Как получить более точные показатели частоты сердечных сокращений — советы и устранение неисправностей. Измерение пульса на основе плетизмографии. Что такое оптический пульсометр и почему он удобный

Измерение пульса - дело полезное и нужное: этот параметр помогает определить общее состояние организма человека, а также оценить уровень активности активности, в случае проведения тренировки. Правда, измерение пульса «на ходу» - дело довольно хлопотное. Ведь никто не хочет таскать с собой громоздкие устройства или проводить измерение вручную. Спортсмены-профессионалы долгое время обходились нагрудными пульсометрами, показания которых весьма точны. Но нагрудный пульсометр тоже не идеален - как, например, с его помощью быстро измерить пульс человека в офисе? В общем, за последние несколько лет появились альтернативные пульсометры - оптические.

До сих пор Lifetrak отказывался от конкуренции среди спортивных оптических пульсометров, совершенствуя линейку фитнес-часов, где датчик пульса включался «по требованию». Новинка совсем не похожа на то, что они делали все это время. Немного подробностей под катом. Новый девайс позволяет измерять пульс в постоянном режиме на суше и в воде, записывая данные в специальное приложение, а в случае выхода из зоны, посылает уведомление. И это ключевая особенность Zoom от Lifetrak.

Оптический пульсометр просвечивает кожу человека при помощи относительно мощного пучка света, а оптический датчик определяет скорость и характериистики отраженного светового излучения, определяя параметры циркуляции крови по капиллярам. Датчики такого типа - достаточно точные. Преимущество оптического пульсометра - портативность, такие модули встраивают в умные часы, фитнес-трекеры и другие устройства. Наиболее удачные модели мы и предлагаем сейчас оценить.

Рынок пульсометров огромен, но к оптическим всегда было повышенное внимание и повышенные требования, и лидеры этой ниши, кажется, сумели оправдать лучшие ожидания. Начнем с классики.

Mio Alpha 2

Как и говорилось выше, устройство умеет измерять пульс без нагруного ремня, за счет модуля пульсометра, встроенного в корпус. Определяя пульс, часы дают возможность настроить так называемые зоны сердечного ритма для оптимизации проведения тренировок.

Все данные устройство передает по беспроводной связи на мобильный телефон, в собственное приложение. Показания Mio Alpha 2 весьма точны, а пульс определяется даже во время сверх-активной тренировки (некоторые модели наручных пульсометров в это время начинают сбоить).

Basis Peak

Вероятно, пульсометр, да. Здесь он есть, оптический, как и у всех прочих гаджетов из подборки. Устройство очень точное, правильно показывает пульс и во время тренировки, и во время отдыха. С помощью технологии Body IQ устройство Peak автоматически распознает разные виды активности – бег, ходьбу, езду на велосипеде.

В часах используется усовершенствованный оптический пульсометр с более мощными датчиками, чем у большинства аналогов, для повышения точности и согласованности измерения ЧСС. Пользователь Basis Peak может отслеживать частоту сердечных сокращений в режиме реального времени 24 часа в сутки, непосредственно на запястье - во время прогулок, пробежек, велосипедных прогулок и при любом другом виде активности.

Microsoft Band

Это одно из наиболее функциональных устройств в подборке. Здесь есть все - дисплей, куча модулей, датчиков и сенсоров. Конечно же, есть и оптический пульсометр, который уже заслужил одобрение пользователей устройства. Благодаря такой функциональности Microsoft Band можно назвать универсальным носимым гаджетом. Устройство можно использовать и для организации личного времени, бизнес-планирования, так и для оценки своей активности во время занятий спортом.

Поскольку в гаджете есть оптический пульсометр, то сам пульс можно определить в любое время - в ходе тренировки или во время отдыха. Кроме того, в Band есть шагомер, датчик качества сна, детектор УФ-излучения, GPS, WiFi, Blueooth модули и многое другое.

Fitbit Charge

Пульсометр фитнес-браслета Fitbit Charge HR работает на базе собственной разработки – оптической технологии подсчета сердечного ритма PurePulse, фиксирующей малейшие изменения давления крови. Методика предполагает использование крошечных безопасных светодиодов на тыльной сторонегаджета. Суть используемого метода в том, что в процессе сердцебиения капилляры расширяются и сжимаются в зависимости от объема заполняющей их крови. Светодиодная технология PurePulse позволяет определять наполняемость микрососудов по изменению плотности светового пучка, проходящего через капилляры. Фотодетектор регистрирует изменение между стартовыми показателями от источника света и отраженным результатом после поглощения части светового пучка кровью и мягкими тканями. Технология PurePulse абсолютно безопасна и отличается чрезвычайно низкими показателями энергопотребления.

