Пульсометр с измерением пульса на запястье. Что нам стоит пульс измерить? Варианты оптических пульсометров. Чтобы избежать этого
Умные часы с каждым днем получают все более широкое распространение. Компактный электронный гаджет подкупает многофункциональностью. Из товаров для избранных, смарт-часы уверенно перемещаются в категорию обязательных аксессуаров. Дополненные датчиками измерения пульса, умные часы и браслеты предложили пользователям еще больше опций.
Пульсометр с оптическим датчиком пользуется популярностью у спортсменов и любителей активного отдыха. При его выборе следует обратить внимание на тип датчика. Нагрудные ременные модели, до недавнего времени были самыми распространенными и считались максимально точными. Но в последние годы их активно потеснили часы с оптическим пульсометром.
Что такое оптический пульсометр и почему он удобный?
Оптический пульсометр для измерения частоты пульса просвечивает кожный покров световым лучом. По пульсации крови, проходящей через кровеносные сосуды, рассчитывается частота сокращения сердечной мышцы. Что особенного предлагают пользователям пульсометры с оптическим датчиком, в чем их плюсы и минусы?
Главное и бесспорное их достоинство – удобство. Лучшие оптические пульсометры традиционно интегрируют в наручный браслет. В подавляющем большинстве случаев, производители стараются не ограничиваться одним датчиком пульса. Фитнес-браслеты и умные часы предлагают владельцу стандартный набор спортивной статистики, умеют сопрягаться с мобильными устройствами, синхронизируются с приложениями.
Современные производители настолько усовершенствовали технологии снятия показаний, что с уверенностью утверждают, что наручный гаджет – это самый точный оптический пульсометр. Разработчикам удалось исправить практически все недостатки наручных пульсометров первых поколений. Во многом это стало возможным, благодаря тому, что в устройства интегрируют новейший оптический пульсометр, принцип работы которого основан на лучших биомедицинских технологиях.
И спортивные от SMA позволяют следить за здоровьем и быть всегда на связи. Умные устройства напомнят о том, что владелец засиделся, разбудят утром тихим вибросигналом. А еще с их помощью можно дистанционно управлять камерой смартфона. Фитнес-трекер измеряет пульс каждые 15 минут и при этом работает на одном заряде 5 дней. Он различает разные виды спорта и отслеживает сон.
В коллекции MIO множество наручных устройств с пульсометром. С ними пользователь может контролировать работу своей сердечно-сосудистой системы во время отдыха и тренировок. Точность измерений и их второй генерации сопоставимы с профессиональной медицинской аппаратурой. Устройства используют не один, а два световых луча и фирменные алгоритмы. В браслете можно плавать. тоже водонепроницаем, но разработан специально для велосипедистов. позиционируется, как самый точный пульсометр на рынке. А настолько «умен», что поможет владельцу избежать заболеваний, стать активнее, здоровее и счастливее.
Отличается от других пульсометров не только оригинальным дизайном. Гаджет считает шаги, пульс, отслеживает данные тренировок, вычисляет спортивную форму пользователя, анализирует его активность и составляет персональные советы и рекомендации.
Часы разработаны специально для бегунов. Помимо полного спектра фитнес-функций, гаджет отличает доступная цена, наличие GPS-модуля и коллекция сменных ремешков. Модель универсальна. Это аксессуар для ежедневного использования. Умные часы отличаются стильным внешним видом и емкостной батареей.
Умные часы или браслеты с пульсометром четко снимают показания не только в состоянии покоя, но и вовремя интенсивных нагрузок. С ними пропала необходимость в использовании нагрудных ремней. Для того чтобы подсчитать пульс, человеку не нужно останавливаться. На внутренней стороне корпуса пульсометра расположен электронный оптический элемент, который измеряет пульс с помощью узкого светового пучка. Программный блок фиксирует количество рассеянного в кровотоке света и рассчитывает частоту пульса. Чтобы добиться максимального поглощения в оптических пульсометрах используется зеленый светодиод со значением 525 нм. Многие производители предлагают разные по стилю и дизайну браслеты-ремешки, в которые вставляется пульсометр с оптическим датчиком, купить их можно отдельно и менять в зависимости от настроения и ситуации.
При использовании наручных пульсометров следует помнить, что устройство будет выдавать результат с погрешностью, в случае неплотного прилегания к коже. Низкие температуры также могут привести к неточностям при измерении пульса. И уж, конечно, не стоит надевать наручный пульсометр поверх одежды.
