что такое датчик физической активности
Взгляд изнутри: трекинг физической активности
У учёных есть одна маленькая слабость – ставить эксперименты и анализировать полученные результаты. Пару экспериментов, посвящённых мониторингу физической активности в течение 24 часов, я поставил над собой. Подробности, методика измерений, сравнение результатов числа сердечных сокращений представлены под катом для двух дней с низким и высоким уровнем физической активности.
Вступительное слово
Фитнес-трекер в моей жизни появился относительно давно – почти два года назад. Это был обычный браслет, который считал количество шагов, потом уже был докуплен нагрудный ремень для измерения пульса. В то время казалось, что стоит только начать носить сие чудо научной и инженерной мысли, следовать советам бездушной программы на телефоне, которая беспристрастно следит за физической активностью и путь автомагистраль к здоровой жизни открыта. Однако жизнь расставила всё на свои места.
Даже на Хабре и GT есть уйма статей посвящённых светлому будущему телемедицины и «облачным» докторам, которые могут так – вжух и поставить диагноз по данным «человеческой телеметрии». Даже появляются сообщения, что фитнес-трекеры могут спасти человеку жизнь, распознав какие-либо сердечные заболевания или могут определить источник землетрясения не хуже геологической службы.
С другой стороны врачи до сих пор не знаю или «не уверены» в применимости данных с фитнес-трекеров для «персонализированного» подхода к медицине. Где хранить этот такой объём информации? Фитнес-трекер измеряет пульс каждые 5 секунд, выдавая более 10 000! точек за сутки, это около 0.5 МБ в двухколоночном CSV, 200 МБ в год. А ведь хочется ещё и статистику накопить, динамику в разрезе 5-10 лет увидеть. Как обрабатывать? Более 300 000! точек за месяц не каждая программа для построения графиков такое осилит. А главное, зачем?
Туда же можно добавить ещё некоторые вопросы: а насколько данные, полученные фитнес-трекерами реваленты? Какова погрешность и вероятность ошибки?
В общем, оказывается, что вопросов больше чем ответов, поэтому ниже я опишу натурный эксперимент и подведу некоторые итоги очевидные и не очень. Также постараюсь ответить на вопрос: кто они, фитнес-трекеры – бесполезная игрушка или ценный инструмент, позволяющий собирать грандиозный массив данных для персонализированной медицины?
Виды пульсометров
На сегодняшний день на рынке представлено две принципиально разные схемы для измерения пульса или частоты сердечных сокращений (ЧСС), или кратко HR (от heart rate).
Первая из них и самая популярная, пожалуй – зелёный лазер. От производителя к производителю и от модели к модели меняется лишь положение датчика и количество светодиодных лазеров вокруг него.
Принцип работы прост. В крови есть гем (гемоглобин), окрашивающий кровь в ярко красный цвет, этот гем интенсивно поглощает в зелёной части спектра. Кровь же даже в самых маленьких сосудах пульсирует с той же периодичностью, что и сердце, которое и обеспечивает кровоток. Направляем лазер на кожу и измеряем пульсацию отражённого зелёного света, откуда и рассчитываем пульс.
Принцип работы лазерного пульсометра. Источник
Другой тип пульсометров работает по принципу ЭКГ, с той лишь разницей, что вместо десятка электродов используется только два.
На груди фиксируется пара электродов (как показывает моя практика можно даже не смачивать). Разность потенциалов, которая соответствует сердечным сокращениям, фиксируется с помощью отдельного мини-компьютера, передающего по BlueTooth данные на внешние устройства.
NB: Интересно, что например некоторые тренажёры поддерживают функцию HR по BT-каналу, поэтому в ходе тренировки данные автоматически отображаются на дисплее. Ниже пример того, как это выглядит на тренажёрах для гребли Concept 2:
Читатель задаст вопрос, а что же лучше? Дать прямой и однозначный ответ затруднительно.