Опция PurePulse позволяет пользователю отслеживать интенсивность тренировок, количество израсходованных калорий, визуализируя результаты с помощью интерактивных графиков и диаграмм в приложении Fitbit.

Apple Watch

Описывать умные часы от Apple еще раз смысла нет - в Сети полным-полно обзоров. Тем не менее, в этом устройстве тоже есть пульсометр, и работает он неплохо. Правда, не так давно, после получения обновления, пульсометр начал работать несколько непредсказуемо, замеряя пульс не каждые 10 минут, а выбирая различные промежутки времени.

Тем не менее, Apple, кажется, удалось решить проблему, во всяком случае, количество жалоб на форумах резко уменьшилось.

Сейчас оптические пульсометры и гаджеты с ними становятся все более распространенными, и причина тому - возможность измерять пульс на ходу. Модули такого типа встраивают во многие устройства, включая умные часы. В принципе, это неплохая идея, поскольку, раз уж умные часы называют цифровым ассистентом, почему бы им не побыть еще немножечко и цифровым врачом (ну, или хотя бы медсестрой?). И действительно, большинство устройств на Android Wear оснащены пульсометрами, среди прочих моделей можно назвать LG Watch Urban.

В дальнейшем, вероятно, число устройств с различными модулями, назначение которых - изучать состояние организма человека, будет только увеличиваться. И это хорошо, ведь и программные платформы для отслеживания динамики состояния своего организма, также развиваются. Google, Apple, Samsung в этом вопросе - впереди планеты всей.

Что же, осталось только пожелать всем здоровья.

— Поделится Новостью в Соц. Сетях

До сих пор Lifetrak отказывался от конкуренции среди спортивных оптических пульсометров, совершенствуя линейку фитнес-часов, где датчик пульса включался «по требованию». Новинка совсем не похожа на то, что они делали все это время. Немного подробностей под катом. Новый девайс позволяет измерять пульс в постоянном режиме на суше и в воде, записывая данные в специальное приложение, а в случае выхода из зоны, посылает уведомление. И это ключевая особенность Zoom от Lifetrak.

Обзор Lifetrak C410 - «непостоянный» пульсометр для постоянного использования

С момента появления первого серийного пульсометра в 1977 году до сегодняшнего дня датчики побывали и на пальце, и в ухе, и - прошу прощения - под попой, о чем мы писали в "неврологической подборке". Типологию современных гаджетов для снятия пульса мы попытались проанализировать в "генеалогической елке", и там оказались часы с ремнем, нагрудные пульсометры, оптика, наушники. Оптическим пульсометрам мы также посвятили отдельный пост на Geektimes.

Nintendo патентует консоль с необычным расположением датчиков

Компания Nintendo никогда не следовала общему тренду в производстве игровых приставок и выделялась на фоне Sony и Microsoft. Пользователи тепло принимали устройства производителя, и многие с нетерпением ждут новую консоль Nintendo NX. Недавний патент может пролить свет на некоторые возможности грядущей новинки. В Интернет попали схемы из патентной заявки Nintendo, на которых демонстрируется портативная консоль с "обращенными наружу" линейными датчиками изображения. С их помощью консоль сможет анализировать прикосновения рядом с устройством и выполнять определённые команды, например, взаимодейс

Новая технология Apple способна распознавать жесты пользователя

Компания Apple получила очередной патент, связанный с проецированием и жестикуляцией. В документе описывается технология, способная распознавать и интерпретировать жесты. В документе упоминается оптоэлектронное устройство, оснащённое полупроводниковой подложкой, на которой размещён двухмерный ряд оптических излучателей и проецирующих линз, а также дифракционный оптический элемент. Проецирующая линза предназначена для сбора и фокусировки света от оптических излучателей, чтобы проецировать оптические лучи на поверхность в определённом порядке.

Withings Thermo измерит температуру одним касанием

Измерение температуры тела - это достаточно лёгкий процесс, однако те, у кого есть маленькие дети, не понаслышке знают, как сложно бывает измерить температуру у маленьких непосед. Новый термометр Withings Termo призван помочь родителям в решении этой проблемы. Этот градусник не нужно вставлять в рот или подмышку. Для того, чтобы измерить температуру с помощью Withings Termo, его всего лишь нужно приложить ко лбу, и через 2 секунды гаджет покажет точную температуру тела.