Несмотря на высокую технологичность и достойное качество современных пульсометров, к нам иногда обращаются с таким вопросом. Иногда девайс может показывать данные, которые кажутся неправдоподобными даже неопытному пользователю, например, пульс 220 на легкой пробежке или 50 ударов сердца в минуту на ускорениях.
В чем же причина и как это исправить?
Сразу успокоим вас - причина обычно не в самих часах, а в датчике пульса . Вторая хорошая новость - в подавляющем большинстве случаев это легко исправить.
Итак, в чем причины ненормальных показателей пульса?
1. Отображение пульса в формате % от максимального
Возможно, в настройках ваших часов указан формат отображение пульса не в ударах в минуту, а в % от максимального - тогда на тренировке будет казаться, что ваш пульс не дотягивает и до сотни. Если такой формат вам непривычен, измените настройки часов.
2. Датчик плохо прилегает к телу
Нагрудный датчик Polar получает сигнал с вашей кожи и обычно располагается под грудной мышцей. В этом месте сигнал наиболее сильный.
Сила сигнала, принимаемого датчиком, зависит от анатомических особенностей, жирового слоя, формы грудной клетки и расположения сердца. Если сигнал слабый, особое значение приобретает тесный и постоянный контакт между электродами и кожей.
Чтобы его обеспечить:
- Смачивайте электроды перед тренировкой. В начале тренировки кожа и датчик сухие, и это может быть причиной неверных показателей пульса. В процессе занятия вы потеете и контакт улучшается, в том числе благодаря солям, которые выделяются из наших пор вместе с жидкостью. До тренировки вы можете увлажнить датчик водой или слюной. Кроме того, вы можете использовать специальный гель , улучшающий проводимость, обеззараживающий датчик (который является отличной средой для бактерий), а также предотвращающий натертости.
- Затяните потуже резинку датчика. Лента должна плотно прилегать к телу, но при этом не вызывать дискомфорта и не мешать дыханию.
- Попробуйте другие положения датчика. Обычно ленту надевают под грудную мышцу, однако, такое расположение не всем удобно и некоторые носят датчик не под грудью, а над ней - если при этом пульс отображается корректно и пользователю удобно, такой вариант вполне имеет право на жизнь. Иногда нужно сместить сам передатчик влево или вправо, известны также случаи, когда пользователи переворачивали датчик так, чтобы логотип смотрел вниз или даже надевали его со стороны спины.
- Возможно, у вас просто очень волосатая грудь! Волосы значительно ухудшают контакт датчика с кожей, поэтому попробуйте побрить участки кожи, контактирующие с электродами.
- Загрязненный датчик. Высохший пот, благодаря содержащимся в нем солям и примесям, может загрязнить датчик и мешать передаче сигнала. Не забывайте промывать датчик под теплой водой после каждой тренировки, а также иногда мыть его с мылом. Обязательно просушивайте его после тренировки и храните согласно инструкции - это поможет значительно продлить ему жизнь.
3. Помехи
Иногда сигнал может искажаться из-за электромагнитных сигналов, вызванных:
- Высоковольными проводами (ЛЭП)
- Линиями для электропоездов
- Трамваями, троллейбусами и электрическими автобусами
- Светофорами
- Моторами автомобилей
- Велокомпьютерами
- Мобильными телефонами
- MP3 плеерами
- mp3 players
Для датчиков H2, H3, WearLink Hybrid, WearLink W.I.N.D., использующих протокол передачи данных W.I.N.D:
- Микроволновыми печами
- Компьютерами
- Wi-Fi роутерами.
4. Дистанция между устройством и датчиком пульса (работающим на технологии GymLink) слишком большая
Дистанция между вашим датчиком и часами не должна составлять более 1 метра. Если расстояние будет больше, ваш пульсометр может не получать все данные о частоте сердечных сокращений, в результате часы будут показывать один и тот же пульс длительное время.
5. Сигналы с других датчиком пульса Polar
Датчики H1, H2, H7, T31, T31C, WearLink, WearLink Hybrid и WearLink Nike+ передают данные о пульсе с использованием технологии GymLink. Однако, датчик Polar T31 не кодированный, в отличие от остальных. Поэтому на него могут влиять сигналы с других устройств.