Если нет заболеваний сердечно-сосудистой системы и точные измерения нужны только во время физической нагрузки (спортсмены, например), то лучшим выбором будет связка просто браслета и датчика на грудь. Если стоит задача мониторить пульс круглосуточно (например, из-за проблем с сердцем), то выбирайте браслет со встроенным датчиком. Полное сравнение с разбором отдельных аспектов на английском языке приведено здесь.
Буквально два слова о достоверности данных. На том же сайте Wareable.com есть интересная статья, посвящённая тестированию аккуратности получаемых данных разными датчиками. Оказывается, что лазерный датчик выдаёт «воспроизводимость» около 85% при ±5 уд/мин, тогда как нагрудный ремень позволяет достичь 91%.
От себя добавлю, что конкретно мой пульсометр измеряет пульс раз в 5 секунд, то есть если за 5 секунды было 5 ударов, то HR будет рассчитан, как 60 уд/мин. В расслабленном положении в ручную измеренный пульс был 60 уд/мин, а нагрудный ремень выдавал значения от 58 до 63 – вполне приемлемая точность.
Но вернёмся к нашим баранам…
Часть экспериментальная
Для мониторинга пульса я носил нагрудный пульсометр в связке с фитнес-браслетом в несколько заходов с перерывами на подзарядку и выгрузку данных: рабочий день + вечернее время дома и отдельно – ночь. Браслет с пульсометром синхронизируются по протоколу Bluetooth.
Чтобы не спойлерить и избежать обвинений в рекламе, конкретные модели приведу тут (кому надо – откроет и посмотрит).
Далее мы разберём на части отдельно обычный «офисный» день (спасибо диссертации, их было не мало) и сравним его с днём, когда значительную часть времени приходилось переносить «на ногах» (работа в лаборатории она такая). В качестве бонуса к данной статье будут пульсограммы с тренировки в спортзале и горный поход.
День «офисный»
Забегая вперёд скажу, что любая физическая активность имеет длинный след «релаксации», когда пульс в течение 30-40 минут приходит «в норму». А «взлёты» пульса около 9-30 и 12-00 это две чашки кофе.
Но давайте взглянем на неё поближе…
Начнём мы с пробуждения около 7-30 и забега до поезда, на котором я обычно добираюсь до работы. После пробуждения пульс подскакивает от 60 (так сказать здоровый сон) до 80-90 уд/мин (сборы и перемещение по дому). Затем лёгкая пробежка трусцой до поезда и пульс уходит выше 120 уд/мин. Потом время отдыха в поезде, минут 40 – ничего не происходит и пульс возвращается обратно к 80 ударам (работа на компьютере, просмотр новостей в телефоне). И, конечно же, приезд и прогулка до работы относительно спокойным шагом, а все всплески – лестничные пролёты.
Самое интересное происходит ночью. Как можно видеть на графике, представленном ниже, ночью пульс остаётся относительно стабильным – 60 уд/мин, иногда подскакивая до 70. Но на пульсограмме отчётливо видны «спайки» — резкое, но не продолжительное повышение пульса. По этим спайкам фактически можно отследить активность человека в ночной период и предугадать, когда его легче всего разбудить. Именно на этом принципе работают: а) браслеты с функцией пробуждения и б) приложения для сна.
Мы разобрали основные этапы дневного цикла «офисного хомячка», давайте теперь обратимся к циклу работника, который проводит большую часть времени на ногах, в движении и работе руками.
День «лабораторный»
Тот же график, если добавить усреднение
Главный вывод, самый очевидный, конечно же: двигайтесь больше на работе, даже если работа сидячая, то надо просто придумать занятие, которое будет заставлять ходить каждый час или полтора.
О, спорт, ты – мир!
