Как една умна часовник за мъже отчита пулса по време на интензивни тренировки?

Оптическият принцип на измерване при четенето

Отчитането на пулса чрез умен часовник за мъже се основава на технология, наречена фотоплетизмография, обикновено съкращавана като PPG. Принципът е прост: светлодиоди на задната страна на часовника излъчват зелена светлина в кожата, а фотодетектор измерва количеството отразена светлина. Кръвта поглъща зелената светлина по-силно от околните тъкани, затова, когато сърцето се свива и обемът на кръвта в капилярите се променя, интензитетът на отразената светлина варира в ритъм с ударите на сърцето. Часовникът брои тези вариации, за да изчисли удари в минута. Използва се зелена светлина, защото прониква добре в кожата и се поглъща силно от хемоглобина. Някои устройства добавят червени и инфрачервени светлодиоди за по-дълбоки измервания – така се определят нивото на кислород в кръвта и други метрики.

Защо движението е най-голямата предизвикателство

Оптичният метод работи добре в покой, но интензивните тренировки създават проблеми. Всяко размахване на ръката, стъпване с крака и свиване на мускул премества часовника по китката и променя налягането на контакт между сензора и кожата. Това движение внася шум в сигнала, който може да прилича на пулс, дори когато такъв липсва. Потта усилва проблема, като променя оптичните свойства на повърхността на кожата и понякога образува тънък слой между сензора и кожата, който разсейва светлината. Затова точността на измерването на пулса по време на бягане, бърпи или тежки упражнения е по-трудно постижима, отколкото при ходене. Производителите решават този проблем чрез акселерометри, които регистрират движението, и алгоритми, които филтрират артефактите от движение, но нито един оптичен сензор не е напълно имунен към този проблем.

Хардуер на сензорите и какво отличава по-добрите от по-лошите

Качеството на оптичните компоненти и аналоговия входен интерфейс прави измерима разлика. Няколко хардуерни фактора имат значение.

1. Брой и подредба на двойките светодиоди и фотодиоди, като повече двойки подобряват улавянето на сигнала при различни положения на китката.

2. Избор на дължина на вълната, тъй като зелената светлина работи най-добре за измерване на пулса, докато червената и инфрачервената подпомагат допълнителни метрики.

3. Честота на дискретизация, като по-високите честоти улавят бързи промени по време на интервални тренировки.

4. Качеството на аналоговия входен блок, което определя колко чист е суровият сигнал преди обработка.

Устройство с добре проектирана сензорна матрица и аналогов входен блок с нисък шум ще запази показанията по време на спринт интервал, докато по-евтино устройство изцяло губи сигнала. Това е област, в която разликата между бюджетен часовник и модел от средния клас става очевидна – не в техническата спецификация, а в резюмето на тренировката.

Алгоритми и обработка на сигнала, които правят данните приложими

Суровите данни от PPG са шумни и изискват интензивна обработка, преди да се превърнат в число за пулса. Алгоритъмът трябва да идентифицира пулсовите върхове, да отхвърля артефакти от движение и да обработва периоди, през които сигнала изчезва. Отхвърлянето на артефактите от движение е най-трудната част. Някои системи използват данни от акселерометър, за да моделират движението и да го извадят от оптичния сигнал. Други използват адаптивни филтри, които учат шаблона на шума в реално време. Качеството на тези алгоритми често има по-голямо значение от самото хардуерно оборудване на сензорите. Две часовника с идентични сензори могат да дават много различни резултати, защото единият разполага с по-добро обработване на сигнала. Таблицата по-долу сравнява типичната точност според видовете дейности.

Тези диапазони са представителни и се различават значително в зависимост от устройството и посочената посадка. Шаблонът е последователен. Точността намалява с увеличаване на интензивността на движението, а нито един оптичен часовник напълно не избягва това.

Посадката и разположението определят реалната производителност

Дори най-добрите сензори работят зле, ако часовникът не е облечен правилно. Няколко практически правила имат по-голямо значение, отколкото повечето потребители осъзнават.

Часовникът трябва да лежи плътно до кожата, на около един пръст над китковата кост. Слабо стегнатият часовник позволява на светлината да проникне отстрани и се измества по време на движение. Носянето на часовника твърде високо или твърде ниско отдалечава сензора от областта с най-добра васкуларна циркулация. При много космати китки сензорът може да има затруднения, тъй като космите блокират предаването на светлина. При студено време намаленият кръвен поток към крайниците може да ослаби сигнала. Стегването на каишката преди тренировка и отпускането ѝ след нея е малък навик, който забележимо подобрява точността.

Случай, при който точността на проследяването е била тествана в практиката

По време на цикъл за разработка на часовник, насочен към фитнеса, тестовият екип извърши сравнение с монитор за сърдечен ритъм, закрепван чрез гръдна лента, който обикновено се счита за референтен стандарт за измерване на пулса по време на упражнения. Тестът включваше 30-минутна интервална тренировка с редуване на спринтови и възстановителни периоди. Часовникът показваше стойности, съвпадащи с тези на гръдната лента в рамките на няколко удара по време на стабилно бягане, но отклоненията достигаха до 15 удара по време на спринтовите интервали. Анализът на суровите данни показа, че отклоненията възникват точно в момента на максимално ускорение на ръката. Решението включваше корекция на алгоритъма за отхвърляне на движение, като се придава по-голямо тегло на данните от акселерометъра по време на периоди с интензивно движение. След тази промяна отклоненията по време на спринтовете намаляха значително. Такива итерации правят разликата между часовник, който работи добре в лабораторни условия, и такъв, който дава точни резултати в реални тренировъчни ситуации.

Места, където оптичното проследяване има обективни ограничения

Стойи си да се говори направо за ограниченията. Оптичното проследяване на сърдечния ритъм не е измерване от медицински клас. То е инструмент за фитнес и работи най-добре за проследяване на тенденции в течение на времето, а не за точни мигновени показания. Потребителите, които имат нужда от клинична точност, трябва да използват гръдна лента или медицинско устройство. Някои условия, като много нисък сърдечен ритъм в покой или неравномерни ритми, могат да объркат алгоритъма. По-тъмните кожи и татуировки могат да повлияят върху абсорбцията на светлината, макар новите сензори да се справят по-добре с това в сравнение с по-старите. Студените среди, лошото прилягане и високото ниво на движение намаляват точността. Разбирането на тези ограничения помага на потребителите да интерпретират данните си разумно, вместо да приемат всяко показание като абсолютно точно.

Как последователността в производството подпомага надеждното проследяване

Производителността на проследяването на пулса зависи от калибрирането на сензора, фърмуера и еднаквостта на производствения процес. Партида часовници с променливо подравняване на сензорите или нееднакъв фърмуер ще дават непредсказуеми резултати в реални условия. Shenzhen Karen M Electronics развива и произвежда интелигентни носими устройства от 2014 г., работи от Шенчжън и се фокусира върху продукти с оптимално съотношение цена/качество и персонализирано обслужване. За брандове, които имат нужда от последователна производителност при проследяване в различните поръчки, този опит в сектора на носимите устройства гарантира надеждността на данните.