Нормальный пульс человека. Измеряем пульс с помощью фитнес браслета.
Для оценки состояния работы организма используются различные биомаркеры, а одним из основных показателей является уровень пульса. Но что может повлиять на уровень пульса? Что делать в случае, если пульс повысился или понизился? И как правильно меряется нормальный пульс? Ниже эти вопросы в подробностях будут рассмотрены.
Нормальный уровень пульса у здорового человека
Пульс — это толчкообразные колебания стенок артериальных сосудов, которые возникают в теле человека под действием сокращения сердца. В медицине уровень пульса используется в качестве биомаркера уже более 2.000 лет, а по характеру пульса можно определить состояние здоровья человека. В норме у здорового человека уровень пульса находится в определенных пределах. Таблица нормального пульса у человека по годам выглядит следующим образом:
| Возраст человека | Нормальный пульс у здорового человека в состоянии покоя |
| до 3 месяцев | 100-150 уд/мин |
| 3-6 месяцев | 90-120 уд/мин |
| от 6 месяцев до 10 лет | 75-130 уд/мин |
| от 11 до 20 лет | 60-110 уд/мин |
| от 21 до 30 лет | 60-90 уд/мин |
| от 31 до 40 лет | 65-80 уд/мин |
| от 41 до 50 лет | 65-90 уд/мин |
| более 51 года | 60-90 уд/мин |
Если у человека имеется стойкое отклонение от нормы, то это может указывать на наличие скрытого заболевания. Чаще всего патологических пульс наблюдается при хронических болезнях сердца, почек, печени и нервной системы. При этом обратите внимание, что существует ряд факторов, которые могут временно повышать уровень пульса, но при этом человека можно со всей уверенностью назвать здоровым. Основные случаи:
Вышеперечисленные факторы могут на короткое время повышать или понижать пульс, что плохо сказывается на качестве диагностики. Поэтому рекомендуется замерять пульс несколько раз с определенным временным перерывом — это снизит влияние сторонних факторов, что позволит повысить качество диагностики в целом.
Способы измерения пульса
Измерить уровень пульса можно различными способами, однако чаще всего для этого используются 3 техники — ручное измерение пульса, применение тонометра и применение специального фитнес-браслета. Каждый из этих способов измерения имеет свои особенности. Ниже мы рассмотрим способы измерения и коснемся их преимуществ и недостатков.
Ручной замер пульса
Самым древним и простым методом измерения пульса является ручной замер. Выглядит он следующим образом:
Ручной замер является достаточно надежным методом; еще одним его плюсом является то, что для проведения измерений вам не понадобится покупать какое-либо оборудование. Однако этот метод подойдет только тем людям, которые могут хорошо концентрировать свое внимание (в домашних условиях не всегда получается хорошо сконцентрироваться, например, из-за соседей или других членов семьи, которые могут издавать отвлекающие шумы).
Тонометр
Еще одним методом измерения пульса является использование специальных тонометров. Алгоритм проведения замеров выглядит так:
Использование тонометра заметно повышает точность измерений. Однако для покупки тонометра придется потратить определенное количество денег, а сам тонометр со временем портится и приходит в негодность (может испортиться манжета, может выйти из строя электронная схема и так далее).
Фитнес-браслет
Также широкое распространение получили оптические фитнес-браслеты, которые позволяют очень точно определить уровень пульса практически в любой момент времени. Умный браслет с измерением пульса и давления работает следующим образом:
Применение фитнес-браслета имеет массу преимуществ — очень точные результаты, есть возможность контролировать пульс в любой момент времени, есть возможность сохранения информации и так далее. Однако нужно учитывать, что фитнес-браслет необходимо периодически подзаряжать, поскольку для его функционирования требуется электроэнергия. Также частое применение фитнес-браслет неудобно тем, что человек может случайно ударить его о какой-либо предмет, что выведет его из строя.
Отклонения от нормы
При некоторых заболеваниях уровень пульса может отклониться от нормы. Основные моменты:
После стабилизации пульса рекомендуется обратиться к врачу, чтобы он выписал надежные лекарства. Принимать препараты нужно согласно лечебному плану, а самостоятельно прекращать прием лекарств запрещено. Также стоит не забывать, что самолечение может принести гораздо больше вреда, чем пользы, поэтому самому лечить повышенный или пониженный пульс в домашних условиях не рекомендуется (лекарствами или продуктами можно временно стабилизировать пульс — но после этого нужно отправиться в больницу).
