Датчик измерения пульса. Нужен ли вам беспроводной кардиодатчик для тренировок на дорожке? Выбор длины волны излучателя

В этой статье вы узнаете о нескольких деталях, на которые нужно обращать внимание при разработке сенсоров фотоплетизмографа.

Введение

В предыдущей статье вы познакомились с конструкцией датчика измеряющего пульсограмму . Сегодня я поделюсь некоторыми наработками, которые могут быть полезны при выборе элементной базы плетизмографа и разработке его электрической схемы. Они помогут улучшить качество полезного сигнала, на которое в первую очередь влияют следующие факторы:

отсутствие артефактов;
наличие выраженной пульсовой волны в точке регистрации;
конструкция чувствительного элемента.

Артефакт – не относящееся к полезной составляющей изменение формы сигнала, спектрально и амплитудно схожее с ним.

Существуют несколько источников артефактов:

передвижения человека, использующего фотоплетизмограф, относительного источника освещения, естественного или искусственного, например, перемещение тени от солнца во время занятий спортом;
передвижения источника света относительно человека или изменение яркости этого источника. Например, мерцания люминесцентных ламп;
не связанные с пульсом движения частей тела вызывающие движения фотоплетизмографа или точек тела в том месте, где установлен чувствительный элемент. Например, движения костей предплечья, возникающие при движениях пальцами, движения костей головы, связанные с речью и мимикой.

Кроме артефактов качество измерения пульса зависит от выраженности пульсовой волны. У одного и того же человека пульс может быть проявлен очень хорошо и очень плохо. Например, я много раз наблюдал за изменением пульса во время трехчасового компьютерного психо-физиологического тестирования. Измерение пульсограммы производилось с мочки уха. При этом сигнал ухудшался с течением времени. Это могло происходить достаточно быстро – за полчаса, и связано, предположительно, с тем, что ушная клипса ухудшает кровоток, а также с вынужденной неподвижностью испытуемого.

Похожая ситуация наблюдается при измерении пульса с фаланги пальца. Изменение температуры в помещении или легкое изменение позы человека и вызванное этим смещение точки регистрации на небольшое расстояние могут привести к снижению уровня сигнала или вовсе к его исчезновению.

При измерении пульса с виска проблема отсутствия сигналов обостряется. Площадь виска больше площади пальца, труднее найти точку, в которой пульс лучше проявлен, и больше вероятность, что пользователь наденет датчик неправильно.

Многоканальные чувствительные элементы

Для решения описанной проблемы может быть применен распространенный в технике принцип – дублирование, которое в данном случае подразумевает использование датчика с несколькими чувствительными элементами. Принципиальная схема, реализующая такую идею, приведена на следующем рисунке.

Предвижу скептические мысли читателей насчет параллельно включенных светодиодов. Прошу не судить строго, так как это опытный образец, который не должен был эксплуатироваться длительное время.

Светодиоды и фототранзисторы на печатной плате располагаются попарно. Размер платы выбирается таким, чтобы перекрывать всю область виска, это позволяет располагать там же схему усиления и фильтрации сигнала. Плата может содержать отверстия для крепления к ленте-тесьме. Внешний вид датчика с девятью чувствительными элементами представлен на следующем рисунке.

Аналогичное решение может быть применено для измерения пульса с пальца или запястья. Ниже изображена схема датчика, состоящего из четырех фототранзисторов и одного светодиода.

Эмиттеры фототранзисторов могут не соединяться и тогда сигналы с каждого из них измеряются независимо, в этом случае требуется специальное многоканальное измерительное устройство. Многоканальное исполнение может быть также полезно для устранения артефактов. Если артефакт возникает только в районе одного фотоэлемента, он фиксируется и не учитывается в общей картине измерения. Однако использование такой схемы не всегда удобно, так как приводит к увеличению габаритов. Совсем другое дело, если соединить фоточувствительные элементы параллельно. В этом случае требуется только один измерительный канал. На следующем рисунке приведен прототип такого датчика. Он работает по схеме «на отражение». Светодиод располагается в центре, а фототранзисторы по краям. Датчик может использоваться для регистрации пульсограммы с фаланги пальца или запястья. Печатная плата разведена так, чтобы иметь возможность подключать фототранзисторы в многоканальный или одноканальный варианты.

Компаудирование

Для лучшей фиксации фотоэлементов поверхность печатной платы может быть залита компаундом. Для заливки изготавливается специальная форма, которую вы также видите на рисунке. Чтобы компаунд не прилипал к форме, ее лучше изготавливать из фторопласта. Если форму выполнить из другого материала, например из металла, то перед заливкой компаунда ее следует смазать специальным составом. Если такого состава нет в наличии, подойдет обычный вазелин. Следует также внимательно подходить к выбору компаунда, так как неправильно выбранный состав может деформировать элементы при отверждении.

Кроме фиксации компаунд выполняет роль светофильтра. Для этой цели подходят эпоксидные компаунды с красителями. Например может использоваться компаунд «Эпоксикон» производства СПбГТИ.

Альтернативу компаундам могут составить твердые светофильтры. Они вплотную прилегают к печатной плате, а для светодиодов и фототранзисторов выполняются пазы фрезой или лазером. На следующем рисунке изображен датчик с элементами, закрытыми отфрезерованной пластиной.

Наличие светофильтра позволяет минимизировать артефакты, создаваемые внешними источниками света. На следующем изображении представлен вид оптических компаундов до отверждения и после.

