Датчики вашего здоровья. Как смарт-часы и фитнес-браслеты измеряют пульс, уровень кислорода и ЭКГ?

23.09.2020

Все больше людей носят фитнес-браслеты и смарт-часы чтобы следить за своим здоровьем. Миниатюрные электронные чипы в гаджетах на запястье заменили аппараты ЭКГ, пульсометры и пульсоксиметры. В этой статье разберем как работают датчики здоровья в носимой электронике и узнаем их медицинскую ценность.

Акселерометр

Акселерометр — это стандартный датчик, который позволяет трекерам или смарт-часам считать шаги, отслеживать скорость движения и фазы сна.

В механическом виде прибор представляет собой балку с подвешенным грузиком на пружине и закрепленным демпфером. При движении объекта грузик отклоняется под действием инерции, заставляя пружину растягиваться или сжиматься. Демпфер подавляет колебания груза. На основе данных о величине деформации пружины, вычисляется положение и ускорение объекта.

В носимой электронике конструкцию заменяет компактный чип с похожим принципом работы, но более сложной механикой. При движении руки, часы или трекер изменяют свое положение, придавая ускорение инертной массе внутри акселерометра. Алгоритмы фиксируют отклонение, рассчитывают его величину и определяют причину движения: ходьба, бег, жест, случайный взмах.

Программное обеспечение позволяет часам или трекеру отличить шаг от бега, включить экран жестом, определить фазы сна на основе поворотов и наклонов руки. Устройства способны распознать падение и сообщить о случившемся сопряженному смартфону, а если реакция от владельца не последовала, отправить сообщение о помощи избранным контактам или службе спасения.

Оптический датчик сердцебиения

Наиболее распространенный способ измерить частоту сердечного ритма в носимой электронике. Датчик размещается на задней панели корпуса и представляет собой кластеры светодиодов, испускающих свет и фотодиодов, регистрирующих его отражение.

Светодиоды излучают проходящие через кожу и мышцы фотоны зеленого цвета, спектр которого лучше всего поглощается кровью. Когда сердце сокращается, поток крови усиливается, из-за чего поглощается больше света, испускающего датчиком. Фотодиоды фиксируют эти всплески и подсчитывают их количество в течение минуты, определяя частоту сердечных сокращений.

Оптические датчики достаточно точно измеряют пульс, но в соответствующих условиях. Его сенсоры должны плотно прилегать к коже запястья чтобы не пропустить момент удара. При повышенном сердцебиении (150-170 уд/мин) количество всплесков притока крови увеличивается, а продолжительность сокращается, фотодиоды не успевают регистрировать удары и точность измерения снижается. При низкой температуре тела сенсору труднее уловить сокращения из-за слабой интенсинвности кровотока. В нормальных условиях точность подсчета остается высокой, а погрешность составляет всего 2-3%.

Сенсоры такого типа могут измерить пульс не только у человека, но и любого неодушевленного предмета. "Баг" объясняется принципом работы фотодиодов. Они нужны для регистрации фотонов, которые излучает любой объект, поэтому если надеть часы на палку колбасы или банан, оптика примет их сигнал за биение сердца. Эта особенность не влияет на точность измерений, потому что на запястье сенсор получает отраженный свет именно от кровотока.

Электрический датчик сердцебиения

Первый аппарат ЭКГ, появившийся в начале 20-го века, был размером как печатный станок и весил около 270 килограмм. Сегодня его функцию выполняет компактный чип размером не больше 0,001 мм, установленный в смарт-часах.

Электрокардиограф регистрирует электрические импульсы, создаваемые биением сердца и отображает их в виде волн и зубцов на кардиограмме. Оценивая кардиограмму, можно дать обширную характеристику работы сердца и выявить нарушения: аритмию, повреждения миокарда, нарушения обмена электролитов и т.д.

Измерения ЭКГ в смарт-часах также основывается на электрическом заряде исходящем при пульсации, но с существенным упрощением. Традиционный аппарат требует установки на тело пациента до 12 контактов (отведений), позволяющих наиболее полно отразить процессы в работе органа. В часах, например Apple Watch, используется только один контакт, поэтому возможности анализа ограничены. Тем не менее ЭКГ в носимом гаджете измеряет частоту сердечных ударов точнее, чем оптический датчик. Данные помогают выявить нерегулярное сердцебиение, которое может означать развитие мерцательной аритмии. По-настоящему эта функция необходима тем, у кого уже есть проблемы с сердцем, т.к. позволяет обратить внимание на отклонения ритма, выявить закономерности и вовремя обратиться к врачу.

Совет для повышения точности показаний:

  • Перед измерением убедитесь, что ремешок надежно закреплен на руке, а тыльная панель плотно прилегает к запястью;
  • Пальцем прикоснитесь к корпусу часов чтобы между сердцем и обеими руками образовалась цепь, позволяющая улавливать электрические импульсы в грудной клетке.
  • Расслабьтесь и не двигайтесь;

Пульсоксиметр

Фитнес-браслеты и смарт-часы со встроенным пульсоксиметром предлагаются на рынке уже не первый год, но спрос на них вырос во время пандемии Covid-19. Вирус, разрушая легкие, снижает количество кислорода в крови, что способен выявить представленный датчик.

Уровень насыщенности крови кислородом один из жизненно важных показателей организма, наряду с пульсом и давлением. Он выражается в сатурации — процентном соотношении общего количества гемоглобина к гемоглобину, насыщенным кислородом. Оптимальным считается значение 95%. Сатурация ниже 90% уже опасна и означает, что кислород из легких недостаточно распространяется по тканям и органам человека, что может привести к одышке, снижению давления, головной боли или потере сознания.

В носимой электронике сатурация измеряется оптическими датчиками. Кластеры излучают в область запястья свет красного, инфракрасного или зеленого спектра. Фотоны, попадая в кровеносные сосуды, поглощаются гемоглобином, а не поглощённый свет возвращается и отражается в фотодиодах. На основании разницы между отданным и полученным светом, алгоритм высчитывает сатурацию.

Данные пульсоксиметра позволяет обнаружить развитие заболеваний дыхательных путей или сердечно-сосудистой системы. В условиях коронавируса, измерение сатурации поможет вовремя выявить ухудшение состояния легких. Прибор используется для контроля физических нагрузок при занятиях спортом. Так, альпинисты, находясь на запредельной высоте, могут следить за уровнем кислорода, чтобы восполнять баланс.

Стоит ли доверять?

Датчики, используемые в часах и трекерах, получают лицензии в министерствах здравоохранения, но только в статусе медицинских аксессуаров. Они дают общую информацию о состоянии организма на основе которой нельзя поставить диагноз, но можно выявить признаки возможного заболевания или контролировать состояние текущего. Полученные данные стоит воспринимать как сведения ко вниманию, но не всегда как призыв к действию. Со временем, ожидаемо, что медицинский потенциал наручных устройств будет расти.

text_reviews

Статья познавательная

Мы рады, что информация была полезна для Вас. Еженедельно блог будет пополняться познавательными статьями, оставайтесь с нами!

Теперь понятен принцип действия, очень полезная информация.

Спасибо за отзыв! Статьи на какие темы Вам были бы еще интересны?