В то время, когда медицина не имела современных технических средств диагностики, пульс измеряли, прикладывая палец к артерии, и считали количество толчков стенки артерии через кожу за определенный промежуток времени - обычно 30 секунд или одну минуту. Отсюда и пошло название этого эффекта - pulsus (лат. «удар»), измеряющийся в ударах в минуту.

Существует много методик определения пульса, но самые известные - прощупывание пульса на запястье, на шее, и в области сонной артерии.

После появления электрокардиографа (ЭКГ), пульс стали вычислять по сигналу электрической активности сердца, замеряя длительность интервала (в секундах) между соседними зубцами R на ЭКГ, а затем пересчитывая в «удары в минуту» по простой формуле: ЧСС = 60/(RR-интервал).

Электрокардиограмма может многое сказать о нашем сердце и помимо пульса, но для снятия и расшифровки ЭКГ нужны оборудование и кардиолог, которых не возьмешь с собой на пробежку. К счастью, в современном мире практически каждый может позволить себе пульсометр, который будет определять частоту пульса во время бега и в состоянии покоя.

Как работает пульсометр

Измерение пульса по электрокардиосигналу

Электрическая активность сердца была обнаружена и описана в конце 19 века, а уже в 1902 году Виллем Эйнтховен стал первым, кто ее технически зарегистрировал с помощью струнного гальванометра.

Помимо этого, Эйнтховен впервые записал электрокардиограмму (он сам дал ей такое название), разработал систему отведений и ввел названия сегментов кардиограммы. За свои труды в 1924 году он стал лауреатом Нобелевской премии.

В современной клинической практике для регистрации ЭКГ используют различные системы отведений (то есть схемы прикрепления электродов): с конечностей, грудные отведения в различных конфигурациях и т.д.

Для того чтобы измерить пульс, можно использовать любые отведения - на основании этого принципа были разработаны спортивные часы, умеющие определять ЧСС.

Ранние модели пульсометров состояли из коробочки (монитор) и проводов, крепящихся к груди. Первый беспроводной ЭКГ-монитор был изобретен в 1977 году, и стал незаменимым помощником в тренировках сборной Финляндии по лыжным гонкам. В массовую продажу первые беспроводные пульсометры поступили в 1983 году, с тех пор прочно заняв свою нишу в любительском и профессиональном спорте.

При проектировании современных спортивных гаджетов система отведений была упрощена до двух точек-электродов, а самым известным вариантом такого подхода стали спортивные нагрудные датчики в виде ремешка (HRM strap/HRM band).

Для получения стабильного и качественного сигнала необходимо смочить «электроды» на нагрудном ремне водой.

В таких ремешках электроды выполнены в виде двух полосок из проводящего материала. Ремешок может быть частью всего устройства или пристегиваться к нему застежками. Значения пульса, как правило, передаются по Bluetooth на спортивные часы или смартфон по протоколу ANT+ или Smart.

Измерение пульса с помощью оптической плетизмографии

Сейчас это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения, реализованный в спортивных часах, трекерах, мобильных телефонах. А первые попытки использования этой технологии предпринимались ещё в 1800-х годах.

Сужение и расширение сосуда под действием пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.

Способ широко используется в больницах, позже технология перешла и в бытовые устройства - компактные пульсоксиметры, регистрирующие пульс и насыщение кислородом крови в капиллярах пальца. Прекрасно подходит для периодических измерений пульса, но совершенно не подходит для постоянного ношения.

Пульсометры

Идея измерения пульса с запястья спортсмена с помощью оптической плетизмографии без дополнительного ношения нагрудных ремешков выглядела очень заманчиво. Первыми эту идею реализовали в часах Mio Alpha, которые провозгласили свое устройство прорывом и новым витком в измерении пульса. Сам модуль измерительного датчика был разработан компанией Philips.

Оптическая технология измеряет пульс с помощью светодиодов, которые оценивают кровоток на запястье. Это означает, что вы можете измерять пульс без использования нагрудного датчика. На практике это работает так: оптический сенсор на обратной стороне часов излучает свет на запястье с помощью светодиодов, и измеряет количество рассеянного кровотоком света.