Особенности выбора фототранзисторов и светодиодов

Для регистрации пульсовой волны используются фоточувствительные элементы – фотодиоды или фототранзисторы. В этой статье речь идет только о фототранзисторах. Потому что на момент моего начала работ в этом направлении уже имелись на руках несколько десятков различных транзисторных сенсоров (клипс, прищепок и напалечников), а также были наработанные схемотехнические решения. Использование диодов при этом ничуть не хуже и повсеместно применяется в различных приложениях, например в распространённых медицинских датчиках стандарта Nellcor.

При выборе фототранзисторов и светодиодов в первую очередь следует обращать внимание на следующие характеристики:

длину волны (максимум спектральной характеристики) [нм];
угол половинной яркости для светодиодов и угол охвата для фототранзисторов [град.];
интенсивность излучения [мВт/ср] для светодиодов и чувствительность для фототранзисторов [мА/(мВт/см2)];
номинальный ток фототранзистора и светодиода [мА];
темновой ток фототранзистора [мА];
наличие встроенных в корпус линз и светофильтров.

Для измерения пульса лучше всего подходят длины волн, которые сильнее всего поглощаются кровью. Это волны соответствующие зеленому цвету 530 нм. Так же используются красный и инфракрасный диапазоны. Очень рекомендую с классификацией способов измерения пульса, там же вы узнаете про спектр поглощения гемоглобина.

При выборе фотоэлементов следует обращать внимание на наличие линз и светофильтров, которые позволяют достичь желаемого угла половинной яркости и охвата, а, значит, быть менее чувствительным к излучению от других источников. Встроенные фильтры позволяют работать только в выбранном спектральном диапазоне. Если выбрать светодиод с большим углом половинной яркости и фототранзистор с большим углом охвата, то свет будет проходить, минуя поверхность кожи. Это приведет к ухудшению измерительного диапазона и световой поток, модулируемый пульсовой волной, практически не будет влиять на выходной сигнал измерительной схемы. Эта ситуация проиллюстрирована на следующем рисунке

Угол а2 является допустимым, а угол а1 слишком велик для того чтобы использовать светодиод с таким углом в устройстве измерения пульса. Этот пример относится к случаю измерения пульса «на отражение». Выбор светодиода с большим углом половинной яркости в устройствах, работающих «на просвет» приведет к тому, что большая мощность излучения будет проходить мимо фотоприемника. Это нежелательно, особенно в мобильных устройствах.

Также следует обращать внимание на интенсивность излучения светодиода, измеряемую в милливаттах на стерадиан [мВт/ср]. В документах на светодиоды она указывается обычно при токах 20, 100 и 1000 мА. Для экономии электроэнергии лучше выбирать светодиоды, у которых эта характеристика выше при одном и том же потребляемом токе. Следует обращать внимание на величину фотоэлектрического тока фототранзистора, чем больше ее значение, тем лучше. Последние две характеристики связаны между собой. В результате, уровень минимально ожидаемого сигнала должен быть хотя бы в несколько раз выше ожидаемого уровня шумов в измерительном устройстве.

Светодиоды и фототранзисторы часто продаются парами, подходящими друг к другу конструктивно и по спектральным характеристикам. В таблице приведены характеристики нескольких пар светодиодов и фототранзисторов. Пары в строчках 2 и 3 не подходят для использования в пульсометрах из-за большого угла и низкой мощности излучения. Пары 1, 4 и 5 подходят, причем первая пара подходит лучше всего. Это было подтверждено испытаниями. При прочих равных условиях лучший сигнал пульсограммы снимался при использовании первой пары. Нужно отметить, что если между светодиодом и фототранзистором поставить непрозрачную преграду, то угол излучения и чувствительности будут не так сильно влиять на качество измерения пульса.

Заключение. Три в одном

Вместо заключения упомяну замечательное интегральное решение, которое в комментариях к предыдущей статье привел хабрапользователь valexey . Речь идет об устройстве Si1143 производства Silicon Labs. Внутри у него два фотодиода – красный и ИК, блок управления тремя светодиодами, встроенная схема усиления и фильтрации, АЦП и модуль последовательного интерфейса I2C. Не буду описывать других подробностей, так как еще не успел опробовать. Судя по описанию, это устройство хорошо подходит для различных измерений связанных с пульсометрией.

P.S.

Репозиторий пополнился чертежами чувствительных элементов и промежуточных усилителей.

По многочисленным просьбам читателей нашего блога, в дополнение к материалам по самостоятельной сборке электрокардиографа , публикуем все необходимое для сборки пульсометра. Измерять ЧСС будем оптическим методом "на отражение". В качестве датчика используется светодиод и фотоприемник, монтируемые в корпус прибора. Вы же можете сделать свой датчик любой другой конструкции (например, датчик "на просвет" из бельевой прищепки). Вашему вниманию представляем первую публичную (на самом деле - восьмую опытную) версию устройства "Pulse Lite" .

Уважаемые радиолюбители, обращаю ваше внимание, что фотоплетизмограф - устройство сложное , в котором при сборке можно наделать массу ошибок, и с "двух пинков" оно не заведется. Если вы собираетесь собирать устройство из того, что у вас есть под рукой, заменяя приведенные на принципиальной схеме детали и номиналы, учтите, что, скорее всего, устройство работать не будет. Даже домашний кардиограф "ECG Lite" в этом плане намного менее привередлив. Не следует потом пенять на разработчиков за потраченное впустую время, текстолит и радиодетали. Если Вам нужен пульсометр из парочки усилителей, светодиода и фотоприемника, используйте другие схемы, .