Избежать этого лишь увеличив дистанцию между вашими часами и другими датчиками.
6. Статическое электричество и/или технологичная спортивная одежда в сочетании с особенностями погоды
Если вы тренируетесь в условиях низкой влажности в сочетании с сильным ветром, ваша футболка может биться о датчик, производя статическое электричество. Это может привести к помехам, особенно если контакт между датчиком и кожей не слишком хорош.
Чтобы избежать этого:
- Увлажняйте электроды перед тренировкой
- Используйте хлопковую футболку
- Используйте более обтягивающую одежду, чтобы она не развевалась на ветру.
7. Аритмия
Все девайсы Polar созданы для людей с нормальным сердечным ритмом и не приспособлены для диагностики аритмии. В большинстве случаев пульсометры Polar корректно работают и при аритимии, но в некоторых случаях устройство может отображать некорректные данные.
8. В датчике пульса села батарейка
Если в вашем датчике пульса садится батарейка, расстояние, на которое он может передать сигнал, уменьшается, что может приводить к ошибкам.
Чтобы решить проблемы, обратитесь к инструкции к вашей модели датчика пульса - в некоторых моделях, например , для замены батареи достаточно открыть крышечку за задней части передатчика с помощью монетки и вставить новую батарею, в то время как старые модели типа Polar T31 потребуют замены всего датчка целиком, так как элемент питания там несменный.
В статье использованы материалы сайта www.polar.com.
Всем привет!
Совсем немного осталось до начала нашей краундфандинговой компании часов для измерения уровня стресса EMVIO . Появилась небольшая передышка и пальцы попросились к клавиатуре.
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. В общем случае под пульсом понимают частоту, с которой повторяется сердечный цикл. Однако есть нюансы, каким способом мы регистрируем эту частоту.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.
Как гаджеты измеряют пульс?
Итак, вот наш вариант обзора самых распространённых способов измерения пульса и примеры гаждетов, которые их реализуют.1. 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). Кстати он осуществил передачу ЭКГ по телефонному кабелю из больницы в лабораторию и, по сути, реализовал идею удаленного доступа к медицинским данным!
Три 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.
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.
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.
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.
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.
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 .
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. Однако прибор очень чувствителен к движениям пальца на фронтальном электроде, чуть сдвинулся и сигнал поплыл. С учетом того, что для набора статистики нужно около трех минут процесс регистрации выглядит напряжно.
Вот еще вариант использования принципа двух рук в проекте FlyShark Smartwatch, который выложен на Кикстартере .
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.
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.
2. Измерение пульса на основе плетизмографии
Поистине самый распространённый способ измерения пульса в клинике и быту! Сотни разнообразных устройств от прищепок до перстней. Сам метод плетизмографии основан на регистрации изменения объемов кровенаполнения органа. Результатом такой регистрации будет пульсовая волна. Клинические возможности плетизмографии выходят далеко за рамки простого определения пульса, но в данном случае нам интересен именно он.Определение пульса на основе плетизмографии может быть реализовано двумя основными способами: импедансным и оптическим. Есть и третий вариант – механический, но мы не будем его рассматривать.
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 России часто используется термин реография. Этот способ регистрации ведет свое начала с исследований ученого Манна (Mann, 30 –е годы) и отечественного исследователя Кедрова А.А. (40–е годы).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).
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.
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 ∆T и 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 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.
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. В общем, все уже на борту. Однако согласно описанию характеристик прибора пульс в HealBe измеряется механическим методом с помощью пьезодатчика (про этот способ во второй части обзора).
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. Самые первые устройства были применены в клинике и измеряли пульс с пальца в режиме просвета или отражения. Форма пульсовой кривой повторяет реограмму.
Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии
Способ 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. 
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.
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.
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.
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).
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). Любую разницу перебивают артефакты движения, индивидуальные свойства кожи, толщина подкожного слоя запястья и степень прижатия датчика к коже. Мы захотели как-то выделиться из общего “зеленого” списка и пока остановились на желтом цвете.
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. В предложениях этой фирмы есть еще бейсболки и солнцезащитные козырьки для девушек. Если постоянно носите бейсболку, то это ваш вариант.
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 .
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 .
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 .
