Точность фитнес браслетов при измерении шагов

Фитнес-браслеты и точность измерений. Или почему у туалетной бумаги есть пульс?

В конце 2018 года интернет немножко всколыхнула волна разоблачений фитнес-трекеров, которые без зазрения совести определяли пульс у туалетной бумаги, бананов и других предметов. Причем, речь шла не только о самых дешевых китайских поделках, но и очень дорогих устройствах, включая Apple Watch и Samsung Galaxy Watch.

Множество роликов на YouTube и в соцсетях вызывали бурную реакцию у зрителей. Кто-то просто разочаровывался в носимых гаджетах, другие быстро сообразили, что все это время, оказывается, производители их обманывали, отображая случайные цифры, не имеющие никакого отношения к реальному пульсу.

Я уже давно хотел написать об этом отдельный материал, но руки все как-то не доходили. И вот на днях одна знакомая сделала репост в Facebook очередного разоблачения, на котором хорошо видно, как фитнес-трекер зафиксировал повышенное сердцебиение у туалетной бумаги! Естественно, это снова вызвало ожидаемую реакцию — сотни насмешек вперемешку с праведным гневом.

Неужели фитнес-трекеры и в самом деле показывают случайные цифры вместо пульса? А может у туалетной бумаги действительно есть сердце!?

Если вам интересно узнать ответ только на этот вопрос, можете сразу перелистывать статью в самый конец, а для всех остальных я расскажу о том, как вообще трекеры измеряют пульс, могут ли они измерять артериальное давление и почему не делают этого.

Надеюсь, после прочтения этой статьи вы узнаете много нового и интересного о фитнес-браслетах!

Как фитнес-браслеты и умные часы определяют пульс?

Все мы прекрасно понимаем, что у этих устройств нет маленьких ушей, которые бы прослушивали сердечный ритм или пальчиков, которые бы могли прощупать пульс.

Вместо этого они используют небольшие лампочки (светодиоды), излучающие свет определенной волны и один фотодиод (грубо говоря, миниатюрную фотокамеру).

Принцип работы такого устройства до безобразия прост! Лампочка импульсами подает свет, который проходит сквозь кожу, рассеиваясь и поглощаясь кровью и тканями. Оставшийся свет отражается от кости и возвращается назад, попадая на фотодиод:

И как, спросите вы, с помощью всего этого можно определить пульс? На самом деле, таким образом можно определить не только пульс, но и узнать много другой полезной информации о работе сердца и других органов.

Дело в том, что степень поглощения света зависит от количества крови в сосудах. Чем больше крови — тем больше света будет поглощено, соответственно, тем меньше света вернется на сенсор браслета.

Так вот, количество крови в сосудах постоянно меняется. При сокращении сердце перекачивает кровь, повышая давление в сосудах и расширяя их. А когда сердечная мышца расслабляется, давление снижается и сосуды сужаются. Таким образом, появляются пульсовые волны. То есть, кровь по артериям распространяется будто волны, то усиливаясь, то затухая. Именно эти волны мы и привыкли видеть на всевозможных графиках пульса:

Получается, подавая световые импульсы с высокой частотой, а затем анализируя отраженный свет, мы можем, по сути, регистрировать объем крови в сосудах каждую долю секунды. И соответственно, рисовать пульсовые волны.

Такой метод называется PPG (фотоплетизмограмма) и используется он во всех без исключения фитнес-браслетах и умных часах. Но, как я уже сказал выше, этим способом можно определить не только пульс. В идеале, фотоплетизмограмма способна показать следующую информацию:

По большому счету, анализируя только фотоплетизмограмму, снятую при помощи лампочек и фотодиода, можно даже определять наличие некоторых заболеваний, вроде атеросклероза или сахарного диабета. Например, при атеросклерозе увеличивается интервал между началом волны и максимальным расширением сосуда, а также сама вершина на графике смещается немножко в сторону:

При сахарном диабете на графике исчезает дикротический зубец или, проще говоря, небольшой подъем волны, который должен следовать сразу после спада основной волны. График становится острым и рваным:

И да, с помощью обычного фитнес-трекера можно измерять даже артериальное давление — то, для чего обычно используется специальный прибор с манжетой (сфигмоманометр или, как его чаще называют, тонометр).

Чтобы проще было все это понять, приведу пример идеальной фотоплетизмограммы (вернее, пульсовой волны), на которой отмечены основные показатели:

Конечно, всё не так просто и прямолинейно, однако, имея только пульсовую волну, полученную с помощью лампочек и фотодиода, можно действительно определить множество важных показателей.

