Сегодня практически любые фитнес-трекеры и умные часы, в том числе Apple Watch способны измерять пульс, электрокардиограмму и даже уровень кислорода в крови.
Но как это устроено? Стоит ли доверять показаниям носимых гаджетов? Что внутри Apple Watch и как устроены эти датчики в часах?
Измерение пульса
Принцип работы большинства устройств, том числе специальных приборов пульсоксиметров, основан на фотоплетизмографии. Термин сложный, но принцип работы простой. Часть тела просвечивается источником света (светодиодом), а фотоэлемент анализирует степень поглощения этого света. Рассмотрим на примере Apple Watch.
Начнем с измерения пульса. Наша кровь красная, поэтому длина световой волны подбирается таким образом, чтобы она поглощалась кровью. Обычно используется свет диапазоном длины волны от 500 до 600 Нм.
Это зеленый цвет – самый ходовой вариант в смарт-часах и браслетах. В Apple Watch используется несколько зеленых светодиодов в паре со светочувствительными фотодиодами.
При ударе сердца кровоток увеличивается, и с ним растет объем поглощенного зеленого света, а в период между ударами – уменьшается.
Именно благодаря этим данным и происходит измерение вашего пульса. В Apple Watch пульсометр может также использовать инфракрасное излучение для замеров во сне, чтобы вам не мешать.
Какое полезное применение? Часы контролируют учащенный пульс – тахикардию, то есть увеличение частоты сердечных сокращений от 90 ударов в минуту либо выше, если поставить в настройках.
Тахикардия – это не болезнь, но может быть симптомом множества различных заболеваний, отравлений и проблем в работе сердца.
Когда вы находитесь в состоянии покоя, а сердце бьется быстрее заданного лимита в течение 10 минут, часы вам об этом сообщат. А если вы занимаетесь спортом, то информация о пульсе объединяется с другими данными, чтобы оценить количество сожженных калорий более точно.
Сатурация (насыщенность крови кислородом)
С каждым новым поколением часов Apple дорабатывала и усовершенствовала их, добавляя новые функции. И одной из таких стала возможность измерения уровня кислорода в крови в 6 серии.
Технически эта функция работает на основе пульсометра, но его работа была немного изменена, чтобы добавить такую возможность.
Начнем с основ. Наша кровь бывает артериальная и венозная. Артериальная – это насыщенная кислородом кровь, которая из легких идет к различным органам и конечностям, а венозная течет обратно к легким и имеет минимум кислорода.
Самый основной момент – насыщенная артериальная кровь имеет ярко-алый цвет, а венозная – темный. Кислород переносится в крови с помощью белка гемоглобина, и каждая его молекула способна присоединить максимум 4 молекулы кислорода.
Для поглощения гемоглобином света при измерениях используется уже другая длина волны 660 нанометров (красный цвет) и 940 нанометров (инфракрасный).
Во время измерения уровня кислорода часы освещают ваше запястье теперь уже красными и зелеными светодиодами, а также инфракрасным светом. Затем фотодиоды измеряют количество отраженного света.
Гемоглобин с кислородом поглощает больше инфракрасного света, чем красного, а гемоглобин без кислорода – наоборот, будет гораздо лучше поглощать красный свет, чем инфракрасный.
Далее используются различные алгоритмы для вычисления цвета вашей крови и сколько гемоглобина связано с кислородом. Эта цифра отображается в процентах и называется “насыщением крови”, а точнее гемоглобина кислородом.
Если часы показывают вам 96%, то это значит, что 96% гемоглобина связано с кислородом, а 4% не связано.
По такому же принципу работают и пульсоксиметры в виде прищепки на палец.
У большинства людей уровень кислорода в крови составляет 95-100%, однако некоторые люди живут с уровнем кислорода ниже 95%, не испытывая каких-либо неудобств. Но уровень ниже 90% считается низким, и кислород из легких недостаточно поступает в органы и ткани.
Обычно уровень кислорода в крови отслеживали альпинисты для предупреждения высотной болезни, летчики в спортивной авиации, спортсмены при занятии спортом на большой высоте либо люди с заболеваниями сердечно-сосудистой и дыхательной системы.
Здоровому человеку эти данные приносили вообще мало пользы в обычной жизни, до начала пандемии. Коронавирус поражает легкие и снижает уровень кислорода в крови, что может привести к печальным последствиям.
Пульсоксиметры способны обнаружить снижение уровня кислорода до того, как вы чувствуете отдышку или другие симптомы затруднения дыхания.