Теги: Добавить метки
Измерение пульса - дело полезное и нужное: этот параметр помогает определить общее состояние организма человека, а также оценить уровень активности активности, в случае проведения тренировки. Правда, измерение пульса «на ходу» - дело довольно хлопотное. Ведь никто не хочет таскать с собой громоздкие устройства или проводить измерение вручную. Спортсмены-профессионалы долгое время обходились нагрудными пульсометрами, показания которых весьма точны. Но нагрудный пульсометр тоже не идеален - как, например, с его помощью быстро измерить пульс человека в офисе? В общем, за последние несколько лет появились альтернативные пульсометры - оптические.
До сих пор Lifetrak отказывался от конкуренции среди спортивных оптических пульсометров, совершенствуя линейку фитнес-часов, где датчик пульса включался «по требованию». Новинка совсем не похожа на то, что они делали все это время. Немного подробностей под катом. Новый девайс позволяет измерять пульс в постоянном режиме на суше и в воде, записывая данные в специальное приложение, а в случае выхода из зоны, посылает уведомление. И это ключевая особенность Zoom от Lifetrak.
Оптический пульсометр просвечивает кожу человека при помощи относительно мощного пучка света, а оптический датчик определяет скорость и характериистики отраженного светового излучения, определяя параметры циркуляции крови по капиллярам. Датчики такого типа - достаточно точные. Преимущество оптического пульсометра - портативность, такие модули встраивают в умные часы, фитнес-трекеры и другие устройства. Наиболее удачные модели мы и предлагаем сейчас оценить.
Рынок пульсометров огромен, но к оптическим всегда было повышенное внимание и повышенные требования, и лидеры этой ниши, кажется, сумели оправдать лучшие ожидания. Начнем с классики.
Mio Alpha 2
Одна из наиболее удачных моделей спортивных часов последнего времени. Собственно, «спортивные часы» это даже не совсем верное название, скорее, это часы-пульсометр.Как и говорилось выше, устройство умеет измерять пульс без нагруного ремня, за счет модуля пульсометра, встроенного в корпус. Определяя пульс, часы дают возможность настроить так называемые зоны сердечного ритма для оптимизации проведения тренировок.
Все данные устройство передает по беспроводной связи на мобильный телефон, в собственное приложение. Показания Mio Alpha 2 весьма точны, а пульс определяется даже во время сверх-активной тренировки (некоторые модели наручных пульсометров в это время начинают сбоить).
Basis Peak
Практически универсальное устройство, с равной легкостью отслеживающее пульс и оценивающее качество сна. Алюминиевый водонепроницаемый корпус, качественный дисплей, большое количество функций - что еще нужно человеку, ведущему активный образ жизни?Вероятно, пульсометр, да. Здесь он есть, оптический, как и у всех прочих гаджетов из подборки. Устройство очень точное, правильно показывает пульс и во время тренировки, и во время отдыха. С помощью технологии Body IQ устройство Peak автоматически распознает разные виды активности – бег, ходьбу, езду на велосипеде.
В часах используется усовершенствованный оптический пульсометр с более мощными датчиками, чем у большинства аналогов, для повышения точности и согласованности измерения ЧСС. Пользователь Basis Peak может отслеживать частоту сердечных сокращений в режиме реального времени 24 часа в сутки, непосредственно на запястье - во время прогулок, пробежек, велосипедных прогулок и при любом другом виде активности.
Microsoft Band
Это одно из наиболее функциональных устройств в подборке. Здесь есть все - дисплей, куча модулей, датчиков и сенсоров. Конечно же, есть и оптический пульсометр, который уже заслужил одобрение пользователей устройства. Благодаря такой функциональности Microsoft Band можно назвать универсальным носимым гаджетом. Устройство можно использовать и для организации личного времени, бизнес-планирования, так и для оценки своей активности во время занятий спортом.
Поскольку в гаджете есть оптический пульсометр, то сам пульс можно определить в любое время - в ходе тренировки или во время отдыха. Кроме того, в Band есть шагомер, датчик качества сна, детектор УФ-излучения, GPS, WiFi, Blueooth модули и многое другое.
Fitbit Charge
Пульсометр фитнес-браслета Fitbit Charge HR работает на базе собственной разработки – оптической технологии подсчета сердечного ритма PurePulse, фиксирующей малейшие изменения давления крови. Методика предполагает использование крошечных безопасных светодиодов на тыльной сторонегаджета. Суть используемого метода в том, что в процессе сердцебиения капилляры расширяются и сжимаются в зависимости от объема заполняющей их крови. Светодиодная технология PurePulse позволяет определять наполняемость микрососудов по изменению плотности светового пучка, проходящего через капилляры. Фотодетектор регистрирует изменение между стартовыми показателями от источника света и отраженным результатом после поглощения части светового пучка кровью и мягкими тканями. Технология PurePulse абсолютно безопасна и отличается чрезвычайно низкими показателями энергопотребления.
