Всем привет!Очень мало осталось до начала отечественной краундфандинговой компании часов для измерения уровня стресса EMVIO. Показалась пальцы и небольшая передышка попросились к клавиатуре. На самом начальном этапе разработки мы проводили маленькой аналитический обзор способов измерения пульса у человека и иногда обновляли его новыми проектами.

Захотелось поделиться с сообществом данной информацией. Сохраняем надежду, что она будет увлекательна широкому кругу читателей и даст представление о состоянии разработок в данной области.
Смотрите кроме этого: Alcatel производит дешёвые умные часы

На выставке бытовой электроники СES 2015, которая начнётся 6 января, компания Alcatel на своём стенде продемонстрирует личные умные часы. На изображении виден круглый дисплей с четыремя разными вариациями ремешков, выглядящих достаточно стильно. Компания говорит, что их основной целью был обыденный внешний вид новинки, тогда как ПО в девайса разрешит применять приложения для контроля за повседневной деятельностью человека.

В этом обзоре упор сделан именно на использование способов измерения пульса в гаджетах типа «for fan». Одни методы уже реализованы в готовых популярных продуктах, другие ожидают собственного часа. Но прежде несколько слов про то, что фактически мы измеряем и из-за чего это принципиально важно.Мало о отечественном сердцеКак известно, сердце – это независимый мышечный орган, что делает насосную функцию, снабжая постоянный ток крови в кровеносных сосудах методом ритмичных сокращений.

В сердце имеется участок, в котором генерируются импульсы, важные за сокращение мышечных волокон, так называемый шофер ритма (pacemaker). В обычном состоянии, при отсутствии патологий, данный участок всецело определяет частоту сердечных сокращений. В следствии образуется сердечный цикл – последовательность сокращений (систола) и расслаблений (диастола) сердечных мышц, начиная от предсердий и заканчивая желудочками.

В общем случае под пульсом знают частоту, с которой повторяется сердечный цикл. Но имеется нюансы, каким методом мы регистрируем эту частоту.Что мы вычисляем пульсомВ те времена, в то время, когда медицина не имела технических средств диагностики, пульс измеряли всем известным методом – пальпацией, т.е. прикладывали палец к определенной области тела и слушали собственные тактильные ощущения, и вычисляли количество толчков стены артерии через кожу за некое время — в большинстве случаев 30 секунд либо одну 60 секунд.

Из этого и показалось латинское наименование этого результата — pulsus, т.е. удар, соответственно единица измерений: ударов в 60 секунд, beatsperminute (bpm). Имеется большое количество методик пальпации, самые узнаваемые это прощупывание пульса на запястье и на шее, в области сонной артерии, что так популярен в кино.В электрокардиографии пульс вычисляется по сигналу электрической активности сердца — электрокардиосигналу (ЭКС) методом замеров длительности промежутка (в секундах) между соседними R зубцами ЭКС с последующим пересчетом в удары в 60 секунд по несложной формуле: BPM = 60/(RR-промежуток).

Соответственно необходимо не забывать, что это желудочковый пульс, т.к. период сокращения предсердий (PP промежуток) может мало различаться.Attention!!! Cразу желаем отметить принципиальный момент, что вносит в путаницу в терминологию и довольно часто видится в комментариях к статьям про гаджеты с измерением пульса.

Практически пульс, что измеряется по сокращениям стенок кровеносных сосудов, и пульс, что измеряется по электрической активности сердца, имеют различную физиологическую природу, различную форму временной кривой, разный фазовый сдвиг и соответственно требует алгоритмы обработки и различные методы регистрации. Исходя из этого не может быть никаких RR-промежутков при измерении пульса по модуляции объемов кровенаполнения артерий и механических колебаний и капилляров их стенок.

И обратно, нельзя говорить, что в случае если у вас нет RR-промежутков, то вы не имеете возможность измерить подобные по физиологической значимости промежутки по пульсовой волне.Как гаджеты измеряют пульс?Итак, вот отечественный вариант обзора самых распространённых способов измерения пульса и примеры гаждетов, каковые их реализуют. 1. Измерение пульса по электрокардиосигналуПосле обнаружения в конце 19 века электрической активности сердца показалась техвозможность ее зарегистрировать.Первым, по настоящему, это сделал Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven) в 1902 году, посредством собственного мегадевайса – струнного гальванометра (string galvanometer).