Первые трудности

Пару слов о том, почему фотоплетизмограф намного сложнее, чем кардиограф, с точки зрения схемотехники.

Вспомним, что электрокардиограф регистрирует электрические потенциалы, наводимые электрической активностью сердечной мышцы на теле. Эти самые бипотенциалы не имеют сильных отличий у разных людей, и в норме амплитуда сигнала (от конечностей) составляет 1 ± 0,2 мВ.

Пульсограф регистрирует сигналы оптическим методом - фотоприемник регистрирует изменение интенсивности света (в качестве источника выступает светодиод), прошедшего через палец (или рассеянного им - для датчика "на отражение"), вызванное насосной работой нашего сердца - периодическим увеличением кровенаполнения тканей.

Казалось бы, ничего сложного, если бы не два главных "НО" . Кровенаполнение, эластичность сосудов, давление и, самое главное, - толщина кожного покрова у людей отличаются чрезвычайно сильно . Это приводит к тому, что уровень постоянной засветки фотоприемника (на который влияет наша кожа и размер пальцев) и уровень переменной составляющей (давление, сосуды, состояние кровоснабжения в конечностях и проч.) отличаются у разных людей в сотни раз.

Для создания пульсографа нужны цепи формирования сигнала (драйвер) источника света, сложные инфра-низкочастотные усилители (ЭКГ - более высокочастотный сигнал), цепи, подавляющие помехи от постоянной засветки сторонних источников; а также хитрые цепи автоматической регулировки усиления.
Можете, для интереса, сравнить цены профессиональных кардиографов и пульсоксиметров (последние - намного дороже).
Надеюсь, мы вас достаточно напугали 🙂 , чтобы пропало желание собрать фотоплетизмограф самому. Не пропало? Тогда читайте дальше.

Характеристики прибора

Если вы все сделали правильно - без ошибок в плате и изменений схемы и без бракованных деталей, то на выходе вы получите устройство, которое порадует Вас следующими фичами:

регистрирует пульсовую волну датчиком, состоящим из светодиода и фотоприемника (можно делать датчик на просвет или на отражение);
передает сигнал в ПК по USB, а ПО для ПК умеет немало:
вычисляет мгновенную ЧСС;
выполняет контурный анализ пульсовой волны и анализ вариабельности сердечного ритма;
записывает фотоплетизмограмму любой длительности в файл;
выполняет автоматизированную диагностику (база диагнозов настраивается);
выводит на печать результаты исследований.

Ограничения данного компьютерного пульсографа:

не работает с прищепками Nellcor и ушными клипсами с Aliexpress!
не работает с последней версией программы Pulse Lite Control!
не измеряет оксигенацию!

Еще раз повторюсь: схема, плата и прошивка пульсометра - первой хорошо отлаженной версии фотоплетизмографа "Pulse Lite" , поэтому с прищепкой Nellcor не работает, с последней версией ПО тоже не работает. "Открывать" последнюю версию пульсографа Pulse Lite не планируем.

Все для самостоятельного изготовления

Принципиальную схему и всё необходимое для изготовления платы в домашних условиях по ЛУТ (в формате pdf) качайте по данной ссылке. В архиве находятся, помимо схемы, готовые к распечатке (учтите, зеркалить уже ничего не нужно, печатать без масштабирования, т.е. 1:1!) верхняя и нижняя стороны платы, карта переходных отверстий (вид сверху и снизу), карта расположения элементов.

Хитрости при построении схемных решений

Автор этих строк предполагает, что вы уже скачали и увидели электрическую схему фотоплетизмографа. Если вы читаете дальше, значит, желание сделать прибор все еще не пропало, и это не может не радовать 🙂 . Только таким упорным читателям мы и откроем главные тайны создания нашего девайса. Итак, чтобы принципиальная схема фотоплетизмографа стала более понятной, проясним самые важные технические решения и причины, побудившие внедрить таковые в наш прибор.

Одна из проблем фотоплетизмографии уже была нами озвучена - это чувствительность прибора к засветкам сторонних источников, влияние которых очень сложно исключить столь очевидным применением фильтрующих цепей, потому что полезный сигнал лежит в том же диапазоне частот, что и НЧ помехи (от долей до десятков Герц). Для усиления полезного сигнала (фотоплетизмограммы) было принято решение использовать принцип модуляции - демодуляции, который заключается в следующем:

Переносим полезный сигнал в область высоких частот. Для этого светодиод питается не постоянным током, а переменным, частотой 5 кГц. Таким образом формируется несущий сигнал высокой частоты. При прохождении через палец интенсивность света (пульсирующего с частотой 5 кГц) меняется из-за периодических колебаний кровенаполнения. Следовательно, на фотодетектор попадает ВЧ сигнал, промодулированный по амплитуде полезным сигналом фотоплетизмограммы.
Далее вполне безопасно и относительно просто выполняем фильтрацию низкочастотных помех, обусловленных сторонней засветкой, поскольку спектр полезного сигнала лежит в ВЧ диапазоне (5 кГц).
Усиливаем ВЧ сигнал классическими усилителями на дешевых операционниках.
Выполняем амплитудное детектирование для извлечения полезного низкочастотного сигнала (огибающей).
Фильтруем и усиливаем сигнал низкой частоты.