Как работает определение пульса в носимых устройствах
Сегодня на рынке ежеквартально появляется множество спортивных браслетов, предназначенных для мониторинга активности, а также измерения пульса.
Что примечательно, многие мои знакомые покупали себе фитнес–трекеры именно для слежения за показателями частоты сердечного ритма. Но многие из них так толком и не знают, как конкретно работают оптические пульсометры. Давайте разбираться.
Первый аппарат ЭКГ
Впервые в истории электрическая активность сердца была обнаружена учеными еще в конце 19 века, а в начале 20–го уже была технически зарегистрирована нидерландским физиологом Виллемом Эйнтховеном при помощи специального струнного гальванометра. Им же была записана и первая в мире электрокардиограмма. За свой вклад, внесенный в развитие науки и медицины, ученый был награжден Нобелевской премией.
Процесс записи ЭКГ с помощью струнного гальванометра
Благодаря разработанной Виллемом системы отведений, сегодня стали существовать специализированные аппараты для снятия ЭКГ (электрокардиограмм), благодаря которым врачи получили возможность детального изучения работы сердца.
Кроме аппаратов ЭКГ, требующих подключения массивных электродов к разным частям тела, появились и миниатюрные аппараты измерения ЧСС (частоты сердечных сокращений), которые мы с вами называем попросту пульсометрами.
Комплект пульсометра Tunturi Pulser
Самый первый в мире портативный пульсометр появился в 1977 году и буквально сразу стал незаменимым гаджетом в тренировках Финских спортсменов. К 1983 году на рынке стали появляться первые в мире пульсометры, предназначенные для бытового использования. То есть тренд на использования устройств мониторинга пульса среди профессионалов и спортсменов–любителей стал зарождаться еще в конце прошлого века.
В современных спортивных помощниках система отведений была упрощена до двух электродов. За счет этого в 1990–х на потребительском рынке стали активно появляться решения пульсометров в виде нагрудного ремешка, электроды в которых были выполнены в виде двух полосок из специального проводящего материала. Из–за точности в показаниях многие спортсмены используют подобные гаджеты до сих пор, несмотря на то, что на рынке существует множество более компактных аналогов, помещающихся на запястье.
Результаты измерений в таких ремешках, как правило, отправляются на умные часы, либо смартфон по протоколу Bluetooth.
Сегодня же самым распространенным и по–настоящему массовым способом измерения пульса стала технология оптической плетизмографии, применяемой в смартфонах, спортивных часах и браслетах. Самые первые попытки по реализации данной технологии предпринимались учеными еще в начале 19–го века, но особого успеха не сыскали, так как еще не было толком понятно куда её применить.
Визуализация процесса оптического измерения пульса
Принцип работы фотоплетизмографии заключается в регистрации сужения и расширения сосудов под воздействием кровотока. Фотоприемник определяет колебания, подсчитывает их количество за определенное время и полученное значение вставляет в формулу, после вычисления которой выводит на экран частоту пульса в ударах в минуту.
Благодаря появлению и популяризации плетизмографии, сегодня мы имеем множество вариантов компактных браслетов, с помощью которых можно более детально следить за своим здоровьем. Одним из первых устройств в которых была применена эта технология стали часы Mio Alpha, ставшие новой вехой в развитии современных спортивных гаджетов.
Давайте углубимся и подробнее рассмотрим нюансы в работе оптического мониторинга пульса.
Зеленый цвет для светодиодов был выбран не случайно. Оказывается для измерения пульса необходимо поглощение излучаемого цвета кровью. С помощью исследований было выяснено, что диапазон поглощаемого света варьируется от 500 до 600 нм. Зеленый цвет как раз соответствует заветным 510-525 нм.
Сегодня эта технология отработана до мелочей и применяется практически во всех наручных спортивных трекерах за разную стоимость.
Технология оптического определения пульса конечно же имеет неточности. Было выявлено, что при повышении частоты до 160–170 ударов в минуту, кровоток настолько быстро проходит через лучи датчика, что показатели при измерении становятся менее точными, но незначительно.
К примеру, нагрудные измерители пульса имеют точность считывания 91%, тогда как оптические датчики в фитнес браслетах имеют точность 85%. Эти цифры были выяснены в ходе экспериментов с двумя фокус группами, одна из которых выполняла физические упражнения с нагрудном пульсометром, а другая с запястным.
