Давайте поговорим о современных носимых устройствах. Самые известные из них — это, конечно, умные часы, фитнес-браслеты, наушники и умные кольца. Новая волна популярности умных колец связана с добавлением в них новых функций и интеграцией с ИИ.
Многие люди скептически относятся к подобным гаджетам, но мы постараемся объяснить, для чего они нужны и как ими правильно пользоваться. Мы обсудим сенсоры, которые измеряют показатели нашего тела, чтобы помочь нам следить за здоровьем, поддерживать форму и достигать желаемых спортивных результатов.
Мы рассмотрим часть основных функций в современных неинвазивных устройствах:
Измерение вариабельности пульса
Биоимпедансный анализ
Сенсоры носимых устройств и их функции
Организм реагирует на изменения окружающей среды. В свою очередь, мы с помощью биофизики изучаем эти реакции, пытаемся их отслеживать и анализировать при помощи умных устройств. Какие же сенсоры используются в современных популярных гаджетах?
В неинвазивных устройствах можно встретить:
PPG-сенсор — фотоплетизмография: измерение изменения объёма крови в сосудах при помощи света
ECG-сенсор — электрокардиография: считывание электрических сигналов сердца)
BIA-сенсор — биоимпедансный анализ: определение состава тела по его электросопротивлению
акселерометр
гироскоп
температурные сенсоры
Все это подкреплено алгоритмами машинного обучения для точной интерпретации сигналов.
Теперь перейдем к функциям. Вот основные функции в умных устройствах для здоровья человека на сегодняшний день. Это измерение следующих показателей:
уровень стресса
состояние сердечно-сосудистой системы
дыхание
температура тела
артериальное давление
уровень антиоксидантов
насыщение крови кислородом
качество сна
уровень физической активности
и ряд других функций.
В результате мы получаем контроль здоровья пользователя. Его преимущества:
Неинвазивные измерения: нет никаких вмешательств в организм, и это не причиняет боли пользователю.
Минимальное вмешательство пользователя. Устройство контролирует ваше здоровье, по большей части, в фоновом режиме.
Измерение может проходить в режиме реального времени и в течение длительного периода.
Каждое устройство пытается как можно лучше подстроиться под пользователя и дать рекомендации конкретно для него, чтобы подобрать оптимальную нагрузку для занятий спортом. Умное устройство отображает статистику параметров и делает выводы на основе собранной информации.
Вариабельность пульса
С древних времен люди интересовались пульсом и искали закономерности между пульсом и здоровьем. Люди рано поняли, что по пульсу можно определить состояние человеческого тела.
Измерение пульса было известно ещё в Древней Греции и Древнем Китае, что позволяет предположить, что уже тогда люди использовали этот показатель для диагностики различных состояний. Первая электрокардиограмма появилась в 1895 году, и с тех пор ученые начали учитывать неравномерность сердцебиения при анализе пульса. Если бы мы измеряли промежутки времени между каждым конкретным сокращением сердца, то каждый раз получали бы разные результаты, поскольку сердце здорового человека никогда не сокращается с постоянной частотой. Эта особенность и называется вариабельностью пульса.
Сегодня носимые устройства способны с высокой точностью измерять этот параметр. Над их созданием трудились многие исследователи, инженеры и разработчики, которые разработали специальные алгоритмы. Поэтому информации о вариабельности пульса, полученной с их помощью, можно доверять с высокой степенью достоверности.
Если при измерении пульса мы получаем значение 60 ударов в минуту, важно понимать, что это лишь среднее арифметическое. Время между ударами сердца не всегда равно одной секунде. Оно может быть равно 0.9 секунды между сердечными сокращениями, 1,12 секунды между другими сокращениями.
Изменение разброса времени между сердечными сокращениями как раз и называется вариабельностью пульса:
Маленький разброс значений пульса → низкая вариабельность
Большой разброс значений пульса → высокая вариабельность
На вариабельность пульса влияет множество факторов: дыхание, стресс, гормоны, метаболизм, хронические заболевания и многие другие. За замедление и увеличение пульса в организме отвечает нервная система.