Проблему №2 (разное кровенаполнение, толщина кожных покровов и прочее) решали реализацией автоматической регулировки коэффициента усиления высокочастотного и низкочастотного усилительных каскадов.

Собственно говоря, это все хитрости, которые, с одной стороны, усложнили схему до безобразия, с другой - сделали возможным создание фотоплетизмографа, который стабильно регистрирует пульсовую волну не только у пациента, который его разрабатывал, а у всех желающих, и который построен на базе недорогих электронных комплектующих, доступных в каждом уважающем себя магазине радиодеталей.

Поясняем схемотехнику

Теперь перейдем к подробностям. Питание фотоплетизмограф получает от ПК по кабелю USB. Гальваническая развязка прибора с ПК не реализована, поскольку при регистрации пульса электрического контакта с пациентом нет. Повышающий импульсный преобразовать питания на базе boost-контроллера NCP1406, выход которого подключен к удвоителю напряжения со средней точкой, подключенной к общему проводу GND, обеспечивает двуполярное питание ± 4В для усилительного тракта, генератора и драйвера светодиода. Питание контроллера обеспечивается отдельно от всей аналоговой части линейным стабилизатором на 3,3В NCP1117ST33T3G, поскольку для работы устройства с ПК по USB (прибор работает как HID-совместимое устройство) на линиях контроллера D+ и D- уровни не должны превышать 3,3В. Можно, конечно, поставить на линиях D+ и D- стабилитроны на 3,3В, сбрасывающие лишнее напряжение, но это приводит к лишнему потреблению, да и сама по себе развязка цепей питания аналоговой и цифровой части - это всегда плюс.

Генератор на базе микросхемы ОУ TL072 (каскад DA1:A) формирует синусоидальный сигнал, драйвер питания светодиода (DA1:B) обеспечивает электрический ток через светодиод, сила которого пропорциональна выходному напряжению генератора. Вместе генератор и драйвер обеспечивают пульсирующее излучение светодиода X1 с частотой 5 кГц и минимальными высшими гармониками. Питание светодиода прямоугольными импульсами приводит к значительному искажению полезного сигнала высшими гармониками после детектирования, поэтому и питаем светодиод синусом.

Фотодиод включен в режиме фотогальванического элемента (без внешнего обратного напряжения), R29 - нагрузочный резистор, который позволяет увеличить быстродействие датчика при таком включении. Конденсаторы C29 и C36 позволяют убрать постоянную составляющую сигнала, которая вызвана сторонними засветками. После первого ВЧ каскада усиления установлен регулируемый микроконтроллером резистивный делитель (на цифровом потенциометре MCP41010, управляемом по интерфейсу SPI).
Поскольку питание MCP41010 однополярное (+4В), ВЧ сигнал смещаем на половину питания (R35-R37). После ослабления сигнала делителем (с заданным контроллером ATMega уровнем ослабления) постоянное смещение убираем конденсатором C31, а ВЧ сигнал подаем на вход ВЧ усилителя с частотно-избирательными цепями в обратной связи (с максимумом усиления на 5 кГц) и далее на амплитудный детектор VD7-R28-C28 для извлечения полезного сигнала ФПГ (демодуляции).

Уровень ослабления сигнала резистивным делителем в ВЧ тракте подбирается исходя из величины постоянной составляющей, измеряемой АЦП контроллера на выходе детектора ADC_AMP.

После амплитудного детектирования полезный сигнал поступает на повторитель на ОУ, который служит для согласования сопротивлений, и усилитель низкой частоты на составном транзисторе VT1-VT2. Схема Дарлингтона позволяет получить минимальный уровень инфранизкочастотных шумов при высоком усилении НЧ сигнала. После усилительного НЧ каскада сигнал подается на цифровой потенциометр MCP41010 и последний каскад усиления DA2:A. Уровень ослабления сигнала потенциометром подбирается исходя из размаха сигнала, измеряемого на входе АЦП контроллера ADC_IN.

Цифровая часть фотоплетизмографа построена на базе микроконтроллера семейства AVR ATMega48. Контроллер осуществляет автоматическую регулировку усиления высокочастотных и низкочастотных каскадов, измеряет сигналы на каналах АЦП (постоянная составляющая ФПГ после демодуляции ADC_AMP и усиленный сигнал пульсограммы ADC_IN).

Итог - схема фотоплетизмографа далека от тривиальной. В ней нет лишних деталей и электрических соединений. Если вы собираетесь использоваться нашу прошивку пульсометра и нашу программу для ПК, ничего не меняйте в схеме. Если вам нужны только идеи, а реализовать собираетесь свой девайс со своей программной частью - набивайте себе шишки экспериментируйте на здоровье!

Программирование микроконтроллера

Программируется контроллер через разъем для внутрисхемного программирования X3 по интерфейсу SPI c помощью программатора STK-500, ucGoZillla , USBtiny или др. Для прошивки контроллера вам также потребуется среда Atmel AVR Studio, которую можно скачать на официальном сайте Microchip .

При программировании микроконтроллера настройки установите согласно скриншотам ниже (внимательно отнеситесь к данному пункту, дабы не превратить контроллер в "кирпич").