Первое, о чём бы я хотел рассказать, это, конечно же, качалка или фитнес – кому как нравится. На пульсограмме ниже представлена моя типичная тренировка примерно на 1.5 часа. В начале – разминка, какие-то простые упражнения, которые помогают привести мышцы в тонус, затем гребной тренажёр, чтобы как следует прогреться, небольшой отдых и где-то 30-40 минут стандартных упражнений со свободными весами и/или на других тренажёрах.
Стоит отметить, что конкретно эта тренировка «потребляет» около 1050 ккал, что эквивалентно примерно всего-навсего 2-3 Сникерсам 50 гр. Тут можно написать целый трактат о зонах ЧСС и так далее, но не буду, просто оставлю скриншот из программы.
Ещё мы с друзьями и коллегами любим ходить в горы, поэтому ниже представлена пульсограмма и карта одного из таких походов. Интересно, что постоянный подъём вверх поднимает нижнюю планку пульса до примерно 95-100 уд/мин, а средняя ЧСС за весь маршрут составляет около 125 уд/мин, что очень хорошо для сжигания лишних каллорий.
Пульсограмма при горном походе. Легко угадывается обед и фото-привал
Карта, скорость и перепад высот для наглядности. Почему-то не отображается шкала высоты: максимальная отметка составила 2380 м, минимальная – 1130м
И небольшое саммари
Заключение и выводы
Во-первых, двигаться нужно больше и чаще, как бы ни банально это звучало. Многим нужен веский аргумент, чтобы начать заниматься собой, ходить в спортзал, отдыхать на природе и просто больше двигаться. Надеюсь, в этой статье мне удалось наглядно продемонстрировать, что даже обычная прогулка по офису за стаканом воды или чашкой кофе заставляет сердце биться быстрее как минимум на треть ещё 20-30-40 минут после возвращения в удобное кресло. Чем больше и чаще оно сокращается, тем больше калорий сжигается в организме.
Во-вторых, человек современной «сахарной» цивилизации потребляет слишком много калорий с пищей. Отсюда растут ноги у множества проблема: начиная сахарным диабетом и заканчивая сердечными заболеваниями. При этом отказаться от продуктов с содержанием сахара даже в 10-15 гр на 100 гр уже практически невозможно (читайте мелкий шрифт на упаковках). Остаётся только один выход – сжигать калории самому. На мой взгляд, мозолящая глаза надпись на запястье – “it’s time to move!” – отличный повод ещё раз вспомнить о съеденном за все перекусы в течение дня и пойти в фитнес-центр.
Проблема излишней «сахарности» еды не столько в избытке калорий, сколько в том что сахар нарушает нормальный обмен веществ. Вот хорошее видео для ознакомления:
И обсуждение оного:
В-третьих, фитнес-трекер с возможностью измерения пульса – это отличный инструмент для врачей мониторить здоровья пациента и предугадывать «проблемые» события. На сегодняшний день основная трудность заключается в том, как накопить и обработать автоматически такой массив данных, предоставив врачу лишь выжимку/преддиагноз.
В-четвёртых, к сожалению, проблемы с безопасностью являются оборотной стороной достоинств фитнес-трекеров. Фактически, как я показал в статье по пульсограмме можно отследить очень много информации о человеке: продолжительность и характер сна, распорядок дня, стиль работы («офисный хомячок» и человек «в полях») и многое другое. Фактически, это скрытый шпионский агент на запястье.
Но вернёмся к вопросу, поставленному в начале статьи: так кто ж они фитнес-трекеры? На мой взгляд, фитнес-трекеры определённо полезный инструмент мониторинга своего если и не здоровья, то дневной активности, которая опосредованно отражается на здоровье. Если бы они умели собирать данные об уровнях сахара и кислорода в крови, то стали незаменимой «лошадкой» персонализированной медицины и спортивных достижений.
PS: Не забудьте подписаться на блог: Вам не сложно – мне приятно! И да, о замеченных в тексте недочётах просьба писать в ЛС.