Опция PurePulse позволяет пользователю отслеживать интенсивность тренировок, количество израсходованных калорий, визуализируя результаты с помощью интерактивных графиков и диаграмм в приложении Fitbit.
Apple Watch
Описывать умные часы от Apple еще раз смысла нет - в Сети полным-полно обзоров. Тем не менее, в этом устройстве тоже есть пульсометр, и работает он неплохо. Правда, не так давно, после получения обновления, пульсометр начал работать несколько непредсказуемо, замеряя пульс не каждые 10 минут, а выбирая различные промежутки времени.
Тем не менее, Apple, кажется, удалось решить проблему, во всяком случае, количество жалоб на форумах резко уменьшилось.
Сейчас оптические пульсометры и гаджеты с ними становятся все более распространенными, и причина тому - возможность измерять пульс на ходу. Модули такого типа встраивают во многие устройства, включая умные часы. В принципе, это неплохая идея, поскольку, раз уж умные часы называют цифровым ассистентом, почему бы им не побыть еще немножечко и цифровым врачом (ну, или хотя бы медсестрой?). И действительно, большинство устройств на Android Wear оснащены пульсометрами, среди прочих моделей можно назвать LG Watch Urban.
В дальнейшем, вероятно, число устройств с различными модулями, назначение которых - изучать состояние организма человека, будет только увеличиваться. И это хорошо, ведь и программные платформы для отслеживания динамики состояния своего организма, также развиваются. Google, Apple, Samsung в этом вопросе - впереди планеты всей.
Что же, осталось только пожелать всем здоровья.
— Поделится Новостью в Соц. Сетях
До сих пор Lifetrak отказывался от конкуренции среди спортивных оптических пульсометров, совершенствуя линейку фитнес-часов, где датчик пульса включался «по требованию». Новинка совсем не похожа на то, что они делали все это время. Немного подробностей под катом. Новый девайс позволяет измерять пульс в постоянном режиме на суше и в воде, записывая данные в специальное приложение, а в случае выхода из зоны, посылает уведомление. И это ключевая особенность Zoom от Lifetrak.
Обзор Lifetrak C410 - «непостоянный» пульсометр для постоянного использования
С момента появления первого серийного пульсометра в 1977 году до сегодняшнего дня датчики побывали и на пальце, и в ухе, и - прошу прощения - под попой, о чем мы писали в "неврологической подборке". Типологию современных гаджетов для снятия пульса мы попытались проанализировать в "генеалогической елке", и там оказались часы с ремнем, нагрудные пульсометры, оптика, наушники. Оптическим пульсометрам мы также посвятили отдельный пост на Geektimes.
Nintendo патентует консоль с необычным расположением датчиков
Компания Nintendo никогда не следовала общему тренду в производстве игровых приставок и выделялась на фоне Sony и Microsoft. Пользователи тепло принимали устройства производителя, и многие с нетерпением ждут новую консоль Nintendo NX. Недавний патент может пролить свет на некоторые возможности грядущей новинки. В Интернет попали схемы из патентной заявки Nintendo, на которых демонстрируется портативная консоль с "обращенными наружу" линейными датчиками изображения. С их помощью консоль сможет анализировать прикосновения рядом с устройством и выполнять определённые команды, например, взаимодейс
Новая технология Apple способна распознавать жесты пользователя
Компания Apple получила очередной патент, связанный с проецированием и жестикуляцией. В документе описывается технология, способная распознавать и интерпретировать жесты. В документе упоминается оптоэлектронное устройство, оснащённое полупроводниковой подложкой, на которой размещён двухмерный ряд оптических излучателей и проецирующих линз, а также дифракционный оптический элемент. Проецирующая линза предназначена для сбора и фокусировки света от оптических излучателей, чтобы проецировать оптические лучи на поверхность в определённом порядке.
