Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 2

Привет всем!





Продолжаем увлекательное путешествие в мир измерителей пульса. В первой части мы рассказали про методы измерения на основе ЭКГ и плетизмографии — самые популярные на рынке. Метод оптической плетизмографии применен и в нашем проекте EMVIO – часах, которые измеряют ваш стресс.

Компания проекта EMVIO стартует на платформе Кикстартер 17 марта 2015 года. Мы практически завершили всю организационную работу, сейчас ведется финальная верстка странички на Кикстартере. Вы можете подписаться на рассылку на промо-сайте проекта, что бы быть в курсе всех новостей.

Предлагаем поддержать наш проект. Все подробности и ценовые предложения будут представлены в отдельном посте перед началом компании. Для самых первых (Early bird) бэкеров мы подготовили ограниченное количество часов EMVIO за $129 USD.

А сейчас продолжим. Как же еще можно измерить пульс?

1. Измерение пульса на основе сфигмографии

Этот способ известен всем без исключения, просто не все знают, что он так называется. Способ сфигмографии реализует регистрацию артериального пульса по деформации стенки сосуда артерии. В итоге получается кривая аналогичная плетизмографии. Регистрацию пульса нужно проводить в местах, где артерии подходят близко к поверхности кожи, например с тыльной стороны запястья или выше локтя, где лучевая артерия идет одним стволом. Биение стенки артерии очень мало, поэтому для усиления сигнала в конце 19 века был изобретен оригинальный способ: пережатие артерии до уровня, когда артерия еще пропускает кровоток, но создает препятствие ударной волне крови. В этом случае возникали сильные пульсации, которые можно фиксировать механическими средствами.

На главное фото поста вынесено изображение первого устройства — смигмографа, доведенного до практического применения. Похоже на метатель дротиков Ван-Хельсинга. Изобретение французского физиолога Этьен-Жюля Маре. Практически носимый гаджет 1863 года выпуска. Аппарат придавливал артерию с помощью регулировочного механизма, механическим способом усиливал амплитуду пульсовой волны и производил перьевую запись механических колебаний на бумагу. Это был прообраз знакомой всем манжеты для измерения давления.



Вот тут посмотрите анимированный принцип работы этого устройства и его конструкцию в 3D

В целом процессы, которые происходят в сосудах артерии при ее пережатии, довольно сложны. Изучение этих вопросов актуально, если вы хотите измерять давление. Когда нужен просто пульс, то схему регистрации можно упростить: убрать манжету, акустический датчик (микрофон) или обычный стетоскоп заменить механическим датчиком – пьезоэлементом. Этот элемент работает в режиме прямого пьезоэлектрического эффекта (деформация -> поляризация) и способен регистрировать деформации на уровне микрометров.

Пьезосенсор
Идея способа на основе пьезоэлемента хорошо раскрыта в патенте Wrist plethysmograph US 20070287923 A1. На картинке показана схема устройства. На датчик работает вся конструкция устройства — ремешок обеспечивает растягивающее усилие на краях пьезодатчика и выполняет роль своеобразной манжеты, корпус придает необходимую жесткость и опору.



Патентованный способ регистрации пульса на основе пьезодатчика.

Вычисление пульса по сфигмограмме такое же, как в плетизмографии, так как получаемые пульсовые кривые практически идентичны.
При практической реализации могут быть нюансы, связанные с индивидуальными особенностями. Есть интересное исследование, в котором изучалась зависимость амплитуды пульсового сигнала от силы давления пьезодатчика, индивидуальных параметров руки пациентов и т.п. Датчик к запястью подводился шаговым двигателем с обратной связью и, таким образом, нормировалось сила нажатия. В статье указывается, что разброс индивидуальных давлений довольно высокий, а также возникают проблемы с регистрацией у людей с избыточным весом с увеличенной толщиной жирового подкожного слоя. Есть над чем поработать.

HealBe
Принцип механического измерения пульса реализован в нашумевшем браслетеHealBe Go.



Браслет HealBe Go использует пьезодатчк для измерения пульса.

Согласно заявленным параметрам, сигнал пульсовой волны считывается с запястья с помощью пьезоэлектрического датчика давления. В научно-техническом отчете разработчиков HealBe приведен пример пульсовой кривой с датчика, форма волн вполне типовая для плетизмографии и сфигмографии. Что интересно, ни в одном известном нам гаджете такой способ не используется. Так что HealBeGo можно сказать пионеры.

Гибкие датчики
Есть концепты и научные исследования по применению подобных датчиков. Вот пример статьи, где описана реализация ультратонкого гибкого датчика на основе золотых нанотрубок.



При изгибе поверхности датчика возникает дельта тока. Этой дельты достаточно, чтобы фиксировать динамическую составляющую давления от 13 Па (для сравнения: 1 Па (Н/м2) равен 7,50062 мкм ртутного столба) (отсюда, микс из figure 1 и 6).

