Как часы измеряют артериальное давление

Большинство умных часов и браслетов оценивают артериальное давление (АД) только оптическим методом. Некоторые модели, помимо оптики, оснащены специальной манжетой с датчиками — они поддерживают осциллометрию, то есть могут измерять АД так, как это делает тонометр. Важно понимать, что эти способы не равнозначны и не заменяют друг друга. У каждого — свои задачи и преимущества.

В этой статье мы с вами разберём оба метода.

• Рассмотрим, как они работают, на чём основаны и чем различаются.
• Обсудим их реализацию в носимых устройствах на примере Healthband.
• И обратимся к кардиологу, который подскажет, в каких случаях стоит отдать предпочтение оптике, а в каких — осциллометрии.

Как часы измеряют артериальное давление

Что такое артериальное давление, полагаю, объяснять не нужно. Но чтобы не возникло путаницы в терминах и понятиях, на всякий случай уточню:

Артериальное давление — это сила, с которой кровь давит на стенки артерий (для физиков добавлю — на единицу площади). Величина выражается в мм рт. ст. и определяется двумя показателями:

• систолическое (верхнее) давление — максимальное давление в момент сокращения сердца (систолы);
• диастолическое (нижнее) давление — минимальное давление в фазу расслабления и наполнения сердца (диастолы).

Когда сердце выбрасывает кровь из желудочков в артериальную сеть, возникает своего рода ударная сила и мы получаем пиковый показатель — к примеру, 120 мм рт. ст. Когда клапаны закрываются и миокард расслабляется, давление снижается до нижнего предела (в нашем случае это 80 мм рт. ст.).

Говоря об измерении давления с помощью носимых устройств, важно развести два понятия:

• собственно измерение, когда прибор получает значения АД по реальным механическим колебаниям;
• расчёт (оценка) давления по косвенным данным оптического сигнала, которые обрабатываются специальными алгоритмами.

Первый способ — это классическая осциллометрия, которую ещё называют манжетным методом. Она применяется в тонометрах и ряде моделей умных часов и браслетов.

Второй — оптический метод, или фотоплетизмография, на основе которой работает большая часть современных носимых устройств. Она предназначена для оценки пульса, сатурации и производных параметров (стресс, сон, вариабельность сердечного ритма), а в сочетании с алгоритмической обработкой пульсовой волны — и артериального давления. Поскольку последнее вычисляется математически, то измерением такой способ называть некорректно — лучше использовать термин «оценка», «расчёт» или «определение».

Оптический метод оценки АД — фотоплетизмография

Фотоплетизмография (PPG) — оптический метод регистрации изменений объёма крови.

На словах это кажется сложным, но на деле всё просто. Когда светодиоды на нижней панели часов или браслета испускают свет, его лучи проникают в ткани, где проходят в сосуды и там поглощаются гемоглобином. Но только частично — непоглощённая часть отражается и поступает назад к часам, где её ждёт специальный датчик. Он фиксирует количество вернувшегося света и передаёт данные алгоритмам.

Так выглядит сам механизм, а принцип фотоплетизмографии состоит в том, что лучи отражаются неравномерно, и эта неравномерность совпадает с ритмом сердечных сокращений. Объясню почему.

Как вы знаете, кровь выходит из сердца порциями. Каждый раз образуется ударная волна, которая стремительно бежит по сосудам, заполняя их максимально в момент своего наивысшего давления — оно создаётся, когда сердце выбрасывает в сосуды кровь. В этот момент стенки артерий растягиваются и совершают резкие колебательные движения, которые мы ощущаем как пульсацию.

Поскольку кровь движется неравномерно, сигналы, которые получают датчики, постоянно варьируют. Поток жидкости то увеличивается, то уменьшается — сосуды то расширяются, то сужаются. По таким цикличным изменениям можно получить чёткое представление о характере пульсовой волны. А по её параметрам алгоритмы уже рассчитывают диапазоны АД.

