Меню

Принцип измерения частоты пульса



Как работает определение пульса в носимых устройствах

Сегодня на рынке ежеквартально появляется множество спортивных браслетов, предназначенных для мониторинга активности, а также измерения пульса.

Что примечательно, многие мои знакомые покупали себе фитнес–трекеры именно для слежения за показателями частоты сердечного ритма. Но многие из них так толком и не знают, как конкретно работают оптические пульсометры. Давайте разбираться.

Первый аппарат ЭКГ

Впервые в истории электрическая активность сердца была обнаружена учеными еще в конце 19 века, а в начале 20–го уже была технически зарегистрирована нидерландским физиологом Виллемом Эйнтховеном при помощи специального струнного гальванометра. Им же была записана и первая в мире электрокардиограмма. За свой вклад, внесенный в развитие науки и медицины, ученый был награжден Нобелевской премией.

Процесс записи ЭКГ с помощью струнного гальванометра

Благодаря разработанной Виллемом системы отведений, сегодня стали существовать специализированные аппараты для снятия ЭКГ (электрокардиограмм), благодаря которым врачи получили возможность детального изучения работы сердца.

Кроме аппаратов ЭКГ, требующих подключения массивных электродов к разным частям тела, появились и миниатюрные аппараты измерения ЧСС (частоты сердечных сокращений), которые мы с вами называем попросту пульсометрами.

Комплект пульсометра Tunturi Pulser

Самый первый в мире портативный пульсометр появился в 1977 году и буквально сразу стал незаменимым гаджетом в тренировках Финских спортсменов. К 1983 году на рынке стали появляться первые в мире пульсометры, предназначенные для бытового использования. То есть тренд на использования устройств мониторинга пульса среди профессионалов и спортсменов–любителей стал зарождаться еще в конце прошлого века.

В современных спортивных помощниках система отведений была упрощена до двух электродов. За счет этого в 1990–х на потребительском рынке стали активно появляться решения пульсометров в виде нагрудного ремешка, электроды в которых были выполнены в виде двух полосок из специального проводящего материала. Из–за точности в показаниях многие спортсмены используют подобные гаджеты до сих пор, несмотря на то, что на рынке существует множество более компактных аналогов, помещающихся на запястье.

Результаты измерений в таких ремешках, как правило, отправляются на умные часы, либо смартфон по протоколу Bluetooth.

Сегодня же самым распространенным и по–настоящему массовым способом измерения пульса стала технология оптической плетизмографии, применяемой в смартфонах, спортивных часах и браслетах. Самые первые попытки по реализации данной технологии предпринимались учеными еще в начале 19–го века, но особого успеха не сыскали, так как еще не было толком понятно куда её применить.

Визуализация процесса оптического измерения пульса

Принцип работы фотоплетизмографии заключается в регистрации сужения и расширения сосудов под воздействием кровотока. Фотоприемник определяет колебания, подсчитывает их количество за определенное время и полученное значение вставляет в формулу, после вычисления которой выводит на экран частоту пульса в ударах в минуту.

Благодаря появлению и популяризации плетизмографии, сегодня мы имеем множество вариантов компактных браслетов, с помощью которых можно более детально следить за своим здоровьем. Одним из первых устройств в которых была применена эта технология стали часы Mio Alpha, ставшие новой вехой в развитии современных спортивных гаджетов.

Давайте углубимся и подробнее рассмотрим нюансы в работе оптического мониторинга пульса.

Зеленый цвет для светодиодов был выбран не случайно. Оказывается для измерения пульса необходимо поглощение излучаемого цвета кровью. С помощью исследований было выяснено, что диапазон поглощаемого света варьируется от 500 до 600 нм. Зеленый цвет как раз соответствует заветным 510-525 нм.

Сегодня эта технология отработана до мелочей и применяется практически во всех наручных спортивных трекерах за разную стоимость.

Технология оптического определения пульса конечно же имеет неточности. Было выявлено, что при повышении частоты до 160–170 ударов в минуту, кровоток настолько быстро проходит через лучи датчика, что показатели при измерении становятся менее точными, но незначительно.

К примеру, нагрудные измерители пульса имеют точность считывания 91%, тогда как оптические датчики в фитнес браслетах имеют точность 85%. Эти цифры были выяснены в ходе экспериментов с двумя фокус группами, одна из которых выполняла физические упражнения с нагрудном пульсометром, а другая с запястным.

По данным компании Mio Global, являющейся пионером в разработке технологий плетизмографии, ни один из оптических датчиков измерения пульса на сегодняшний день по уровню точности считывания не приблизился к нагрудным вариантам.

К слову, оптические пульсометры, используемые в привычных для нас фитнес–трекерах и умных часах, имеют ряд нюансов, из–за которых оптический датчик может не работать, либо работать с серьезными погрешностями. Например, из–за набитого на запястье тату излучаемый свет не сможет проникать под кожу и просвечивать сосуды. Соответственно ни о какой точности показаний речи идти не может. Поэтому ребятам с обеими руками покрытыми тату резона в приобретении компактных фитнес–браслетов и часов для мониторинга пульса нет.

Теперь мы примерно знаем, как происходит процесс считывания пульса с помощью данной технологии. Давайте еще чуточку углубимся и поговорим о том, какие показания для улучшения своих тренировок можно получить при помощи использования носимых девайсов.

