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

23.09.2020
267

Фитнес-браслеты и смарт-часы стремятся захватить каждое запястье в мире, предлагая нам возможность детально проследить за своим здоровьем и предупредить развитие серьезных заболеваний. Для этого производители устанавливают в гаджеты специальные датчики и сенсоры, заменяющие нам аппараты ЭКГ, пульсометры и пульсоксиметры. Как они работают и насколько высока их медицинская ценность рассмотрим в этой статье.

Акселерометр

Акселерометр измеряет ускорение движения объекта относительно его состояния покоя. Это стандартный датчик установленный практически в каждом фитнес-браслете или смарт-часах обеспечивающий выполнение их базовых функций: подсчет пройденных шагов, отслеживание скорости движения, мониторинг сна.

В классическом виде прибор представляет собой конструкцию из прикрепленной к балке пружины с подвешенным на нее инертным грузиком и закрепленным демпфером. Во время движения объекта грузик отклоняется под действием инерционных сил деформируя пружину (отклоняет, растягивает, сжимает). Демпфер подавляет колебания груза. На основе данных о величине деформации пружины, прибор вычисляет положение объекта и его ускорение.

В носимой электронике конструкция заменяется компактным чипом с похожим принципом работы, но более сложной механикой. Во время движения рукой, часы или трекер, находясь на запястье, изменяют свое положение и придают ускорение инертной массе находящейся в акселерометре. Отклонение фиксируются программным обеспечением, а алгоритмы, в зависимости от величины отклонения, определяют с чем было связано движение: ходьба, бег, или жестикуляция. На случайные перемещения гаджета прибор не реагирует, но просчеты случаются.

Таким образом часы или браслет считают пройденные шаги и отличают их от бега, включают экран движением руки, фиксируют движения во время сна определяя его фазы. Благодаря акселерометру, часы или браслеты, способны распознать падение, сообщить о случившемся сопряженный смартфон владельца, а если реакция не последовала, отправить сообщение о помощи избранным контактам или службе спасения.

Оптический датчик сердцебиения

Наиболее распространенный способ измерить частоту сердечного ритма используемый в носимой электронике. Датчик размещается на задней панели часов или фитнес-браслета и представляет собой кластер светодиодов, испускающих свет и фотодиодов, регистрирующих его отражение.

Светодиоды излучают, проходящие через кожу и мышцы, фотоны зеленого цвета, спектр которого лучше всего поглощается кровью. В момент сердечного сокращения, усиливается поток крови циркулирующей по сосудам, соответственно в этот момент ею 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. Так, 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 их продолжительность сокращается, из-за чего фотодиоды не успевают их регистрировать и точность измерения снижается. Также сенсору труднее уловить сердечное сокращение при низкой температуре тела, т.к. кровоток становится менее интенсивен. При прочих равных точность подсчета ударов остается высокой, а в состоянии покоя погрешность составляет всего 2-3%.

Оптический датчик очень универсален и может найти пульс даже у рулона туалетной бумаги или палки колбасы. Да, этот “баг” встречается у множества устройств и заставляет многих задуматься о компетентности полученных данных. Эта особенность объясняется принципом работы датчика, который основывается на регистрации светового сигнала излучаемого, чем угодно, что заставляет оптику принять отраженный от неодушевлённого предмета сигнал, за удар сердца. Однако этот факт не означает, что измерениям датчика нельзя доверять, т.к. закрепленный на запястье сенсор будет получать 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. Сейчас его функцию выполняет компактный чип, размером не больше 500 микрон (1 микрон = 0,001 мм), установленный в часах или браслете болтающимся на запястье.

Электрокардиограф регистрирует электрические импульсы создаваемые биением сердца и отображает их в виде волн и зубцов на кардиограмме. Оценивая ее результаты 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 от удара сердца, но с существенным упрощением. Традиционный аппарат требует установки на тело пациента до 12 контактов (отведений) позволяющих наиболее точно отразить процессы протекающие в работе органа. Тогда как в часах, например Apple Watch, используется только один контакт, поэтому их возможности значительно ограничены. Тем не менее ЭКГ в носимом гаджете способен с более высокой точностью, чем оптический датчик, измерить частоту и ритм сердечных сокращений, помогает выявить нерегулярное сердцебиение, которое может означать о развитии мерцательной аритмии. По-настоящему эта функция необходима тем у кого уже есть проблемы с сердцем, т.к. позволяет обратить внимание на отклонения ритма, вовремя обратиться к врачу и выявить закономерности вызывающие аномалии.

Несколько советов для повышения точности показаний:

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

Датчик измерения кислорода в крови

Фитнес-браслеты и смарт-часы со встроенным пульсоксиметром предлагаются на рынке уже не первый год, но спрос на них начал расти только сейчас, в условиях пандемии Covid-19. Вирус, разрушая легкие, снижает количество кислорода в крови, что позволяет выявить представленный датчик.

В целом, насыщенность крови кислородом один из жизненно важных показателей состояния организма, наряду 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 говорит о том, 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 этот показатель измеряется пульсоксиметром. В область запястья, светодиодами излучается свет красного, инфракрасного или зеленого спектра, попадающий в кровяные сосуды и поглощаемый гемоглобином. Не поглощённый свет отражается в фотодиодах. На основании разницы между отданным и полученным светом алгоритм высчитывает сатурацию.

Информация о количестве кислорода в крови позволяет обнаружить развитие заболеваний дыхательных путей или сердечно-сосудистой системы. Пульсоксиметры используются для контроля физических нагрузок и при занятиях спортом. Так, альпинисты, находясь на запредельной высоте, могут предупредить снижение кислорода в крови и восполнить баланс. В условиях коронавируса, своевременное определение снижения сатурации (ниже 95%) позволит вовремя выявить развитие болезни и обратиться к врачу.

Стоит ли доверять?

Пульсоксиметр и описанные выше датчики, используемые в наручной технике, не обладают достаточной медицинской ценностью, чтобы владелец смог самостоятельно поставить диагноз и отменил обследования у врача. Фитнес-браслеты и смарт-часы, с полным набором датчиков, могут получать лицензии в медицинских ведомствах и министерствах здравоохранения, однако обладают статусом “медицинских аксессуаров”, которые помогают выявить только признаки возможного заболевания и позволяют отследить ваши физические показатели. Полученные данные от измерений стоит воспринимать как сведения ко вниманию, но не всегда как призыв к действию. Однако со временем, ожидаемо, что медицинский потенциал этих устройств, будет только расти.