По данным компании Mio Global, являющейся пионером в разработке технологий плетизмографии, ни один из оптических датчиков измерения пульса на сегодняшний день по уровню точности считывания не приблизился к нагрудным вариантам.
К слову, оптические пульсометры, используемые в привычных для нас фитнес–трекерах и умных часах, имеют ряд нюансов, из–за которых оптический датчик может не работать, либо работать с серьезными погрешностями. Например, из–за набитого на запястье тату излучаемый свет не сможет проникать под кожу и просвечивать сосуды. Соответственно ни о какой точности показаний речи идти не может. Поэтому ребятам с обеими руками покрытыми тату резона в приобретении компактных фитнес–браслетов и часов для мониторинга пульса нет.
Теперь мы примерно знаем, как происходит процесс считывания пульса с помощью данной технологии. Давайте еще чуточку углубимся и поговорим о том, какие показания для улучшения своих тренировок можно получить при помощи использования носимых девайсов.
Так как речь сегодня у нас идет о фитнес–браслетах и умных часах, выступающих зачастую в роли электронных помощников для спортсменов, производителями был предусмотрен мониторинг еще нескольких показателей. В более продвинутых моделях носимых устройств от таких производителей как Garmin и Suunto есть мониторинг подъема, благодаря использованию барометра и альтиметра. А также присутствует возможность слежения за GCT (временем контакта с землей), VO (вертикальными колебаниями), VO2Max (максимальным потреблением кислорода), RP (беговой производительностью), каденсом (частотой шагов) и еще много чем другим.
Если вы серьезно занимаетесь бегом или велотренировками, то знание определений показателей каждого из пунктов вам очень пригодится. Поэтому при выборе спортивного браслета или часов обращайте внимание на их наличие. Так как их наличие позволит более продуктивно проводить тренировки, и со временем вы сможете улучшить свои показатели. Это очень важно.
Чтобы вы понимали, что все это не просто так, и эти цифры вам пригодятся, поясню что все это значит.
Если вы ускоряете темп, то соответственно время, затрачиваемое на контакт с землей уменьшается, тем самым поддерживая определенную частоту вы можете во время тренировки сжечь больше калорий, а также понизить шанс получения травм. Обычно тактикой, которой пользуются спортсмены, является в первую очередь включение коротких спринт–забежек в тренировке, а также уменьшение длины шага. Таким образом, помимо укрепления икроножных мышц, в работу подключаются ягодичные мышцы.
Показатель каденса (частоты шагов) определяет ваше количество сделанных шагов за определенный промежуток времени, как правило за минуту. Самым оптимальным значением каденса является бег с частотой 180 шагов в минуту.
VO (вертикальные колебания) — это показатель того, насколько часто ваше туловище при беге совершает движения по вертикали. Если посмотреть со стороны на технику бега профессиональных спортсменов, то можно заметить, что верхняя часть их тела практически не двигается (не подпрыгивает). Чтобы повысить качество результатов бега, следует стараться следить за этим показателем и пытаться совершать как можно меньше вертикальных колебаний. Достичь этого можно, к слову, при помощи повышения частоты каденса.
Следующее, за чем можно следить в ходе своих тренировок при помощи умных часов, либо фитнес–браслетом, является уровень максимального насыщения крови кислородом. Это является одним из важнейших показателей для любых кардионагрузок. Повышения его уровня можно добиться путем регулярных тренировок.
К примеру, в моем фитнес–браслете Huawei Band 2 Pro, который я купил за относительно небольшие деньги, есть такая функция, позволяющая после пробежки или велотренировки просмотреть показания насыщения крови кислородом. Выполняется это при помощи анализа сердечного ритма и динамических показателей активности при тренировке.
Следующей немаловажной функцией в спортивных трекерах является определение зон пульса. То есть, зная ваш максимальный порог сердечной активности, многие спортивные часы и браслеты имеют возможность определять уровень и тип кардионагрузки.
Что примечательно, такая возможность есть даже в бюджетных моделях большинства известных производителей. В используемом мной на данный момент фитнес–трекере предусмотрено пять порогов и границ пульса, как и в более профессиональных устройствах.
Теперь мы знаем с вами нюансы в работе одной из самых важных технологий в спортивных часах и браслетах, благодаря которой я думаю они появились. Многие почему–то ошибочно считают фитнес–трекеры и спортивные часы бесполезным гаджетами, когда речь идет о занятиях спортом. Я, как человек, который недавно начал заниматься собой, не могу сказать, что фитнес–браслет это какой–то незаменимый гаджет, без которого я не могу бегать, кататься на велосипеде.
