Как умные часы для мужчин измеряют частоту сердечных сокращений во время интенсивных тренировок?

Оптический принцип измерения пульса

Контроль частоты сердечных сокращений на умных часах для мужчин основан на технологии фотоплетизмографии, обычно сокращаемой до PPG. Принцип прост. Светодиоды на тыльной стороне часов испускают зелёный свет, проникающий в кожу, а фотодетектор измеряет интенсивность отражённого света. Кровь поглощает зелёный свет сильнее, чем окружающие ткани, поэтому при сокращении сердца и изменении объёма крови в капиллярах интенсивность отражённого света колеблется в ритме сердцебиения. Часы подсчитывают эти колебания, чтобы вычислить количество ударов в минуту. Зелёный свет используется потому, что он хорошо проникает в кожу и сильно поглощается гемоглобином. Некоторые устройства дополнительно применяют красные и инфракрасные светодиоды для более глубоких измерений — именно так определяются уровень кислорода в крови и другие параметры.

Почему движение — главная проблема

Оптический метод хорошо работает в состоянии покоя, но интенсивные тренировки создают проблемы. Каждое движение рукой, удар стопы о поверхность и сокращение мышц вызывают смещение часов на запястье и изменяют давление контакта между датчиком и кожей. Такие движения вносят шум в сигнал, который может имитировать пульс, даже если пульса на самом деле нет. Пот усугубляет ситуацию, изменяя оптические свойства поверхности кожи и иногда образуя тонкую прослойку между датчиком и кожей, рассеивающую свет. Именно поэтому точность измерения частоты сердечных сокращений во время бега, приседаний с прыжком (бурпи) или силовых упражнений достичь сложнее, чем при ходьбе. Производители решают эту проблему с помощью акселерометров, фиксирующих движение, и алгоритмов, удаляющих артефакты, вызванные перемещением, однако ни один оптический датчик полностью не защищён от этой проблемы.

Аппаратное обеспечение датчика и то, что отличает хорошие решения от плохих

Качество оптических компонентов и аналогового входного каскада даёт измеримую разницу. Несколько аппаратных факторов имеют значение.

1. Количество и расположение пар светодиодов и фотодиодов: чем больше пар, тем лучше захват сигнала при различных положениях запястья.

2. Выбор длины волны: зелёный свет наиболее эффективен для измерения пульса, а красный и инфракрасный диапазоны поддерживают дополнительные метрики.

3. Частота дискретизации: более высокие значения позволяют фиксировать быстрые изменения во время интервальных тренировок.

4. Качество аналогового входного каскада, определяющее чистоту исходного сигнала до его обработки.

Устройство с продуманным массивом датчиков и малошумящим аналоговым входным каскадом сохраняет показания даже во время спринтерского интервала, тогда как более дешёвое устройство полностью теряет сигнал. Это область, где разница между бюджетными и среднебюджетными часами становится очевидной не в технических характеристиках, а в итоговой статистике тренировки.

Алгоритмы и обработка сигнала, превращающие данные в полезную информацию

Сырые данные PPG зашумлены и требуют интенсивной обработки перед тем, как превратиться в значение частоты сердечных сокращений. Алгоритм должен выявлять пиковые импульсы, отвергать артефакты движения и обрабатывать периоды потери сигнала. Отклонение артефактов движения — самая сложная задача. Некоторые системы используют данные акселерометра для моделирования движения и последующего вычитания его из оптического сигнала. Другие применяют адаптивные фильтры, которые в реальном времени обучаются на шаблоне шума. Качество таких алгоритмов зачастую важнее самого аппаратного обеспечения датчика. Два часовых устройства с идентичными датчиками могут давать весьма разные результаты из-за более качественной обработки сигнала в одном из них. В таблице ниже приведены типичные диапазоны точности для разных видов активности.

Эти диапазоны являются типичными и сильно варьируются в зависимости от устройства и посадки. Паттерн остаётся неизменным. Точность снижается по мере роста интенсивности движения, и ни одни оптические часы полностью не избегают этого эффекта.

Посадка и расположение определяют реальную производительность

Даже самый лучший датчик работает плохо, если часы надеты неправильно. Несколько практических правил имеют большее значение, чем осознают большинство пользователей.

Часы должны плотно прилегать к коже, примерно на ширину одного пальца выше запястной кости. Слишком свободная посадка позволяет свету проникать внутрь и вызывает смещение часов во время движения. Ношение часов слишком высоко или слишком низко отдаляет датчик от области с наилучшим кровоснабжением. У людей с очень волосатыми запястьями датчик может работать хуже, поскольку волосы препятствуют прохождению света. В холодную погоду снижение кровотока в конечностях ослабляет сигнал. Натягивание ремешка перед тренировкой и ослабление после неё — небольшая привычка, которая заметно повышает точность.

Случай, в котором точность отслеживания была проверена на практике

Во время цикла разработки фитнес-часов команда тестировщиков провела сравнение с нагрудным монитором, который обычно считается эталонным стандартом измерения пульса во время физических упражнений. Тест включал 30-минутную интервальную тренировку с чередованием спринтов и периодов восстановления. Часы показывали значения пульса, совпадающие с нагрудным монитором с отклонением в несколько ударов в минуту при беге в устойчивом режиме, но отклонялись до 15 ударов в минуту во время спринтов. Анализ необработанных данных показал, что расхождение возникало в момент максимального ускорения руки. Решение заключалось в корректировке алгоритма подавления помех от движений: данные акселерометра стали учитываться в большей степени в периоды интенсивных движений. После внесения изменений расхождение во время спринтов значительно сократилось. Именно такой итеративный подход отличает часы, хорошо работающие в лабораторных условиях, от тех, что надёжно работают в тренажёрном зале.

Там, где оптический трекинг имеет объективные ограничения

Стоит прямо говорить об ограничениях. Оптический мониторинг частоты сердечных сокращений не является измерением медицинского класса. Это инструмент для фитнеса, и он лучше всего подходит для анализа тенденций во времени, а не для точных мгновенных показаний. Пользователям, которым требуется клиническая точность, следует использовать нагрудный ремень или медицинское устройство. Некоторые состояния, например очень низкий пульс в покое или нарушения ритма, могут ввести алгоритм в заблуждение. Темный оттенок кожи и татуировки могут повлиять на поглощение света, хотя более новые датчики справляются с этим лучше, чем устаревшие модели. Холодная среда, неплотная посадка и интенсивное движение снижают точность. Понимание этих ограничений помогает пользователям разумно интерпретировать свои данные, а не считать каждое показание абсолютно точным.

Как стабильность производственного процесса обеспечивает надёжный мониторинг

Производительность отслеживания частоты сердечных сокращений зависит от калибровки датчика, прошивки и стабильности сборки на производственной линии. Партия часов с непостоянным расположением датчиков или неоднородной прошивкой будет давать непредсказуемые результаты в реальных условиях эксплуатации. Компания Shenzhen Karen M Electronics занимается разработкой и производством умных носимых устройств с 2014 года, базируясь в Шэньчжэне и делая акцент на экономически эффективных продуктах и персонализированном обслуживании. Для брендов, которым требуется стабильная точность отслеживания в рамках разных заказов, именно этот опыт в сфере носимых устройств обеспечивает надёжность данных.