Попробуйте выполнить один странный эксперимент. Возьмите поллитровую бутылку с водой, наденьте на неё смарт-часы и нажмите кнопку измерения пульса. Загорится зелёный огонёк, свет будет проходить через воду, отражаться и рассеиваться — на экране вы увидите 70-80 ударов в минуту.
«Что ж получается, — воскликнете вы, — умные часы не такие уж и умные?».
После этого вам, возможно, захочется повторить опыт. На предметах, которые есть в доме. И вот тут с большой долей вероятности результаты будут иными. На полотенце часы покажут сбой измерения, на подушке сообщат, что ремешок не затянут, а на банане (если вы доберётесь до фруктов) и вовсе откажутся участвовать в этом развлечении.
«Нет, всё-таки они достаточно умные», — сделаете вы резонный вывод.
Но как же вода? И некоторые другие предметы, которые дают (не)реальные цифры? Да, такое может быть, потому что связано с особенностью метода.
В этой статье я расскажу:
- почему часы показывают пульс там, где его нет,
- какие бывают погрешности измерений,
- что такое негативное тестирование,
- можно ли доверять носимым устройствам в целом.
Почему часы видят пульс там, где его нет
Чтобы понять, почему смарт-часы обнаружили пульс у бутылки с водой, нужно сначала вспомнить, как именно они его измеряют. Речь идёт о фотоплетизмографии (PPG, photoplethysmography), или оптическом методе. Он работает следующим образом.
- На внутренней стороне часов расположены светодиоды и фотодатчик. Светодиоды просвечивают кожу запястья, лучи проникают в кровь, где поглощаются белком гемоглобином. Но не полностью: какая-то часть возвращается обратно к датчику, который фиксирует их количество.
- Когда сердце сокращается, по сосудам проходит пульсовая волна и объём крови в них изменяется. Соответственно, иногда лучи поглощаются больше, иногда меньше — часы улавливают микроскопические изменения сигнала и высчитывают ЧСС.
То есть устройство измеряет не сам пульс, а изменения оптического сигнала, которые в нормальных условиях соответствуют пульсации крови.
И вот здесь начинается самое интересное.
Как вода (и не только) обманывает оптический датчик
Вода пропускает свет и может частично его рассеивать. Если поверхность бутылки неравномерная, есть микропузырьки, лёгкие колебания жидкости, изгибы пластика, то датчик получает нестабильный отражённый сигнал.
То же самое возможно и с другими объектами:
- фруктами;
- гелевыми поверхностями;
- полупрозрачным пластиком;
- мягкими материалами, которые немного пружинят - колбаса, например;
- предметами, лежащими на вибрирующей поверхности.
Важна не биологическая принадлежность объекта, а то, насколько оптические свойства похожи на условия, с которыми датчик привык работать. Часы не распознают жизнь. Они распознают свет, шум и ритм.
Если прибор улавливает ритмические колебания света, алгоритм может принять их за пульс. Даже если он получил их не с запястья, а от бутылки с водой или другого предмета, который отражает и рассеивает свет сходным образом.
Не потому, что часы считают, что бутылка живая. У них вообще нет такой категории. Они не задаются вопросом: «Есть ли у воды сердечно-сосудистая система?», — а просто анализируют сигнал. Поступил сигнал, похожий на пульсовую волну, значит, можно рассчитать пульс.
Иногда алгоритм отказывается это делать, если форма сигнала совсем не похожа на живую ткань — тогда мы видим сообщение об ошибке. А иногда колебания оказываются достаточно похожими, чтобы устройство выдало число. Притом достоверное: 72, 81, 94 удара в минуту. Не 348 и не 5, а что-то из реального человеческого диапазона.
С давлением примерно такая же история. Поскольку алгоритм его рассчитывает по пульсовой волне, смарт-часы могут «определить» его на той же бутылке. И нет, это не будет давлением воды на её стенки.
Так рождается разочарование: «Поймали прибор на обмане».
Но это не совсем обман — скорее, ошибка интерпретации. И она может возникать, так же как и погрешность измерения. Производители прямо об этом заявляют.
Что такое погрешность измерения и как она возникает
Погрешность — это разница между реальным значением и тем, что показывает прибор. Для носимых устройств она неизбежна, даже если они в целом работают корректно.
На точность измерений влияют:
- положение часов на руке;
- плотность прилегания;
- движение, жестикуляция;
- температура кожи;
- жара, выступивший пот;
- цвет кожи и татуировки;
- толщина жировой клетчатки;
- особенности сосудов;
- аритмии.
Так, если часы слишком свободно сидят на руке, между датчиком и кожей появляется зазор. В этот зазор попадает внешний свет, часы начинают ловить помехи — и показания становятся менее точными.
Или человек активно жестикулирует — и датчик получает не только пульсовой сигнал, но и оптический шум. Алгоритму приходится отделять одно от другого. Иногда он справляется с этим, иногда — не очень. Поэтому один и тот же браслет может точно определять пульс в покое и ошибаться во время тренировки.
Что такое негативное тестирование
Теперь вернёмся к бутылке с водой. Эксперимент с предметами — пример негативного тестирования. В обычном тестировании мы проверяем, работает ли система в правильных условиях. Например, надеваем часы на руку и запускаем измерение пульса. Если часы показывают адекватное значение — тест пройден.