Но после того, как я разобрался во всех нюансах его работы, мне удалось понять, каким образом можно улучшить результаты тренировок.
Автор, есть еще наушники, которые определяют пульс 8)
Объясните, почему фитнес браслет показывает разные результаты частоты пульса на разных руках и если датчик на внутренней и внешней стороне запястья?
Получается что у меня может быть 4 данных о моем пульсе с разницей в 10-20 ударов.
И каким данным верить? Или среднее высчитывать?))
Откуда отсюда? Ни ссылок, ни какой другой информации откуда именно, кроме как отсюда
Как я впервые реанимировал
Я студент медвуза в Германии и работаю в уходе за больными в отделении интенсивной терапии. Эта работа учит никогда не расслабляться. Даже когда кажется, что медсестры сейчас отдыхают и страдают фигней, они все равно остаются внимательными и реагируют на такие мелочи, которые я иногда даже не заметил бы.
Теперь сама история:
Посреди отделения стоит большой монитор, на который выводится основная информация о всех пациентах: давление, пульс, ЭКГ, насыщение крови кислородом и т.д. Еще этот монитор умеет очень противно пищать, если любые показатели упали ниже или поднялись выше установленной границы.
Начало ночной смены, еще нужно сделать много работы, прежде чем можно будет отдохнуть. Одна медсестра просто заходит в центр отделения, чтоб взять маркер, бросает взгляд на монитор, смотрит на него какое-то время, а потом кричит проходящему мимо врачу «Эй, подойди сюда, тебе надо взглянуть на это».
Она УВИДЕЛА небольшое окошко (слева сверху пример), в котором было давление пациента, его ЭКГ и высчитанный на основе ЭКГ пульс. То, что ЭКГ у него очень нездоровое, это и так понятно, он у нас из-за проблем с сердцем и лежал.
И медсестра распознала что-то неладное проходя мимо и бросив взгляд на монитор, на котором была информация о всех пациентах!
А спустя минуту у него началась фибрилляция желудочков. Еще до того, как монитор сам распознал проблему и начал тревожно пищать на все отделение, мы бегом бросились в комнату. Я оказался первым, кто подбежал к пациенту, положил руки ему на грудь и собирался начать качать.
Мои руки уже на нем и тут я вижу, что он смотрит на меня. Куклы, на которых я раньше тренировался, просто лежат с открытыми глазами. А это живой человек, который смотрит на меня. К такому меня жизнь не готовила. А я смотрю на него, в его глаза. И думаю «А может это ошибка? А может программа выдала неправильный ЭКГ? Может быть мы слишком рано побежали к нему? Может надо сначала убедиться, что у него действительно фибрилляция? Может. «
— ЧЕГО ТЫ ЖДЕШЬ, ДАВИ ДАВАЙ
Ну и я начал давить. Задержка длилась всего несколько секунд, а в голове успело пролететь десятки мыслей. Я давлю, а вокруг люди включают дефибриллятор, готовят медикаменты, врач становится у головы пациента и готовится к интубации. Дефибриллятор включили и зарядили, он стал очень громко и противно пищать. Я надеюсь, что меня предупредят достаточно громко, чтоб я отошел от пациента, когда по нему пустят ток, и продолжаю давить, хотя теперь и страшненько, ибо этот писк заставляет понервничать.
— ВСЕ ПРОЧЬ ОТ ПАЦИЕНТА
Сразу после него другой медбрат продолжает реанимировать. Я осмотрелся в попытках понять, надо ли где помочь, но понял, что помогать-то некому, ибо все готово. Спустя две минуты пациента еще раз ебом шокнули, но в этот раз не сразу продолжили давить, а посмотрели на ЭКГ. Оно было в порядке. Проверили пульс. В порядке. Через несколько минут человек был уже в себе и не понимал, что происходит и почему в комнате так много людей.
В итоге с человеком все хорошо. Его пришлось спустя какое-то время снова реанимировать, но потом его прооперировали, поставили водитель ритма и автоматический дефибриллятор, какое-то время он полежал у нас, но потом его быстро перевели на обычное отделение, ибо у него все было в порядке.
Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1
Совсем немного осталось до начала нашей краундфандинговой компании часов для измерения уровня стресса EMVIO. Появилась небольшая передышка и пальцы попросились к клавиатуре.