Что можно

Использовать схему (или ее части) в любых Ваших проектах (в том числе коммерческих).
Собирать компьютерный фотоплетизмограф для себя и своих близких, для научных экспериментов и других благих целей.
Написать в комментариях на сайте о проблемах или успехах в сборке прибора.
Сообщить в комментариях о неясностях, неточностях, о неполноте материалов по сборке фотоплетизмографа.
Сообщить в комментариях на сайте о возможных ошибках в материалах по сборке пульсографа.
Предлагать в комментариях более разумные технические решения для задач регистрации пульсовой волны.
Делиться информацией о сборке прибора на тематических блогах, форумах со ссылкой на первоисточник.
Оставлять ссылку на наш сайт в качестве благодарности авторам проекта.

Что нельзя

Просить исходные коды прошивки и программы для ПК 🙂 .
Требовать от нас написать дополнительные материалы любого содержания на тему компьютерного фотоплетизмографа (техническое задание, бизнес-план, диплом, паспорт на изделие и т.д.).
Просить разместить открытые материалы по сборке последней версии компьютерного фотоплетизмографа "Pulse Lite".
Менять схему пульсографа по своему усмотрению, а потом ругать разработчиков за неработающий результат.
Критиковать схемные решения без весомых аргументов и разумных предложений.

В Интернете вы без большого труда найдете более простые и дешевые схемы датчиков пульса. Наш прибор не для тех, кому просто захотелось "скоротать вечерок за паяльником и поиграть с ЧСС". Здесь мы опубликовали схему нашего восьмого по счету опытного образца фотоплетизмографа, поэтому можем с уверенностью сказать - данный прибор позволит вам зарегистрировать пульсовую волну с минимальным уровнем шума у абсолютного большинства людей. Вам не придется крутить ручки подстроечных резисторов, чтобы увидеть на экране пульс. По форме пульсовой волны вы сможете посчитать индексы жесткости и отражения, а не только мгновенную ЧСС (тем более, что программа всё сделает для вас). Данный прибор - не китайская игрушка, с "недопиленным" ПО и глюкавой прошивкой, и не поделка, сделанная навесным монтажом из "старого распая". Это полноценный компьютерный фотоплетизмограф, который может стать надежным помощником в вопросах объективного контроля вашего здоровья.

Спасибо за внимание к нашим разработкам и всем успехов в сборке вашего домашнего пульсографа!

пульсометр схема фотоплетизмограф схема пульсоксиметр своими руками пульсометр своими руками схема фотоплетизмографа купить фотоплетизмограф купить ведапульс схема элдар датчик пульса самому датчик пульса схема

Время на чтение: 21 минута

Пульсометр – это измерительный прибор, который определяют частоту сердечных сокращений. Его еще называют монитором сердечного ритма (heart rate monitor) .

Пульсометр используют для контроля работы сердца, анализа нагрузок, определения зон пульса и выхода за рамки этих зон. На рынке спортивной атрибутики продается большое количество разнообразных моделей для мониторинга сердечного ритма. Давайте разберемся, для чего нужен пульсометр, в чем его преимущества и польза, как его выбрать, а также рассмотрим самые популярные модели пульсометров на рынке.

Пульсометр: для чего нужен и какие преимущества

Если вам нужна информация о работе вашего сердца во время тренировки, то такой прибор как пульсометр вам просто необходим. Во время тренировок монитор сердечного ритма помогает поддерживать нужное значение пульса, измеряет количество сожженных калорий и контролирует работу сердца и нагрузку. Чаще всего пульсометр используется во время интервальных и кардио-тренировок, но и во время силовых нагрузок он будет совсем не лишним. Кроме того, пульсометр можно использовать во время дневной активности для контроля работы сердца.

Кому может понадобиться пульсометр?

Тем, кто занимается кардио-тренировками для похудения или развития выносливости.
Тем, кто занимается высокоинтенсивными интервальными тренировками (ВИИТ).
Тем, кто имеет проблемы с сердцем и должен контролировать частоту сердечных сокращений.
Тем, кто хочет контролировать количество сожженных калорий во время тренировки.
А также тем, кто хочет регулярно улучшать свои результаты без вреда для здоровья.

Зачем вообще необходимо замерять пульс во время тренировки? В зависимости от пульса или частоты сердечных сокращений (сокращенно ЧСС) ваш организм будет использовать разные источники энергии. Исходя из этого, есть несколько зон нагрузки, которые определяют эффективность вашей тренировки:

Указанный процент берется от значения максимальной частоты сердечных сокращений. Для ее расчета воспользуемся формулой: Максимальная ЧСС = 220 – возраст.

Соответственно, чтобы организм в качестве источника использовал жирные кислоты, достаточно держать пульс в зоне 60-70% от максимальной ЧСС. Например, если ваш возраст 30 лет, то для расчетов возможного диапазона вашего пульса применим следующие расчеты:

Нижний порог = (220-30)*0,6=114
Верхний порог = (220-30)*0,7=133

При таком пульсе (114-133 удара в минуту) вы можете заниматься длительное время, поддерживая беспрерывный темп. В этом случае нагрузка будет аэробная, то есть с использованием кислорода. Такие кардио-тренировки помогают сжигать жир и тренировать сердце.

Если вы занимаетесь высокоинтенсивными интервальными тренировками (например, тренировки по протоколу Табата), то в моменты пика ваш ЧСС должен находиться в анаэробной зоне, т.е. 80-90% от максимальной ЧСС:

Нижний порог = (220-30)*0,8=152
Верхний порог = (220-30)*0,9=171

Пульсометр помогает следить за своим пульсом и поддерживать его в той зоне, которая отвечает вашим требованиям. Если модель пульсометра позволяет, то можно выставить интересующие вас зоны пульса, и вы будете оповещены, когда ваш пульс будет выходить из заданной зоны.