Пульсовая волна — это волна механического растяжения стенок артерий, которая возникает при каждом сердечном сокращении.
Почему именно растяжения стенок, а не давления жидкости? Потому что речь идёт о пульсе, отсюда и термин — а в целом всё взаимосвязано. Когда сердце выбрасывает очередную порцию крови, происходит упругая деформация сосудистых стенок: аорта и крупные артерии на мгновение расширяются. Это расширение распространяется как волна — под давлением жидкости. Физически это похоже на гидравлический удар, когда при открытии клапана вода устремляется в трубы, создавая мощный скачок давления в системе.

Принцип работы: оптика в комбинации с алгоритмическим анализом

Устройства на базе фотоплетизмографии анализируют характер и форму пульсации крови (по сути, динамику наполнения мелких сосудов, в данном случае — артериол). Повторюсь — это не измерение давления, а его косвенный расчёт. Он производится по анализу пульсовой волны в сочетании с калибровкой данных и учётом дополнительных параметров.

Анализ пульсовой волны

В момент расширения артериолы объём крови в ней становится максимальным, и она поглощает много света — назад возвращается мало. Когда артериола сужается, датчик получает больше отражённых лучей.

По этим данным алгоритмы определяют частоту и характер пульсации и выстраивают графики, на основе которых вычисляют диапазоны АД.

В процессе анализируются следующие параметры.

• Скорость распространения волны — чем жёстче сосуды, тем быстрее распространяются по ним колебания.
• Вторичную волну — когда волновой поток встречается с препятствием (сужением или изгибом кровеносного пути), возникает отражение, формируя дополнительную волну.
• Сопротивление сосудов — при изменении сосудистого тонуса меняются интервалы и выраженность вторичных подъёмов.
• Интервалы между событиями пульсовых волн — по ним можно понять, как сосуды реагируют на давление крови.

Каждый сердечный цикл (от одного сокращения сердца до следующего) создаёт свою пульсовую волну. Если нарисовать её как график, на нём повторяются точки, которые можно отследить алгоритмом, например, начала подъёма, пик или момент второго маленького подъёма (отражённой волны) и т. п.

Алгоритм берёт одну и ту же метку и смотрит, сколько прошло времени от этого события до такого же в новом цикле — и/или между разными событиями внутри одного цикла.

• По жёстким спазмированным сосудам волна проходит резче — событийные метки смещаются во времени, отражённая волна возникает раньше.
• Когда сосуды эластичны и расслаблены, волна идёт мягче, вторичные явления формируются позже, интервалы между метками удлиняются.

С возрастом артериальные стенки становятся более жёсткими, что непосредственно влияет на характер пульсовой волны. Если сосуд жёстче, он менее податлив к расширению — просвет остаётся узким, давление растёт, волна движется быстрее. Если сосуд эластичнее, он лучше растягивается, амортизируя и давая больше пространства потоку — волна мягче и медленнее.

Калибровка устройства

Также ключевую роль в PPG-оценке играет калибровка. Каждое устройство проходит индивидуальную настройку, когда данные фотоплетизмографии сопоставляются с клинически точными значениями АД. Для этого пользователь измеряет давление в покое стандартным способом (тонометр) и настраивает алгоритмы так, чтобы показатели оптики и осциллометрии совпадали.

Дополнительные параметры

Помимо пульсовой волны и калибровки, алгоритмы задействуют показатели акселерометра для оценки движения и осуществляют контроль качества (фильтрация, подавление шумов, отбраковка артефактов, связанных с движением, недостаточным кровотоком, неправильным положением руки).

Ограничения фотоплетизмографии

В своих способностях к сложным расчётам алгоритмы почти достигли совершенства. Проблема в том, что человеческий организм далёк от эталона, и по характеру пульсовых волн мы с вами сильно отличаемся друг от друга.

На форму волны влияют стресс, температура, физическая нагрузка, возраст, приём лекарств и кофеинсодержащих напитков и другие факторы. Поэтому одни и те же параметры у разных людей могут соответствовать разным значениям АД.

Да, калибровка адаптирует алгоритмы под физиологию пользователя. Но даже это не делает результат таким же точным, как измерение с помощью тонометра. Зато умные часы хорошо отражают данные в динамике.

Они показывают:

• общие тренды, то есть колебания АД в течение суток;
• реакцию сердечно-сосудистой системы на нагрузку;
• скачки АД, которые могут представлять опасность;
• паттерны артериального давления в ночное время.