На самом начальном этапе разработки мы проводили небольшой аналитический обзор способов измерения пульса у человека и периодически обновляли его новыми проектами. Захотелось поделиться с сообществом этой информацией. Надеемся, что она будет интересна широкому кругу читателей и даст представление о состоянии технологий в этой области.
В этом обзоре упор сделан именно на применение способов измерения пульса в гаджетах типа «for fan». Одни способы уже реализованы в готовых массовых продуктах, другие ждут своего часа. Но прежде пару слов про то, что собственно мы измеряем и почему это важно.
Немного о нашем сердце
Как известно, сердце – это автономный мышечный орган, который выполняет насосную функцию, обеспечивая непрерывный ток крови в кровеносных сосудах путем ритмичных сокращений. В сердце имеется участок, в котором генерируются импульсы, ответственные за сокращение мышечных волокон, так называемый водитель ритма (pacemaker). В нормальном состоянии, при отсутствии патологий, этот участок полностью определяет частоту сердечных сокращений. В результате образуется сердечный цикл – последовательность сокращений (систола) и расслаблений (диастола) сердечных мышц, начиная от предсердий и заканчивая желудочками. В общем случае под пульсом понимают частоту, с которой повторяется сердечный цикл. Однако есть нюансы, каким способом мы регистрируем эту частоту.
Что мы считаем пульсом
Attention. Cразу хотим отметить важный момент, который вносит в путаницу в терминологию и часто встречается в комментах к статьям про гаджеты с измерением пульса. Фактически пульс, который измеряется по сокращениям стенок кровеносных сосудов, и пульс, который измеряется по электрической активности сердца, имеют разную физиологическую природу, разную форму временной кривой, различный фазовый сдвиг и соответственно требует различные методы регистрации и алгоритмы обработки. Поэтому не может быть никаких RR-интервалов при измерении пульса по модуляции объемов кровенаполнения артерий и капилляров и механических колебаний их стенок. И обратно, нельзя говорить, что если у вас нет RR-интервалов, то вы не можете измерить аналогичные по физиологической значимости интервалы по пульсовой волне.
Как гаджеты измеряют пульс?
Итак, вот наш вариант обзора самых распространённых способов измерения пульса и примеры гаждетов, которые их реализуют.
1. Измерение пульса по электрокардиосигналу
После обнаружения в конце 19 века электрической активности сердца появилась техническая возможность ее зарегистрировать.Первым, по настоящему, это сделал Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven) в 1902 году, с помощью своего мегадевайса – струнного гальванометра (string galvanometer). Кстати он осуществил передачу ЭКГ по телефонному кабелю из больницы в лабораторию и, по сути, реализовал идею удаленного доступа к медицинским данным! 
Три банки с “рассолом” и электрокардиограф весом 270 кг! Вот так рождался метод, который сегодня помогает миллионам людей во всем мире.
За свои труды в 1924 году он стал лауреатом Нобелевской премии. Именно Эйнтховен в первые получил реальную электрокардиограмму (название он придумал сам), разработал систему отведений – треугольник Эйнтховена и ввел названия сегментов ЭКС. Самым известным является комплекс QRS — момент электрического возбуждения желудочков и, как наиболее выраженный по своим временным и частотным свойствам элемент этого комплекса, зубец R.
До боли знакомый сигнал и RR-интервал!
В современной клинической практике для регистрации ЭКС используют различные системы отведений: отведения с конечностей, грудные отведения в различных конфигурациях, ортогональные отведения (по Франку) и т.п. С точки зрения измерения пульса можно использовать любые отведения, т.к. в нормальном ЭКС R зубец в том или ином виде присутствует на всех отведениях.
Спортивные нагрудные датчики пульса
При проектировании носимых гаджетов и различных спортивных тренажеров система отведений была упрощена до двух точек-электродов. Самым известным вариантом реализации такого подхода являются спортивные нагрудные мониторы в виде ремешка-кардиомонитора – HRM strap или HRM band. Думаем у читателей, ведущих спортивный образ жизни, такие устройства уже имеются.
Пример конструкции ремешка и Мистер-гаджет 80 lvl. Sensor pad – это два ЭКГ электрода с разных сторон груди.