Две системы
В нашем организме функционируют две нервные системы: симпатическая и парасимпатическая. Симпатическая нервная система реагирует на внешние раздражители, такие как стресс, двигательная активность, упражнения и другие, и способна увеличивать частоту сердечных сокращений. Парасимпатическая же система, напротив, реагирует на информацию от внутренних органов и может снижать частоту сердечных сокращений.
Симпатическая система приводит организм в состояние выживания. Это проявляется в повышении давления, увеличении пульса и оттоке крови от внутренних органов и конечностей. Наш организм находится в состоянии сильного стресса или напряжения, пытается себя спасти.
Парасимпатическая система отвечает за расслабление и восстановление организма. Она замедляет сердечный ритм, что даёт возможность сердечной мышце отдохнуть, снижает давление, возобновляет работу желудка и способствует более глубокому дыханию. Таким образом, эта система помогает снять стресс.
Таким образом, одна система поддерживает наше тело в состоянии стресса, а другая, наоборот, способствует расслаблению. Когда активируется парасимпатическая система, симпатическая перестает функционировать, и наоборот.
Регулярное измерение вариабельности пульса позволяет отслеживать работу двух частей вегетативной нервной системы: парасимпатической и симпатической систем.
В нашем сердце находятся особые клетки, которые могут самопроизвольно генерировать электрические импульсы с заданной частотой. Эти импульсы заставляют сердечную мышцу сокращаться и перекачивать кровь. Если отключить нервную систему от сердца, оно будет биться с частотой приблизительно сто ударов в минуту и не будет реагировать на физическую нагрузку или расслабление.
Как уже было сказано, симпатическая система ускоряет сердцебиение, а парасимпатическая — замедляет. В зависимости от того, какая система активна в данный момент, вариабельность пульса может изменяться: увеличиваться или уменьшаться:
Если тонус парасимпатической системы снижен, то вариабельность пульса будет незначительной — мы находимся в стрессовой ситуации.
Если же тонус парасимпатической системы повышен и она включилась в работу, то наблюдается больший разброс по длительности интервалов — вариабельность пульса значительная. Стрессовая ситуация отсутствует в данный момент.
Итак, вариабельность пульса отражает работу парасимпатической системы организма. Постоянный мониторинг этого показателя позволяет выявить наличие стресса, что сделало возможной реализацию полезной функции в умных часах — мониторинг стресса.
Как измерить вариабельность пульса
Теперь перейдем к анализу вариабельности пульса в смарт-часах и фитнес-браслетах. Точная оценка вариабельности пульса требует очень точного подсчета интервалов между каждым сердечным сокращением.
Золотой стандарт определения вариабельности пульса — электрокардиограмма (ЭКГ). На ЭКГ отчетливо видны пики, соответствующие началу сердечного сокращения. Ниже приведен ЭКГ-сигнал, полученный при помощи часов Samsung Galaxy Watch. Самый большой пик — рубец R, по нему определяют начало сердечного сокращения.
ЭКГ показывает электрическую активность сердца, и зная начало сокращений, мы можем точно определить вариабельность сердечного ритма.
Фотоплетизмограмма (PPG-сенсор)
Конечно, функция ЭКГ в часах не обеспечивает такой же точности, как при использовании медицинского оборудования. К тому же, чтобы измерить ЭКГ с помощью часов, необходимо коснуться их второй рукой.
Однако вариабельность пульса по часам определить все же можно. Чаще всего фитнес-браслеты и смарт-часы измеряют вариабельность пульса при помощи фотоплетизмограммы.
Фотоплетизмографический датчик измеряет не электрическую активность сердца, как это делает ЭКГ-датчик, а объём пульсирующей крови.
PPG (фотоплетизмография, ФПГ) — метод, в котором на кожу направляется оптическое излучение. Фотодетекторы регистрируют рассеянное от кожи излучение. Изменение количества рассеянного излучения показывает изменение объема крови в микрососудах. Анализ этих изменений позволяет определить физиологические параметры нашего организма: пульс, насыщение крови кислородом и другие.
PPG-сигнал имеет определенную форму волны из нескольких компонентов.