Несмотря на высокую технологичность и достойное качество современных пульсометров, к нам иногда обращаются с таким вопросом. Иногда девайс может показывать данные, которые кажутся неправдоподобными даже неопытному пользователю, например, пульс 220 на легкой пробежке или 50 ударов сердца в минуту на ускорениях.

В чем же причина и как это исправить?

Сразу успокоим вас - причина обычно не в самих часах, а в датчике пульса . Вторая хорошая новость - в подавляющем большинстве случаев это легко исправить.

Итак, в чем причины ненормальных показателей пульса?

1. Отображение пульса в формате % от максимального

Возможно, в настройках ваших часов указан формат отображение пульса не в ударах в минуту, а в % от максимального - тогда на тренировке будет казаться, что ваш пульс не дотягивает и до сотни. Если такой формат вам непривычен, измените настройки часов.

2. Датчик плохо прилегает к телу

Нагрудный датчик Polar получает сигнал с вашей кожи и обычно располагается под грудной мышцей. В этом месте сигнал наиболее сильный.

Сила сигнала, принимаемого датчиком, зависит от анатомических особенностей, жирового слоя, формы грудной клетки и расположения сердца. Если сигнал слабый, особое значение приобретает тесный и постоянный контакт между электродами и кожей.

Чтобы его обеспечить:

• Смачивайте электроды перед тренировкой. В начале тренировки кожа и датчик сухие, и это может быть причиной неверных показателей пульса. В процессе занятия вы потеете и контакт улучшается, в том числе благодаря солям, которые выделяются из наших пор вместе с жидкостью. До тренировки вы можете увлажнить датчик водой или слюной. Кроме того, вы можете использовать специальный гель , улучшающий проводимость, обеззараживающий датчик (который является отличной средой для бактерий), а также предотвращающий натертости.
• Затяните потуже резинку датчика. Лента должна плотно прилегать к телу, но при этом не вызывать дискомфорта и не мешать дыханию.
• Попробуйте другие положения датчика. Обычно ленту надевают под грудную мышцу, однако, такое расположение не всем удобно и некоторые носят датчик не под грудью, а над ней - если при этом пульс отображается корректно и пользователю удобно, такой вариант вполне имеет право на жизнь. Иногда нужно сместить сам передатчик влево или вправо, известны также случаи, когда пользователи переворачивали датчик так, чтобы логотип смотрел вниз или даже надевали его со стороны спины.
• Возможно, у вас просто очень волосатая грудь! Волосы значительно ухудшают контакт датчика с кожей, поэтому попробуйте побрить участки кожи, контактирующие с электродами.
• Загрязненный датчик. Высохший пот, благодаря содержащимся в нем солям и примесям, может загрязнить датчик и мешать передаче сигнала. Не забывайте промывать датчик под теплой водой после каждой тренировки, а также иногда мыть его с мылом. Обязательно просушивайте его после тренировки и храните согласно инструкции - это поможет значительно продлить ему жизнь.

3. Помехи

Иногда сигнал может искажаться из-за электромагнитных сигналов, вызванных:

• Высоковольными проводами (ЛЭП)
• Линиями для электропоездов
• Трамваями, троллейбусами и электрическими автобусами
• Светофорами
• Моторами автомобилей
• Велокомпьютерами
• Мобильными телефонами
• MP3 плеерами
• mp3 players

Для датчиков H2, H3, WearLink Hybrid, WearLink W.I.N.D., использующих протокол передачи данных W.I.N.D:

• Микроволновыми печами
• Компьютерами
• Wi-Fi роутерами.

4. Дистанция между устройством и датчиком пульса (работающим на технологии GymLink) слишком большая

Дистанция между вашим датчиком и часами не должна составлять более 1 метра. Если расстояние будет больше, ваш пульсометр может не получать все данные о частоте сердечных сокращений, в результате часы будут показывать один и тот же пульс длительное время.

5. Сигналы с других датчиком пульса Polar

Датчики H1, H2, H7, T31, T31C, WearLink, WearLink Hybrid и WearLink Nike+ передают данные о пульсе с использованием технологии GymLink. Однако, датчик Polar T31 не кодированный, в отличие от остальных. Поэтому на него могут влиять сигналы с других устройств.

Избежать этого лишь увеличив дистанцию между вашими часами и другими датчиками.