А негативное тестирование проверяет, как система ведёт себя в неправильных условиях. Ведь качественная техника должна не только работать там, где всё нормально, она должна ещё возражать, если условия некорректны. Но в реальности это сложнее, чем в теории, ведь алгоритму приходится различать, где настоящий слабый сигнал, а где ложный шум.
И иногда выбор для него неочевиден.
- У человека может быть холодная кожа, слабая периферическая пульсация, низкое давление, плохой контакт датчика с запястьем. Сигнал будет слабым, но настоящим.
- А у бутылки с водой может быть оптический шум, похожий на ритм сердца. Сигнал будет ложным, но убедительным.
В этих случаях алгоритм сталкивается с проблемой: отбросить настоящий сигнал или принять ложный. В идеале он должен отличать одно от другого. Однако идеала в бытовой электронике нет. Есть вероятностная модель, фильтры, допуски, компромиссы и погрешности.
Впрочем, алгоритмы совершенствуются, поэтому вы уже не видите «пульса» на подушке — хотя несколько лет назад было возможно и такое. Именно для этого и проводятся негативные тестирования — чтобы находить ошибки и устранять их.
Можно ли после этого доверять часам
Вполне, если они у вас на запястье, а не на бутылке с водой. Калибровка (когда алгоритмы приспосабливаются к нашим параметрам и сигналам), классы эквивалентности и вероятностные допуски делают своё дело. В большинстве случаев мы получаем реальные цифры, если у нас надёжное устройство.
Но не будем забывать о том, что оптический метод рекомендуется для наблюдения за динамикой. Фотоплетизмография информативна, когда мы смотрим не на одну цифру, а на картину в целом:
- какой пульс обычно в покое;
- как он растёт при нагрузке;
- как быстро снижается после активности;
- изменилась ли ЧСС на фоне болезни;
- появились ли необычные эпизоды;
- как меняются сон, активность и восстановление.
Если вчера, позавчера и неделю назад ваш пульс в покое был 62–68, а сегодня без видимой причины держится 95–105, это уже «звоночек». Как минимум повод прислушаться к себе.
Или другой пример: повышение пульса во время болезни. Иногда часы помогают вовремя распознать лихорадку — не по ощущениям, а по статистике сердечных сокращений (подробнее читайте в нашей статье про хантавирус и сезонные ОРВИ).
И ещё. Говоря о смарт-часах в целом, не затрагивая тот или иной бренд, важно учитывать, что они не являются медицинскими приборами и от некоторых из них не стоит ожидать клинической точности. Особенно, если это ноунейм (или почти ноунейм) с маркетплейса.
Почему медицинский прибор и умные часы — не одно и то же
Медицинские приборы создаются для диагностики, контроля состояния и принятия клинических решений. Они проходят строгую валидацию, сертификацию и должны соответствовать определённым требованиям точности.
Фитнес-браслеты и смарт-часы относятся к потребительской электронике. С их помощью можно отслеживать тенденции: как меняется пульс в покое, как организм реагирует на нагрузку, как восстанавливается после тренировки, как меняется сон или общий уровень активности. Это полезно. Но для большинства носимых устройств «умные» функции — не то же самое, что ЭКГ, медицинский пульсоксиметр или тонометр.
Для большинства, но не для всех. Потому что некоторые производители заимствуют для своих моделей технологии из медицины и проводят исследования точности измерений в клинических условиях — в частности, как это делает Healthband.
Часы и браслеты Healthband, оснащённые продвинутыми функциями (ЭКГ, манжетный тонометр, пальцевый пульсоксиметр и др.) обеспечивают более достоверные результаты, потому что умеют измерять пульс не только фотоплетизмографией.
- Манжетные часы с осциллометрией работают по принципу, близкому к медицинским тонометрам: они фиксируют колебания давления в манжете, возникающие из-за пульсации артерии. По ним можно определить не только АД, но и частоту сердечных сокращений.
- Одноканальная ЭКГ в часах регистрирует электрическую активность сердца — обычно через электроды на корпусе устройства и контакт с пальцем другой руки. В этом случае ЧСС определяется по электрическим циклам сердца, чаще всего по R-зубцам.
Если часы показывают пульс и/или давление на бутылке с водой, это результат работы оптического датчика и обработки PPG-сигнала. Манжетный тонометр или ЭКГ не подтвердят эти данные: без живого кровотока и электрической активности сердца им просто нечего измерять.
В этом смысле продвинутые модели, такие как Healthband Pro №80ME, Healthband Pro №5M, Dr. Hofner DH50, Healthband Pro №10 имеют преимущество перед стандартными часами на базе фотоплетизмографии — помимо оптики, они могут определять ЧСС по R-зубцам ЭКГ и осциллометрическим колебаниям в манжете.
Выводы
Итак, теперь вы знаете, что смарт-часы могут показать пульс на бутылке с водой. И это не техническая неисправность, а особенность фотоплетизмографии, при которой датчик работает с отражённым светом, а алгоритм ищет в этом сигнале ритмические изменения.
Поэтому доверять часам и браслетам можно, если понимать, что именно они измеряют, где могут ошибаться и как снизить вероятность ошибки.
Хотите быть уверены в точности показателей здоровья?
Решение простое: выбирайте устройства с расширенным функционалом, прошедшие исследования в клинических условиях.