Кстати он осуществил передачу ЭКГ по телефонному кабелю из поликлиники в лабораторию и, по сути, реализовал идею удаленного доступа к медицинским данным!Три банки с “рассолом” и электрокардиограф весом 270 кг! Вот так рождался способ, что сейчас оказывает помощь миллионам людей во всем мире.За свои работы в первой половине 20-ых годов XX века он стал лауреатом Нобелевской премии.

Как раз Эйнтховен в первые взял настоящую электрокардиограмму (наименование он придумал сам), создал совокупность отведений – треугольник Эйнтховена и ввел заглавия сегментов ЭКС. Самым известным есть комплекс QRS — момент электрического возбуждения желудочков и, как самый выраженный по своим временным и частотным особенностям элемент этого комплекса, зубец R.До боли привычный сигнал и RR-промежуток!В современной клинической практике для регистрации ЭКС применяют разные совокупности отведений: отведения с конечностей, грудные отведения в разных конфигурациях, ортогональные отведения (по Франку) и какое количество.п.

С позиций измерения пульса возможно применять каждые отведения, т.к. в обычном ЭКС R зубец в том либо другом виде присутствует на всех отведениях.Спортивные нагрудные датчики пульсаПри проектировании носимых гаджетов и разных спортивных тренажеров совокупность отведений была упрощена до двух точек-электродов. Самым известным вариантом реализации для того чтобы подхода являются спортивные нагрудные мониторы в виде ремешка-кардиомонитора – HRM strap либо HRM band.

Думаем у читателей. ведущими спортивный образ судьбы, такие устройства уже имеются.Мистер конструкции и Пример ремешка-гаджет 80 lvl. Sensor pad – это два ЭКГ электрода с различных сторон груди.На рынке популярностью пользуются HRM ремешки компаний Garmin и Polar, кроме этого имеется множество китайских клонов. В таких ремешках электроды выполнены в виде двух полос из проводящего материала.

Ремешок возможно частью всего устройства либо пристегиваться к нему застежками-клипсами. Значения пульса, в большинстве случаев, передаются по Bluetooth по протоколу ANT+ либо Smartна спортивные часы либо смартфон. В полной мере удобно для спортивных занятий, но постоянное ношение приводит к дискомфорту. Мы экспериментировали с этими ремешками в плане возможности оценки вариабельности пульса, считая их за эталон, но поступающие с них эти, были очень сильно сглаженными.

Участник отечественной команды Kvanto25 публиковал пост, как он разбирался с протоколом ремешка Polar и подключал его к компьютеру через среду Labview. С двух рукСледующим вариантом реализации двух электродной совокупности есть разнесение электродов на две руки, но без постоянного подключения одной из них. В таких устройствах один электрод закрепляется на запястье в виде задней стены часов либо браслета, а второй выносится на лицевую часть устройства.

Дабы измерить пульс, необходимо свободной рукой коснуться лицевого электрода и подождать пара секунд. Пример пульсометра с фронтальным электродом (Пульсометр Beurer)Увлекательным устройством, применяющим такую разработку, есть браслет Phyode W/Me, разработчики которого совершили успешную кампанию на Кикстартере, и их продукт имеется в продаже.

На хабре про него был пост.Электродная совокупность PhyodeW/MeВерхний электрод совмещен с кнопкой, исходя из этого многие люди, разглядывая прибор по фоткам и просматривая отзывы, пологали, что измерение происходит легко по нажатию кнопки. Сейчас вы понимаете, что на аналогичных браслетах постоянная регистрация со свободными руками в принципе не вероятна.Плюс этого устройства в том, что измерение пульса не есть главой целью.

Браслет позиционируется как средство контроля и проведения дыхательных методик, типа личного тренера. Мы купили Phyode и проигрались с ним. Все трудится, как обещано, регистрируется настоящая ЭКГ, соответствующая хорошему первому отведению ЭКГ. Но прибор весьма чувствителен к перемещениям пальца на фронтальном электроде, чуть сдвинулся и сигнал поплыл.