На рынке популярностью пользуются HRM ремешки фирм Garmin и Polar, также имеется множество китайских клонов. В таких ремешках электроды выполнены в виде двух полосок из проводящего материала. Ремешок может быть частью всего устройства или пристегиваться к нему застежками-клипсами. Значения пульса, как правило, передаются по Bluetooth по протоколу ANT+ или Smart на спортивные часы или смартфон. Вполне удобно для спортивных занятий, но постоянное ношение вызывает дискомфорт.
Мы экспериментировали с такими ремешками в плане возможности оценки вариабельности пульса, считая их за эталон, но поступающие с них данные, оказались сильно сглаженными. Участник нашей команды Kvanto25 публиковал пост, как он разбирался с протоколом ремешка Polar и подключал его к компьютеру через среду Labview.
С двух рук
Следующим вариантом реализации двух электродной системы является разнесение электродов на две руки, но без постоянного подключения одной из них. В таких устройствах один электрод закрепляется на запястье в виде задней стенки часов или браслета, а другой выносится на лицевую часть устройства. Чтобы измерить пульс, нужно свободной рукой коснуться лицевого электрода и подождать несколько секунд.
Пример пульсометра с фронтальным электродом (Пульсометр Beurer)
Интересным устройством, использующим такую технологию, является браслет Phyode W/Me, разработчики которого провели успешную кампанию на Кикстартере, и их продукт имеется в продаже. На хабре про него был пост.
Электродная система PhyodeW/Me
Верхний электрод совмещен с кнопкой, поэтому многие люди, рассматривая прибор по фоткам и читая отзывы, думали, что измерение происходит просто по нажатию кнопки. Теперь вы знаете, что на подобных браслетах непрерывная регистрация со свободными руками в принципе не возможна.
Плюс этого устройства в том, что измерение пульса не является главой целью. Браслет позиционируется как средство проведения и контроля дыхательных методик, типа индивидуального тренера. Мы приобрели Phyode и проигрались с ним. Все работает, как обещано, регистрируется реальная ЭКГ, соответствующая классическому первому отведению ЭКГ. Однако прибор очень чувствителен к движениям пальца на фронтальном электроде, чуть сдвинулся и сигнал поплыл. С учетом того, что для набора статистики нужно около трех минут процесс регистрации выглядит напряжно.
Регистрация пульса в проекте FlyShark Smartwatch. Будьте добры подержать пальчик.
Что еще нового есть в этой области? Обязательно нужно упомянуть об интересной реализации ЭКГ электрода – емкостного датчика электрического поля EPIC Ultra High Impedance ECG Sensor производства фирмы Plessey Semiconductors.
Емкостной датчик EPIC для бесконтактной регистрации ЭКГ.
Внутри датчика установлен первичный усилитель, поэтому его можно считать активным. Датчик достаточно компактный (10х10 мм), не требует прямого электрического контакта, соответственно не имеет эффектов поляризации и их не надо смачивать. Нам кажется это решение весьма перспективным для гаджетов с регистрацией ЭКС. Готовых устройств на этих датчиках мы пока не видели.
2. Измерение пульса на основе плетизмографии
Поистине самый распространённый способ измерения пульса в клинике и быту! Сотни разнообразных устройств от прищепок до перстней. Сам метод плетизмографии основан на регистрации изменения объемов кровенаполнения органа. Результатом такой регистрации будет пульсовая волна. Клинические возможности плетизмографии выходят далеко за рамки простого определения пульса, но в данном случае нам интересен именно он.
Определение пульса на основе плетизмографии может быть реализовано двумя основными способами: импедансным и оптическим. Есть и третий вариант – механический, но мы не будем его рассматривать.
Импедансная плетизмография
Как говорит нам Медицинский словарь, импедансная плетизмография – это метод регистрации и исследования пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на регистрации изменений полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты. В России часто используется термин реография. Этот способ регистрации ведет свое начала с исследований ученого Манна (Mann, 30 –е годы) и отечественного исследователя Кедрова А.А. (40–е годы).
В настоящее время методология способа основана на двух или четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления и состоит в следующем: через исследуемый орган с помощью двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей).
Электродная система импедансной плетизмографии. Картинка отсюда
Главное условие, предъявляемое к генератору сигнала — это постоянство тока, его значение выбирают обычно не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань его амплитуда модулируется изменением кровенаполнения. Вторая система электродов снимает модулированный сигнал, фактически имеем схему преобразователя импеданс-напряжения. При двухточечной схеме электроды генератора и приемника объединены. Далее сигнал усиливается, из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается нужная нам дельта.