6. Статическое электричество и/или технологичная спортивная одежда в сочетании с особенностями погоды

Если вы тренируетесь в условиях низкой влажности в сочетании с сильным ветром, ваша футболка может биться о датчик, производя статическое электричество. Это может привести к помехам, особенно если контакт между датчиком и кожей не слишком хорош.

Чтобы избежать этого:

• Увлажняйте электроды перед тренировкой
• Используйте хлопковую футболку
• Используйте более обтягивающую одежду, чтобы она не развевалась на ветру.

7. Аритмия

Все девайсы Polar созданы для людей с нормальным сердечным ритмом и не приспособлены для диагностики аритмии. В большинстве случаев пульсометры Polar корректно работают и при аритимии, но в некоторых случаях устройство может отображать некорректные данные.

8. В датчике пульса села батарейка

Если в вашем датчике пульса садится батарейка, расстояние, на которое он может передать сигнал, уменьшается, что может приводить к ошибкам.

Чтобы решить проблемы, обратитесь к инструкции к вашей модели датчика пульса - в некоторых моделях, например , для замены батареи достаточно открыть крышечку за задней части передатчика с помощью монетки и вставить новую батарею, в то время как старые модели типа Polar T31 потребуют замены всего датчка целиком, так как элемент питания там несменный.

В статье использованы материалы сайта www.polar.com.

Обменяете ли вы свой нагрудный пульсометр на оптический пульсометр для запястья?

Для этого теста мы использовали Garmin Fenix 3HR

Пульсометры для запястья становятся всё более и более распространенными и их можно наблюдать везде от современнейших элитных спортивных смартчасов до фитнесс трекеров, эта технология рекламируется повсюду.

Не удивительно, что эти пульсометры завоевали популярность среди велосипедистов, в отличие от неудобного промокшего от пота нагрудного ремня для измерения пульса. Но обеспечивает ли пульсометр на запястье необходимую точность измерений?

Конечно, изготовители этих изделий уверяют вас, что их продукция обладает необходимыми показателями, но проблема в том, что факторы, влияющие на точность в большинстве случаев сложно проконтролировать в реальных условиях.

Итак, мы провели исследование, смогут ли пульсометры для запястья с оптическим датчиком заменить старый добрый и достоверный нагрудный пульсометр. Для испытаний мы взяли и стандартный нагрудный пульсометр от . Испытания проводились в реальных условиях велосипедной езды, для проверки точности пульсометра на запястье.

Что такое оптический пульсометр?

Оптические датчики пульса не являются новинкой и применяются в велосипедной индустрии например – датчики LifeBEAM. Изначально разработанные для контроля жизненных показателей космонавтов и пилотов, датчики LifeBEAM размещались на лбу для считывания значений пульса.

LifeBEAM и датчики для запястья схожи по принципу действия с фотоплетизмографическими (PPG) датчиками для пальцев, применяемых в больницах.

Большинство устройств для запястья доступных в настоящий момент, используют низко интенсивное излучение зёленого цвета, при прохождении которого через кожу определяется частота пульса. Кости, мягкие ткани и кровь поглощают излучение в различной степени. Оптический датчик определяет частоту пульса по изменению отражения света от потока крови, проходящего через вены.

Нагрудный пульсометр имеет датчик другого типа, который измеряет электрические импульсы небольшой амплитуды, излучаемые сердечной мышцей при её сокращении. Показания с такого датчика не могут быть считаны до тех пор, пока вы не вспотеете (другой способ электроды датчика необходимо смочить водой или специальным гелем), это необходимо для создания проводящей среды между датчиком и вашей кожей.

Общим моментом для обеих систем является необходимость хорошего контакта с вашей кожей, а это значит, что правильное размещение устройств оказывает огромное влияние на точность считывания показаний.

Насколько точен оптический метод измерения пульса?

Несмотря на популярность, точность пульсометров для запястья остаётся предметом споров. Даже имеют место групповые судебные иски против компании FitBit, поводом для которых послужили недостоверные измерения пульса, такими устройствами как FibBit Charge HR, Blaze и Surge.

Журнал Американской Медицинской Ассоциации опубликовал данные тестирования, которые показали, что ни одно из устройств ( , Mio Alpha Fit, Bit Charge HR и Basis Peak) не способно обеспечить достоверную выдачу показаний во время умеренной физической нагрузки. И авторы заявляют: «В случае необходимости получения точных измерений пульса настоятельно рекомендуется пользоваться нагрудными пульсометрами с электродами».