Датчик фиксируется на коже в районе запястья и регистрирует пульсовые волны. Исследование датчика показало, что на амплитуду сигнала влияет уровень текущего звукового фона, например голос и музыка, что вполне ожидаемо.

Вот еще пример датчика на основе 2D-массива пьезоячеек.



Микротехнологии в действии (отсюда, взято из figure 1).

Этот датчик более совершенен и функционально закончен: содержит схему первичного усиления и имеет контакты для подключения. Вот примеры наклейки датчика на различные части тела.



Датчику доступны любые точки (отсюда, взято из figure 4)

Если снимать сигнал с запястья и шеи, то можно реализовать метод измерения кровяного давления на основе вычисления относительной скорости пульсовой волны (pulse wave velocity (PWV)) между артерией на шеи и артерией на запястье (по сдвигу фаз между сигналами). Собственно в статье датчик позиционируется для решения именно этой задачи. Вот вам хорошие идеи для будущих гаджетов-пульсомеров.

Возможно скоро мы увидим гибкие полупрозрачные браслеты для измерения пульса.Гибкие аккумуляторы уже появились.

2. Измерение пульса на основе баллистокардиографии

Метод баллистокардиографии использует эффект детонации тела от ударной волны при прокачке крови по сосудам. В клинической практике применялся не ради измерения пульса, а для анализа динамических показателей кровотока.



Еще один мегадевайс из прошлого. Страшно? (картинка взята отсюда)

Сигналом являются механические колебания тела под действием ударной волны от прокачки крови по сосудам. Думаю многие, лежа в постели, замечали этот эффект. Вот тут очень простая демонстрация принципа работы в фотографиях.

На современном уровне этот способ был реализован в виде умной подушечки Darma для контроля осанки. Со времен института у меня в памяти баллистокардиография ассоциировалась с громоздким устройством, и я был приятно удивлен этим проектом в плане выбора способа регистрации пульса. Проект хорошо выступил на Кикстартере.



Девушка в зеленом платье следит за своей осанкой с помощью Darma. Почувствуйте разницу с мужиком на качающемся столе, за это мы и любим такие проекты.

Пульс выступает скорее как дополнительный параметр, основное – это контроль правильности осанки. На их рекламных материалах представлен характерный вид баллистокардиограммы (BCG) и ее особые точки. Значения пульса вычисляются между локальными максимумами (точка J). Интересное устройство, но если вы постоянно вертитесь и ерзаете на своем стуле, это решение не для вас.

Вот еще гаджет Beddit. Он выполнен в виде ремня и кладется на кровать под тело человека во время сна.



Девушка в белом и гаджет Beddit. Для мужчин – версия кардинально черного цвета.

Прибор позиционируется как монитор сна. Он может регистрировать пульс, кривую дыхания, фазы сна. Также реализован “умный будильник”. Вот так выглядит его сигнал.



Сигнал баллистокардиограммы с Beddit. На фоне дыхательных колебаний видны детонации сердца (взято из отчета.)

В принципе такие устройства можно встраивать прямо в матрасы или выполнять в виде детских пеленок, одеял и т.п. Для двуспальных вариантов можно зонировать области регистрации. Будить вибромотором.

3. Измерение пульса на основе фонокардиоскопии

Способ основан на регистрации акустических шумов при биении сердца и работе его клапанов. С помощью этого способа проводят диагностику нарушений в работе сердца и клапанов. Самая простая реализация — приложить микрофон или обычный стетоскоп к сердцу, зафиксировать его и слушать низкочастотные биения-шумы.



Послушайте, как бьется сердце. Кадр из фильма “Бриллиантовая рука.”

В принципе для регистрации пульса достаточно считать акустические удары, но есть небольшой нюанс. Сигнал фонокардиоскопии содержит в себе так называемые тона – осцилляции, связанные с систолой-диастолой сердца, работой ее клапанов и просто непериодические шумы. На каждый сердечный цикл в норме приходится несколько тонов, обычно выделяют 4 тона (их обозначают римскими цифрами). Основные: I тон – начало диастолы, II тон – начало систолы. В англоязычной литературе различают сегменты S1 (first heart sound) – начало систолы и S2 (second heart sound) – начало диастолы. В зависимости от места прослушивания относительная амплитуда тонов может изменяться. Вот пример сигнала.



Примеры сигнала фонокардиоскопии: слева синхронно с ЭКГ и основные тона (отсюда), справа пример автоматизированной сегментации сигнала в норме. (отсюда)

Кончено, сейчас, когда УЗИ-аппарат с методом диагностики на основе эффекта Доплера стал обычным медицинским устройством, доступным в любой поликлинике и больнице, фонокардиография несколько потеряла свою клиническую значимость.