Так почему же тогда фитнес-браслеты до сих пор еще не заменили специализированные медицинские приборы? И почему ни один популярный фитнес-трекер не измеряет, например, артериальное давление?

Несколько слов о точности измерений

В интернете сложился стереотип, будто фитнес-трекеры — это побрякушка, которой вообще нельзя доверять. Случилось это не на пустом месте. Лет 10 назад, когда эти устройства только стали появляться на рынке, многие пользователи и профессиональные обозреватели на личном опыте убедились, насколько неточными являются полученные результаты.

Как уже было сказано выше, принцип работы PPG очень прост. Также и анализ пульсовой волны не является чем-то сверхсложным. Но проблема заключается именно в получении той самой пульсовой волны с помощью PPG-датчика.

Мы рассматривали лишь теорию, идеальные сценарии. А на практике вместо линий пульсовой волны браслет получает крайне зашумленный сигнал. Найти среди этого шума нужную нам информацию — невероятно сложная задача.

Среди основных источников помех можно отметить следующие:

• Внешнее освещение от солнца или ламп. Часть такого света может попадать на фотодиод, внося искажения.
• Помехи, связанные с движением. Это один из главных источников помех, с которым раньше не справлялся ни один трекер, поэтому и рекомендовалось замерять пульс только в состоянии покоя. Возможно, вы не раз сталкивались с такой проблемой: при ходьбе пульс определяется нормально, но как только начинаете пробежку, пульс медленно поднимается, а затем подскакивает вверх и держится на высоком уровне. Реальный пульс не превышает 110 ударов, а на браслете отображается 160. Просто датчик теряет пульсовую волну и цепляется за другой ритмичный сигнал, вызываемый шагами. Как результат, вместо пульса 110 ударов/минуту браслет начинает отображать 160 шагов/минуту, выдавая это за пульс.
• Цвет кожи, татуировки, волосы, загар. Все это также оказывает определенное влияние на поглощение и отражение света, излучаемого светодиодами. Например, чем темнее кожа, тем сильнее она поглощает зеленый свет.
• Расположение датчика. По иронии судьбы, именно запястье является одним из худших расположений для получения точной фотоплетизмограммы. Здесь очень много источников оптического шума (мышцы, сухожилия, кости).

Среди всего этого шума и помех очень тяжело выделить пульсовую волну. Само движение может внести столько шума, что лишь одна тысячная доля света, собранная сенсором, будет содержать фактические данные о пульсе, а все остальное — бесполезный сигнал.

Тем не менее, современные фитнес-браслеты сегодня выдают очень неплохой результат. Делая обзоры на последние модели смарт-часов от Apple, Samsung или Huawei, во время занятий на беговой дорожке я не увидел заметной разницы между их показаниями и данными нагрудного датчика.

У меня нет на руках самых последних научных исследований в этой области, но даже те исследования, что проводились несколько лет назад, подтверждают просто феноменальную точность фитнес-трекеров. К примеру, в исследовании за 2017 год, опубликованном в журнале Journal of Personalized Medicine, говорится о том, что фитнес-браслеты и смарт-часы определяют пульс во время занятий на велотренажере с погрешностью от 0.9 до 2.7%! Примерно такая же ситуация обстоит и с бегом, ходьбой или просто в состоянии покоя:

На этом графике только одно устройство (Basis Peak — на графике зеленым цветом) показывает очень большую погрешность во время ходьбы. Все остальные практически полностью совпадают с показаниями электрокардиограммы. Стоит отметить, что в этом исследовании приняло участие 60 человек разного возраста, роста, веса, цвета кожи и уровня физической активности.

В скором времени трекеры начнут измерять и артериальное давление без какой-либо дополнительной калибровки с использованием тонометра. Первые устройства должны появиться на рынке уже в этом году, так как сама технология прошла успешные испытания и полностью соответствует стандарту ISO 81060-2:2018.

Все дело в том, что за последние 5 лет улучшились не только точность и количество самих датчиков, но и заметно возросло качество алгоритмов. В частности, машинное обучение и нейросети, совершающие революцию в области мобильной фотографии, добрались и до фитнес-трекеров.

Браслеты очень активно используют показания акселерометра и гироскопа, чтобы точно фиксировать любое движение и вычитать создаваемый таким образом шум из общего сигнала.

Огромную роль в «очистке» сигнала от шума играет машинное обучение. Производители проводят целый ряд замеров одновременно браслетом и нагрудным датчиком в состоянии покоя, а также во время занятий спортом. Затем эти данные загружаются в нейросеть и искусственный интеллект, анализируя показания электрокардиограммы, пытается увидеть закономерности в фотоплетизмограмме, полученной с PGG-датчика. Таким образом, нейросеть учится (довольно успешно) выделять из зашумленного набора данных нужный сигнал — пульсовую волну.

