пульсометры на современных фитнес-трекерах

Почему фитнес-браслеты неправильно измеряют пульс? Руководство для «чайников»

Оценка этой статьи по мнению читателей:
4.9
(156)

В каждом обзоре фитнес-браслета или умных часов, когда речь заходит о тестировании пульсометра, я всегда предупреждаю читателя о том, что в его случае результаты могут отличаться от моих. Но почему так происходит?

Почему о работе пульсометра одного и того же фитнес-трекера разные люди оставляют в интернете противоположные отзывы? У кого-то показания в точности соответствуют нагрудному датчику, у других погрешность может доходить до 100%.

Катализатором для появления этой статьи стал комментарий к моему обзору Huawei Watch GT 2 Pro, в котором один читатель спросил, почему пульсометр этих часов у одного популярного YouTube-блогера работает крайне плохо, а в нашем обзоре — вполне приемлемо.

Надеюсь, данная статья ответит на этот и многие другие вопросы и, возможно, поможет кому-то разобраться со своим пульсометром. И не только пульсометром. Ведь на основе данных пульсометра работают и все остальные функции современных трекеров, будь-то отслеживание сна, расчет сожженных калорий или определение уровня стресса.

И прежде, чем мы перейдем к детальному обсуждению причин плохой работы пульсометра на фитнес-трекерах, давайте очень кратко вспомним принцип его работы.

Он состоит из лампочки (светодиода) и детектора света (фотодиода). Лампочка излучает зеленый свет на кожу, он проникает внутрь, частично поглощается тканями организма и кровью, другая часть света рассеивается, а остальное — отражается и возвращается на детектор.

Главная идея заключается в том, что при сокращении сердца, когда оно выталкивает кровь в сосуды, артерии расширяются и объем крови увеличивается. Соответственно, чем больше крови в сосудах, тем больше света поглотится и меньше вернется назад:

принцип работы оптического пульсометра PPG на фитнес-браслетах

Таким образом, интенсивность света, попадающего на фотодетектор, постоянно варьируется в такт пульсу, благодаря чему фитнес-браслет и может определять сердцебиение.

Но что же может пойти не так в этом «простом» процессе!? На самом деле, причин для неправильной работы несколько.

Вы неправильно носите фитнес-трекер

Казалось бы, а как его вообще можно неправильно надеть? На голову, что-ли? Однако здесь не всё так очевидно. И упомянутый вначале блоггер — как раз тот самый случай.

Обычно люди носят фитнес-трекеры на запястье, как традиционные часы. Другие поступают «хитрее» и надевают часы на внутреннюю сторону запястья.

Давайте сразу с этим разберемся. Действительно ли это хорошая идея? Что заставляет человека думать, будто с внутренней стороны запястья пульс будет определяться лучше?

Конечно, мы понимаем это интуитивно, так как именно здесь можно увидеть вены и даже прощупать пульс.

И вот тут начинается самое интересное. Действительно, то, что мы видим на руке с внутренней стороны — это вены. Или, другими словами, совершенно бесполезные для пульсометра кровеносные сосуды. Почему бесполезные? Да потому, что там давление крови минимально.

Оно настолько мало, что кровь может легко потечь по венам в обратную сторону (не к сердцу, а от сердца). И если бы не клапаны внутри многих вен, так бы и происходило постоянно:

клапаны внутри вен

Что интересно, даже клапаны в венах не спасают многих людей от скапливания крови в нижних конечностях под силой тяжести. Из-за этого иногда у здоровых людей возникают отеки на ногах.

Вены, которые мы видим на запястье с обратной стороны, должны интересовать нас меньше всего, когда мы хотим добиться нормальной работы пульсометра. По ним невозможно ни прощупать пульс, ни определить его с помощью оптического датчика. Более того, эти сосуды лишь сокращают амплитуду полезного сигнала (об этом подробнее чуть позже).

С другой стороны, какая разница, что находится под кожей, ведь все знают, что пульс прощупывается именно в этом месте, а значит, туда и нужно повесить датчик браслета! К сожалению, это не так. Многие думают, что пульс прощупывается примерно в том же месте, где будет находиться датчик пульсометра, если браслет надеть с обратной стороны:

внутренняя сторона запястья

Можете прямо сейчас приложить палец в указанное место и убедиться, что здесь нет никакой пульсации крови.

Чтобы разобраться с этим, давайте на минутку заглянем под кожу и посмотрим, где же проходят две самые крупные артерии предплечья, называемые лучевой и локтевой:

лучевая и локтевая артерии

Именно по лучевой артерии, которая ближе всего подходит к поверхности кожи на запястье со стороны большого пальца и прощупывается пульс:

где на запястье прощупывается пульс

Теперь можете самостоятельно убедиться в этом, прижав пальцем артерию в указанном месте. Так вот, существуют специальные оптические пульсометры, рассчитанные на определение пульса именно по лучевой артерии.