Метод регистрации пульса для фотоплетизмографических датчиков

Для измерения пульса важна область с максимальным поглощением - это диапазон от 500 до 600 нм. Обычно выбирается значение 525 нм (зеленый цвет). Зеленый светодиод датчика пульса – самых ходовой вариант в смарт-часах и браслетах.

Сейчас эта технология хорошо отработана и внедрена в серийное производство. Спектр появившихся устройств с подобной технологией достаточно широк (смартфоны, браслеты-трекеры, часы), а производители спортивных устройств тоже не отстают – все наиболее значимые компании расширяют линейку пульсометров моделями с оптическими датчиками.

Ошибки при работе оптических датчиков

Считается, что оптические датчики достаточно точно определяют пульс при ходьбе и беге. Однако, при повышении частоты пульса, скажем, до 160 уд/мин, кровоток настолько быстро проходит через область датчика, что измерения становятся менее точными.

Помимо этого, на запястье, где не так много ткани, но много костей, связок и сухожилий, любое снижение кровотока (например, в холодную погоду) может исказить работу оптического датчика пульсометра.

В одном небольшом исследовании был проведен сравнительный анализ точности нагрудных и оптических датчиков пульсометров. Испытуемых разделили на две группы, в одной группе пульс измерялся с помощью нагрудного датчика, а в другой - с помощью оптического. Обе группы проходили тест на беговой дорожке, где они сначала шли, а потом бежали, в этом время регистрировалась частота пульса. В группе с нагрудным кардиодатчиком точность измерения ЧСС была 91%, тогда как в группе с оптическим датчиком она составила лишь 85%.

По мнению главы компании Mio Global, в настоящее время ни один из датчиков пульсометра не сравнится в точности с нагрудным ремнем.

Нельзя забывать и о специфических ситуациях, когда оптический датчик может не работать. Надетые поверх беговой куртки часы, наличие татуировки на запястье, неплотно прилегающие к коже часы, тренировка в спортзале - всё это может привести к погрешностям в измерении пульса с помощью оптических датчиков.

Несмотря на это, технологический прогресс в измерении ЧСС привел к появлению полезной альтернативы нагрудным ремням, и при устранении ряда недостатков оптических датчиков мы получим еще один мощный и точный инструмент наблюдения за пульсом во время занятий спортом.

Какие беговые показатели позволяет получить пульсометр

Строго говоря, продвинутая беговая динамика измеряется при наличии нагрудного ремня. Внешне обычный, внутри датчик состоит из трансмиттера и акселерометра, благодаря которому и происходит анализ движения бегуна. Те же самые акселерометры есть в телефонах, футподах, браслетах-трекерах.

К продвинутым беговым показателям относят три величины: время контакта с землей (ground contact time), вертикальные колебания (vertical oscillation) и частоту шагов, или каденс (cadence).

Время контакта с землей (ground contact time, GCT) показывает как долго ваша стопа находится на поверхности земли во время каждого шага. Измеряется в миллисекундах. Типичный бегун любитель тратит на контакт с поверхностью 160-300 миллисекунд. При повышении скорости бега значение GCT укорачивается, при замедлении – возрастает.

Существует взаимосвязь между временем контакта с землей и частотой развития травм, а также мышечным дисбалансом у бегуна. Уменьшение времени контакта с землей снижает частоту травм. Одним из наиболее действенных способов уменьшить этот показатель считается укорочение шага (повышение каденса), укрепление ягодичных мышц и включение коротких спринтов в программу тренировок.

Вертикальные колебания (vertical oscillation, VO). Посмотрите на любого профессионального бегуна - вы увидите, что верхняя половина их туловища совершает совсем незначительные движения, в то время как основную работу по перемещению бегуна выполняют ноги.

Вертикальные колебания определяют насколько ваша верхняя половина «подпрыгивает» при беге. Эти подпрыгивания измеряются в сантиметрах относительно какой-то фиксированной точки (в случае нагрудного ремня - это сенсор, встроенный в нагрудный датчик). Считается, что наиболее экономичная техника бега предполагает минимальные вертикальные колебания, а уменьшение вертикальных колебаний достигается повышением каденса.

