Оптический пульсометр

Оптический пульсометр — это устройство для измерения частоты сердечных сокращений (пульса), использующее метод фотоплетизмографии (ФПГ). В отличие от электрокардиографических (ЭКГ) датчиков, которые регистрируют электрическую активность сердца, оптический пульсометр оценивает изменения объёма кровотока в сосудах по изменению светопоглощения или светоотражения тканями. Приборы данного типа широко применяются в фитнес-трекерах, смарт-часах, медицинских пульсоксиметрах и спортивных мониторах сердечного ритма.

Принцип действия

Оптический пульсометр основан на явлении фотоплетизмографии. Датчик состоит из двух основных компонентов: источника света (обычно светодиода) и фотоприёмника (фотодиода). Светодиод излучает свет определённой длины волны, который проходит через кожу и подлежащие ткани. Часть света поглощается кровью, мягкими тканями и костями, а часть отражается или рассеивается обратно к поверхности кожи.

Фотоприёмник регистрирует интенсивность отражённого или прошедшего света. Во время систолы (сокращения сердца) объём крови в артериолах и капиллярах увеличивается, что приводит к большему поглощению света и уменьшению сигнала на фотоприёмнике. Во время диастолы (расслабления сердца) объём крови уменьшается, и сигнал возрастает. Таким образом, фотоприёмник фиксирует периодические колебания интенсивности света, частота которых соответствует частоте сердечных сокращений.

Длины волн

Для оптических пульсометров используются светодиоды с различными длинами волн, что связано с разной степенью поглощения света гемоглобином:

• Зелёный свет (520–540 нм) — наиболее распространён в фитнес-трекерах. Зелёный свет хорошо поглощается оксигемоглобином и дезоксигемоглобином, но плохо проникает в глубокие ткани. Это делает его чувствительным к изменениям кровотока в поверхностных капиллярах, но также и к артефактам движения.
• Красный свет (660 нм) — используется в медицинских пульсоксиметрах. Он глубже проникает в ткани, что позволяет измерять пульс на более глубоких сосудах.
• Инфракрасный свет (880–940 нм) — применяется для измерения сатурации кислорода (SpO₂) и пульса. Инфракрасное излучение проникает наиболее глубоко и менее чувствительно к пигментации кожи.

Устройство и конструкция

Типичный оптический пульсометр включает:

• Светодиоды — один или несколько, излучающие свет в зелёном, красном или инфракрасном диапазоне.
• Фотодиод — чувствительный элемент, преобразующий оптический сигнал в электрический.
• Оптический изолятор — непрозрачная перегородка между светодиодом и фотодиодом, предотвращающая прямое попадание света от источника на приёмник (для уменьшения шума).
• Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует аналоговый сигнал с фотодиода в цифровой код.
• Микроконтроллер — обрабатывает цифровой сигнал, выделяет пульсовую волну, вычисляет частоту сердечных сокращений и фильтрует артефакты.
• Алгоритмы обработки — программное обеспечение, реализующее методы фильтрации (например, полосовой фильтр для выделения частоты пульса), подавления шумов движения и определения достоверности сигнала.

Классификация

Оптические пульсометры можно классифицировать по нескольким признакам:

По типу крепления

• Наручные (wearable) — встраиваются в корпуса часов, браслетов или колец. Измеряют пульс на запястье или пальце.
• Нагрудные — редко используются в оптическом исполнении (обычно нагрудные датчики — ЭКГ), но существуют модели, крепящиеся на груди или руке с помощью ремня.
• Пальчиковые — клипсы или напальчники, применяемые в медицинских пульсоксиметрах.
• Внутриушные — встраиваются в наушники или беруши, измеряют пульс в мочке уха.

По методу измерения

• Пропускающие (transmissive) — светодиод и фотодиод расположены напротив друг друга, а измеряемая ткань (например, палец или мочка уха) находится между ними. Измеряется ослабление прошедшего света. Этот метод точнее, но требует тонкого участка тела.
• Отражательные (reflectance) — светодиод и фотодиод расположены рядом на одной стороне датчика. Измеряется свет, отражённый от тканей. Этот метод менее точен, но позволяет размещать датчик на плоских поверхностях, таких как запястье.

По назначению

• Фитнес-трекеры — ориентированы на повседневное использование, имеют низкое энергопотребление, но могут быть менее точными при интенсивных физических нагрузках.
• Спортивные мониторы — более точные, с улучшенными алгоритмами подавления артефактов движения, часто интегрируются с GPS и другими датчиками.
• Медицинские пульсоксиметры — сертифицированные устройства, предназначенные для клинического применения, измеряющие пульс и сатурацию кислорода с высокой точностью.

Применение

Фитнес и спорт

Оптические пульсометры стали стандартным компонентом смарт-часов и фитнес-браслетов (например, Apple Watch, Garmin, Xiaomi Mi Band, Samsung Galaxy Watch). Они позволяют пользователям отслеживать пульс в реальном времени во время тренировок, оценивать интенсивность нагрузки, рассчитывать расход калорий и анализировать зоны сердечного ритма. В профессиональном спорте оптические датчики постепенно вытесняют нагрудные ЭКГ-мониторы благодаря удобству ношения, хотя уступают им в точности при высокоинтенсивных интервальных тренировках с резкими движениями.

