Как часы и браслеты здоровья измеряют пульс и правильно ли они его высчитывают

Точность измерений пульса с помощью носимых устройств уже почти не уступает традиционным методам*. Современные часы и браслеты оснащены высокочувствительными датчиками и умными алгоритмами, которые могут определять частоту пульсовых колебаний по изменениям объёма крови в сосудах. В этой статье я расскажу, как именно они это делают и можно ли доверять результатам таких измерений.

Метод фотоплетизмографии или как часы измеряют пульс

Фотоплетизмография в том виде, в котором она используется сейчас, появилась в XX веке. Изначально метод применялся в рамках научных исследований — для изучения наполнения тканей кровью — но со временем нашёл применение и в клинической медицине, притом не одно: от пульсоксиметрии до измерения ЧСС и мониторинга артериального давления.

Photoplethysmography (PPG) переводится с греческого буквально по частям:

• photo- — производное от слова «свет»;
• plethysmo- — наполнение, увеличение объёма;
• graphy — запись, регистрация.

Дословно — световая регистрация изменений наполнения (объёма).

Самое известное и первое применение фотоплетизмографии — пульсоксиметрия. Приборы для оценки насыщения крови кислородом начали использоваться в 1970-х годах. В дальнейшем они стали стандартом непрерывного контроля пульса и сатурации в анестезиологии и реанимации.

В 2010-х миниатюризация датчиков и цифровая обработка сигнала позволили внедрить метод в потребительскую электронику — так появились смарт-часы и фитнес-браслеты.

Сегодня фотоплетизмография используется для повседневного мониторинга ЧСС* и других физиологических показателей, анализа сна, оценки сосудистой реакции и вариабельности сердечного ритма.

Как работает PPG-метод в носимых устройствах

На нижней панели часов/браслета расположен источник света. Для измерения пульса используются лучи зелёного спектра, для сатурации — красного и инфракрасного. Если у вас есть умные часы, вы видели, что периодически снизу загораются красные и зелёные огоньки. Они просвечивают кожу, и лучи проникают внутрь сосуда, где поглощаются гемоглобином.

Чем больше крови в сосуде — тем больше поглощается лучей. Оставшаяся часть отражается, то есть выходит наружу, где улавливается специальным датчиком. Датчик передаёт информацию умным алгоритмам, а те с помощью математических вычислений определяют объём крови в текущий момент.

• Когда происходит сокращение желудочков, возникает пульсация стенок артерий — её мы ощущаем как толчки при пальпировании, например, в области запястья.
• В мелких артериях (артериолах), расположенных в зоне ношения часов, ощутимых колебаний нет, но пульсовой характер движения жидкости в целом сохраняется.
• Объём крови циклично уменьшается и растёт — изменяется количество отражённого и поглощенного света, и по этим изменениям алгоритмы рассчитывают ЧСС.

PPG-оценка пульса «на пальцах»: упрощённый пример расчёта

Представьте, что часы 100 раз в секунду смотрят, сколько света вернулось обратно в датчик.

• Когда сердце сокращается, в артериолах под кожей появляется чуть больше крови. → Гемоглобин поглощает больше лучей. → В датчик возвращается меньше отражённого света.
• В фазу расслабления объём крови уменьшается. → Поглощение снижается. → В датчик возвращается больше света.

Если изобразить это в виде графика, получится специфическая кривая, где:

• впадина (вернулось мало света) — момент максимального наполнения сосудов;
• подъём (вернулось много света) — момент минимального наполнения.

По этому графику вычисляется пульс.

Допустим, за 10 секунд алгоритм увидел 12 повторяющихся волн. Значит, за 1 секунду — 1,2 волны. Умножаем на 60 секунд и получаем 72 удара в минуту.

Как видите, всё просто. И при этом надёжно, потому что:

• алгоритм оценивает не абсолютное количество света, а его изменения;
• отсеиваются артефакты (движение, шум), т. к. система отслеживает повторяющиеся паттерны;
• даже в мелких артериолах пульсовая волна сохраняет цикличность — этого достаточно для расчёта ЧСС.

Пульсовая волна — основа для расчёта физиологических показателей

Часы и браслеты здоровья не просто измеряют пульс. По изменениям объёма крови в сосуде они моделируют пульсовую волну — по которой можно рассчитать и другие физиологические показатели, в том числе артериальное давление. И пускай это не механическое измерение, а сугубо алгоритмическая оценка, однако она тоже важна, потому что отражает суточную динамику и помогает выявлять скачки АД.