Частота шагов или каденс (cadence). Как понятно из названия показателя, он демонстрирует количество шагов за минуту. Достаточно важный параметр, оценивающий экономичность бега. Чем быстрее вы бежите, тем выше каденс. Считается, что частота около 180 шагов в минуту является оптимальной для эффективного и экономичного бега.

Пульсовые зоны (heart rate zones). Зная максимальный пульс, различные модели беговых часов могут разбивать вашу тренировку по пульсовым зонам, показывая, сколько времени в ходе тренировки вы провели в той или иной зоне.

У разных производителей эти зоны обозначены по-своему, но их можно поделить на следующие типы:

• восстановительная зона (60% от максимального ЧСС),
• зона для тренировки выносливости (65%-70% от максимального ЧСС),
• зона тренировки аэробной емкости (75-82% от максимальной ЧСС),
• зона ПАНО (82-89% от максимального ЧСС),
• зона максимальной аэробной нагрузки (89-94% от максимального ЧСС).

Знание своих пульсовых зон поможет вам получить максимум от каждой тренировки. О тренировках по пульсу мы подробно расскажем в следующей статье рубрики.

Помимо продвинутых беговых характеристик современные пульсометры могут измерять и отслеживать еще несколько интересных показателей:

EPOC (excess post-exercise oxygen consumption). Показатель потребления кислорода после тренировки демонстрирует, насколько изменился ваш метаболизм после пробежки. Мы все знаем, что бег приводит к сжиганию калорий, но даже после того, как тренировка закончилась, калории продолжают сгорать. Безусловно, для их восполнения нужно качественно восстановиться.

Наблюдение за показателем EPOC поможет вам понять, какие тренировки наиболее энергетически затратные, а также улучшить процесс восстановления.

Подсчитанное потребление кислорода (est. VO2). Показатель текущего потребления кислорода, рассчитанный на основании максимального потребления кислорода (VO2max ) и максимальной ЧСС.

Максимальное потребление кислорода (VO2max). Показатель отражает способность вашего организма потреблять кислород. Это важно, поскольку при повышении этого показателя ваше тело может лучше и быстрее утилизировать доставляемый к работающим мышцам кислород.

Значение максимального потребления кислорода (МПК) увеличивается при повышении тренированности. Это один из самых важных беговых показателей, напрямую связанный с экономичностью бега. Как и в случае с определением максимальной ЧСС, наилучшим способом определения МПК является тестирование в лаборатории, но ряд производителей пульсометров использует алгоритмы расчета МПК приемлемой точности. Тренировки помогают улучшить значения этого показателя.

Беговая производительность (running performance). Показатель, использующий VO2max (глобальный стандарт аэробной тренированности и выносливости) для отслеживания прогресса в тренировках.

Пиковый тренировочный эффект (peak training effect, PTE). Показывает влияние тренировочной сессии на общую выносливость и аэробную производительность. Чем вы тренированнее, тем тяжелее вы должны тренироваться для того, чтобы достичь более высоких цифр PTE.

Вместо вывода

При интенсивном использовании пульсометр может быть великолепным помощником для бегуна. Крайне неверно считать пульсометр дорогой игрушкой, который совсем необязателен для «серьезных» спортсменов. Определитесь с целями на сезон, а после начните выстраивать тренировочный план.

Помните, что измерение и контроль ЧСС во время тренировок - надежный способ улучшить результаты и избежать перетренированности.

Для тех, кто только начинает свой беговой путь, можно порекомендовать сначала наблюдать за пульсом в ходе лёгких пробежек, и уже затем переходить к какому-либо тренировочному плану. Данные, полученные с помощью пульсометра, помогут понять, как ваш организм реагирует на нагрузку.

Тем не менее, не нужно становиться заложником цифр и гаджетов. Учитесь слушать свой организм, оценивайте ощущения от каждой тренировки, ну а цифры станут важным дополнительным источником информации.

Для контроля частоты сердечных сокращений все кардиотренажеры оснащаются датчиками пульса. Штатно все беговые дорожки комплектуются проводными датчиками, которые имеют простое устройство, но высокую погрешность измерений.

Беспроводные датчики являются наиболее точными приборами измерения пульса, погрешность которых не превышает +/- 1 удар.