Поэтому не стоит пренебрежительно относиться к этим устройствам. Новые браслеты и часы будут все точнее определять жизненно важные показатели, научатся измерять давление и даже предупреждать о возможных проблемах со здоровьем. И этот прогресс происходит на наших глазах.

Но все же, что делать с туалетной бумагой?

Почему фитнес-браслеты определяют пульс у туалетной бумаги, бананов или колбасы?

Если вы полностью прочитали эту статью, то понимаете, что браслет не работает с пульсом, как таковым. Он лишь анализирует свет, излучаемый светодиодом и попадающий на сенсор.

Когда мы прикладываем некоторые фитнес-браслеты к туалетной бумаге, банану или любому другому предмету, они могут продолжать работать в штатном режиме.

Свет, излучаемый зеленой лампочкой, проходит сквозь бумагу, часть его рассеивается, часть отражается и возвращается на датчик. В зависимости от предмета, уровень поглощения или отражения света может отличаться. Это не имеет большого значения. Важно лишь то, что в итоге определенное количество света все же вернется и попадет на фотодиод.

Затем устройство попытается среди всего шума (а по сути, весь свет в этом случае и будет шумом) найти хоть какой-то циклический ритмичный сигнал, напоминающий пульсацию крови. Здесь во внимание берется всё, начиная от мерцающей в комнате лампочки и заканчивая микро-вибрациями от бытовой техники или рук. Буквально всё, что может хоть отдаленно напоминать ритмичный сигнал, будет многократно усилено и интерпретировано, как пульс.

Значит ли это, что показаниям фитнес-браслетов нельзя доверять? Конечно же, нет! Как только вы наденете браслет на руку, он моментально поймает реальную пульсовую волну и с высокой точностью определит ваш пульс.

Источник

Как фитнес-браслет считает шаги, и почему он ошибается

В этой статье мы разбираемся в том, как фитнес-браслет считает шаги, почему он часто считает их неправильно, и как этого избежать.

Фитнес-браслет – удивительное изобретение. Почему? Потому что он знает о вас больше, чем вы сами. Можно сказать, он посвящён в самые личные ваши тайны. Даже простой дешёвый браслет в курсе того, как много вы двигаетесь, как спите и сколько сжигаете калорий. Устройство, которое присутствует с вами 24 часа в сутки, не покидая вас даже во сне – это очень интимно.

И тем более обидно, когда это столь близкое устройство начинает глючить.

Что умеет фитнес-браслет?

В этой статье я использую понятие «фитнес-браслет», хотя устройство для подсчёта шагов не обязательно надевается на руку. Это может быть, например, кулон, который надевается на шею или крепится на пояс. Но в целом под фитнес-браслетами я имею в виду устройства, считывающие наши биологические показатели.

По умолчанию фитнес-трекер считает ваши шаги, на основании чего вы можете сделать вывод, насколько активно проводите своё время. Общепринятое мнение – для поддержания здоровья день вы должны проходить минимум 10 000 шагов (подробнее об этом читайте в моём эксперименте 10 000 шагов для городского жителя).

Ещё две часто встречающихся функции фитнес-трекеров– контроль за фазами сна и подсчёт калорий. В зависимости от модели браслет может быть также оборудован пульсометром, термометром, альтиметром (датчиком высоты), GPS, секундомером и другими фишками, которые могут пригодиться и на соревнованиях, и в туристическом походе, и просто для развлечения и удовлетворения любопытства.

И всё же для меня основное предназначение фитнес-браслета – это подсчёт шагов.

Краткая история шагомеров

Прототипом шагомеров является одометр – устройство, считающее количество оборотов колеса. Первый одометр был изобретён в начале нашей эры греческим механиком и математиком Героном Александрийским. Долгое время одометры использовались в картографии и военном деле для уточнения расстояний, а сейчас вы можете увидеть их в любом автомобиле.

Создателем шагомера считается великий Леонардо да Винчи. С учётом развития технологий в годы его жизни (середина XV – начало XVI века) о компактности и удобстве речи не шло – согласно чертежам, шагомер представлял из себя маятниковый механизм, прикрепляемый к поясу (на рисунке – третий чертёж). Нам неизвестно, был ли реализован такой шагомер на практике, или же остался, как и многие другие задумки гения, на бумаге, но, тем не менее, это устройство вполне могло бы считать шаги.

