За рідкісним винятком головним вимірювальним приладом у фітнес-трекерах є датчик пульсу, що вимірює частоту серцевих скорочень. Сучасне програмне забезпечення в поєднанні зі штучним інтелектом здатне за його даними обчислювати досить багато - від патологічних станів організму до рівня стресу і фаз сну. Постараємося розповісти на прикладі технології TruSeen компанії Huawei.
Є датчики, які відстежують кровенаповнення судин розташованих в руці - фотоплетизмограму. Класика - датчик на пальці, пульсометр. Те, як світло проникає крізь палець можна побачити, якщо, наприклад, прикласти його на зворотну поверхню комп'ютерної мишки, в область сенсора. Це світло має малі пульсації, пов'язані з серцевим ритмом, які при певному зноруванні можна помітити навіть неозброєним оком.
Світло реєструється фотодіодом, по суті, світлочутливою однопіксельною камерою з великим пікселем, який знімає показники 25-100 разів на секунду. Природний світловий потік від пальця сигнал виходить дуже слабким і галасливим, тому для підсвічування використовується світлодіод.
Принцип зняття PPG з пальця
З часом виникла ідея використовувати пульсометр у годиннику, з датчиком у районі коми. Проблема в тому, що знімати сигнал з коми набагато гірше, ніж з пальця. З пальця ми беремо світло, яке пропускається через об'єкт, а на куп'ясті - який відбивається (тому що товщина кома набагато більше пальця і для просвіту потрібне дуже потужне джерело). Крім того, палець є «термінальною точкою» розповсюдження пульсової хвилі. Це означає, що хвиля відбивається від кінчика пальця і тому саме на цьому кінчику добре видно. Для відображення краще використовувати світло зеленого кольору, оскільки саме воно дає оптимальне співвідношення глибини проникнення і відображення. Синій майже не проникає під шкіру, а червоний та інфрачервоний, навпаки проникають занадто глибоко і одночасно захоплює судинні русла, в яких пульсові хвилі поширюються по різному. Як наслідок, сигнал виходить більш галасливим.
Поширення світла під шкіру
Окрема історія з людьми з чорною шкірою. Через велике поглинання доводиться або збільшувати потужність підсвічування (що підвищує енергоспоживання) або використовувати «більш червоне» джерело. У годиннику Huawei застосовується інфрачервоний світлодіод, що дає більш галасливий сигнал по відношенню до зеленого сигналу, знятого з людини зі світлою шкірою. Для вимірювання пульсу за фотоплетизмограмою (ФПГ) виділяють окремі періоди і вважають число піків на сигналі, що не завжди можливо. По-перше, сигнал відображає коливання в кровоносній судині вельми погано, накладаються різні артефакти у вигляді дихальних хвиль і відображення від неоднорідностей. По-друге, і це головне, використання наручних годинників - активний процес вельми і в сигнал втручаються рухи людини, які «забивають» корисний сигнал пульсу. Крім того, частоти руху і частоти серцевих скорочень досить близькі, що не дозволяє застосовувати методи простого частотного поділу. А раз так, то з'являється необхідність у використанні «розумного» алгоритму.
Форма сигналу пульсової хвилі PPG
Крім, оптичного, в годиннику і механічні датчики, такі як акселерометр і гіроскоп. Акселерометр, або датчик лінійних прискорень, вимірює по трьох осях перевантаження, яким піддаються години. Наприклад, завдяки акселерометру наш смартфон вважає кроки і відчуває, що його перевернули, змінюючи орієнтацію картинки на екрані. Але при переміщенні рук на годинник може діяти перевантаження в кілька разів перевищує g, кров в судинах піддається значним обуренням, що прямо відбивається на сигналі ФПГ.
Другим важливим датчиком є датчик кутових швидкостей або гіроскоп, який фіксує обертальні рухи. За обертальними рухами та акселерометром і визначається зміна положення годин у просторі. Ми можемо записувати показання гіроскопа і акселерометра одночасно і використовувати їх при аналізі сигналу ФПГ. Акселерометр - пасивний датчик, що споживає мінімум енергії. Його можна порівняти з пружиною і кулькою на кінці, де для вимірювання прискорення досить просто «прочитати» показання подовження пружини. Гіроскоп - датчик активний і для його роботи потрібно більше енергії, оскільки в ньому містяться рухомі частини - пластина, що коливається, параметри коливання якої жорстко пов'язані з кутовими швидкостями датчика. Тому, для економії акумулятора, гіроскоп не використовують безперервно.
Свідчення з трьох осей акселерометра під час бігу
Якщо ви користуєтеся фітнес-трекерами, то знаєте два режими «зняття» пульсу - зі стані спокою і в русі. Перший вимагає від користувача практично не рухатися, але точно вважає кожен удар і час між сусідніми серцевими скороченнями. Цей алгоритм використовується в стані спокою і уві сні. Цікаво, що в нічному режимі трекери переходять на інфрачервоне підсвічування, яке не видно людському оку і не заважає під час сну, як зелене. Набагато складніше другий випадок, коли доводиться вимірювати пульс в умовах сильних механічних обурень. Рівень сигналу серця стає дуже малим на тлі перешкод руху і рахувати кожен кардіоімпульс окремо на кривий сигналу стає непідйомним завданням.