Медицина

В медицинских учреждениях оптические пульсометры используются в пульсоксиметрах для неинвазивного мониторинга пульса и сатурации кислорода у пациентов в отделениях интенсивной терапии, во время операций и при диагностике нарушений дыхания (например, апноэ во сне). Носимые устройства с оптическими датчиками применяются для долгосрочного мониторинга сердечного ритма у пациентов с аритмиями, в том числе для выявления фибрилляции предсердий.

Научные исследования

В физиологии и спортивной медицине оптические пульсометры используются для изучения вариабельности сердечного ритма (ВСР), реакции сердечно-сосудистой системы на нагрузку и оценки стресса. В психофизиологии — для измерения эмоционального возбуждения.

Точность и ограничения

Точность оптических пульсометров зависит от множества факторов:

• Артефакты движения — наиболее значимый источник ошибок. При беге, прыжках или других движениях датчик смещается относительно кожи, изменяется давление, а также возникают колебания освещения, что приводит к ложным пикам на фотоплетизмограмме. Современные алгоритмы используют акселерометры для компенсации этих артефактов.
• Пигментация кожи — более тёмная кожа сильнее поглощает свет, особенно зелёный, что снижает амплитуду сигнала. Производители корректируют мощность светодиодов или используют несколько длин волн.
• Толщина кожи и подкожной клетчатки — на запястье кожа тоньше, чем на пальце, что может влиять на качество сигнала.
• Температура кожи — при низких температурах сосуды сужаются, кровоток уменьшается, сигнал слабеет.
• Неправильное размещение датчика — слишком свободное или слишком тугое прилегание, наличие волос на участке измерения.
• Нарушения ритма сердца — при аритмиях (например, мерцательной аритмии) пульсовая волна может быть нерегулярной, что затрудняет корректное выделение частоты.

Сравнительные исследования показывают, что в состоянии покоя оптические пульсометры дают погрешность 2–5 ударов в минуту по сравнению с ЭКГ. При ходьбе погрешность возрастает до 5–10 уд/мин, а при беге — до 10–20 уд/мин. Медицинские пульсоксиметры (пропускающего типа) обеспечивают точность ±2 уд/мин в широком диапазоне.

История

Первые оптические пульсометры появились в 1930-х годах, когда был разработан метод фотоплетизмографии для измерения кровотока. Однако практическое применение стало возможным лишь с развитием полупроводниковой электроники и светодиодов в 1970–1980-х годах.

В 1972 году японский инженер Такуо Аояги создал первый прототип пульсоксиметра, использующий красный и инфракрасный свет. В 1980-х годах компания Nellcor (США) выпустила первый коммерческий пульсоксиметр, который стал стандартом в анестезиологии.

Массовое распространение оптических пульсометров в потребительской электронике началось в 2010-х годах с выходом фитнес-трекеров (например, Fitbit, Jawbone) и смарт-часов (Samsung Gear, Apple Watch). В 2015 году компания Apple представила Apple Watch с оптическим датчиком пульса, что стимулировало развитие алгоритмов и интеграцию датчиков в носимые устройства.

Интересные факты

• Оптические пульсометры могут использоваться не только для измерения пульса, но и для оценки вариабельности сердечного ритма (ВСР), которая является индикатором вегетативной нервной системы и уровня стресса.
• Некоторые современные смарт-часы (например, Apple Watch Series 4 и новее) способны регистрировать электрокардиограмму (ЭКГ) с помощью встроенных электродов, но оптический датчик остаётся основным для непрерывного мониторинга.
• В 2020 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали алгоритм, который позволяет извлекать сигнал пульса из видеозаписи лица человека (метод фотоплетизмографии по видео), что потенциально может использоваться для дистанционного мониторинга.
• Оптические датчики, встроенные в наушники, могут измерять пульс в мочке уха, где кожа тонкая и кровоток стабилен, что даёт более точные результаты, чем на запястье.

Источники

• Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement // Physiological Measurement. — 2007. — Vol. 28, № 3. — P. R1–R39.
• Tamura T., Maeda Y., Sekine M., Yoshida M. Wearable photoplethysmographic sensors—past and present // Electronics. — 2014. — Vol. 3, № 2. — P. 282–302.
• Parak J., Korhonen I. Evaluation of wearable consumer heart rate monitors based on photoplethysmography // 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. — 2014. — P. 3670–3673.
• Shcherbina A., Mattsson C. M., Waggott D. et al. Accuracy in wrist-worn, sensor-based measurements of heart rate and energy expenditure in a diverse cohort // Journal of Personalized Medicine. — 2017. — Vol. 7, № 2. — P. 3.
• Nelson B. W., Allen N. B. Accuracy of consumer wearable heart rate measurement during an ecologically valid 24-hour period: intraindividual validation study // JMIR mHealth and uHealth. — 2019. — Vol. 7, № 3. — e10828.