Если прибор откалибровать (для клиники это обязательное условие), то по оси Y можно откладывать значения в Омах. В итоге получается вот такой сигнал.
Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации. (отсюда)
Очень показательная картинка. Обратите внимание, где находится RR-интервал на ЭКС, а где расстояние между вершинами, соответствующее длительности сердечного цикла на реограмме. Также обратите внимание на резкий фронт R зубца и пологий фронт систолической фазы реограммы.
Из пульсовой кривой можно получить довольно много информации по состоянию кровообращения исследуемого органа, особенно синхронно с ЭКГ, но нам нужен только пульс. Определить его не сложно — нужно найди два локальных максимума, соответствующих максимальной амплитуде систолической волны, вычислить дельту в секундах ∆Tи далее BMP = 60/∆T.
Примеров гаджетов, которые используют данный способ, мы пока не нашли. Зато есть пример концепта имплантируемого датчика для контроля кровообращения артерии. Вот статья про него. Активный датчик сажается прямо на артерию, с хост-девайсом общается по индуктивной связи. Мы считаем, что это очень интересное и перспективный подход. Принцип работы понятен из картинки. Спичка показана для понимания размера 🙂 Используется 4-х точечная схема регистрации и гибкая печатная плата. Думаю, при желании, можно допилить идею для носимого микро-гаджета. Плюс этого решения в том, что потребление такого датчика исчезающее мало.
Имплантируемый сенсор кровотока и пульса. Похож на аксессуар Джонни-Мнемоника.
В завершении этого раздела сделаем ремарку. В свое время мы считали, что таким способом измеряется пульс в известном стартапе HealBeGo, поскольку в этом устройстве базовая функциональность реализуется методом импедансной спектроскопии, что, по сути, и есть реография, только с изменяемой частотой зондирующего сигнала. В общем, все уже на борту. Однако согласно описанию характеристик прибора пульс в HealBe измеряется механическим методом с помощью пьезодатчика (про этот способ во второй части обзора).
Оптическая плетизмография или фотоплетизмографияя
Оптический – это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Самые первые устройства были применены в клинике и измеряли пульс с пальца в режиме просвета или отражения. Форма пульсовой кривой повторяет реограмму.
Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии
Способ нашел широкое использование в клинике и вскоре технология была применена в бытовых устройствах. Например, в компактных пульсоксиметрах, регистрирующих пульс и сатурацию кислородом крови в капиллярах пальца. В мире производится сотни модификаций. Для дома, для семьи вполне пойдет, но не подходит для постоянного ношения. 
Пульсоксиметр обыкновенный и клипса для уха. Тысячи их!
Существуют варианты с ушными клипсами и наушниками со встроенными датчиками. Например, такой вариант от Jabra или новый проект Glow Headphones. Функциональность аналогична HRM ремешкам, но более стильный дизайн, привычное устройство, свободный руки. Постоянно носить затычки в ушах не будешь, но для пробежек на свежем воздухе под музыку в самый раз.
Наушники Jabra Sport Pulse™ Wireless и Glow Headphones. Пульс регистрируется внутриушным (in-ear sensor) способом.
Самым заманчивым было измерение пульса с запястья, ведь это такое привычное и комфортное место. Первыми были часы Мио Alpha с успешной компанией на Кикстартере.
Создательница продукта Лиз Дикинсон (Liz Dickinson) пафосно провозгласила это устройство Святым Граалем измерения пульса. Модуль датчика был разработан ребятами из Philips. На сегодняшний день это самое качественное устройство для непрерывного измерения пульса с запястья методом фотоплетизмографии.
Далее миру стали является такие достойные вещи как Basis B1, Samsung Galaxy Gear и Gear Fit, Moto 360 и конечно ожидаемые всеми фанами яблочных брендов AppleWatch.
Даешь умных часов много и разных!
Сейчас можно сказать, что технология отработана и внедрена в серийное производство. Во всех подобных устройствах реализуется измерение пульса по отраженному сигналу.
Выбор длины волны излучателя
Теперь пару слов, как выбирают длину волны излучателя. Тут все зависит от решаемой задачи. Обоснование выбора хорошо иллюстрировать по графику поглощения света окси и дезоксигемоглобина с наложенными на него кривыми спектральных характеристик излучателей.
Кривая поглощения света гемоглобином и основные спектры излучения пульсовых фотоплетизмаграфических датчиков.
Выбор длины волны зависит от того, что мы хотим измерить пульс и/или сатурацию насыщения крови кислородом SO2.