Преимущества пульсометра:

Монитор сердечного ритма защищает сердце от перегрузки во время тренировки, поскольку вы контролируете значение пульса.
Вы будете заниматься в нужной вам зоне пульса – для жиросжигания или выносливости в зависимости от ваших целей, а значит тренироваться более эффективно.
С пульсометром легко отслеживать свой прогресс, анализировать уровень нагрузки и ее восприятие организмом.
Вы будете точно знать, сколько калорий потрачено во время тренировки.
Вы можете использовать пульсометр во время обычной дневной активности для оценки работы организма или контроля нагрузок.
Пульсометр незаменим во время бега или быстрой ходьбы на улице, когда отсутствуют другие источники для определения уровня нагрузки.

На многих кардио-тренажерах уже установлен встроенный монитор сердечного ритма. Но во-первых, такие пульсометры показывают неточные данные, на которые лучше не ориентироваться. Во-вторых, для фиксации данных необходимо держаться за ручки во время бега или ходьбы, что не всегда удобно. Поэтому если вы хотите получать максимально точные данные по пульсу и калориям, то лучше приобрести монитор сердечного ритма.

Можно также использовать ручной мониторинг пульса. Для этого вам нужно остановиться и посчитать удары, зафиксировав полученные значения. Однако дополнительные манипуляции во время тренировки не всегда удобны, да и полученные значения будут иметь сильную погрешность. Кроме того, постоянные остановки снижают ваш пульс, что нарушает ритм занятия. Именно поэтому пульсометр незаменим: он будет фиксировать данные мгновенно на протяжении всей тренировки.

Основные функции пульсометра:

Мониторинг частоты сердечных сокращений (ЧСС)
Настройка зоны пульса
Уведомление о смене зоны пульса звуком или вибрацией
Расчет средней и максимальной ЧСС
Счетчик потраченных калорий
Отображение времени и даты
Секундомер, таймер

Некоторые пульсометры имеют дополнительные функции: GPS-навигация, будильник, шагомер, история тренировок, автоматический подсчет тренировочных зон, фитнес-тест, расчет ЧСС для отдельного круга (полезно для бегунов), синхронизация с приложениями и компьютером . Чем большими функциями оснащен прибор, тем он дороже по стоимости.

Виды пульсометров

Пульсометры можно разделить на 2 большие группы: нагрудные (с использованием нагрудного датчика) и запястные . Пульсометр с нагрудным ремнем пользуется бо льшей популярностью среди занимающихся, но благодаря новым технологиям появились модели, которые позволяют точно замерить пульс и без нагрудного датчика.

Нагрудный пульсометр представляет собой датчик с электродами, который одевается под грудью и передает данные на часы-приемник или мобильное приложение. Есть два типа моделей нагрудных пульсометров, которые отличаются по комплектации:

Пульсометр без часов-приемника. В этом случае данные передаются на смартфон посредством технологии Bluetooth Smart. Датчик синхронизируются со специальными приложениями в смартфоне, где в автоматическом режиме сохраняется вся необходимая информация о ЧСС и сожженных калориях. Это удобно для анализа тренировок, поскольку приложение хранит всю историю данных. Чаще всего пульсометры синхронизируются с приложениями на операционных системах Android и iOs.
Пульсометр с часами-приемником. В этом случае датчик отправляет данные на часы-приемник, где они обрабатываются, и вы можете видеть их на экране. Такие модели более дорогие, но и более удобные. Вам не нужно дополнительно использовать смартфон, вся информация будет высвечиваться на часах. Например, на улице такие пульсометры использовать удобнее.

Если вы приобретаете пульсометр с часами-примеником, то обратите внимание также на тип передачи данных. Есть два типа передачи данных с нагрудного датчика на часы:

Аналоговый (некодированный) тип передачи данных. Может быть подвержен радиопомехам. Считается менее точным, однако если погрешность и есть, то она совсем небольшая. Аналоговый пульсометр может синхронизироваться с кардио-тренажерами, подхватывая данные о сердечном ритме с вашего ремня. Но если в непосредственной близости от вас (в пределах метра) кто-то использует пульсометр с тем же типом передачи данных, например, на групповой тренировке, то могут возникать помехи.
Цифровой (кодированный) тип передачи данных. Более дорогой и точный тип передачи данных, не подвержен помехам. Однако пульсометр с цифровой передачей данных нельзя синхронизировать с тренажерами.

И аналоговые, и цифровые пульсометры достаточно точны, поэтому тип передачи данных не играет ключевой роли при выборе пульсометра. Дополнительно переплачивать за цифровой тип передачи данных не имеет смысла.

Запястные пульсометры

Удобство запястных пульсометров состоит в том, что вам не нужно надевать нагрудный ремень с датчиком. Для измерения данных вам понадобятся только часы, которые надеваются на запястье. Однако и такой вариант пульсометров имеет ряд особенностей и минусов, поэтому несмотря на кажущиеся удобства, запястные пульсометры пока пользуются меньшей популярностью.

