АНАЛИЗ СПОСОБОВ СЪЕМА ЧАСТОТЫ СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В НОСИМЫХ УСТРОЙСТВАХ

ANALYSIS OF HEART RATE MEASUREMENT METHODS FOR WEARABLE DEVICES

Vladimir Storchai

professor, Department of Mathematics, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, “National Mining University”,

Ukraine, Dnipropetrovsk

Illia Kukharenko

student at National technical university of Ukraine “Kiev politechnical institute”,

Ukraine, Kiev

АННОТАЦИЯ

В данной работе будут рассмотрены основные популярные на сегодня методы съема частоты сердечных сокращений (дальше – ЧСС) и проведен их экспертный анализ. Для выбранной технологии произведены лабораторные испытания. Полученные в результате измерений данные проанализированы, на их основании сделаны выводы о точности и надёжности выбранного метода.

ABSTRACT

In this article most popular modern methods for heart rate measurement will be analyzed. Test on the best fit method will be performed in the lab. Using the results of the tests the conclusion about the usability, reliability and accuracy will be made.

Ключевые слова: Частота сердечных сокращений, фотоплетизмография, электрокардиография, реография, носимое устройство, пульс.

Keywords: Heart rate, photoplethysmography, electrocardiography, reography, wearable device, pulse detection.

Носимое устройство – предмет одежды, украшение или аксессуар, оборудованный микропроцессором для обработки данных и допольнительными сенсорами для сбора определенного типа данных извне, а также, обычно, беспроводным каналом для передачи данных на другие устройства. Самым популярным форм-фактором носимых устройств является браслет, предназначенный для ношения на запястье; такой выбор обусловлен удобством доступа к нему и возможностью легко надеть и снять браслет. Зачастую такие устройства собирают различную информацию о носителе с помощью таких датчиков, как гироскоп, акселерометр, термометр и датчик пульса. В последующем эти данные могут использоваться, например, в целях мониторинга здоровья носителя или для выбора правильных режимов физических нагрузок, а потому датчики, получающие эти данные, должны обеспечивать высокую точность и стабильность измерений, не доставляя при этом дискомфорта носителю даже при длительном ношении.

Одним из наиболее популярных методов, применяемых сейчас в носимых устройствах, является фотоплетизмография. Фотоплетизмография – это метод измерения ЧСС, основанный на измерении яркости света, проходящего через мягкие ткани, или же света, отраженного от них. При сердечном сокращении количество крови в сосудах увеличивается, таким образом, ткань поглощает больше света, что регистрируется оптическим датчиком (обычно фотодиодом). В медицине фотоплетизмография в проходящем свете используется уже более пятидесяти лет для неинвазивного длительного мониторинга ЧСС, измерения проводятся с помощью датчика, закрепляемого на кончике пальца (рис. 1).

Рисунок 1. Принцип работы фотоплетизмографа

Большим преимуществом данного метода также является возможность измерять уровень кислорода в крови благодаря разной поглощаемости света с длины волны 660 нм и 940 нм гемоглобином, связанным и не связанным с кислородом (Рис. 2). Два излучателя, находящися рядом, включаются поочередно, фотодатчик детектирует разницу в интенсивности проходящего излучения.

Рисунок 2. Зависимость молярного коэффициента поглощения от длины волны для гемоглобина, связанного и не связанного с кислородом

В носимых устройствах используется отраженный свет, датчик располагается на внешней (намного реже – внутренней) стороне запястья. Также в носимых устройствах нет острой необходимости измерять уровень кислорода в крови, потому есть возможность использовать излучатель с единственной длиной волны. Обычно это 535 нм, что даёт большую чувствительность именно в отраженном свете, против 660 нм и 940 нм, использующихся в проходящем свете.

Таким образом, положительными сторонами данного метода являются:

• Возможность измерять насыщенность крови кислородом;
• Отсутствие электрического контакта с кожей носителя;
• Малые геометрические размеры датчика.

К отрицательным сторонам следует отнести:

• Относительно высокое потребление тока (в основном благодаря излучателю);
• Сложность в калибровке;
• Сложность в конструкции (излучатель и фотоприёмник должны контактировать с кожей через светопрозрачное окно).

Альтернативой данному методу являются

Электрокардиография – это методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Обычно в клинических условиях для развернутого анализа сердечной активности используют кардиографы с десятью отведениями (десятью электродами), подключенными к телу пациента.

Однако для регистрации сердечного сокращения достаточно двух электродов, закрепленных на запястьях двух рук, что недостаточно комфортно для повседневного использования. Таким образом, электрокардиография не является наиболее пригодным методом измерения ЧСС для использования в потребительских носимых устройствах.

Реография – метод исследования колебаний сопротивления различных тканей, вызванных притоком и оттоком крови в результате работы сердца. В медицине применяется в диагностике различного рода сосудистых нарушений головного мозга, конечностей, лёгких, сердца, печени и др. Такие изменения составляют порядка 0,5 % от постоянного сопротивления тканей, и потому требуют специальных методов измерения, а также фильтрации от посторонних электрических шумов, наведенных на тело человека (в особенности, помеха 50–60 Гц от сетей электропитания). И хотя на данный момент уже существует ряд устройств, работающих на описываемом принципе, большого распространения он не получил. Его преимуществами являются:

• Простота датчиков (токопроводящие электроды на поверхности кожи);
• Сравнительно малое потребление тока.

К недостаткам можно отнести:

• Сложную электрическую схему для регистрации малых изменений сопротивления;
• Электрический контакт с телом носителя;
• Чувствительность к наведенным на тело электрическим шумам.

Таким образом, наилучшим методом для носимого устройства остается фотоплетизмография.

Для исследования в лабораторных условиях была выбрана отладочная плата AFE4400 Evaluation Module, общий вид которой показан на рис. 3.

Рисунок 3. Отладочная плата для измерения фотоплетизмограммы

В комплект поставки отладочной платы входит медицинский сенсор, надеваемый на кончик пальца, потому для сравнения и верификации результатов были проведены одновременные измерения с помощью электрокардиографа, фотоплетизмографа на кончике пальца в проходящем свете, и на внешней стороне запястья в отраженном свете (рис. 4).

Рисунок 4. Результаты проведенных измерений

Как видно из рис. 4, полученные с оптических датчиков данные соответствуют работе сердца, зафиксированной с помощью электрокардиографа. Данные с кончика пальца имеют большее соотношение сигнал/шум, нежели данные с запястья. Данные с запястья после соответствующего фильтрования могут быть использованы для нахождения ЧСС.

Список литературы:

1. Попов А.А., Реография с возможностью определения разности фаз / А.А. Попов, А.М. Чугуй // Электроника и связь. – 2013 – № 2. – С. 46–52.
2. Ронкин М.А., Шалыгин В.С., Пироженко А.В., Компьютерная реография // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2002. – № 8.
3. Соколова И.В., Информативность метода двухкомпонентного анализа реограммы / И.В. Соколова, Х.Х. Яруллин // Клиническая медицина. – 1983. – № 7. – С. 94–101.
4. Challoner I. Non-Invasive Physiological Measurements; ed P Rolfe (London: Academic), 1979, Р. 125–151.
5. Moore J., Biomedical technology and devises. Handbook // Edited by J. Moore – CRC Press LLC, 2004. – 750 p.
6. Webster J.G. Design of Pulse Oximeters / J.G. Webster – The Medical Science Series, Taylor & Francis, 1997 – 260 p.