В последующие века шагомеры развивались в том же направлении, что и близкие к ним по конструкции механические часы, но, в отличие от часов, оставались лишь высокотехнологичной игрушкой. Шагомер первой половины XX века снаружи был неотличим от карманных часов, да и внутри имел похожий механизм – колебания подвешенного груза приводили в движение систему шестерней, которые, в свою очередь, двигали стрелки, показывающие количество шагов. Позже часовщики стали использовать принцип работы шагомера для автоматического подзавода часов от движения руки.

В народ шагомеры ушли в 1960-х годах с руки японского предпринимателя Есиро Хитано, который стал продавать их под брендом Manpo-Kei, продвигая идею о 10000 шагов в день. Его шагомеры всё ещё были механическими, но со временем механику вытеснила электроника. В электронных шагомерах вместо давления груза на пружину, прикреплённую к шестерням, стали использовать изменение ёмкости конденсаторов или потенциала (пьезоэлектрический эффект) при механическом воздействии. Сам механизм, регистрирующий движение внутри шагомера, называется акселерометром.

Как фитнес-браслет считает шаги?

Теперь о том, как фитнес-браслет считает шаги. В большинстве современных фитнес-браслетов за отслеживание движения отвечают трёхкомпонентные акселерометры. Акселерометр – это прибор, определяющий ускорение объекта, к которому он прикреплён. Трёхкомпонентный – значит, ускорение отслеживается по трём осям координат. В некоторых моделях в дополнение к акселерометру ставят гироскопы, отслеживающие ориентацию в пространстве.

Не путайте акселерометр с гироскопом – это совершенно разные устройства. Акселерометр – это прибор, определяющий ускорение. Гироскоп же определяет угол, на который меняется ориентация предмета в пространстве.

Встроенный в надеваемый на руку фитнес-браслет акселерометр позволяет понять, неподвижна ли ваша рука или же двигается с определённым ускорением. Акселерометр постоянно замеряет ускорение движения и передаёт его в микропроцессор, который обрабатывает полученные данные и с помощью специального алгоритма пытается понять, связано ли это движение с вашим перемещением в пространстве (при ходьбе ваши руки двигаются), или же это просто жест рукой. Некоторые трекеры могут даже отличать бег от ходьбы.

Когда в фитнес-браслете присутствует гироскоп, то микропроцессор получает более полную – трёхмерную – картину перемещения вашей руки. Благодаря этому он сможет точнее отделить движения руки, возникающие при шаге, от движений, когда вы находитесь на одном месте.

Если отвлечься от фитнеса, то связка «акселерометр плюс гироскоп» нам больше знакома по смартфонам – сейчас эти два прибора устанавливаются по умолчанию в большинство устройств. Это позволяет, например, встряхиванием или повотором смартфона отвечать на звонки, листать страницы в электронной книге, переключать песни в плеере или управлять героем в видеоигре. И, разумеется, смартфоны также могут работать в роли шагомеров (мне нравится приложение Noom – оно определяет шаги по лёгким покачиваниям смартфона при ходьбе).

Тем не менее, в недорогих фитнес-браслетах часто присутствует только акселерометр. С хорошо отлаженным ПО трекер и без гироскопа может довольно точно считать шаги.

Как работают ёмкостные и пьезоэлектрические акселерометры?

Электрические акселерометры по принципу работы недалеко ушли от механических. Я постараюсь принципы работы акселерометров в максимально упрощённом виде, так что не забывайте, что в настоящих устройствах всё устроено несколько сложнее, хоть и работает благодаря тем же законам.

Акселерометры бывают разные, но наиболее распространёнными являются два вида: ёмкостные и пьезоэлектрические. Чтобы принципы работы были более понятны, я нарисовал простую схему:

В ёмкостных акселерометрах чувствительным элементом являются пластины конденсаторов. Ёмкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Когда груз, перемещающийся при движении, давит на одну из пластин, расстояние уменьшается, и, соответственно, увеличивается ёмкость. Микроконтроллер регистрирует изменение ёмкости на выходах акселерометра и понимает, что произошло движение.

В пьезоэлектрических акселерометрах вместо пластин используются кристаллы пьезоэлектрических веществ. Распространённым пьезоэлектриком является кристаллический кварц, но я не уверен, что именно кварц устанавливается в акселерометрах браслетов. Скорее всего, там нечто жуткое вроде цирконата-титаната свинца или чего-то подобного.

Пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации (возникновения разности потенциалов) материала при деформации. Также, как и в ёмкостном акселерометре, груз при движении давит на кристалл пьезоэлектрика, тот сжимается и генерирует разность потенциалов, которая регистрируется потенциометром микроконтроллера.

Почему фитнес-браслеты неправильно считают шаги?