Мы видим систолический пик и дикротический пик. Кровь прибывает, сигнал становится меньше.
Большой пик на графике сигнала соответствует систоле (сокращению) сердца, что приводит к увеличению объема крови в тканях. Спад в PPG-сигнале после систолического пика вызван закрытием аортального клапана и уменьшением объема крови. Затем после дикротического выреза в сигнале отмечается постепенный подъем, который соответствует диастоле (расслаблению) сердца и дальнейшему увеличению объема крови в тканях (источник).
Если сопоставить ЭКГ и PPG, то оптический пульсометр видит пульс с небольшой задержкой:
Разница между ЭКГ- и PPG-сигналом обусловлена тем, что сосуды расширяются и сужаются медленнее, чем электрический сигнал распространяется от сердца. По этой разнице можно определить различные параметры организма, такие как артериальное давление.
Точная оценка вариабельности пульса требует сигнала очень высокого качества. В настоящее время существуют различные алгоритмы обработки поступающего сигнала.
Сложности измерения PPG-сигнала
Из-за различных артефактов, которые влияют на качество сигнала, информация может быть неверно интерпретирована. Часто встречаются «моушн-артефакты» (артефакты движения): вы пошевелили запястьем, и PPG-сигнал исказился.
Чтобы получить достоверный PPG-сигнал, необходимо распознать движение и исключить его из общей картины. Алгоритмисты ведут большую работу над этими задачами, и сейчас часы эффективно устраняют моушн-артефакты благодаря наличию акселерометра и других датчиков. Получить качественный PPG-сигнал — это работа сенсоров и алгоритмов, которые позволяют такую фильтрацию произвести.
Есть еще одна сложная задача. У людей различаютс�� состояния сосудов, и это видно по PPG-сигналу. Некоторые заболевания могут искажать PPG-сигнал, что приводит к отсутствию чётко выраженных пиков. Здесь подключается машинное обучение, которое обрабатывает большие данные, анализирует и позволяет выявлять таких пользователей. Благодаря этому пользователь с особенностями сосудистой системы тоже может использовать умные часы и получать необходимую информацию. Каждая функция в умных устройствах — работа огромного количества инженеров, программистов и научных сотрудников, которые разрабатывают специальные алгоритмы для предоставления точной информации пользователю.
Как пользователь видит мониторинг стресса? В системе Samsung Health уровень стресса отображается в виде цветной полосы. Если стресса нет, то полоска зелёная. Оранжевый цвет указывает на наличие стресса. Если же она становится красной, это может означать панику или сильное стрессовое состояние. Некоторые умные устройства могут отображать уровень стресса в диапазоне от нуля до ста.
Чтобы точно определить уровень стресса, необходимо учесть несколько важных параметров: пульс, его вариабельность, частоту дыхания, максимальное потребление кислорода и потребление кислорода после тренировок. Специальные алгоритмы собирают всю эту информацию, анализируют и выдают ответ, находимся мы в состоянии стресса или нет.
Измеряем состав тела
На данный момент умные часы уже справляются с точным измерением биоимпеданса — состава тела человека.
В фитнес-клубах часто предлагают услуга измерения состава тела до тренировок на устройстве InBody или аналогах. Подробнее об InBody можно прочитать на официальном сайте. Процедура измерения проста: вы встаете ногами на платформу устройства и беретесь руками за специальные ручки прибора: измеряются и руки, и ноги (полный цикл, всё тело). Прибор измеряет сопротивления и выдает информацию о количестве мышечной и жировой ткани в организме.
Тренер анализирует полученные результаты и составляет индивидуальную программу занятий для вас. Через некоторое время вы повторно измеряетесь, тренер снова анализирует результат и оценивает эффективность тренировок. При необходимости он может изменить программу. Таким образом, вы получаете возможность оценить пользу тренировок и достичь фитнес-целей, например, сделать руки или ноги сильнее.
В повседневной жизни состав тела можно узнать с помощью специальных весов. Эти весы способны определить процент жидкости, мышечной массы и жира в теле. У них есть четыре электрода, к которым мы прикасаемся ногами, и они измеряют сопротивление нижней части тела. Цикл проходит от одной ноги до другой.