Мобильная диагностика: как работают датчики уровня кислорода, пульса, ЭКГ и шума
Содержание
Содержание
Непростой 2020 год показал, что за здоровьем надо тщательно следить даже при самой невероятной занятости. Тем более, что развитие технологий позволяет делать это при помощи смартфона, умных часов или фитнес-браслета. Комбинация различных датчиков и софта может контролировать ряд важных параметров и делать выводы: все ли в порядке или стоит запланировать визит к врачу.
Всплеск интереса к повседневному контролю здоровья случился после появления на рынке «умных» часов и браслетов. Разработчики с самого начала встраивали в них не только акселерометр и/или гироскоп с навигационным приемником, но и датчики контроля сердечных ритмов. Сейчас в такие устройства ставят несколько дополнительных чипов, позволяющих узнать о своем организме много полезного.
Давайте разберемся, какие датчики применяются в «умных» гаджетах, что они умеют и насколько точным получается результат измерений.
Акселерометр и гироскоп
Изначально эти датчики устанавливали в смартфоны. Когда появились «умные» часы и браслеты, их также оснастили такими чипами: на работе акселерометра, например, построена одна из основных задач всех «умных» гаджетов — подсчет количества шагов.
Сейчас все настолько привыкли к тому, что акселерометр и гироскоп есть в мобильных устройствах, что не видят между ними разницы. Тем более, что функции этих датчиков реализуются одной микросхемой. На самом деле разница есть. Если коротко, то акселерометр реагирует на ускорение предмета, а гироскоп — на изменение его положения в пространстве. Поэтому с помощью акселерометра можно, например, понять, нужно ли сменить ориентацию экрана смартфона или посчитать шаги. А с помощью гироскопа — точно определить положение тела.
Зачем это нужно в мобильной диагностике? С подсчетом шагов все ясно — это контроль здорового образа жизни. Но это больше относится к фитнесу. А как это помогает в плане наблюдений за своим самочувствием?
Дело в том, что связка акселерометра и гироскопа обеспечивает работу функции, способной определить, что владелец устройства упал. «Умный» гаджет на основании резкого изменения показаний датчиков делает вывод, что пользователю необходима помощь, и автоматически вызовет экстренные службы, например, скорую или полицию. Зачем это нужно? Например, гаджет оперативно вызовет врачей, если с вами случится какая-то неприятность на улице. А при инсульте и инфаркте очень важно, чтобы квалифицированная медицинская помощь была оказана как можно быстрее.
К примеру, такая функция реализована в Apple Watch. По умолчанию она активируется у пожилых пользователей, также можно ее включить вручную.
Кстати, обратите внимание, что наличие акселерометра вместе с гироскопом позволяет получать более точные результаты тренировок: гироскоп точно распознает такие вещи, как бег на месте или прыжки, и понимает, когда вы идете пешком, а когда бежите.
Датчик пульса
Датчик пульса — первое устройство для мобильной диагностики, появившееся в носимых гаджетах. Он предназначен для контроля сердечных ритмов в состоянии покоя и при физической нагрузке. На основании собранной статистики можно оценить состояние здоровья и понять, оптимальны ли нагрузки на тренировках или, если имеются какие-либо заболевания, сориентироваться, не пора ли обратиться к специалисту.
Измерения пульса
Датчики пульса, используемые в мобильных гаджетах, работают на основе оптической технологии — фотоплетизмографии (PPG). Смысл ее заключается в следующем. При сокращении сердечной мышцы в кровеносных сосудах изменяется кровяное давление и происходит изменение интенсивности капиллярного кровотока. Увеличившееся количество крови в сосуде поглощает больше поступающего света. Если подать поток света определенной интенсивности, то на основании прошедшего через ткань или отраженного сигнала можно сделать вывод об изменениях анализируемой среды: например, подсчитать количество «всплесков» кровотока в минуту и сделать вывод о частоте пульса.