Брендовые производители скромно умалчивают, насколько точны их датчики, тестовую информацию по этому вопросу мне удалось найти только от Mio. Однако этот тест проводился над самим датчиком, а не над фитнес трекером.

Довольно часто проблемы с пульсометром на запястье возникают, если во время тренировки датчик неплотно контактирует с кожей. Все тесты, которые мне довелось видеть, проводились в лабораторных условиях с привлечением спортсменов-бегунов на беговых дорожках.

Если не брать в расчет измеритель мощности, пульс является наиболее точной метрикой для измерения потраченных усилий. Попадание в определенную зону частоты сердечных сокращений является важной целью, если вы следуете предписанной тренировочной программе, результат тренировки может оказаться весьма отличающимся от ожидаемого при выходе за пределы этой зоны.

Точность пульсометра для запястья в сравнении с нагрудным пульсометром

Пульсометр для запястья оснащен оптическим датчиком, который считывает показания в режиме 24/7

Для тестирования на точность пульсометров Fenix 3 HR и Garmin Elevate я использовал стандартный нагрудный пульсометр Garmin, тестирование проводилось в реальных условиях – езда на велосипеде.

Стоит отметить, что это не научное исследование, я задался целью выполнить проверку на точность в реальных условиях, и контролировал все параметры настолько тщательно насколько это возможно. Обращаю внимание, я протестировал оптический датчик одного производителя и могу обсуждать только эти результаты. Каждое из устройств измеряет пульс своим способом и с различными интервалами.

Тестирование состояло из тренировки на велотренажере в помещении, и из реальных поездок на дорожном горном велосипедах. Перед каждой тренировкой я проверял правильность крепления пульсометров на запястье в соответствии с руководством пользователя.

Также стоит отметить, что для фиксации на запястье датчика пульсометра в соответствии с руководством пользователя, мне пришлось затянуть ремешок гораздо туже чем обычно – на две отметки на ремешке.

На приведенной ниже диаграмме красной линией представлены данные с Garmin Fenix 3 HR, а голубой линией данные с нагрудного пульсометра Garmin HR.

Результаты теста на турбо трейнере

Тест на турбо трейнере ближе к лабораторным условиям и вы можете видеть на диаграмме выше, что результаты с пульсометров обоих типов очень схожи, за исключением пары странных значений.

Результаты теста на дорожном велосипеде

Как только я взял пульсометр для запястья Fenix 3 HR (красная линия) на испытания в реальных условия начали проявляться сбои. На верхней диаграмме показана езда по довольно ухабистой дороге с грязевыми участками, на нижней диаграмме отображается определённо более ровный маршрут.

На нижней поездке есть период продолжительностью около 10 минут где информация с Fenix 3 HR полностью пропадает. Во время поездки перерывов не было, положение пульсометра и степень его прижатия к запястью не изменялись.

Как вы можете видеть, во время обоих поездок есть значительные промежутки времени, где показания между пульсометрами отличаются более чем на 40 ударов в минуту. Но при этом средняя частота сердечных сокращений во время поездки отличается всего лишь на один удар в минуту в обоих случаях.

Результаты теста на горном велосипеде

Наконец когда дело дошло до езды на горном велосипеде, профили выглядят как два совершенно разных профиля езды. Хотя показания в основном отличаются примерно на 10 ударов в минуту, создается впечатление, что это совершенно разные треки.

Вывод

На показания датчика пульсометра Garmin Fenix 3 HR похоже влияет большое количество факторов. Прежде всего, я следовал указаниям по размещению и закреплению пульсометра на запястье. При этом я одел его на запястье плотнее и выше чем делаю это обычно.

Если вы посмотрите на результаты, полученные на турбо трейнере, то увидите, что точность датчика пульсометра для запястья практически соответствует нагрудному пульсометру. Однако при езде, как на дорожном, так и горном велосипедах, тряска и толчки снижают точность показаний пульсометра для запястья. Возможно, это происходит из-за нарушения плотного прилегания датчика к коже.

Интересный момент – несмотря на разницу в показаниях, минимальное, максимальное и среднее значения за все время отличались всего на пару ударов в минуту.

Фактором, сыгравшим большую роль, особенно при езде на горном велосипеде, была потливость, пульсометр сползал вниз, особенно езде на спусках. Я пытался подтянуть ремешок на более высокий уровень, но уставшими от поездки руками это сделать сложно.