Так как речь сегодня у нас идет о фитнес–браслетах и умных часах, выступающих зачастую в роли электронных помощников для спортсменов, производителями был предусмотрен мониторинг еще нескольких показателей. В более продвинутых моделях носимых устройств от таких производителей как Garmin и Suunto есть мониторинг подъема, благодаря использованию барометра и альтиметра. А также присутствует возможность слежения за GCT (временем контакта с землей), VO (вертикальными колебаниями), VO2Max (максимальным потреблением кислорода), RP (беговой производительностью), каденсом (частотой шагов) и еще много чем другим.

Читайте также:  Измерение артериального давления непрерывное

Если вы серьезно занимаетесь бегом или велотренировками, то знание определений показателей каждого из пунктов вам очень пригодится. Поэтому при выборе спортивного браслета или часов обращайте внимание на их наличие. Так как их наличие позволит более продуктивно проводить тренировки, и со временем вы сможете улучшить свои показатели. Это очень важно.

Чтобы вы понимали, что все это не просто так, и эти цифры вам пригодятся, поясню что все это значит.

GCT или попросту время контакта с землей — показатель отвечающий за измерение времени, которое вы тратите на контакт подошвы с поверхностью. Как правило это 160–300 мс, но у всех показатели могут быть разными.

Если вы ускоряете темп, то соответственно время, затрачиваемое на контакт с землей уменьшается, тем самым поддерживая определенную частоту вы можете во время тренировки сжечь больше калорий, а также понизить шанс получения травм. Обычно тактикой, которой пользуются спортсмены, является в первую очередь включение коротких спринт–забежек в тренировке, а также уменьшение длины шага. Таким образом, помимо укрепления икроножных мышц, в работу подключаются ягодичные мышцы.

Показатель каденса (частоты шагов) определяет ваше количество сделанных шагов за определенный промежуток времени, как правило за минуту. Самым оптимальным значением каденса является бег с частотой 180 шагов в минуту.

VO (вертикальные колебания) — это показатель того, насколько часто ваше туловище при беге совершает движения по вертикали. Если посмотреть со стороны на технику бега профессиональных спортсменов, то можно заметить, что верхняя часть их тела практически не двигается (не подпрыгивает). Чтобы повысить качество результатов бега, следует стараться следить за этим показателем и пытаться совершать как можно меньше вертикальных колебаний. Достичь этого можно, к слову, при помощи повышения частоты каденса.

Следующее, за чем можно следить в ходе своих тренировок при помощи умных часов, либо фитнес–браслетом, является уровень максимального насыщения крови кислородом. Это является одним из важнейших показателей для любых кардионагрузок. Повышения его уровня можно добиться путем регулярных тренировок.

К примеру, в моем фитнес–браслете Huawei Band 2 Pro, который я купил за относительно небольшие деньги, есть такая функция, позволяющая после пробежки или велотренировки просмотреть показания насыщения крови кислородом. Выполняется это при помощи анализа сердечного ритма и динамических показателей активности при тренировке.

Следующей немаловажной функцией в спортивных трекерах является определение зон пульса. То есть, зная ваш максимальный порог сердечной активности, многие спортивные часы и браслеты имеют возможность определять уровень и тип кардионагрузки.

Что примечательно, такая возможность есть даже в бюджетных моделях большинства известных производителей. В используемом мной на данный момент фитнес–трекере предусмотрено пять порогов и границ пульса, как и в более профессиональных устройствах.

Теперь мы знаем с вами нюансы в работе одной из самых важных технологий в спортивных часах и браслетах, благодаря которой я думаю они появились. Многие почему–то ошибочно считают фитнес–трекеры и спортивные часы бесполезным гаджетами, когда речь идет о занятиях спортом. Я, как человек, который недавно начал заниматься собой, не могу сказать, что фитнес–браслет это какой–то незаменимый гаджет, без которого я не могу бегать, кататься на велосипеде.

Но после того, как я разобрался во всех нюансах его работы, мне удалось понять, каким образом можно улучшить результаты тренировок.

Источник

Как работает пульсометр в спортивных часах

Мы анонсируем новую рубрику, полностью посвященную возможностям спортивных часов и тому, как эти возможности могут использовать те, кто активно занимаются спортом. В первом материале мы начнем с пульса: как его измеряют, как вообще работает пульсомер, и какие ещё параметры, кроме пульса, измеряются при помощи частоты сердечных сокращений (ЧСС).

Этот и другие материалы рубрики не были бы возможны без поддержки бренда Suunto и сети магазинов «Світ спорту», за что им большое спасибо.

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

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 струйного гальванометра.

Читайте также:  Правильность измерений систематическая ошибка

Виллем Эйнтховен и первый аппарат для снятия и регистрации ЭКГ. Прибор весил 270 кг.

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.

Один из первых беспроводных пульсометров

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.

Ремешок-кардиодатчик — это, по сути, два ЭКГ-электрода, подключенных с разных сторон груди.

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.

Принцип работы фотоплетизмографии

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.

Свет, попадающий в кровоток, будет достаточно предсказуемо рассеиваться при изменении скорости кровотока (например, повышение сердечного выброса).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.

Читайте также:  Дозиметр для измерения альфа частиц

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.

Скриншот c измеряемыми показателями из программы Suunto Movescount

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) и 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 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.

Источник