Как работает оптический пульсометр в спортивных часах

В этой статье мы хотим рассказать вам как работает оптический датчик пульса, который устанавливается на все спортивные часы и фитнес браслеты.

Принцип работы оптического датчика

Принцип работы оптического датчика очень прост! Сам датчик состоит из светодиода и фотодиода. Светодиод импульсами подает свет, который проходит сквозь кожу. При этом часть света поглощается кровью и тканями. Остатки света доходят до кости, отражаются от нее и возвращаются обратно. Остатки света улавливает фотодиод, который является своего рода миниатюрной фотокамерой. На основе того, сколько света вернется на фотодиод, зависит частота пульса. Ведь чем больше крови в сосудах на данный момент, тем больше света будет поглощено. Соответственно меньше света вернется на сенсор датчика.

Количество крови в сосудах постоянно меняется. При сокращении сердце перекачивает кровь, повышая давление в сосудах и расширяя их. А когда сердечная мышца расслабляется, давление снижается и сосуды сужаются. Таким образом, появляются пульсовые волны. И, подавая световые импульсы с высокой частотой, а затем анализируя отраженный свет, мы можем, по сути, регистрировать объем крови в сосудах каждую долю секунды. И соответственно, рисовать пульсовые волны.

Фотоплетизмограмма

Метод, описанный выше, называется PPG (фотоплетизмограмма) и в идеале он может определять не только пульс, но и:

• вариабельность сердечного ритма;
• уровень кислорода в крови;
• максимальное потребление кислорода (VO2 max);
• частоту дыхания;
• артериальное давление.

Функция определения артериального давления

Среди прочих данных, скорей всего, вы заметили артериальное давление, и как мы знаем никакие часы не определяют этот показатель. Но почему, ведь возможности датчика позволяют это делать? А это самое интересное. Мы рассмотрели лишь теорию, идеальные условия.

На практике вместо линий пульсовой волны датчик улавливает крайне зашумленный сигнал. Найти среди этого шума нужную информацию — невероятно сложная задача. Шум может дать внешнее освещение, солнце или лампы накаливания. Помехи, связанные с движением часов по коже, цвет кожи, татуировки, волосы, загар и т.д. Все это также оказывает определенное влияние на поглощение и отражение света, излучаемого светодиодами. Среди всего этого шума и помех, очень тяжело выделить пульсовую волну. Само движение может внести столько шума, что лишь одна тысячная доля света, собранная сенсором, будет содержать фактические данные о пульсе, а все остальное — бесполезный сигнал.

Тем неменее современные датчики сегодня выдают очень неплохой результат. Да, они по-прежнему могут ошибаться в интервальных тренировках. Но с аэробными нагрузками они вполне справляются. Это также подтверждается в исследовании опубликованном в 2017 году в журнале Journal of Personalized Medicine, в котором говорится о том, что фитнес-браслеты и смарт-часы определяют пульс во время занятий на велотренажере с погрешностью от 0.9 до 2.7%! Примерно такая же ситуация обстоит и с бегом, ходьбой или просто в состоянии покоя. И это, напоминаем, исследования 2017 года.

Эксперты заявляют, что в последнее время точность определения пульса заметно выросла. Обусловлено это не только большим количеством датчиков, установленных на самом устройстве, но и заметно улучшилось качество алгоритмов. Также большую роль сегодня играет внедрение в производство нейросетей и программного обучения, что прямым образом влияет на отсеивание шума при обработке света. Также часы активно стали использовать гироскоп и акселерометр, дополнительные элементы определяющие контакт с кожей. Все это значительно улучшило точность.

Учитывая все это, мы предполагаем, что функция определения артериального давления должна в скором времени появиться и в спортивных часах.

Разоблачение оптических датчиков?

Возвращаясь к точности, не можем не коснуться темы с якобы разоблачениями оптических датчиков, которые появлялись в сети пару лет назад. Люди одевали фитнес трекеры на колбасу и мерили пульс, говоря, что все это обман. Но как мы с вами уже успели разобраться, датчик не работает с пульсом как с таковым, он анализирует свет излучаемый светодиодом. Поэтому это никак не противоречит принципу его работы.

Вот пример:

Свет проходит сквозь колбасу, часть его рассеивается, часть отражается и возвращается на датчик. В зависимости от предмета уровень поглощения или отражения света может отличаться. Это не имеет большого значения. Важно лишь то, что в итоге определенное количество света все же вернется и попадет на фотодиод.

Затем устройство попытается среди всего шума, а по сути, весь свет в этом случае и будет шумом, найти хоть какой-то циклический ритмичный сигнал, напоминающий пульсацию крови. Здесь во внимание берется всё, начиная от мерцающей в комнате лампочки и заканчивая микровибрациями от бытовой техники или рук. Буквально всё, что может хоть отдаленно напоминать ритмичный сигнал, будет многократно усилено и интерпретировано, как пульс. Но это не говорит о том, что такому датчику нельзя доверять.

Можно! Как только вы оденете часы на руку, он моментально поймает реальную пульсовую волну и начнет определять пульс.

Датчики в спортивных часах Garmin, Polar, Suunto

Хочется отметить, что говоря про спортивные часы, проблема измерения пульса у неживых предметов встречалась до 18 года. Это не применимо к современным датчикам Garmin и Polar, которые уже не имеют данной проблемы. У Suunto она присутствует и сегодня, но сама философия этой компании никогда не делала большой упор на оптику, предпочитая использование нагрудных датчиков.

К этому выводу мы можем прийти, если начнем анализировать рынок. Не зря ко всем флагманам и новинкам в подарок идет нагрудный датчик.

Видеообзор