Я обратился к Garmin с результатами тестов, чтобы выяснить, как объяснить мои результаты тестов с их собственными тестами, на что был получен ответ:

«Мы очень рады, что вы нашли время для проведения сравнений и удивлены полученными результатами. Вся продукция Garmin тестируется в контролируемой и подходящей среде, позволяющей проверять параметры изделий, но мы принимаем результаты ваших исследований и сохраним их на будущее».

Итак, пульсометр для запястья показал все свои недостатки, стоит ли вам тратить не так просто заработанный деньги на новые технологии? Может быть. Если вы следуете строго предписанному плану тренировок, и вам необходимо находится в определенной зоне сердечного ритма для достижения цели, пользуйтесь вашим нагрудным пульсометром. Если же нет и вам не нужны сверхточные данные, то пульсометр для запястья может вполне подойти для определения общих направлений вашего тренинга.

Хотите узнать больше? Прочтите:

• Фитнес-трекеры отлично подходят для подсчета шагов,…
• Тестирование пульсометра для ношения на запястье в…
• Лучшие модели наручных пульсометров года: обзор и…

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

Введение

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

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.

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

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

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

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

В то время, когда медицина не имела современных технических средств диагностики, пульс измеряли, прикладывая палец к артерии, и считали количество толчков стенки артерии через кожу за определенный промежуток времени - обычно 30 секунд или одну минуту. Отсюда и пошло название этого эффекта - pulsus (лат. «удар»), измеряющийся в ударах в минуту.

Существует много методик определения пульса, но самые известные - прощупывание пульса на запястье, на шее, и в области сонной артерии.

После появления электрокардиографа (ЭКГ), пульс стали вычислять по сигналу электрической активности сердца, замеряя длительность интервала (в секундах) между соседними зубцами R на ЭКГ, а затем пересчитывая в «удары в минуту» по простой формуле: ЧСС = 60/(RR-интервал).

Электрокардиограмма может многое сказать о нашем сердце и помимо пульса, но для снятия и расшифровки ЭКГ нужны оборудование и кардиолог, которых не возьмешь с собой на пробежку. К счастью, в современном мире практически каждый может позволить себе пульсометр, который будет определять частоту пульса во время бега и в состоянии покоя.

Как работает пульсометр

Измерение пульса по электрокардиосигналу

Электрическая активность сердца была обнаружена и описана в конце 19 века, а уже в 1902 году Виллем Эйнтховен стал первым, кто ее технически зарегистрировал с помощью струнного гальванометра.

Помимо этого, Эйнтховен впервые записал электрокардиограмму (он сам дал ей такое название), разработал систему отведений и ввел названия сегментов кардиограммы. За свои труды в 1924 году он стал лауреатом Нобелевской премии.

В современной клинической практике для регистрации ЭКГ используют различные системы отведений (то есть схемы прикрепления электродов): с конечностей, грудные отведения в различных конфигурациях и т.д.

Для того чтобы измерить пульс, можно использовать любые отведения - на основании этого принципа были разработаны спортивные часы, умеющие определять ЧСС.

Ранние модели пульсометров состояли из коробочки (монитор) и проводов, крепящихся к груди. Первый беспроводной ЭКГ-монитор был изобретен в 1977 году, и стал незаменимым помощником в тренировках сборной Финляндии по лыжным гонкам. В массовую продажу первые беспроводные пульсометры поступили в 1983 году, с тех пор прочно заняв свою нишу в любительском и профессиональном спорте.

При проектировании современных спортивных гаджетов система отведений была упрощена до двух точек-электродов, а самым известным вариантом такого подхода стали спортивные нагрудные датчики в виде ремешка (HRM strap/HRM band).

Для получения стабильного и качественного сигнала необходимо смочить «электроды» на нагрудном ремне водой.

В таких ремешках электроды выполнены в виде двух полосок из проводящего материала. Ремешок может быть частью всего устройства или пристегиваться к нему застежками. Значения пульса, как правило, передаются по Bluetooth на спортивные часы или смартфон по протоколу ANT+ или Smart.

Измерение пульса с помощью оптической плетизмографии

Сейчас это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения, реализованный в спортивных часах, трекерах, мобильных телефонах. А первые попытки использования этой технологии предпринимались ещё в 1800-х годах.

Сужение и расширение сосуда под действием пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.