Withings Thermo измерит температуру одним касанием
Измерение температуры тела - это достаточно лёгкий процесс, однако те, у кого есть маленькие дети, не понаслышке знают, как сложно бывает измерить температуру у маленьких непосед. Новый термометр Withings Termo призван помочь родителям в решении этой проблемы. Этот градусник не нужно вставлять в рот или подмышку. Для того, чтобы измерить температуру с помощью Withings Termo, его всего лишь нужно приложить ко лбу, и через 2 секунды гаджет покажет точную температуру тела.
В этой статье вы узнаете о нескольких деталях, на которые нужно обращать внимание при разработке сенсоров фотоплетизмографа.
Введение
В предыдущей статье вы познакомились с конструкцией . Сегодня я поделюсь некоторыми наработками, которые могут быть полезны при выборе элементной базы плетизмографа и разработке его электрической схемы. Они помогут улучшить качество полезного сигнала, на которое в первую очередь влияют следующие факторы:- отсутствие артефактов;
- наличие выраженной пульсовой волны в точке регистрации;
- конструкция чувствительного элемента.
Существуют несколько источников артефактов:
- передвижения человека, использующего фотоплетизмограф, относительного источника освещения, естественного или искусственного, например, перемещение тени от солнца во время занятий спортом;
- передвижения источника света относительно человека или изменение яркости этого источника. Например, мерцания люминесцентных ламп;
- не связанные с пульсом движения частей тела вызывающие движения фотоплетизмографа или точек тела в том месте, где установлен чувствительный элемент. Например, движения костей предплечья, возникающие при движениях пальцами, движения костей головы, связанные с речью и мимикой.
Похожая ситуация наблюдается при измерении пульса с фаланги пальца. Изменение температуры в помещении или легкое изменение позы человека и вызванное этим смещение точки регистрации на небольшое расстояние могут привести к снижению уровня сигнала или вовсе к его исчезновению.
При измерении пульса с виска проблема отсутствия сигналов обостряется. Площадь виска больше площади пальца, труднее найти точку, в которой пульс лучше проявлен, и больше вероятность, что пользователь наденет датчик неправильно.
Многоканальные чувствительные элементы
Для решения описанной проблемы может быть применен распространенный в технике принцип – дублирование, которое в данном случае подразумевает использование датчика с несколькими чувствительными элементами. Принципиальная схема, реализующая такую идею, приведена на следующем рисунке.
Предвижу скептические мысли читателей насчет параллельно включенных светодиодов. Прошу не судить строго, так как это опытный образец, который не должен был эксплуатироваться длительное время.
Светодиоды и фототранзисторы на печатной плате располагаются попарно. Размер платы выбирается таким, чтобы перекрывать всю область виска, это позволяет располагать там же схему усиления и фильтрации сигнала. Плата может содержать отверстия для крепления к ленте-тесьме. Внешний вид датчика с девятью чувствительными элементами представлен на следующем рисунке.
Аналогичное решение может быть применено для измерения пульса с пальца или запястья. Ниже изображена схема датчика, состоящего из четырех фототранзисторов и одного светодиода.
Эмиттеры фототранзисторов могут не соединяться и тогда сигналы с каждого из них измеряются независимо, в этом случае требуется специальное многоканальное измерительное устройство. Многоканальное исполнение может быть также полезно для устранения артефактов. Если артефакт возникает только в районе одного фотоэлемента, он фиксируется и не учитывается в общей картине измерения. Однако использование такой схемы не всегда удобно, так как приводит к увеличению габаритов. Совсем другое дело, если соединить фоточувствительные элементы параллельно. В этом случае требуется только один измерительный канал. На следующем рисунке приведен прототип такого датчика. Он работает по схеме «на отражение». Светодиод располагается в центре, а фототранзисторы по краям. Датчик может использоваться для регистрации пульсограммы с фаланги пальца или запястья. Печатная плата разведена так, чтобы иметь возможность подключать фототранзисторы в многоканальный или одноканальный варианты.
Компаудирование
Для лучшей фиксации фотоэлементов поверхность печатной платы может быть залита компаундом. Для заливки изготавливается специальная форма, которую вы также видите на рисунке. Чтобы компаунд не прилипал к форме, ее лучше изготавливать из фторопласта. Если форму выполнить из другого материала, например из металла, то перед заливкой компаунда ее следует смазать специальным составом. Если такого состава нет в наличии, подойдет обычный вазелин. Следует также внимательно подходить к выбору компаунда, так как неправильно выбранный состав может деформировать элементы при отверждении.Кроме фиксации компаунд выполняет роль светофильтра. Для этой цели подходят эпоксидные компаунды с красителями. Например может использоваться компаунд «Эпоксикон» производства СПбГТИ.