Сейчас в мире нет ни одного трекера, который покажет вам абсолютно точное количество шагов.

Куда бы вы не прикрепили фитнес-трекер, в течение дня вы будете совершать непредсказуемые движения, часть которых трекер будет ошибочно определять как шаги. Вождение автомобиля, приём пищи, работа с компьютерной мышью, например. К тому же, каждый из нас ходит по-своему, и сейчас не существует алгоритма, учитывающего особенности любой походки и точно отличающего шаги от не-шагов. К примеру, вот здесь человек протестировал несколько шагомеров и выложил результаты. Погрешность подсчёта разными устройствами составила от -30% до +10%. Забавно, что наиболее точный результат показал не фитнес-браслет, а iPhone 5s.

По идее, ничего страшного в небольшой погрешности в 5-10% нет, потому что сама суть трекера – не в точных цифрах, а в отображении объёма проделанной вами работы.

Сегодня вы сделали 8000 шагов, а завтра – 5000, значит, день прошёл неактивно, надо поднажать. На другой день вы прошагали свою рекомендуемую норму в 11000 и можете отдыхать с чувством выполненного долга. Не вижу смысла в том, чтобы в повседневной жизни отслеживать свои движения с точностью до шага, точно так же, как и нет смысла при похудении считать каждый грамм.

Мой печальный опыт работы с MGCOOL Band 2

Но всему есть предел. Если ваш фитнес-браслет серьёзно накручивает показатели, то это сводит всё удовольствие от его использования на нет. Для меня показательным примером стал случай с браслетом MGCOOL Band 2, который безумно понравился и по цене, и по дизайну, и по заявленным характеристикам. До этого у меня уже был опыт использования трекеров, и я ожидал некоторой погрешности в подсчёте шагов, но не думал, что всё будет настолько плохо.

Я проснулся с утра, минут десять повалялся в кровати и посмотрел на трекер – 25 шагов. Хм. Встал, одел носки – уже 48 шагов. Сделал несколько отжиманий – 120 шагов.

Показания трекера для меня стали шоком, и я решил его ещё потестировать в малоподвижном режиме и уселся работать за ноутбук. За полдня вялой ходьбы по маршруту зал – кухня — туалет трекер выдал мне рекордные

3500 шагов. Оставшуюся часть дня я провёл чуть более активно – погулял с дочерью, сходил в магазин, поделал домашние дела. Итог дня:

Я мог бы порадоваться, но прикреплённый к поясу Fitbit Orb выдал результат в два раза меньше.

Говорят, что большая погрешность – это бич всех дешёвых браслетов. Подобные проблемы были у похожего на MGCOOL Band 2 популярного трекера Xiaomi Mi Band, но они решились после нескольких обновлений прошивки браслета. Я почитал форумы – владельцы первых версий трекера выкручивались как только можно – вешали их на шею, одевали на ногу, пытались вычислить «волшебные движения» или просто успокаивали себя тем, что так и должно быть.

Не должно. На мой взгляд, подобные проблемы у MGCOOL Band 2 именно из-за сырой прошивки. Производителю браслета, компании Elephone явно нужно допиливать алгоритм, отличающий шаги от не-шагов, потому что, собственно, количество шагов в движении трекер определяет более-менее правильно. У второй версии Xiaomi Mi Band 2 такой проблемы не было изначально, он считал шаги более-менее точно.

Заключение. Как с этим жить?

Жалею ли я, что импульсивно, на распродаже купил MGCOOL Band 2? Скорее, да. Буду надеяться на то, что выйдет нормальная прошивка.

Но как же выбрать фитнес-браслет, который вас не подведёт с подсчётом шагов?

У меня сложилось впечатление, что недорогой фитнес-браслет – это кот в мешке, так что гуглите и читайте отзывы. Для примера, после получаса поисков в интернете и чтения статей, отзывов и споров на форумах о Xiaomi Mi Band я получил представление об этом фитнес-браслете и том, какие подводные камни меня ожидают при его покупке. А вот про MGCOOL Band 2 на сегодняшний день никакой внятной информации на русском языке нет (да и на английском я нашёл только описания). В итоге устройство, которое классно выглядело и обладало множеством полезных функций, не выполняло свою базовую задачу и разочаровало меня.

Когда-нибудь у нас будут трекеры с искусственным интеллектом, которые будут понимать, что вы сделали шаг, а пока нам остаётся надеяться на точность алгоритмов. Не покупайте фитнес-браслеты спонтанно, ищите любую доступную информацию, проверяйте и сравнивайте. А в случае с недорогими моделями нелишним будет ещё и элементарное везение.

Источник