Но ни одни современные смарт-часы или фитнес-браслеты к этим устройствам не относятся. Чуть позже вы поймете, почему. Более того, подавляющее большинство трекеров не отслеживают пульс не только по лучевой артерии, но и по другим крупным артериям. Это широко распространенное заблуждение.

Фитнес-трекеры определяют пульс по артериолам и капиллярам, то есть, работают с микрососудистым руслом кожи

Из нашего сердца выходит, помимо прочих сосудов, очень крупная артерия под названием аорта. Это толстенный «шланг» диаметром в 3 см. Затем аорта делится на артерии меньшего диаметра. Вначале это большая артерия, затем средняя. Ветвление продолжается, пока артерии не станут маленькими.

А маленькие артерии переходят в еще меньшие, под названием артериолы. И завершает весь этот длинный путь самые крохотные сосуды — капилляры. Они-то и доставляют всем клеткам тела кислород и различные питательные вещества:

кровеносные сосуды

Как я уже сказал, в основном все трекеры измеряют пульс по артериолам и капиллярам, так как они находятся ближе всего к поверхности кожи, которая в свою очередь состоит из нескольких слоев — эпидермиса, дермы и подкожной жировой клетчатки или просто подкожного жира:

слои кожи и их кровоснабжение
Слои кожи

Думаю, вы уже понимаете, что нет большой разницы, где именно будет находиться фитнес-трекер. Ему не нужен доступ к тем пульсирующим артериям, по которым мы прощупываем пульс или определяем давление тонометром. Фитнес-трекер работает в основном с кожей и подкожным слоем.

Но секундочку… Ведь в любой аптеке можно купить недорогой пульсоксиметр, надеваемый на палец. А это устройство работает на просвет, то есть, светит на палец двумя светодиодами с одной стороны, а регистрирует сигнал фотодиодом с обратной стороны:

как работает пульсоксиметр

Как же это происходит, если свет может проникать только в слои кожи и не глубже?

Всё дело в цвете лампочки (светодиода), которая используется в пульсометре. Многие знают, что электромагнитные волны (например, видимый свет) могут проникать сквозь кожу. Но насколько глубоко?

Если не брать в расчет интенсивность (мощность) света, тогда здесь работает очень простое правило:

Глубина проникновения света зависит от его цвета или, другими словами, длины волны

Чем короче волна, тем сильнее такой свет рассеивается. Например, синий свет (длина волны ~460 нм) не сможет пройти даже эпидермис, он поглотится и/или рассеется в самых верхних слоях кожи. Именно поэтому вы никогда не увидите фитнес-трекер с синими фотодиодами. Также именно по этой причине небо голубого света — «синие» фотоны гораздо чаще сталкиваются с другими молекулами воздуха и разлетаются во все стороны (рассеиваются), когда свет проходит через атмосферу.

Зеленый свет (~500 нм) легко проникает в дерму, а красный (~640 нм) — еще глубже. Инфракрасный свет, соответственно, пройдет даже глубже красного:

насколько глубоко свет проникает в кожу

Так вот, пульоксиметры всегда используют красные (~650 нм) и инфракрасные (~940 нм) светодиоды. А фитнес-браслеты и смарт-часы для определения пульса используют практически всегда (за редким исключением, о котором я скажу позже) только зеленые светодиоды (~540 нм). Из-за этого они и не могут анализировать более глубокие и крупные артерии.

Но почему бы не заменить зеленые лампочки на красные или инфракрасные, если они так глубоко проникают в тело? Скоро вы поймете причину, а пока перейдем к основной части первой проблемы.

Как правильно носить фитнес-браслеты и смарт-часы?

Вы когда-нибудь слышали о пластинации? Посмотрите как-нибудь работы Гунтера фон Хагенса, изобретателя данного метода бальзамирования. Довольно жуткое, но интересное зрелище!

Вот перед нами рука человека, точнее, то, что от нее осталось после пластинации. Здесь мы видим основные артерии:

пластинированное предплечье и запястье

Слева и справа вдоль предплечья расположены две крупные артерии. Это и есть уже упомянутые выше лучевая (слева) и локтевая (справа) артерии, от них идут более мелкие, а те расходятся на артериолы и затем — капилляры.