Есть два типа запястных пульсометров, которые отличаются принципом мониторинга ЧСС:

Пульс замеряется при контакте пальцев и сенсора на лицевой стороне прибора. Вы просто надеваете пульсометр на запястье, касаетесь его, и прибор выдает вам значения пульса. Минус такого мониторинга заключается в том, что вы будете мерить пульс не в течение определенного периода времени, а по требованию, только после контакта пальцев и электродов на корпусе. Такой пульсометр больше подходит для туризма, альпинизма или для тех, кто из-за ограничений по здоровью вынужден периодически контролировать зону пульса.
Пульс замеряется с помощью слежения за кровеносными сосудами. Принцип работы таких пульсометров следующий: вы надеваете браслет на руку, светодиоды просвечивают кожу, оптический сенсор замеряет сужение сосудов и датчик выводит полученные значения на экран часов. Но и минусы таких приборов также очевидны. Для точности данных ремень должен быть жестко затянут на запястье, что не всегда удобно во время тренировки. Кроме того, сильное потоотделение или дождливая погода могут нарушить работу датчика.

Конечно, часы являются более привычным оборудованием, чем нагрудный ремень. Поэтому если вам дискомфортно ношение ремня под грудью, то рекомендуем приобрести второй вариант запястного пульсометра. Но дискомфорт и неудобство – едва ли не единственный аргумент в пользу запястного пульсометра. Большинство тренирующихся все же останавливают свой выбор на пульсометре с нагрудным датчиком из-за удобства и точности данных.

Цены на пульсометр определяются следующими параметрами:

Компания-производитель
Тип пульсометра: нагрудный или запястный
Комплектация: есть ли часы-приемник, сменные ремешки, чехлы и т.д.
Тип передачи данных: аналоговый или цифровой
Влагозащита
Ремень, его ширина, качество, удобство крепления
Качество корпуса часов-приемника
Наличие дополнительных функций

Пульсометры: подборка лучших моделей

Предлагаем вам подборку моделей пульсометров с кратким описанием, ценами и картинками. Исходя из этого обзора, вы сможете подобрать для себя подходящий монитор сердечного ритма. Цены указаны по данным Яндекс-маркета на сентябрь 2017 и могут отличаться от стоимости пульсометра в вашем магазине.

Пульсометры Sigma

Популярные модели пульсометров Sigma разрабатывает тайваньский производитель. Среди пульсометров Sigma считается одним из лидеров рынка, их модели практически идеальны по соотношению цены и качества. В основном они предлагают модели пульсометров с нагрудным ремнем и часами:

Sigma PC 3.11 : самая примитивная модель с базовой функцией подсчета частоты сердечных сокращений. Подсчет калорий не ведется.
Sigma PC 10.11 : оптимальная модель со всеми необходимыми основными функциями, в том числе подсчет средней и максимальной ЧСС, счетчик калорий, звуковой сигнал при нарушении целевой зоны ЧСС.
Sigma PC 15.11 : эта модель подойдет для любителей бега, поскольку здесь добавляются такие функции как счетчик кругов, средняя и максимальная ЧСС за круг, количество сожженных калорий за круг, время на круг.
Sigma PC 22.13 : в этом пульсометр используется цифровая передача данных, поэтому цена его немного дороже. Модель предлагается в нескольких цветовых вариантах корпуса. Функции стандартные: подсчет средней и максимальной ЧСС, счетчик калорий, индикатор зон, звуковой сигнал при нарушении целевой зоны ЧСС.
Sigma PC 26.14 : модель аналогичная предыдущей, но с добавлением новых функций. Например, в этом приборе есть счетчик кругов, автоматизированная функция для расчета целевой зоны, память для 7 учебных занятий, итоговые значения в неделю.

Пульсометры Polar

Polar – один из самых известных брендов на рынке пульсометров. Polar производит качественные приборы, но и цена их значительно выше. Вы можете приобрести нагрудный ремень с датчиком, который будет передавать данные на смартфон, или комплект из ремня и часов-приемника для более удобного отслеживания данных.

Нагрудные ремни с датчиком:

Polar H1 : интерфейс связи GymLink, поддежка Android и iOs, влагозащита.
Polar H7 : интерфейсы связи GymLink и Blutooth Smart, поддежка Android и iOs, влагозащита.
Polar H10 : новое поколения датчиков пульса, пришедшее на замену H7, один из поплярных моделей пульсометра.

Нагрудный пульсометр с часами в комплекте:

Polar A300 : помимо стандартных функций в данном приборе также есть много дополнительных «фишек»: шагомер, мониторинг сна, функция напоминания, установка целей, акселерометр. Также есть возможность соединения со смартфоном по Bluetooth.
Polar FT60 : в эту модель включена функция счетчика калорий, а также ряд вспомогательных, но очень удобных и полезных функций, таких как: будильник, второй часовой пояс, индикатор низкого уровня заряда батареи, блокировка кнопок от случайного нажатия.
Polar M430 : еще один очень многофункциональный гаджет, влагозащищенный, с GPS-навигацией и подсветкой. Добавлена функция уведомления о входящих звонках, полученных сообщениях и уведомлениях из приложений для социальных сетей GPS.

Пульсометры Beurer

В этом бренде представлены модели пульсометров с нагрудным ремнем и модели, в которых для измерения данных нужно дотронуться до сенсора прибора. Для тренировок мы рекомендуем выбирать пульсометры с нагрудным ремнем, это удобнее и практичнее.