Однако стетоскопы никуда не делись и являются самым популярным и доступным средством первичного осмотра. Поэтому вполне естественно, что разработчики гаджетов взялись за них. У вас в стетоскопе нет блютуса? Тогда мы идем к вам! На рынке предлагается множество таких устройств.

Вот пример такого гаджета-гибрида от фирмы Thinklabs Medical LLC.



Версии умных стетоскопов Thinklabs: от имитации классики, до минимализма.

Большой плюс такого способа в том, что этот функционал доступен практически в любом телефоне. Датчик–микрофон уже на борту. Зачем тогда стетоскоп? Неудивительно, что уже разработана программа для IPhone, которая называется iStethoscopePro.



Экраны iStethoscopePro (разработчикPeter_J._Bentley).

Оказалось, что это довольно популярное приложение, и что самое интересное, по словам Питера Бентли, им пользуются врачи, т.к. оно позволяет записывать и воспроизводить шумы сердца. Можете испытать, как оно работает. Вот пример программы SKEEPER Heart Rate под Андроид.



Экраны SKEEPER Heart Rate. Прижми и слушай.

Все-таки интересно, как смартфоны постепенно вбирают в себя функциональность, которая изначально не планировалась. В следующем разделе вы увидите пример фантастической возможности применения смартфона для регистрации пульса.

4. Измерение пульса на основе биорадиолокаторов

Весьма оригинальный и, можно сказать смело, инновационный способ регистрации пульса.



Возможно медицинский трикордер в Стартреке был оснащен именно таким датчиком. (Кадр из сериала Star Trek: The Original Series)

Используется классическая технология радиолокации на основе сверхширокополосных (Ultra-Wide Band) сигналов. Излучается сигнал, он отражается от внутренних органов, грудной клетки и сердца, соответственно время прибытия (time-of-fight) отраженного сигнала будет зависеть от дистанции до антенны, подвижности грудной клетки и сердца.



Модель формирования временных характеристик отраженного UWB сигнала в грудной клетке (отсюда).

Анализируя низкочастотную периодическую модуляцию задержки можно выделить дыхательную и пульсовую составляющую. Вид сигнала и его спектральная плотность мощности показаны на рисунке. Сигнал формируется по первой производной функции Гаусса.



UWB сигнал и границы спектрального диапазона (отсюда).

Один из первых патентов на такое устройство датирован 1996 годом. Автор Thomas E. McEwan US 5573012 A Body monitoring and imaging apparatus and method.



Функциональная схема устройства пульсового радара и вид выходных сигналов.

На сегодняшний день работы по исследованию применения UWB радаров в медицине выходят регулярно. Можно загуглить UWB heart rate radar.

В России есть группа UWBgroup.ru, на базе Научно-исследовательского центра Сверхширокополосных технологий Московского авиационного института (НИЦ СШП МАИ), которая занимается разработкой медицинских радаров. Работу группы можно посмотреть по публикациям на их сайте. Вот пример прототипа такого радара для измерения пульса, который разработан участниками этой научной группы.



Внешний вид и расположение СШП радара (из тезисов).

Сейчас эта тема весьма популярна, с учетом того, что сам по себе диапазон UWB очень перспективен для передачи данных на гигабитный скоростях (сверхширокополосная связь) и на рынке появились недорогие радиопередающие модули.

В итоге — поистине фантастические возможности! Мониторинг пульса сквозь стены! Поиск живых людей под завалами. Использование смартфонов в качестве генератора зондирующего сигнала! Антитеррористические многолучевые системы для выявления подозрительных лиц.



Биорадиолокация для спецприменений. Смартфон может использоваться как генератор зондирующего радиосигнала (отсюда). Конечно это только идея.

Собаки в тренде.
На сегодняшний день нам удалось найти только одно подобное устройство, доведенное для массового продукта. Это собачий браслет Voyce.



Браслет-ошейник для мониторинга здоровья вашей собаки.

Для людей пока ничего подобного не предлагается. Видимо, есть проблемы с сертификацией таких излучателей для использования людьми, но возможно это временные проблемы. В общем, собакам и прочим домашним любимцам носить уже можно.

Ну вот вроде и все. Технологии не стоят на месте, и мы еще обязательно увидим необычные решения и оригинальное “прочтение” классических методов регистрации пульса на своих запястьях.

PS: Да, еще пульс можно измерять с помощью ультразвука, мониторя сокращение стенок сердца. Это штатная функция любого кардиологического УЗ-аппарата, но в носимых гаджетах пока не применяется, хотя имеются портативные, размером с небольшой фен. Но всё-таки это уже почти полноценный аппарат для клинической диагностики.

Пока! Всем отличного здоровья!
И еще раз пригашаем вас на сайт нашего проекта EMVIO.

Источник: geektimes.ru/company/darta_systems/blog/247100/