Но обратите внимание на область, где зачастую и носятся фитнес-трекеры или смарт-часы. Да, я говорю о самой светлой области, где практически нет ни одной более-менее крупной артерии:

где зачастую носится фитнес-трекер на запястье:

Я не хочу, чтобы у вас сложилось ложное впечатление, будто здесь и крови-то нет. Повторюсь, на фото показаны только те артерии, что покрупнее. Если же брать во внимание мелкие артерии, то картина будет немножко отличаться:

мелкие артерии на запястье

Так вот, если во время тренировок, ваш фитнес-браслет или часы плохо отслеживают пульс, можно попробовать сместить их на 1-2 сантиметра в сторону плеча. Некоторые компании, например Suunto, прямо говорят об этом в своих инструкциях:

как правильно носить фитнес-трекер
Инструкция от Suunto

Более того, есть оптические датчики пульса с такими же зелеными лампочками, которые следует носить вот так:

как правильно носить трекер OH1

Всё это объясняется довольно просто. Чем выше мы поднимаемся от запястья к плечу, тем больше появляется крупных сосудов из-за наличия больших мышц и, соответственно, тем сильнее здесь кровоток. Ведь давление крови постепенно снижается от сердца к конечностям (а затем от капилляров к полой вене):

среднее давление крови в сосудах

Таким образом, запомните одну простую вещь — чем ближе к запястью будет надет фитнес-трекер, тем хуже будет качество работы его пульсометра. Как минимум, браслет или часы не следует надевать на косточку запястья (головку локтевой кости) и, тем более, ниже нее (ближе к запястью):

правильное размещение фитнес-браслета на запястье

Но дело здесь далеко не только в кровотоке.

Артефакты движения

Как вы уже знаете, пульсометр делает одну простую вещь — излучает свет на кожу очень короткими импульсами, а затем анализирует интенсивность отраженного света.

Кто-то может подумать, что при прохождении пульсовой волны по артериям интенсивность отраженного света может падать чуть ли ни вдвое, когда объем крови в артериях максимален и когда кровь поглощает максимальное количество зеленого света.

То есть, может показаться, что интенсивность отраженного света на детекторе увеличивается и уменьшается в такт пульсации примерно следующим образом:

Интенсивность отраженного на фотодиоде пульсометра света

На картинке выше мы видим, что когда сердце выталкивает кровь, ее объем в артериях максимален и она поглощает больше света, соответственно, на фотодиод возвращается меньше света.

А теперь вспомните, что именно анализируют фитнес-браслеты и смарт-часы, и подумайте, может ли быть такая огромная разница в количестве поглощенного света при максимально и минимально наполненных артериолах и капиллярах? Конечно же, нет!

В действительности разница настолько ничтожная, что на такой маленькой картинке мы бы ее вряд ли увидели. График поглощения света выглядел бы примерно так:

реальный уровень сигнала пульсометра на смарт-часах

Я специально выделил красным цветом ту часть графика, которая хоть как-то варьируется и отображает пульсацию. Весь остальной свет — это поглощение и рассеивание света другими тканями тела, в том числе, венами. Это шум или бесполезный сигнал.

И эта картинка также очень далека от реальности. Что-то похожее может быть только в том случае, если вы будете измерять пульс фитнес-трекером в полностью неподвижном состоянии.

Всё дело в артефактах движения! Это один из главных врагов оптических пульсометров. Мельчайшее движение мышцы, поворот запястья, движение пальцами или даже смещение фитнес-трекера на миллиметр — всё это очень сильно искажает полезный сигнал.

А если мы говорим о ритмичных движениях (например, во время пробежки), трекер и вовсе может переключиться с правильного сигнала (пульса) на ошибочный (частота шагов).

Повторюсь, фитнес-браслеты работают с самыми маленькими сосудами, пульсация крови в которых едва различима. И, казалось бы, решение этой проблемы очень простое — можно использовать красные или инфракрасные лампочки вместо зеленых. Но, чем глубже свет будет проходить внутрь тела, тем больше мышц, связок и других внутренних тканей будут вносить искажение в этот сигнал при мельчайшем движении.

Когда вы делаете пробежку, фитнес-браслет «видит» ваш пульс условно так:

данные пульсометра браслета до фильтрации

И ему нужно отфильтровать этот сигнал таким образом, чтобы найти в нем пульсовую волну:

данные пульсометра браслета после фильтрации

Для этого, конечно же, есть множество алгоритмов и датчиков. К примеру, фитнес-трекеры вычитают из сигнала пульсометра сигнал акселерометра и/или гироскопа, которые учитывают даже малейшие движения руки.

И, тем не менее, фитнес-трекеры не используют красные лампочки для отслеживания пульса днем. Но некоторые устройства (например, Amazfit Bip U) ночью переходят в режим высокой точности с использованием сразу двух видов лампочек — зеленой и красной. Так как движений в это время мало, красный свет позволяет анализировать более глубокие артерии и давать более качественный сигнал без артефактов движения.