Альтернативу компаундам могут составить твердые светофильтры. Они вплотную прилегают к печатной плате, а для светодиодов и фототранзисторов выполняются пазы фрезой или лазером. На следующем рисунке изображен датчик с элементами, закрытыми отфрезерованной пластиной.
Наличие светофильтра позволяет минимизировать артефакты, создаваемые внешними источниками света. На следующем изображении представлен вид оптических компаундов до отверждения и после.
Особенности выбора фототранзисторов и светодиодов
Для регистрации пульсовой волны используются фоточувствительные элементы – фотодиоды или фототранзисторы. В этой статье речь идет только о фототранзисторах. Потому что на момент моего начала работ в этом направлении уже имелись на руках несколько десятков различных транзисторных сенсоров (клипс, прищепок и напалечников), а также были наработанные схемотехнические решения. Использование диодов при этом ничуть не хуже и повсеместно применяется в различных приложениях, например в распространённых медицинских датчиках стандарта Nellcor.При выборе фототранзисторов и светодиодов в первую очередь следует обращать внимание на следующие характеристики:
- длину волны (максимум спектральной характеристики) [нм];
- угол половинной яркости для светодиодов и угол охвата для фототранзисторов [град.];
- интенсивность излучения [мВт/ср] для светодиодов и чувствительность для фототранзисторов [мА/(мВт/см2)];
- номинальный ток фототранзистора и светодиода [мА];
- темновой ток фототранзистора [мА];
- наличие встроенных в корпус линз и светофильтров.
Для измерения пульса лучше всего подходят длины волн, которые сильнее всего поглощаются кровью. Это волны соответствующие зеленому цвету 530 нм. Так же используются красный и инфракрасный диапазоны. Очень рекомендую с классификацией способов измерения пульса, там же вы узнаете про спектр поглощения гемоглобина.
При выборе фотоэлементов следует обращать внимание на наличие линз и светофильтров, которые позволяют достичь желаемого угла половинной яркости и охвата, а, значит, быть менее чувствительным к излучению от других источников. Встроенные фильтры позволяют работать только в выбранном спектральном диапазоне. Если выбрать светодиод с большим углом половинной яркости и фототранзистор с большим углом охвата, то свет будет проходить, минуя поверхность кожи. Это приведет к ухудшению измерительного диапазона и световой поток, модулируемый пульсовой волной, практически не будет влиять на выходной сигнал измерительной схемы. Эта ситуация проиллюстрирована на следующем рисунке
Угол а2 является допустимым, а угол а1 слишком велик для того чтобы использовать светодиод с таким углом в устройстве измерения пульса. Этот пример относится к случаю измерения пульса «на отражение». Выбор светодиода с большим углом половинной яркости в устройствах, работающих «на просвет» приведет к тому, что большая мощность излучения будет проходить мимо фотоприемника. Это нежелательно, особенно в мобильных устройствах.
Также следует обращать внимание на интенсивность излучения светодиода, измеряемую в милливаттах на стерадиан [мВт/ср]. В документах на светодиоды она указывается обычно при токах 20, 100 и 1000 мА. Для экономии электроэнергии лучше выбирать светодиоды, у которых эта характеристика выше при одном и том же потребляемом токе. Следует обращать внимание на величину фотоэлектрического тока фототранзистора, чем больше ее значение, тем лучше. Последние две характеристики связаны между собой. В результате, уровень минимально ожидаемого сигнала должен быть хотя бы в несколько раз выше ожидаемого уровня шумов в измерительном устройстве.
Светодиоды и фототранзисторы часто продаются парами, подходящими друг к другу конструктивно и по спектральным характеристикам. В таблице приведены характеристики нескольких пар светодиодов и фототранзисторов. Пары в строчках 2 и 3 не подходят для использования в пульсометрах из-за большого угла и низкой мощности излучения. Пары 1, 4 и 5 подходят, причем первая пара подходит лучше всего. Это было подтверждено испытаниями. При прочих равных условиях лучший сигнал пульсограммы снимался при использовании первой пары. Нужно отметить, что если между светодиодом и фототранзистором поставить непрозрачную преграду, то угол излучения и чувствительности будут не так сильно влиять на качество измерения пульса.