Beurer PM25 : простая и удобная модель, есть все важные функции, например, встроенный календарь, часы, будильник, секундомер, счетчик калорий, оповещение при выходе за пределы зоны тренировки.
Beurer PM45 : набор функций похож с моделями PM25, но добавляются сменные ремешки, крепление на велосипед, футляр для хранения.
Beurer PM15 : это запястный пульсометр с касанием сенсора, прибор контролирует частоты сердцебиения, оповещает при выходе за пределы зоны тренировки, но калории не считает. Цена: 3200 рублей.

Пульсометры Suunto

Еще одна известная компания на рынке спортивного снаряжения, которая выпускает серию спортивных часов с возможностью измерения пульса. Suunto предлагает нагрудные датчики и нагрудные датчики в комплекте с часами:

Suunto Comfort Belt : нагрудный датчик, который подходит для всех моделей часов спортивной T-серии и для компьютеров, которые можно использовать как пульс-монитор.
Suunto Smart Belt : нагрудный датчик с технологией Bluetooth Smart. Совместим с приложением Movescount от Suunto.
Suunto M2 : нагрудный датчик с часами, который имеет все основные функции, в том числе контроль ЧСС, подсчет калорий, автоматический выбор нужной зоны ЧСС.
Suunto M5 : этот пульсометр оснащен дополнительным функциями, которые помогут вам определить оптимальный режим тренировок с учетом ваших индивидуальных показателей, а также получить достоверную информацию о скорости и расстоянии во время беговых тренировок.

Пульсометры Sanitas

У компании Sanitas не так много моделей, но они отличаются невысокой ценой, поэтому мы также их упоминаем.

Sanitas SPM22 и SPM25 : пульсометр с нагрудным ремнем, который включает в себя все основные функции и отлично подойдет для регулярного использования.
Sanitas SPM10 : для измерения пульса с этой моделью вам не потребуется нагрудный ремень. Вы просто надеваете прибор на запястье и касаетесь пальцем сенсора на лицевой стороне прибора. Такой прибор подходит для людей, которые не хотят носить нагрудный пояс или, например, для туризма.

Другие модели

Nexx HRM-02. Бюджетный вариант нагрудного ремня с датчиком, который подойдет тем, кто не готов серьезно тратиться на фитнес-гаджеты. Прибор имеет встроенный Bluetooth Smart и совместим практически со всеми мобильными приложениями, поддерживающими функцию передачи данных от беспроводного пульсометра. Считает пульс и сожженные калории.
Torneo H103 . Нагрудный датчик с часами-приемником. Наделен всеми основными функциями: расчет ЧСС, счетчик калорий, установка зон пульса, измерение времени в целевой зоне, секундомер, календарь и будильник, водонепроницаемость.
Wahoo TICKR . Еще один вариант нагрудного пульсометра, который передает информацию через Bluetooth на смартфон. Помимо пульса ведется учет таких характеристик, как пройденные шаги и сожженные калории.

Какой же пульсометр выбрать:

Если вы хотите приобрести пульсометр с оптимальным соотношением цены и качество, то покупайте модели Sigma или Beurer.
Если вы хотите приобрести максимально надежный и точный прибор, то покупайте модели Polar или Suunto.
Если вы хотите приобрести самый простой и недорогой вариант монитора сердечного ритма, стоит обратить внимание на модели, которые предлагаются на сайте Aliexpress (обзор ниже).

Пульсометры: подборка лучших моделей на Aliexpress

Предлагаем вам подборку мониторов сердечного ритма, которые можно приобрести на Aliexpress по доступной цене. Все пульсометры имеют схожие функции и находятся примерно в одном ценовом диапазоне, поэтому предлагаем вам ориентироваться на отзывы покупателей, среднюю оценку товара и общее количество заказов данного товара.

Нагрудный датчик без часов

Если вы приобретаете нагрудный датчик без часов, то данные о сердечном ритме будут отправляться на приложение в смартфоне. Нагрудные датчики совместимы со всеми устройствами с системой Bluetooth Smart (4.0) и ANT. Представленные датчики достаточно точные в измерениях пульса.

Предлагаем вам обратить внимание на следующие нагрудные датчики:

Всем привет!

Совсем немного осталось до начала нашей краундфандинговой компании часов для измерения уровня стресса EMVIO . Появилась небольшая передышка и пальцы попросились к клавиатуре.

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

В те времена, когда медицина не имела технических средств диагностики, пульс измеряли всем известным способом – пальпацией, т.е. прикладывали палец к определенной области тела и слушали свои тактильные ощущения, и считали количество толчков стенки артерии через кожу за некоторое время - обычно 30 секунд или одну минуту. Отсюда и появилось латинское название этого эффекта - pulsus, т.е. удар, соответственно единица измерений: ударов в минуту, beatsperminute (bpm). Есть много методик пальпации, самые известные это прощупывание пульса на запястье и на шее, в области сонной артерии, который так популярен в кино.
В электрокардиографии пульс вычисляется по сигналу электрической активности сердца - электрокардиосигналу (ЭКС) путем замеров длительности интервала (в секундах) между соседними R зубцами ЭКС с последующим пересчетом в удары в минуту по простой формуле: BPM = 60/(RR-интервал) . Соответственно нужно помнить, что это желудочковый пульс, т.к. период сокращения предсердий (PP интервал) может немного отличаться.

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.

Вот еще вариант использования принципа двух рук в проекте FlyShark Smartwatch, который выложен на Кикстартере .

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 ∆T и 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 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.

Прорыв

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.

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 .

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.

Главная > Стили