В мобильных гаджетах подсчет пульса реализуется на основе как прошедшего через ткань света (в компактных пульсоксиметрах), так и отраженного — в «умных» часах и фитнес-браслетах. В них светодиод, размещенный на внутренней стороне устройства, испускает свет,который отражается от тканей запястья и поступает на фотодатчик, регистрирующий уровень отраженного сигнала.
Для подсветки используется светодиод зеленого цвета (525 нм). Зеленый цвет излучения выбран потому, что является наиболее контрастным к красному цвету крови, согласно цветовому кругу Иттена, а следовательно, лучше всего поглощается.
«Умные» гаджеты регистрируют пульс автоматически (по расписанию) или по желанию пользователя. На основании измеренных значений они построят красивые графики в мобильных или десктопных приложениях, которые помогут следить за уровнем пульса: контролировать выход за установленные пределы, наблюдать процесс в динамике за определенные интервалы времени. В целом с этой задачей мобильные устройства справляются хорошо.
Измерения артериального давления
Раз датчик пульса анализирует сердечные ритмы на основе изменений кровотока и давления, то логично предположить, что с его помощью можно не только посчитать пульс, но и измерить давление. Это на самом деле так. На основании данных, полученных от датчика пульса, программа может рассчитать величину артериального давления.
Но проблема заключается в том, что для того, чтобы получить близкий к реальному результат, необходимо выполнить калибровку устройства под конкретного пользователя. В противном случае измерение давления будет корректным только для тех, у кого оно находится на нормальном уровне, и еще не проявились возрастные изменения или проблемы, связанные с различными заболеваниями. Поэтому, если вы хотите с помощью «умных» гаджетов контролировать еще и давление, ищите модель с настройкой измерений под владельца.
Датчик ЭКГ
Еще более интересная вещь в плане контроля здоровья — датчик электрокардиографии (ЭКГ). Дело в том, что о работе сердца можно судить не только по изменениям кровотока в сосудах, но и по электрическим сигналам, которые возникают в процессе работы этого органа. И эта информация точнее и информативнее. Электрокардиограмма, полученная специалистом медицинского центра, позволяет сделать выводы о работе сердца и его здоровье. Для этого на руки, ноги и грудную клетку устанавливают электроды, а результат интерпретирует компьютер.
Точно такой же датчик ЭКГ, только миниатюрных размеров, сейчас устанавливают в ряд мобильных устройств. Например, начиная с 4-го поколения, датчик ЭКГ имеется в Apple Watch. Но с мобильными датчиками существует ряд проблем.
Дело в том, что в профессиональном медицинском оборудовании обычно используют 10-12 датчиков, минимум шесть из них размещают в области сердца. А носимое мобильное устройство крепится на запястье. То есть, оно удалено от сердца на большое расстояние. И датчиков в таких устройствах значительно меньше.
Например, в Apple Watch их всего два: один размещен в Digital Crown, второй вместе с датчиком пульса установлен на внутренней стороне.
Поэтому точность ЭКГ, снятого с помощью мобильного устройства, не настолько высока, чтобы делать серьезные клинические выводы. Тем не менее, даже такой точности достаточно, чтобы определить мерцательную аритмию, показывающую, что визит к врачу откладывать не стоит.
Еще один важный момент — работа функции ЭКГ должна пройти проверку надзорных органов в разных странах. На момент написания статьи у Apple, например, получено разрешение для использования функции ЭКГ на территории США. В России Росздравнадзор сертифицировал ее буквально несколько дней назад. В остальном мире она официально отключена, хотя датчики в устройствах имеются. Остается только надеяться, что вопрос рано или поздно решится и полезная функция будет разблокирована.
Датчик уровня шума
Еще одна занятная функция, которая имеется, например, в Apple Watch — измерение уровня шума. Датчик регистрирует уровень фонового шума и, если он в течение некоторого времени превышает пороговое значение, гаджет выдает уведомление и предлагает покинуть место с высоким уровнем шума.