Снятие ЭКГ
В Apple Watch Series 4, 5 ,6 есть возможность снятия электрокардиограммы, то есть ЭКГ. Apple заявляет, что часы создают ЭКГ, аналогичную показаниям 1-контактного электрокардиографа, в то время как в медицинских учреждениях обычно используются 12-контактные, которые записывают электрические сигналы сердца под разными углами.
Apple Watch способны предоставить сведения о частоте пульса и сердечном ритме, а также позволяют обнаружить мерцательную аритмию.
Мерцательной аритмия – эта разновидность нерегулярного сердечного ритма, когда сокращения верхних и нижних камер сердца не синхронизированы.
Однако часы нельзя использовать, чтобы определить, например инфаркт.
Насколько точны измерения?
На сегодняшний день носимое устройство нельзя рассматривать как замену медицинским приборам по многим факторам. На результат измерений может повлиять расположение гаджета на запястье, постоянное движение рукой, татуировки, волосяной покров, температура окружающей среды и ваша активность в течение дня.
Да и производители предупреждают, что их устройства могут лишь быть дополнительным средством контроля общего самочувствия и физического состояния, а в случае ухудшения показателей – вовремя вызывается врача.
Например, снижение уровня кислорода до 85% может быть связано с миллионом причин, не обязательно с коронавирусом. Но все это означает, что при необходимости вам лучше лишний раз пройти обследование.
Тем не менее производители регулярно сотрудничает с медицинскими центрами, проводят исследования, чтобы улучшить свое устройство и использовать полученные данные для дальнейшей работы над гаджетами.
Сравнение Apple Watch и пульсоксиметра
Проведем тест и сравним показания умных часов с недорогого пульсоксиметра. Перед проведением измерений рекомендуется 5 минут посидеть в спокойном состоянии. Кстати, лак на ногтях у девушек может затруднить измерения.
Во время считывания требуется положить руку на стол или на колени ладонью вниз и держать неподвижно, насколько это возможно обязательно. Часы должны плотно прилегать к руке не в области костей запястья.
Часам требуется 15 секунд для определения уровня кислорода в крови, а пульсоксиметр справляется за 3 секунды.
Никаких глобальных отличий в показаниях не наблюдалось, результат всегда был одинаковым в рамках погрешности.
Надо понимать, что задача часов не в том, чтобы заменить профессиональное медицинское оборудование, а в том чтобы своевременно предупредить о проблемах со здоровьем. Или вы себя там просто перегружаете во время тренировок.
Какие сенсоры есть в Apple Watch
Давайте посмотрим, как устроена задняя часть Apple Watch, и какие датчики там есть. Для примера возьмем часы Series 5 и Series 6.
Компоновка сенсоров визуально у них отличается. В Series 5 в кружочке по центру находятся четыре зеленых светодиода и парочка инфракрасных, по кругу идут фотодиодные датчики, которые фиксируют отраженный от запястья свет. Большое кольцо по кругу является электродом для измерения ЭКГ, а второй электрод встроен в кольцо digital crown.
В Series 6 электрод для ЭКГ визуально не изменился, но компоновка светодиодов отличается. Тут есть 4 окошка, в каждом из которых находятся зеленый, инфракрасный и красный светодиоды. Красные добавили для замера уровня кислорода в крови. Фотодиодные датчики тоже изменили свой вид.
Для примера, Series 1, где есть только зеленые светодиоды и фотодиодные датчики.
Что внутри Watch Series 5
Разбираются часы достаточно просто, даже удивительно ожидать такого от Apple. Практически вся начинка откручивается. При жевании часы можно аккуратно разобрать и собрать обратно, но смысла в этом мало.
Одним большим модулем идет система чипа S5 – это сердце Apple Watch. К плате припаяны основные коннекторы и шлейфа на дисплей, кнопки и так далее.
Батарейка на 296 мАч, вибромотор Taptic Engine, шлейф кнопки с микрофоном и сервисным разъемом, динамик с защитой от влаги.
Корпус является прекрасным сувениром, заднее стекло кстати совершенно без проблем снимается вместе с сенсорами.
Модуль с сенсорами приклеен к стеклу – его демонтаж тут не предусмотрен.
Тут можно увидеть электрод с помощью которого измеряется ЭКГ, 8 светодиодных датчиков, 4 зеленых светодиода и 2 инфракрасных.
С помощью этого модуля Apple Watch измеряют пульс и ЭКГ.
Теперь вы знаете, что внутри Apple Watch, и как это работает. Несмотря на то, что часы не являются медицинским приборам, но они станут прекрасным дополнением для контроля состояния вашего здоровья. Это касается и остальных фитнес-трекеров, умных часов. Исходя из полученной информации пользователь уже принимает решение – обращаться ему к врачу или нет.