Как минимизировать артефакты движения?

Здесь мы снова возвращаемся к вопросу о том, как правильно носить фитнес-браслет. Когда я говорил, что нужно поднимать его повыше, то связано это в том числе и с артефактами движения.

Чем ближе к запястью будет трекер, тем сильнее будет искажаться сигнал. Особенно, если при этом вы будете делать силовые упражнения, в которых задействованы руки (брусья, гантели, штанга, отжимания и т.п.). Частые сгибания запястья — это серьезная проблема для оптического пульсометра.

Также необходимо убедиться, что браслет надежно зафиксирован на запястье и не смещается в стороны. Особенно, если речь идет об интенсивной тренировке. Но и здесь нужно быть осторожным!

Стоит вам немножко переусердствовать, затянув ремешок «как следует», и вы рискуете еще сильнее нарушить работу пульсометра

Не забывайте, что он работает с крошечными артериолами и капиллярами, которые очень легко передавить, перекрыв тем самым кровоток. В этом случае обнаружить пульсацию при помощи зеленой лампочки, да еще и во время активных движений, становится очень тяжелой задачей.

Поэтому, если ваш фитнес-трекер неверно определяет пульс, попробуйте во время тренировки подобрать оптимальную силу прижимания датчика к коже. Сделаете слишком свободно или слишком туго — возрастет погрешность работы.

К слову, на некоторых спортивных часах (например, от компании Polar) есть даже специальные датчики контакта с кожей. Когда спинка часов не полностью прилегает к коже, электрический сигнал между контактами очень слаб или отсутствует.

Хороший контакт фитнес-трекера с кожей важен еще и потому, что на фотодетектор пульсометра может попадать окружающий свет (солнечный или искусственный). Это, разумеется, будет вносить шум в сигнал и искажать работу пульсометра.

Давайте еще вкратце рассмотрим другие причины неточной работы пульсометра:

Цвет кожи и ее состояние

Цвет кожи зависит от количества находящегося в ней пигмента под названием меланин. Чем больше меланина — тем темнее кожа.

Меланин — это природный «защитный крем» от ультрафиолетового излучения. Если бы оптические пульсометры использовали короткое УФ-излучение, меланин бы полностью его поглощал и трекеры не увидели бы никакого сигнала.

А вот для более длинных волн красного цвета, меланин практически невидим. Зеленый же свет находится где-то посредине. Поэтому интенсивность зеленого света частично зависит от количества меланина (то есть, цвета кожи).

Кроме того, всё, что может препятствовать прохождению света, что также сильно влияет на точность работы пульсометра. Грязь, засохший пот, крем и, тем более, татуировки — это потенциальный барьер для света.

Иногда очень густые волосы на руке также препятствуют нормальному прохождению света и в таком случае можно попробовать надеть фитнес-браслет на внутреннюю часть запястья.

Температура воздуха и тела

Возможно, вы замечали такую особенность. В начале тренировки фитнес-браслет или часы отображают пульс с большой погрешностью, но спустя несколько минут всё выравнивается и дальше работает хорошо.

Если это происходит в холодную погоду или в холодном помещении, скорее всего, всё дело в адаптации организма к холоду. Кожа — это последнее, о чем «переживает» организм, когда его температура падает, поэтому происходит сужение мелких артерий и уменьшение притока крови к рукам и коже. А снижение кровотока прямо пропорционально снижению пульсирующего сигнала.

В этом случае следует перед началом отслеживания тренировки немного разогреться, чтобы привести в норму кровообращение в руках.

Проблемы со здоровьем

Думаю, вы уже и сами понимаете, что любая проблема со здоровьем, связанная с кровообращением, напрямую влияет на точность работы пульсометра. Диабет, высокий уровень холестерина, ожирение и ряд других проблем — всё это будет сокращать тот небольшой переменный сигнал, связанный с пульсацией крови в мельчайших артериях.

Поэтому, даже если вы исключили все предыдущие причины неправильной работы пульсометра, фитнес-браслет всё равно может давать высокую погрешность. Но, скорее всего, неправильная работа связана с одной из вышеперечисленных причин, а не со здоровьем.

Алексей, глав. редактор Deep-Review

 

P.S. Мы открыли Telegram-канал и сейчас готовим для публикации очень интересные материалы! Подписывайтесь в Telegram на первый научно-популярный сайт о смартфонах и технологиях, чтобы ничего не пропустить!

 

Понравилась статья? Поделитесь с другими:
  •  
  • 1
  •  
  • 1

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии...

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?