С учетом того, что для комплекта статистики необходимо около трех мин. процесс регистрации выглядит напряжно.Вот еще вариант применения принципа двух рук в проекте FlyShark Smartwatch, что выложен на Кикстартере . Регистрация пульса в проекте FlyShark Smartwatch. Будьте хороши подержать пальчик.Что еще нового имеется в данной области? В обязательном порядке необходимо упомянуть об занимательной реализации ЭКГ электрода – емкостного датчика электрического поля EPIC Ultra High Impedance ECG Sensor производства компании Plessey Semiconductors.

Емкостной датчик EPIC для бесконтактной регистрации ЭКГ. В датчика установлен первичный усилитель, исходя из этого его можно считать активным. Датчик достаточно компактный (10х10 мм), не требует прямого электрического контакта, соответственно не имеет эффектов поляризации и их не нужно смачивать.

Нам думается это решение очень перспективным для гаджетов с регистрацией ЭКС. Готовых устройств на этих датчиках мы пока не видели.2. Измерение пульса на базе плетизмографииПоистине самый распространённый метод измерения пульса в клинике и быту! Много разнообразных устройств от прищепок до колец. Сам способ плетизмографии основан на регистрации трансформации количеств кровенаполнения органа. Результатом таковой регистрации будет пульсовая волна.

Клинические возможности плетизмографии выходят за рамки несложного определения пульса, но в этом случае нам увлекателен именно он.Определение пульса на базе плетизмографии возможно реализовано двумя главными методами: импедансным и оптическим. Имеется и третий вариант – механический, но мы не будем его разглядывать.Импедансная плетизмографияКак говорит нам Медицинский словарь, импедансная плетизмография – это исследования и метод регистрации пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов разных тканей и органов, основанный на регистрации трансформаций полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты.В Российской Федерации довольно часто употребляется термин реография.

Данный метод регистрации ведет собственный начала с изучений ученого Манна (Mann, 30 –е годы) и отечественного исследователя Кедрова А.А. (40–е годы).На данный момент методика метода основана на двух либо четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления и пребывает в следующем: через исследуемый орган посредством двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей). Электродная совокупность импедансной плетизмографии.

Картина из этого Основное условие, предъявляемое к генератору сигнала — это постоянство тока, его значение выбирают в большинстве случаев не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань его амплитуда модулируется трансформацией кровенаполнения. Вторая совокупность электродов снимает модулированный сигнал, практически имеем схему преобразователя импеданс-напряжения.

При двухточечной схеме электроды приёмника и генератора объединены. Потом сигнал улучшается, из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается необходимая нам дельта.В случае если прибор откалибровать (для клиники это необходимое условие), то по оси Yможно откладывать значения в Омах. В итоге получается вот таковой сигнал.

Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации. (из этого) Весьма показательная картина. Обратите внимание, где находится RR-промежуток на ЭКС, а где расстояние между вершинами, соответствующее длительности сердечного цикла на реограмме. Кроме этого обратите внимание на резкий фронт R пологий и зубца фронт систолической фазы реограммы.

Из пульсовой кривой возможно взять много информации по состоянию кровообращения исследуемого органа, в особенности синхронно с ЭКГ, но нам нужен лишь пульс. Выяснить его не сложно — необходимо отыщи два локальных максимума, соответствующих большой амплитуде систолической волны, вычислить дельту в секундах ?Tи потом BMP = 60/?T.Примеров гаджетов, каковые применяют этот метод, мы пока не нашли.

Но имеется пример концепта имплантируемого датчика для контроля кровообращения артерии. Вот статья про него. Деятельный датчик сажается прямо на артерию, с хост-девайсом общается по индуктивной связи. Мы думаем, что это весьма увлекательное и перспективный подход. Принцип работы понятен из картины. Спичка продемонстрирована для понимания размера 🙂 Употребляется 4-х точечная схема регистрации и эластичная печатная плата.