Пульсовая волна — это распространение колебаний стенок сосудов при выбросе крови из желудочков. По сути, это ударная волна жидкости, которая бежит по артериям и давит на стенки, вызывая их расширение и пульсацию.

Если с пульсом, как мы выяснили выше, всё очень просто, то с расчётом артериального давления уже сложнее — но тоже вполне реально. Ключевыми параметрами здесь являются временные и геометрические характеристики пульсовой волны.

Форма пульсовой волны

Обратите внимание, что кривая имеет второй пик, напоминающий ступеньку — это отражённая волна. Она всегда возникает, потому что сосуды не идеально ровные и бесконечно прямые, а имеют сужения, изгибы и ответвления, которые задерживают часть потока, образуя вторичную волну.

PPG-сигнал — это сложная кривая, где особое значение имеют:

• скорость нарастания фронта;
• высота и ширина пика;
• свойства отражённой волны;
• соотношение систолической и диастолической фаз.

Эти показатели зависят от жёсткости и эластичности сосудистой стенки и давления крови.

Взгляните на иллюстрации 2 и 3.

При здоровых эластичных сосудах волна поднимается плавно, основной (систолический) пик выражен отчётливо, хорошо заметна вторая волна и дикротическая выемка между ними. Сама форма волны — более растянута по оси времени. Это значит, что сосуды хорошо расширяются, отражённая волна возвращается позже — в диастолу, а давление крови распределяется мягко.

При повышенной жёсткости и низкой эластичности график изменяется. Подъём становится крутым и более резким, пик повышается и сужается, дикротическая выемка сглаживается или почти исчезает, вторичная (отражённая) волна сливается с основной. Всё это потому, что сосуды плохо амортизируют удар крови — отражённая волна возвращается раньше — в систолу, и систолическое давление возрастает. Такая PPG-картина обычно связана с повышенным АД, возрастными изменениями и/или атеросклерозом.

Скорость распространения пульсовой волны

По нормальным эластичным сосудам волна идёт медленнее, по жёстким и ригидным (менее растяжимым) — быстрее. Как видно на рисунке, вектор движения во втором случае направлен в большей степени вперед. Соответственно, чем выше давление и жёстче/ригиднее сосуд, тем быстрее распространяется пульсовая волна. Современные часы оценивают скорость либо по задержкам на разных участках кривой, либо по комбинации фотоплетизмографии + ЭКГ (о ней я рассказываю ниже).

Не пульсом единым: что ещё может показать PPG-метод

Поскольку метод не только регистрирует частоту пульса, но и позволяет формировать график пульсовой волны, по его данным можно рассчитать целый ряд физиологических показателей.

Вариабельность сердечного ритма (ВСР)

По характеру пульсации алгоритмы оценивают вариабельность сердечного ритма — важный показатель работы автономной нервной системы. ВСР по PPG — это именно пульсовая вариабельность, а не классическая по ЭКГ. Она менее точна, особенно при аритмиях, вазоспазмах и движении. Тем не менее, для оценки трендов (стресс, восстановление, переутомление, сон) она может быть весьма информативна.

Оценка уровня стресса и активности вегетативной нервной системы

На основе ВСР, ЧСС, формы пульсовой волны и её реакции на внешние стимулы алгоритмы анализируют:

• баланс симпатического и парасимпатического тонуса;
• степень напряжения сосудов;
• скорость восстановления после нагрузки.

В результате их анализа устройство формирует условную цифру, которая характеризует текущий уровень физиологического стресса.

Анализ сна

Во время сна тело становится практически неподвижным, ЧСС замедляется, температура кожи стабилизируется, а количество артефактов уменьшается. Поэтому ночь — хорошее время для сбора и анализа физиологических показателей. По данным фотоплетизмографии оценивают:

• ночную вариабельность сердечного ритма;
• степень ночного снижения, неснижения или повышения давления;
• косвенные признаки фаз сна (быстрый и медленный сон, REM-фаза).

Эпизоды обструктивного апноэ

Во время эпизода апноэ дыхание частично или полностью прекращается на несколько секунд. Воздух не поступает в лёгкие — возникает кратковременная гипоксия. Организм реагирует на это стереотипно:

• снижается насыщение крови кислородом;
• активируется симпатическая нервная система;
• возникает характерная реакция ЧСС: краткое замедление, затем резкое учащение после возобновления дыхания;
• меняется форма пульсовой волны из-за колебаний сосудистого тонуса.

