Як розумний годинник для чоловіків вимірює частоту серцебиття під час інтенсивних тренувань?

Оптичний принцип вимірювання

Відстеження частоти серцевих скорочень на розумному годиннику для чоловіків ґрунтується на технології, яка називається фотоплетизмографія, зазвичай скорочено PPG. Принцип досить простий. Світлодіоди на тильному боці годинника випромінюють зелене світло в шкіру, а фотодетектор вимірює кількість відбитого світла. Кров поглинає зелене світло сильніше, ніж оточуюча тканина, тому, коли серце скорочується й об’єм крові в капілярах змінюється, інтенсивність відбитого світла коливається у такт серцебиття. Годинник підраховує ці коливання, щоб обчислити кількість ударів за хвилину. Зелене світло використовують, оскільки воно добре проникає в шкіру й інтенсивно поглинається гемоглобіном. Деякі пристрої додають червоні та інфрачервоні світлодіоди для глибших вимірювань — саме так визначають насичення крові киснем та інші показники.

Чому рух є найбільшою перешкодою

Оптичний метод добре працює у спокої, але інтенсивні тренування створюють проблеми. Кожне рухання рукою, удар стопою та скорочення м’язів зміщує годинник на зап’ясті й змінює тиск контакту між сенсором і шкірою. Такий рух вносить шум у сигнал, який іноді нагадує пульс, хоча його немає. Пот погіршує ситуацію, змінюючи оптичні властивості поверхні шкіри й іноді утворюючи тонку плівку між сенсором і шкірою, що розсіює світло. Саме тому точність вимірювання частоти серцевих скорочень під час бігу, вправи «бурпі» або важкої атлетики досягти складніше, ніж під час ходьби. Виробники вирішують цю проблему за допомогою акселерометрів, що виявляють рух, та алгоритмів, які фільтрують артефакти руху, але жоден оптичний сенсор не є повністю несприйнятливим до цієї проблеми.

Апаратне забезпечення сенсора та те, що відрізняє кращі моделі від гірших

Якість оптичних компонентів і аналогового входу має вимірний вплив. Кілька апаратних факторів мають значення.

1. Кількість і розташування пар світлодіодів та фотодіодів: чим більше пар, тим краще захоплення сигналу при різних положеннях зап’ястя.

2. Вибір довжини хвилі: зелений світло використовується найефективніше для вимірювання частоти серцевих скорочень, тоді як червоний і інфрачервоний спектри підтримують додаткові метрики.

3. Частота дискретизації: вищі значення дозволяють фіксувати швидкі зміни під час інтервальних тренувань.

4. Якість аналогового входу, що визначає чистоту первинного сигналу до його обробки.

Пристрій із добре спроєктованого масиву сенсорів і низькошумного аналогового входу зможе утримувати показання під час спринтерського інтервалу, тоді як дешевший пристрій повністю втратить сигнал. Це саме та сфера, де різниця між бюджетним годинником і годинником середнього класу стає очевидною — не в технічних характеристиках, а в підсумку тренування.

Алгоритми та обробка сигналів, що роблять дані придатними для використання

Сирі дані PPG є шумними й потребують інтенсивної обробки, перш ніж перетворитися на значення частоти серцевих скорочень. Алгоритм має виявляти піки пульсу, відхиляти артефакти руху та обробляти періоди, коли сигнал зникає. Відхилення артефактів руху — найскладніша частина. Деякі системи використовують дані акселерометра для моделювання руху й віднімання його впливу від оптичного сигналу. Інші застосовують адаптивні фільтри, які в реальному часі навчаються розпізнавати шаблон шуму. Якість цих алгоритмів часто має більше значення, ніж саме апаратне забезпечення сенсора. Два годинники з ідентичними сенсорами можуть давати дуже різні результати через кращу обробку сигналу в одному з них. У таблиці нижче порівнюється типова точність у різних видах активності.

Ці діапазони є типовими й суттєво варіюють залежно від пристрою та посадки. Закономірність залишається незмінною. Точність погіршується із зростанням інтенсивності руху, і жоден оптичний годинник повністю не уникнув цього явища.

Посадка та розташування визначають реальну продуктивність

Навіть найкращий сенсор працює погано, якщо годинник неправильно носити. Кілька практичних правил мають більше значення, ніж усвідомлюють більшість користувачів.

Годинник має щільно прилягати до шкіри, приблизно на ширину одного пальця вище кістки зап’ястя. Слабко затягнутий годинник дозволяє світлу проникати всередину й зміщуватися під час руху. Носіння годинника надто високо або надто низько віддаляє сенсор від оптимальної судинної зони. У випадку дуже волосатих зап’ясть сенсор може працювати нестабільно, оскільки волосся перешкоджає проходженню світла. У холодну погоду зниження кровотоку в кінцівках може послабити сигнал. Затягування ремінця перед тренуванням і ослаблення його після — це невеличка звичка, яка помітно покращує точність.

Випадок, коли точність відстеження була перевірена на практиці

Під час циклу розробки годинника, орієнтованого на фітнес, тестова команда провела порівняння з монітором у вигляді нагрудної смуги, який загалом вважається еталонним стандартом для вимірювання частоти серцевих скорочень під час тренувань. Тест передбачав тридцятимінуту інтервальну сесію з чергуванням спринтів та періодів відновлення. Під час стабільного бігу показання годинника збігалися з показаннями нагрудної смуги з похибкою в кілька ударів, але під час спринтів розбіжність досягала до п’ятнадцяти ударів. Аналіз необроблених даних показав, що розбіжність виникала в момент максимального прискорення руки. Рішення полягало в коригуванні алгоритму відхилення руху: під час періодів інтенсивного руху дані з акселерометра стали враховуватися з більшою вагою. Після цієї зміни розбіжність під час спринтів значно зменшилася. Саме такі ітерації відрізняють годинник, що добре відстежує параметри в лабораторії, від того, що добре працює в тренажерному залі.

Там, де оптичне відстеження має чесні обмеження

Варто чітко зазначити обмеження. Оптичне вимірювання частоти серцевих скорочень не є медичним за точністю. Це інструмент для фітнесу, і він найкраще працює для виявлення трендів у часі, а не для отримання точних миттєвих показань. Користувачі, яким потрібна клінічна точність, повинні користуватися нагрудним ремінцем або медичним пристроєм. Певні стані, наприклад дуже низька частота серцевих скорочень у спокої або нерегулярний ритм, можуть спотворювати роботу алгоритму. Темніший колір шкіри та татуювання можуть впливати на поглинання світла, хоча новіші сенсори краще справляються з цим, ніж старіші моделі. Холодне середовище, неправильна посадка пристрою та інтенсивні рухи також знижують точність. Розуміння цих обмежень допомагає користувачам адекватно інтерпретувати свої дані замість того, щоб вважати кожне показання абсолютно точним.

Як стабільність виробничого процесу забезпечує надійне відстеження

Ефективність відстеження частоти серцевих скорочень залежить від калібрування сенсора, прошивки та узгодженості виробничого процесу. Серія годинників із різним положенням сенсорів або неузгодженою прошивкою дасть непередбачувані результати в реальних умовах експлуатації. Компанія Shenzhen Karen M Electronics розробляє та виробляє інтелектуальні носимі пристрої з 2014 року, працюючи з Шеньчжень, з акцентом на економічно ефективні продукти та персоналізований сервіс. Для брендів, яким потрібна стабільна ефективність відстеження в усіх замовленнях, саме цей досвід у сфері носимих пристроїв забезпечує надійність даних.