Думаю, при жажде, возможно допилить идею для носимого микро-гаджета. Плюс этого решения в том, что потребление для того чтобы датчика исчезающее мало.Имплантируемый сенсор пульса и кровотока. Похож на аксессуар Джонни-Мнемоника.В завершении этого раздела сделаем ремарку.

В свое время мы думали, что таким методом измеряется пульс в известном стартапе HealBeGo, потому, что в этом устройстве базисная функциональность реализуется способом импедансной спектроскопии, что, по сути, и имеется реография, лишь с изменяемой частотой зондирующего сигнала. В общем, все уже на борту.

Но в соответствии с описанию черт прибора пульс в HealBe измеряется механическим способом посредством пьезодатчика (про данный метод во второй части обзора).Оптическая плетизмография либо фотоплетизмографияяОптический – это самый распространённый метод измерения пульса с позиций массового применения. расширение и Сужение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока приводят к соответствующему изменению амплитуды сигнала, приобретаемого с выхода фотоприемника.

Самые первые устройства были применены в клинике и измеряли пульс с пальца в режиме просвета либо отражения. Форма пульсовой кривой повторяет реограмму. Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографииСпособ отыскал широкое применение в клинике и скоро разработка была применена в бытовых устройствах.

К примеру, в компактных пульсоксиметрах, регистрирующих пульс и сатурацию кислородом крови в капиллярах пальца. В мире производится много модификаций. Для дома, для семьи в полной мере отправится, но не подходит для постоянного ношения. Пульсоксиметр обычный и клипса для уха. Тысячи их!Существуют варианты с наушниками и ушными клипсами со встроенными датчиками.

К примеру, таковой вариант от Jabra либо новый проект Glow Headphones. Функциональность подобна HRM ремешкам, но боле стильный дизайн, привычное устройство, вольный руки. Неизменно носить затычки в ушах не будешь, но для пробежек на свежем воздухе под музыку в самый раз.Наушники Jabra Спорт Pulse™ Wireless и Glow Headphones.

Пульс регистрируется внутриушным (in-ear sensor) методом.Прорыв Самым заманчивым было измерение пульса с запястья, поскольку 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 создан ребятами из Philips.

На сегодня это самое качественное устройство для постоянного измерения пульса с запястья способом фотоплетизмографии. Потом миру стали есть такие хорошие вещи как Basis B1, Samsung Galaxy Gear и Gear Fit, Moto 360 и само собой разумеется ожидаемые всеми фанами яблочных брендов AppleWatch. Даешь умных часов большое количество и различных!на данный момент возможно заявить, что разработка отработана и внедрена в серийное производство.

Во всех аналогичных устройствах реализуется измерение пульса по отраженному сигналу.Выбор длины волны излучателяТеперь несколько слов, как выбирают длину волны излучателя. Тут все зависит от решаемой задачи.

Обоснование выбора прекрасно иллюстрировать по графику поглощения света окси и дезоксигемоглобина с наложенными на него кривыми спектральных черт излучателей.Кривая поглощения света гемоглобином и главные спектры излучения пульсовых фотоплетизмаграфических датчиков.Выбор длины волны зависит от того, что мы желаем измерить пульс и/либо сатурацию насыщения крови кислородом SO2.Легко пульс. Для этого случая ответственна область, где поглощение максимально – это диапазон от 500 до 600 нм, не считая максимума в ультрафиолетовой части.

В большинстве случаев выбирается значение 525 нм (зеленый цвет) либо с маленьким смещением – 535 нм (применено в датчике OSRAM SFH 7050 –Photoplethysmography Sensor).Зеленый светодиод датчика пульса – самых ходовой вариант в смарт-браслетах и часах. В датчике смартфона Samsung Galaxy S5 использован красный светодиод.Оксиметрия. В этом режиме нужно мерить пульс и оценивать сатурацию крови кислородом. Метод основан на отличии 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 употребляется канал с длиной волны 660 нм.Желтый для EMVIO. Для отечественного прибора EMVIO мы выбирали из двух диапазонов: 525 nm и 590 нм (желтый цвет).