Однако теперь узнать состав тела можно, используя умные часы. Не нужно покупать специальные весы либо искать аппарат InBody. Измеряется верхняя часть тела, цикл от руки до руки — пользователь касается кнопок на часах пальцами. Над этим долго работали разработчики, точность довольно хорошая — 2,5-3% расхождения с весами. Конечно, если делать измерения правильно и соблюдать все инструкции.
Работа биоимпеданса
Как это работает: через тело пропускают слабый переменный ток заданной величины. Измеряют падение напряжения на электродах и сравнивают его с приложенным током. По закону Ома (Z = U/I) вычисляют полное сопротивление (импеданс) тканей организма.
Электросопротивление (импеданс) рассчитывается по двум формулам:
Вычисление объема цилиндра: объем = длина x площадь
Характеристика импеданса: импеданс обратно пропорционален площади поперечного сечения и прямо пропорционален длине.
Известна формула, которая определяет количество воды в человеческом организме, а также примерное соотношение мышечной и жировой ткани. Затем, используя формулу пересчета, можно получить данные обо всём организме, даже если измерение биоимпеданса проводилось только на руках. Для этого необходимо знать рост и вес человека. Таким образом, можно определить не только количество жидкости, но и соотношение жировых тканей и мышц в организме.
Как уже упоминалось ранее, биоимпеданс определяется путём воздействия переменного тока на человеческое тело. Импеданс представляет собой векторную сумму активного и реактивного сопротивлений, что позволяет получить важные сведения о составе тела.
Проблема: как пройти липидный слой
Человеческое тело состоит из жидкости, которая делится на внутриклеточную и внеклеточную.
Внеклеточную жидкость можно легко измерить, подбирая определенную частоту изменения направления тока: меняем «плюс» и «минус» местами за определенное время.
А для внутриклеточной жидкости все сложнее. Липидный слой не так просто пропускает электрический ток внутрь, поэтому приходится менять местами плюс и минус до ста тысяч раз в секунду, чтобы ток все-таки проник внутрь клетки и умное устройство смогло измерить количество внутриклеточной жидкости.
Чем точнее происходит измерение внутриклеточной и внеклеточной жидкостей, тем точнее мы узнаем, сколько всего жидкости внутри организма. А зная точное количество жидкости, можно рассчитать процентное содержание жира. Современные часы могут динамически изменять направление тока, что позволяет с высокой точностью определять количество внутриклеточной и внеклеточной жидкости. Разработчики с выходом каждой новой модели часов повышают точность измерений, чтобы люди с радостью пользовались этими функциями и применяли их при планировании тренировок.
В следующих статьях мы расскажем о ряде других функций в умных устройствах. Например, есть концепт измерения уровня гидратации организма при помощи умных часов.
Или вот еще новинка этого года — Антиоксидантный индекс (измерение уровня каротиноидов) — первый в индустрии измеримый индекс питания. Он уже появился в новой версии часов Galaxy Watch 8. Но здесь рассказывать не будем, а ограничимся отсылкой к статье.
Большое спасибо за внимание! Надеюсь, было интересно.
Об авторах
Елена Волкова — кандидат физ.-мат. наук. Окончила физический факультет Саратовского государственного университета. Обучалась в докторантуре университета г. Оулу (Финляндия). Занималась разработкой новых методов синтеза и применения наночастиц в области биомедицины и биофизики. Эксперт Samsung, соавтор более 40 научных работ и 10 патентов.
Алексей Перчик — к.т.н. кончил МГТУ им. Баумана, специальность «Оптическое приборостроение», защитил диссертацию, посвященную разработке акустооптических и поляризационных приборов в НТЦ УП РАН. Эксперт Samsung.
За редактуру благодарим Татьяну Волкову (@robofreak)
Эта лекция состоялась в рамках Межвузовского конкурса проектов Samsung Innovation Campus в 2024 году.
Полезные статьи
Вариабельность пульса для «чайников». Как фитнес-трекеры определяют состояние организма? https://deep-review.com/articles/hrv/