Если такие эпизоды повторяются многократно, алгоритмы фиксируют их, указывая на высокую вероятность обструктивного апноэ сна. А это уже – повод для обращения к врачу и прохождения полисомнографии. Кстати, с появлением умных часов и браслетов эту патологию стали выявлять чаще — благодаря результатам домашнего PPG-мониторинга.

А можно ли верить умным часам: точность PPG-измерений пульса

Итак, мы с вами выяснили, как носимые устройства измеряют пульс, формируют пульсовую волну и на её основе вычисляют производные показатели. Возникает вопрос — а можно ли доверять этим расчётам?

Чтобы ответить на него, можно измерить пульс при помощи тонометра или секундомера и сравнить полученные цифры с данными фотоплетизмографии. Попробуйте так сделать, и вы убедитесь, что показатели будут различаться незначительно — в пределах обычных физиологических колебаний.

Сам по себе PPG-метод обладает высокой точностью. Cосуды наполняются кровью и поглощают лучи зелёного спектра — это физическое явление, которое при современных технологиях легко поддаётся измерению и анализу. Единственное, из-за чего могут возникать погрешности — нарушение детекции сигнала.

То есть:

• часы слишком свободно сидят на руке — нет нормального контакта с кожей;
• человек активно двигается — возникают артефакты измерения;
• сосуды сильно спазмированы — например, на холоде;
• в области датчика имеются рубцы и татуировки;
• слишком тёмная кожа — в процесс вмешивается меланин, поглощая часть света.

Однако если вы правильно зафиксируете часы и будете сохранять неподвижность, то получите точные данные.

Повысить точность измерений пульса, ВСР и других производных показателей, можно с помощью ЭКГ — более продвинутые часы и браслеты имеют такую опцию.

Фотоплетизмография + ЭКГ = самые точные показатели ЧСС и ВСР

Модели, выполняющие одноканальную ЭКГ, оснащены парными электродами. Они определяют частоту сердечных сокращений в ходе электрокардиографии, но это не PPG-метод, а ЧСС — отнюдь не пульс. Впрочем, это неважно, потому что мы с вами ещё в самом начале статьи договорились, что будем считать ЧСС и пульс синонимами.

Поэтому рассмотрим и этот способ.

При регистрации одноканальной ЭКГ пульс (точнее — ЧСС) определяется не по пульсовой волне, а по электрическим импульсам сердца.

Один электрод расположен на задней крышке часов и контактирует с кожей запястья. Второй находится на корпусе. Когда вы касаетесь его пальцем другой руки, цепь замыкается и тело становится проводником. Так формируется одноканальное ЭКГ-отведение, близкое к стандартному I отведению в клинической электрокардиографии.

Как при ЭКГ рассчитывается пульс

На ЭКГ фиксируются электрические фазы работы сердца:

• деполяризация и реполяризация предсердий,
• деполяризация желудочков.

Для расчёта ЧСС алгоритм ищет R-пики — наиболее выраженные вершины комплекса QRS, соответствующие сокращениям желудочков. Затем в дело вступают уже известные вам алгоритмы. Они измеряют интервалы R—R (см. рисунок 6), высчитывают их количество в минуту и вычисляют мгновенную и среднюю ЧСС.

Эти значения будут самыми точными, потому что:

• ЭКГ не зависит от сосудистого тонуса и температуры кожи;
• нет задержки между сокращением сердца и поступлением пульсовой волны на периферию;
• метод устойчив к аритмиям, при которых пульсовая волна может теряться.

Поэтому при фибрилляции предсердий, экстрасистолии, выраженном пульсовом дефиците лучше иметь часы с функцией ЭКГ для корректных измерений ЧСС. Единственное «но» — замер будет произвольным, в отличие от фотоплетизмографии, которая «включается» сама и фиксирует значения пульса с заданной периодичностью.

Кроме того, сочетание двух методов позволяет точнее оценивать вариабельность ритма, вычислять время распространения пульсовой волны, повышать точность алгоритмической оценки давления.

То есть, как и в ситуации с артериальным давлением, принцип оценки пульса при использовании комбинированного метода остаётся тем же: для суточной динамики мы используем PPG, а для точечных измерений без погрешностей — ЭКГ.