На точность PPG-устройств влияют:

• резкие движения, жестикуляция, тремор;
• положение запястья относительно уровня сердца;
• плотность контакта датчика с кожей и его смещения;
• холод, спазм сосудов, неудовлетворительная перфузия;
• очень тёмная кожа, рубцы или татуировки в зоне датчика.

Механический метод измерения АД — осциллометрия

Осциллометрия — основа большинства автоматических тонометров. В области запястья или локтевой ямки размещается манжета, которая при накачивании сдавливает артерию. Во время стравливания воздуха датчик улавливает колебания давления в манжете, связанные с пульсацией сосуда. По этим колебаниям, которые называются осцилляциями, прибор определяет артериальное давление.

Принцип работы носимых устройств с функцией осциллометрии

В умных часах манжета обычно съёмная. Алгоритм в целом тот же, что и в тонометрах, но требования к технике измерения строже:

• правильная посадка манжеты;
• неподвижность в процессе, оптимально — сидя, спина прямая, ноги не скрещены;
• корректное положение запястья — на уровне сердца;
• отсутствие помех — таких как разговоры, напряжение руки, шевеления.

Погрешности манжетных измерений

Точности манжетных измерений можно доверять, если устройство прошло клиническую проверку. Для медицинских приборов существуют специализированные стандарты — например, ГОСТ ISO 81060-2-2021 для манжетных автоматических тонометров.

Что касается носимых устройств, то здесь нет требований к обязательной процедуре, но некоторые производители организуют её в добровольном порядке — чтобы подтвердить надёжность результатов. Все модели с модулем манжетного измерения давления Healthband прошли сравнительные испытания в клинических условиях под руководством врача-кардиолога.

При этом даже самый точный прибор (в том числе медицинский) может давать погрешности. Чаще всего они связаны с нарушением техники измерения:

• неподходящий размер/натяжение манжеты;
• движение и разговор во время процедуры;
• неправильное положение и напряжение запястья.

Оптика или механика — что лучше?

Лет 5–7 назад врач, не колеблясь, ответил бы, что лучше манжетный тонометр. Но сейчас всё изменилось. Носимые устройства не заменяют, а дополняют стандартные методы. Да, диагностика и клинический контроль осуществляются по данным осциллометрии, а золотым стандартом многие врачи считают метод выслушивания тонов сердца по Короткову, но оптический метод тоже нашёл применение, не менее важное — это мониторинг артериального давления в условиях повседневной активности.

Устройства на базе фотоплетизмографии позволяют:

• анализировать колебания давления в течение суток;
• наблюдать реакцию сосудов на нагрузку, сон, стресс и т. д.;
• получать своевременные сигналы о резких скачках давления.

Пользователь может настроить интервалы между замерами от 5–10 минут. Человек спит, занимается домашними делами, ходит на работу и по магазинам, гуляет, отдыхает в компании — прибор собирает физиологические показатели, а в критических случаях сигнализирует о нарушениях. Эти данные отражают динамику АД с дневными и ночными паттернами.

Хотя умные часы позиционируются как устройства для самоконтроля, для врача их данные тоже могут быть информативны. Анализируя динамику АД без строгой привязки к цифрам, он может распознать паттерны, указывающие на скрытую гипертонию или тенденцию к повышению рабочего давления. Редкий пациент способен распознать их, но врачу эти паттерны хорошо известны — он может направить на дообследование или скорректировать терапию.

Что смотрит специалист в первую очередь, анализируя динамику показателей?

• Суточный профиль — дневная и ночная картина, связь с повседневной активностью и эпизодами стресса.
• Подозрение на ночную гипертензию* — систематические повышения или отсутствие снижения АД ночью.
• Утренний подъём — повторяемый рост показателей при пробуждении (до или после).
• Устойчивые паттерны — как часто и в какие часы возникают пики, есть ли стабильный вечерний или утренний подъём.
• Динамика на фоне терапии — тенденция к ухудшению паттернов, улучшению или стабильности.

И конечно, любые решения о диагнозе и коррекции лечения должны опираться на валидированные манжетные измерения.