Полезна ли такая функция? Да, поскольку ВОЗ обращает внимание на то, что значительное количество людей подвергается риску потерять слух из-за сильного шумового воздействия в местах развлечений. Вы, наверное, замечали, что после того, как выходишь с рок-концерта или из клуба, некоторое время все слышно словно сквозь вату. Вот от таких «сюрпризов» датчик шума вас и защитит. Если, конечно, вы сами захотите защищаться.
Датчик уровня кислорода в крови
Теперь поговорим о новомодном датчике, которым мобильные устройства начали оснащать недавно. Это датчик определения уровня кислорода в крови. В свете коронавирусной инфекции, ставшей главной темой 2020 года, эта функция оказалась чуть ли не самой рекламируемой.
Нужно отметить, что, помимо наблюдений за своим состоянием в свете последних событий, контроль за уровнем кислорода в крови интересен и в других случаях: недостаток кислорода приводит к таким нехорошим вещам, как дыхательная недостаточность, одышка, головные боли и так далее.
Медики измеряют уровень кислорода в крови с помощью небольших приборов — пульсоксиметров. Внешне они напоминают прищепку с экраном, которая крепится на палец и выдает информацию о пульсе и степени насыщения кислородом артериальной крови. По этой причине датчики уровня кислорода в крови также называют датчиками SpO2.
Расшифровывается эта аббревиатура так:
Нормальной считается величина сатурации от 95 до 100%, показания ниже 90% говорят о наличии проблем.
В пульсооксиметре датчик измерения уровня кислорода работает следующим образом. В приборе установлен светодиод, излучающий сигналы инфракрасного диапазона и красного цвета, а также фотодетектор, фиксирующий, какая часть светового потока прошла через ткани пальца с капиллярными сосудами. Аналогичный способ используется и в умных гаджетах.
Только фотодетектор принимает не прошедший через ткани, а отраженный от них сигнал, так как браслет или часы крепятся на запястье. На основании уровня отраженного сигнала приложение, встроенное в гаджет, делает оценку сатурации и выводит на дисплей измеренное значение.
Такие датчики есть в новой серии Apple Watch, а также в ряде фитнес-браслетов, например, Honor Band 5 и Huawei Band 4 PRO.
Точность измерений и их использование для диагностики
Все перечисленные измерения — сердечных ритмов, ЭКГ и уровня кислорода — работают в мобильных гаджетах в упрощенном режиме. Они имеют уровень погрешности, не позволяющий использовать их как медицинские диагностические приборы. Это написано в документации ко всем «умным» часам и фитнес-трекерам, но, тем не менее, на этом стоит дополнительно заострить внимание.
К примеру, датчик уровня кислорода может ошибаться на несколько процентов, причем значение может колебаться, как в большую, так и в меньшую сторону. Также результаты измерений изменятся в том случае, если браслет или часы неплотно прилегали к вашему запястью, либо потому что резко похолодало.
Поэтому производители и специалисты обращают внимание, что все данные, полученные с мобильных датчиков, могут использоваться для общего контроля здоровья и оценки динамики состояния организма. Они не предназначены для постановки диагнозов и не являются медицинскими приборами. Для профессионального осмотра необходимо использовать специализированную технику.
Вместе с тем, нельзя не отметить и то, что имеется очевидная польза от использования датчиков в мобильной технике. Спортсмены и просто любители активного образа жизни успешно контролируют процесс тренировоки объемы нагрузок. А те, кому пришло время внимательнее относиться к своему здоровью, собирают статистику, показывающую общую картину изменений, и могут ее соотнести со своим самочувствием.
Анализ собранной статистики позволит вовремя заметить, если что-то пошло не так, и своевременно обратиться к врачу, например, при наличии сердечно-сосудистых заболеваний. Поэтому во многих случаях использование мобильной диагностики интересно, полезно и даже необходимо.