За редким исключением главным измерительным прибором в фитнес-трекерах является датчик пульса, измеряющий частоту сердечных сокращений. Современное программное обеспечение в сочетании с искусственным интеллектом способно по его данным вычислять довольно многое — от патологических состояний организма до уровня стресса и фаз сна. Постараемся рассказать на примере технологии TruSeen компании Huawei.
Есть датчики, которые отслеживают кровенаполнение сосудов расположенных в руке — фотоплетизмограмму. Классика – датчик на пальце, пульсометр. То, как свет проникает сквозь палец можно увидеть, если, например, приложить его на обратную поверхность компьютерной мышки, в область сенсора. Этот свет имеет малые пульсации, связанные с сердечным ритмом, которые при определенной сноровке можно заметить даже невооруженным глазом.
Свет регистрируется фотодиодом, по сути, светочувствительной однопиксельной камерой с большим пикселем, который снимает показатели 25-100 раз в секунду. Естественный световой поток от пальца сигнал получается очень слабым и шумным, потому для подсветки используется светодиод.
Принцип снятия PPG с пальца
Со временем возникла идея использовать пульсометр в часах, с датчиком в районе запястья. Проблема в том, что снимать сигнал с запястья гораздо хуже, чем с пальца. С пальца мы берем свет, который пропускается через объект, а на запястье – который отражается (т.к. толщина запястья намного больше пальца и для просвета нужен очень мощный источник). Кроме того, палец является «терминальной точкой» распространения пульсовой волны. Это значит, что волна отражается от кончика пальца и потому именно на этом кончике хорошо видна. Для отражения лучше использовать свет зеленого цвета, поскольку именно он дает оптимальное соотношение глубины проникновения и отражения. Синий почти не проникает под кожу, а красный и инфракрасный, наоборот проникают слишком глубоко и одновременно захватывает сосудистые русла, в которых пульсовые волны распространяются по разному. Как следствие, сигнал получается более шумным.
Распространение света под кожу
Отдельная история с людьми с черной кожей. Из-за большого поглощения приходится или увеличивать мощность подсветки (что повышает энергопотребление) или использовать «более красный» источник. В часах Huawei применяется инфракрасный светодиод, что дает более шумный сигнал по отношению с зеленому сигналу, снятому с человека со светлой кожей.Для измерения пульса по фотоплетизмограмме (ФПГ) выделяют отдельные периоды и считают число пиков на сигнале, что не всегда возможно. Во-первых, сигнал отражает колебания в кровеносном сосуде весьма плохо, накладываются различные артефакты в виде дыхательных волн и отражения от неоднородностей. Во-вторых, и это главное, использование наручных часов – активный процесс весьма и в сигнал вмешиваются движения человека, которые «забивают» полезный сигнал пульса. Кроме того, частоты движения и частоты сердечных сокращений весьма близки, что не позволяет применять методы простого частотного разделения. А раз так, то появляется необходимость в использовании «умного» алгоритма.
Форма сигнала пульсовой волны PPG
Кроме, оптического, в часах и механические датчики, такие как акселерометр и гироскоп. Акселерометр, или датчик линейных ускорений, измеряет по трем осям перегрузки, которым подвергаются часы. Например, благодаря акселерометру наш смартфон считает шаги и чувствует, что его перевернули, меняя ориентацию картинки на экране. Но при перемещении рук на часы может действовать перегрузка в несколько раз превышающая g, кровь в сосудах подвергается значительным возмущениям, что прямо отражается на сигнале ФПГ.
Вторым важным датчиком является датчик угловых скоростей или гироскоп, который фиксирует вращательные движения. По вращательным движениям и акселерометру и определяется изменение положения часов в пространстве. Мы можем записывать показания гироскопа и акселерометра одновременно и использовать их при анализе сигнала ФПГ. Акселерометр — пассивный датчик, потребляющий минимум энергии. Его можно сравнить с пружиной и шариком на конце, где для измерения ускорения достаточно просто «прочитать» показания удлинения пружины. Гироскоп – датчик активный и для его работы требуется больше энергии, поскольку в нем содержатся движущиеся части — колеблющаяся пластина, параметры колебания которой жестко связаны с угловыми скоростями датчика. Потому, для экономии аккумулятора, гироскоп не используют непрерывно.
Показания с трех осей акселерометра во время бега
Если вы пользуетесь фитнес-трекерами, то знаете два режима «снятия» пульса — с состоянии покоя и в движении. Первый требует от пользователя практически не двигаться, но точно считает каждый удар и время между соседними сердечными сокращениями. Этот алгоритм используется в состоянии покоя и во сне. Интересно, что в ночном режиме трекеры переходят на инфракрасную подсветку, которая не видна человеческому глазу и не мешает во время сна, как зеленая.Гораздо сложнее второй случай, когда приходится измерять пульс в условиях сильных механических возмущений. Уровень сигнала сердца становится очень малым на фоне помех движения и считать каждый кардиоимпульс отдельно на кривой сигнала становится неподъемной задачей.