Осциллометрия используется там, где требуются:

• диагностическая точность (подтверждение гипертонии);
• контроль терапии (изменение дозировок и медикаментозных схем);
• конкретные цифры, а не паттерны изменений.

Комбинированное устройство как универсальное решение

Если мы не можем однозначно решить, что лучше, логично совместить обе функции в одном устройстве — и получить комбинированный вариант, который будет востребован в любой ситуации. Нужно исследовать динамику — работает оптический метод, получить точные цифры — осциллометрия. Именно так появились часы с функцией манжетного тонометра.

Реализация в умных устройствах на примере Healthband

Среди устройств для контроля здоровья Healthband есть как модели с фотоплетизмографическим анализом АД, так и комбинированные устройства, где PPG-измерения дополняются полноценной осциллометрией.

Часы и браслеты с оптической оценкой АД

Модели с опцией PPG-оценки АД подходят, если цель — отслеживать динамику АД и прогрессирование гипертонии (например, вовремя обнаружить тенденцию к росту), улучшить самодисциплину — для тех, кто забывает или ленится измерять давление регулярно.

В линейке носимых устройств Healthband это:

• Pro №10 — браслет с режимом Холтера;
• Pro №5 — часы с ЭКГ и контролем аритмии;
• Pro №80 — аналог модели 5, но круглой формы;
• Biomer BT68 — браслет с измерением температуры;
• Dr. Hofner DH50 — часы с точным измерением сатурации;
• Браслет здоровья №4 с автомониторингом шести показателей.

Все вышеперечисленные модели (кроме DH50) позволяют настроить автоматический мониторинг — например, «замеры» давления каждые 10 минут. Также они обеспечивают высокую достоверность динамических измерений — благодаря продвинутой калибровке, которая осуществляется по показателям рабочего давления и возрасту (жёсткости) сосудов.

Носимые устройства с функцией осциллометрии

Такие приборы используют и оптический метод, и механический. Они незаменимы для тех, кто не просто наблюдает за ежедневными колебаниями АД, но хочет отслеживать абсолютные показатели. Именно они учитываются в клиническом контексте — по ним врач делает выводы о наличии/развитии гипертонии, назначает и корректирует терапию.

Устройства с осциллометрией оснащены съёмной манжетой и специальным датчиком, который реагирует на пульсацию в области лучевой артерии, регистрируя колебания (осцилляции) внутриманжетного давления.

У Healthband они представлены следующими моделями часов:

• Pro №80M с функцией манжетного тонометра;
• Pro №80ME с функцией манжетного тонометра и ЭКГ;
• Pro №5M с функцией манжетного тонометра и ЭКГ.

Преимущество этих моделей — в том, что они обеспечивают сразу два подхода к оценке артериального давления. PPG-алгоритмы работают в условиях повседневной активности — при движении, нагрузке, во время сна — а манжетный метод приходит на помощь в ситуациях, когда требуется классическое измерение АД.

И здесь важно учитывать следующее. Поскольку носимые устройства с опцией манжетного тонометра не являются медицинскими приборами, им не обязательно проходить клиническую проверку. Но именно она гарантирует точность измерений.

Как доверять результатам, если их достоверность — всего лишь обещание бренда? Чтобы этот вопрос не оставался риторическим для пользователя, некоторые производители добровольно организуют клиническую проверку своих изделий — как, в частности, это делает Healthband. В этом случае показателям АД, получаемым с помощью носимого устройства, можно доверять.

Выводы

Оптический метод оценки артериального давления обеспечивает мониторинг и картину ежедневной динамики, в то время как осциллометрия даёт конкретные цифры. Комбинированные технологии, где фотоплетизмография сочетается с манжетными измерениями, оптимальны для пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями и/или имеющих такие факторы риска, как диабет, наследственность, дислипидемия и др.

• Оптический анализ АД работает круглосуточно, с нужными интервалами — он показывает паттерны, сигнализирует о критических скачках и выявляет подозрительные периоды (например, ночные подъёмы).
• Манжетный способ используется для регулярного самонаблюдения и при появлении тревожных симптомов: головная боль, слабость, головокружение и т. д.