Способ широко используется в больницах, позже технология перешла и в бытовые устройства - компактные пульсоксиметры, регистрирующие пульс и насыщение кислородом крови в капиллярах пальца. Прекрасно подходит для периодических измерений пульса, но совершенно не подходит для постоянного ношения.

Пульсометры

Идея измерения пульса с запястья спортсмена с помощью оптической плетизмографии без дополнительного ношения нагрудных ремешков выглядела очень заманчиво. Первыми эту идею реализовали в часах Mio Alpha, которые провозгласили свое устройство прорывом и новым витком в измерении пульса. Сам модуль измерительного датчика был разработан компанией Philips.

Оптическая технология измеряет пульс с помощью светодиодов, которые оценивают кровоток на запястье. Это означает, что вы можете измерять пульс без использования нагрудного датчика. На практике это работает так: оптический сенсор на обратной стороне часов излучает свет на запястье с помощью светодиодов, и измеряет количество рассеянного кровотоком света.

Метод регистрации пульса для фотоплетизмографических датчиков

Для измерения пульса важна область с максимальным поглощением - это диапазон от 500 до 600 нм. Обычно выбирается значение 525 нм (зеленый цвет). Зеленый светодиод датчика пульса – самых ходовой вариант в смарт-часах и браслетах.

Сейчас эта технология хорошо отработана и внедрена в серийное производство. Спектр появившихся устройств с подобной технологией достаточно широк (смартфоны, браслеты-трекеры, часы), а производители спортивных устройств тоже не отстают – все наиболее значимые компании расширяют линейку пульсометров моделями с оптическими датчиками.

Ошибки при работе оптических датчиков

Считается, что оптические датчики достаточно точно определяют пульс при ходьбе и беге. Однако, при повышении частоты пульса, скажем, до 160 уд/мин, кровоток настолько быстро проходит через область датчика, что измерения становятся менее точными.

Помимо этого, на запястье, где не так много ткани, но много костей, связок и сухожилий, любое снижение кровотока (например, в холодную погоду) может исказить работу оптического датчика пульсометра.

В одном небольшом исследовании был проведен сравнительный анализ точности нагрудных и оптических датчиков пульсометров. Испытуемых разделили на две группы, в одной группе пульс измерялся с помощью нагрудного датчика, а в другой - с помощью оптического. Обе группы проходили тест на беговой дорожке, где они сначала шли, а потом бежали, в этом время регистрировалась частота пульса. В группе с нагрудным кардиодатчиком точность измерения ЧСС была 91%, тогда как в группе с оптическим датчиком она составила лишь 85%.

По мнению главы компании Mio Global, в настоящее время ни один из датчиков пульсометра не сравнится в точности с нагрудным ремнем.

Нельзя забывать и о специфических ситуациях, когда оптический датчик может не работать. Надетые поверх беговой куртки часы, наличие татуировки на запястье, неплотно прилегающие к коже часы, тренировка в спортзале - всё это может привести к погрешностям в измерении пульса с помощью оптических датчиков.

Несмотря на это, технологический прогресс в измерении ЧСС привел к появлению полезной альтернативы нагрудным ремням, и при устранении ряда недостатков оптических датчиков мы получим еще один мощный и точный инструмент наблюдения за пульсом во время занятий спортом.

Какие беговые показатели позволяет получить пульсометр

Строго говоря, продвинутая беговая динамика измеряется при наличии нагрудного ремня. Внешне обычный, внутри датчик состоит из трансмиттера и акселерометра, благодаря которому и происходит анализ движения бегуна. Те же самые акселерометры есть в телефонах, футподах, браслетах-трекерах.

К продвинутым беговым показателям относят три величины: время контакта с землей (ground contact time), вертикальные колебания (vertical oscillation) и частоту шагов, или каденс (cadence).

Время контакта с землей (ground contact time, GCT) показывает как долго ваша стопа находится на поверхности земли во время каждого шага. Измеряется в миллисекундах. Типичный бегун любитель тратит на контакт с поверхностью 160-300 миллисекунд. При повышении скорости бега значение GCT укорачивается, при замедлении – возрастает.

Существует взаимосвязь между временем контакта с землей и частотой развития травм, а также мышечным дисбалансом у бегуна. Уменьшение времени контакта с землей снижает частоту травм. Одним из наиболее действенных способов уменьшить этот показатель считается укорочение шага (повышение каденса), укрепление ягодичных мышц и включение коротких спринтов в программу тренировок.

