится на высоком уровне. Реальный пульс не превышает 110 ударов, а на браслете отображается 160. Просто датчик теряет пульсовую волну и цепляется за другой ритмичный сигнал, вызываемый шагами. Как результат, вместо пульса 110 ударов/минуту браслет начинает отображать 160 шагов/минуту, выдавая это за пульс.
• Цвет кожи, татуировки, волосы, загар. Все это также оказывает определенное влияние на поглощение и отражение света, излучаемого светодиодами. Например, чем темнее кожа, тем сильнее она поглощает зеленый свет.
• Расположение датчика. По иронии судьбы, именно запястье является одним из худших расположений для получения точной фотоплетизмограммы. Здесь очень много источников оптического шума (мышцы, сухожилия, кости).

Среди всего этого шума и помех очень тяжело выделить пульсовую волну. Само движение может внести столько шума, что лишь одна тысячная доля света, собранная сенсором, будет содержать фактические данные о пульсе, а все остальное — бесполезный сигнал.

Тем не менее, современные фитнес-браслеты сегодня выдают очень неплохой результат. Делая обзоры на последние модели смарт-часов от Apple, Samsung или Huawei, во время занятий на беговой дорожке я не увидел заметной разницы между их показаниями и данными нагрудного датчика.

У меня нет на руках самых последних научных исследований в этой области, но даже те исследования, что проводились несколько лет назад, подтверждают просто феноменальную точность фитнес-трекеров. К примеру, в исследовании за 2017 год, опубликованном в журнале Journal of Personalized Medicine, говорится о том, что фитнес-браслеты и смарт-часы определяют пульс во время занятий на велотренажере с погрешностью от 0.9 до 2.7%! Примерно такая же ситуация обстоит и с бегом, ходьбой или просто в состоянии покоя:

На этом графике только одно устройство (Basis Peak — на графике зеленым цветом) показывает очень большую погрешность во время ходьбы. Все остальные практически полностью совпадают с показаниями электрокардиограммы. Стоит отметить, что в этом исследовании приняло участие 60 человек разного возраста, роста, веса, цвета кожи и уровня физической активности.

В скором времени трекеры начнут измерять и артериальное давление без какой-либо дополнительной калибровки с использованием тонометра. Первые устройства должны появиться на рынке уже в этом году, так как сама технология прошла успешные испытания и полностью соответствует стандарту ISO 81060-2:2018.

Все дело в том, что за последние 5 лет улучшились не только точность и количество самих датчиков, но и заметно возросло качество алгоритмов. В частности, машинное обучение и нейросети, совершающие революцию в области мобильной фотографии, добрались и до фитнес-трекеров.

Браслеты очень активно используют показания акселерометра и гироскопа, чтобы точно фиксировать любое движение и вычитать создаваемый таким образом шум из общего сигнала.

Огромную роль в «очистке» сигнала от шума играет машинное обучение. Производители проводят целый ряд замеров одновременно браслетом и нагрудным датчиком в состоянии покоя, а также во время занятий спортом. Затем эти данные загружаются в нейросеть и искусственный интеллект, анализируя показания электрокардиограммы, пытается увидеть закономерности в фотоплетизмограмме, полученной с PGG-датчика. Таким образом, нейросеть учится (довольно успешно) выделять из зашумленного набора данных нужный сигнал — пульсовую волну.

Поэтому не стоит пренебрежительно относиться к этим устройствам. Новые браслеты и часы будут все точнее определять жизненно важные показатели, научатся измерять давление и даже предупреждать о возможных проблемах со здоровьем. И этот прогресс происходит на наших глазах.

См. также: Почему фитнес-трекеры неправильно определяют пульс и что с этим делать

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)