Наряду с этим мы учитывали максимум спектральной чувствительности отечественного оптического датчика. Опыты продемонстрировали, что отличия между ними нет (в рамках отечественной конструкции и выбранного датчика). Любую отличие перебивают артефакты перемещения, личные особенности кожи, толщина подкожного слоя запястья и степень прижатия датчика к коже.

Мы захотели как-то выделиться из неспециализированного “зеленого” перечня и до тех пор пока остановились на желтом цвете.Само собой разумеется, измерения возможно проводить не только с запястья. Имеется на рынке нестандартные варианты выбора точки регистрации пульса. К примеру, со лба. Таковой подход использован в проекте умного шлема для велосипедистов Life beam Smart helmet создан Израильской компанией Lifebeam. В предложениях данной компании имеется еще бейсболки и солнцезащитные козырьки для девушек.

В случае если всегда носите бейсболку, то это ваш вариант.Велосипедист доволен, что не требуется одевать HRM ремешок.В целом выбор точек регистрации велик: запястье, палец, мочка уха, лоб, бицпес руки, стопа и лодыжка ноги для малышей. Полное раздолье для разработчиков.Громадным плюсом оптического метода есть простота реализации на современных смартфонах, где в качестве датчика употребляется штатнаявидеокамера , 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, вероятно и другие производители будут внедрять подобные ответы. Это может стать решающими для устройств, в которых нет постоянной регистрации, смартфоны вберут в себя их функционал.

Новые горизонты фотоплетизмографииДальнейшее развитие этого метода связано с переосмыслением функционала оптического датчика и технологическими возможностями современных носимых устройств в плане обработки видеоизображений в настоящем времени. В итоге имеем идею измерения пульса по видеоизображению лица. Подсветкой есть естественное освещение.Уникальное ответ, с учетом того, чтовидеокамераявляется стандартным атрибутом любого ноутбука, смартфона а также умных часов.

Мысль способа раскрыта в данной работе.Субъект N3 очевидно напряжен – пульс под 100 уд/мин, предположительно сдает работу собственному начальнику Субъекту N2. Субъект N1 легко мимо проходил.Сперва на кадрах выделяется фрагмента лица, позже изображение раскладывается на три цветовых канала и разворачивается по временной шкале (RGB trace).

Выделение пульсовой волны основано на разложение изображения способом анализа свободных компонент (ICA) и выделения частотной составляющей, которая связана с модуляцией яркости пикселей под действием пульсации крови.Лаборатория Philips Innovation реализовала подобный подход в виде программы Vital Signs Camera для IPhone. Очень занимательная вещь. Сглаживание значений само собой разумеется громадное, но принципиально способ трудится.

Подобный проект развивает Fujitsu Laboratories.Виды экранов Vital Signs Camera.Так что в будущемсистемы видеонаблюдениясмогут дистанционно измерять ваш пульс. Контора АНБ возрадуется.Окончание обзора в следующем посте “Как умные часы, спортивные трекеры и другие гаджеты измеряют пульс? Часть 2”.

В той части мы поведаем об более экзотических методах регистрации пульса, каковые употребляются в современных гаджетах.Удачи! И еще раз пригашаем вас на сайт отечественного проекта EMVIO.

Случайная статья:

• Как изменить букву жесткого диска?
• Выбираем смартфон с мощным аккумулятором: дайджест середины 2015 года

ЛУЧШИЕ ЧАСЫ С ИЗМЕРЕНИЕМ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Похожие статьи:

• Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? часть 2

  Привет всем!Продолжаем увлекательное путешествие в мир измерителей пульса. В первой части мы поведали про способы измерения на базе ЭКГ и плетизмографии…

• Гаджеты для умного дома

  Концепция «умного дома» показалась в далеком прошлом, уже 20 лет назад. Но в те времена интернет был неудобной диалапной экзотикой, а мысль о том, что…

• Caref — умные часы для обеспечения безопасности детей и спокойствия их родителей

  Мелкий ребенок — это и проблемы и радость. Радость чадо приносит фактически неизменно. Но и неприятностей, которые связаны с детишками, достаточно…