Вертикальные колебания (vertical oscillation, VO). Посмотрите на любого профессионального бегуна - вы увидите, что верхняя половина их туловища совершает совсем незначительные движения, в то время как основную работу по перемещению бегуна выполняют ноги.

Вертикальные колебания определяют насколько ваша верхняя половина «подпрыгивает» при беге. Эти подпрыгивания измеряются в сантиметрах относительно какой-то фиксированной точки (в случае нагрудного ремня - это сенсор, встроенный в нагрудный датчик). Считается, что наиболее экономичная техника бега предполагает минимальные вертикальные колебания, а уменьшение вертикальных колебаний достигается повышением каденса.

Частота шагов или каденс (cadence). Как понятно из названия показателя, он демонстрирует количество шагов за минуту. Достаточно важный параметр, оценивающий экономичность бега. Чем быстрее вы бежите, тем выше каденс. Считается, что частота около 180 шагов в минуту является оптимальной для эффективного и экономичного бега.

Пульсовые зоны (heart rate zones). Зная максимальный пульс, различные модели беговых часов могут разбивать вашу тренировку по пульсовым зонам, показывая, сколько времени в ходе тренировки вы провели в той или иной зоне.

У разных производителей эти зоны обозначены по-своему, но их можно поделить на следующие типы:

• восстановительная зона (60% от максимального ЧСС),
• зона для тренировки выносливости (65%-70% от максимального ЧСС),
• зона тренировки аэробной емкости (75-82% от максимальной ЧСС),
• зона ПАНО (82-89% от максимального ЧСС),
• зона максимальной аэробной нагрузки (89-94% от максимального ЧСС).

Знание своих пульсовых зон поможет вам получить максимум от каждой тренировки. О тренировках по пульсу мы подробно расскажем в следующей статье рубрики.

Помимо продвинутых беговых характеристик современные пульсометры могут измерять и отслеживать еще несколько интересных показателей:

EPOC (excess post-exercise oxygen consumption). Показатель потребления кислорода после тренировки демонстрирует, насколько изменился ваш метаболизм после пробежки. Мы все знаем, что бег приводит к сжиганию калорий, но даже после того, как тренировка закончилась, калории продолжают сгорать. Безусловно, для их восполнения нужно качественно восстановиться.

Наблюдение за показателем EPOC поможет вам понять, какие тренировки наиболее энергетически затратные, а также улучшить процесс восстановления.

Подсчитанное потребление кислорода (est. VO2). Показатель текущего потребления кислорода, рассчитанный на основании максимального потребления кислорода (VO2max ) и максимальной ЧСС.

Максимальное потребление кислорода (VO2max). Показатель отражает способность вашего организма потреблять кислород. Это важно, поскольку при повышении этого показателя ваше тело может лучше и быстрее утилизировать доставляемый к работающим мышцам кислород.

Значение максимального потребления кислорода (МПК) увеличивается при повышении тренированности. Это один из самых важных беговых показателей, напрямую связанный с экономичностью бега. Как и в случае с определением максимальной ЧСС, наилучшим способом определения МПК является тестирование в лаборатории, но ряд производителей пульсометров использует алгоритмы расчета МПК приемлемой точности. Тренировки помогают улучшить значения этого показателя.

Беговая производительность (running performance). Показатель, использующий VO2max (глобальный стандарт аэробной тренированности и выносливости) для отслеживания прогресса в тренировках.

Пиковый тренировочный эффект (peak training effect, PTE). Показывает влияние тренировочной сессии на общую выносливость и аэробную производительность. Чем вы тренированнее, тем тяжелее вы должны тренироваться для того, чтобы достичь более высоких цифр PTE.

Вместо вывода

При интенсивном использовании пульсометр может быть великолепным помощником для бегуна. Крайне неверно считать пульсометр дорогой игрушкой, который совсем необязателен для «серьезных» спортсменов. Определитесь с целями на сезон, а после начните выстраивать тренировочный план.

Помните, что измерение и контроль ЧСС во время тренировок - надежный способ улучшить результаты и избежать перетренированности.

Для тех, кто только начинает свой беговой путь, можно порекомендовать сначала наблюдать за пульсом в ходе лёгких пробежек, и уже затем переходить к какому-либо тренировочному плану. Данные, полученные с помощью пульсометра, помогут понять, как ваш организм реагирует на нагрузку.

Тем не менее, не нужно становиться заложником цифр и гаджетов. Учитесь слушать свой организм, оценивайте ощущения от каждой тренировки, ну а цифры станут важным дополнительным источником информации.