Просто пульс. Для этого случая важна область, где поглощение максимально – это диапазон от 500 до 600 нм, не считая максимума в ультрафиолетовой части. Обычно выбирается значение 525 нм (зеленый цвет) или с небольшим смещением – 535 нм (применено в датчике OSRAM SFH 7050 – Photoplethysmography Sensor).
Зеленый светодиод датчика пульса – самых ходовой вариант в смарт-часах и браслетах. В датчике смартфона Samsung Galaxy S5 использован красный светодиод.
Оксиметрия. В этом режиме необходимо мерить пульс и оценивать сатурацию крови кислородом. Способ основан на разнице в поглощении связанного (окси) и не связанного с (дезоки) кислородом гемоглобина. Максимум поглощения деоксигенированного гемоглобина (Hb) находится в “красном” (660 нм) диапазоне, максимум поглощения оксигенированного (Hb02) гемоглобина в инфракасном (940 нм). Для вычисления пульса используется канал с длиной волны 660 нм.
Желтый для EMVIO. Для нашего прибора EMVIO мы выбирали из двух диапазонов: 525 nm и 590 нм (желтый цвет). При этом мы учитывали максимум спектральной чувствительности нашего оптического датчика. Эксперименты показали, что разницы между ними практически нет (в рамках нашей конструкции и выбранного датчика). Любую разницу перебивают артефакты движения, индивидуальные свойства кожи, толщина подкожного слоя запястья и степень прижатия датчика к коже. Мы захотели как-то выделиться из общего “зеленого” списка и пока остановились на желтом цвете.
Конечно, измерения можно проводить не только с запястья. Есть на рынке нестандартные варианты выбора точки регистрации пульса. Например, со лба. Такой подход использован в проекте умного шлема для велосипедистов Life beam Smart helmet разработаного Израильской компанией Lifebeam. В предложениях этой фирмы есть еще бейсболки и солнцезащитные козырьки для девушек. Если постоянно носите бейсболку, то это ваш вариант.
Велосипедист доволен, что не нужно одевать HRM ремешок.
В целом выбор точек регистрации достаточно велик: запястье, палец, мочка уха, лоб, бицпес руки, лодыжка и стопа ноги для малышей. Полное раздолье для разработчиков.
Большим плюсом оптического способа является простота реализации на современных смартфонах, где в качестве датчика используется штатная видеокамера, а в качестве излучателя – светодиод вспышки. В новом смартфоне Samsung Galaxy S5 на задней стенке корпуса, для удобства пользователя, уже имеется штатный модуль датчика пульса, возможно и другие производители будут внедрять аналогичные решения. Это может стать решающими для устройств, в которых нет непрерывной регистрации, смартфоны вберут в себя их функционал.
Новые горизонты фотоплетизмографии
Дальнейшее развитие этого способа связано с переосмыслением функционала оптического датчика и технологическими возможностями современных носимых устройств в плане обработки видеоизображений в реальном времени. В итоге имеем идею измерения пульса по видеоизображению лица. Подсветкой является естественное освещение.
Оригинальное решение, с учетом того, что видеокамера является стандартным атрибутом любого ноутбука, смартфона и даже умных часов. Идея метода раскрыта в этой работе.
Субъект N3 явно напряжен – пульс под 100 уд/мин, наверно сдает работу своему руководителю Субъекту N2. Субъект N1 просто мимо проходил.
Сначала на кадрах выделяется фрагмента лица, потом изображение раскладывается на три цветовых канала и разворачивается по временной шкале (RGB trace). Выделение пульсовой волны основано на разложение изображения методом анализа независимых компонент (ICA) и выделения частотной составляющей, связанной с модуляцией яркости пикселей под действием пульсации крови.
Лаборатория Philips Innovation реализовала аналогичный подход в виде программы Vital Signs Camera для IPhone. Весьма интересная штука. Усреднение значений конечно большое, но принципиально метод работает. Аналогичный проект развивает Fujitsu Laboratories.
Виды экранов Vital Signs Camera.
Так что в будущем системы видеонаблюдения смогут дистанционно измерять ваш пульс. Контора АНБ возрадуется.
Окончание обзора в следующем посте “Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 2”. В той части мы расскажем об более экзотических способах регистрации пульса, которые используются в современных гаджетах.
Удачи! И еще раз пригашаем вас на сайт нашего проекта EMVIO.