Пульс - это количество расширений артерии в момент выбросов крови сердцем за единицу времени. Нужно отметить, что пульс и частота сердечных сокращений (ЧСС) - это не одно и то же, хотя для физически здорового человека их значения действительно будут одинаковыми. Частота сердечных сокращений характеризуют работу нижних отделов сердца (желудочков) за единицу времени (минуту) и может значительно отличаться от частоты пульса. Такое явление можно наблюдать при нарушении ритма сердца (аритмии).

Нормы значений пульса

Каждый человек индивидуален и значения частоты сердечных сокращений могут значительно различаться для разных людей. Фактором, влияющим на ЧСС, является физическая подготовленность, степень тренированности сердца и организма в целом. Организм - это сложная система, в котором сердце решает задачу транспортировки кислорода всем тканям и органам.

Как правило, сердце тренированных спортсменов в состоянии покоя сокращается значительно реже сердца среднестатистического человека.

Нормой для здорового человека считается диапазон 60-90 ударов в минуту. При значениях пульса ниже 60 ударов в минуту наступает брадикардия, при учащенных значениях выше 90 ударов - тахикардия. Надо знать, что у новорожденного ребенка учащенное значение пульса до 140 ударов в минуту считается нормой, а пульс у женщины в сравнении с мужчиной выше на 5-10 ударов.

Значения пульса быстро растут при физических нагрузках, во время эмоциональных всплесков (гнев, страх, волнение), зависит от статистического положения тела (стоя, сидя), увеличивается после еды или после применения некоторых медикаментов.

Таблица 1 - Среднестатистические значения частоты сердечных сокращений для здорового человека.

Возраст	ЧСС в минуту
Новорожденный	135-140
6 месяцев	130-135
1 год	120-125
2 года	110-115
3 года	105-110
4 года	100-105
5 лет	93-100
7 лет	90-95
8 лет	80-85
9 лет	80-85
10 лет	78-85
11 лет	78-84
12 лет	75-82
13 лет	72-80
14 лет	72-78
15 лет	70-76
16 лет	68-72

Для чего необходимо контролировать пульс на беговой дорожке?

Чтобы тренировки были максимально эффективными, необходимо следить за частотой сердечных сокращений. Зона эффективности рассчитывается, исходя из значений максимальной частоты сердечных сокращений (МЧСС). Для мужчин МЧСС = 220 – возраст, для женщин это значение составляет МЧСС = 226 – возраст.

Условно целевые зоны можно разбить на четыре диапазона:

1. Зона общей оздоровительной нагрузки (щадящий режим): 50-60 % от МЧСС. Такая зона рекомендуется начинающим пользователям и людям, ведущим малоактивный образ жизни.
2. Зона умеренной нагрузки (общий режим): 60-70 % от МЧСС. Подходит для большинства тренировок, которые направлены на эффективное сжигание жира.
3. Зона повышенной нагрузки (продвинутый режим): 70-80 % от МЧСС. Рекомендуется для опытных людей с тренированным сердцем, целевая зона предназначена для укрепления сердечно-сосудистой системы.
4. Зона анаэробной нагрузки (кратковременный экстремальный режим): 80-90 % от МЧСС. Рекомендуется для спортсменов, работающих по индивидуальным программам в присутствии тренера.

Виды кардиодатчиков для беговых дорожек

Проводные датчики измерения пульса

Первые попытки электрически измерить пульс появились в начале 20 века. В 1902 году Виллем Эйнтховен с помощью струнного гальванометра получил первый электрический кардиосигнал. Вес его измерительного прибора составлял 270 кг, а вот принцип измерения дошел до наших времен. В основе измерений ЧСС лежит система отведений (треугольник Эйнтховена), который регистрирует момент электрического возбуждения желудочков.

Гальванометр, при помощи которого в 1902 году измеряли частоту сердечных сокращений

Современные беговые дорожки оснащаются проводными датчиками измерения пульса. Принцип работы таких датчиков прост: два электрода, расположенные на поручнях, измеряют разность потенциалов, а информацию по проводам передают в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) консоли. Там информация обрабатывается и выдается на экран.

Недостатком такой системы является высокая погрешность измерений (20-30%), неудобство использования и скорость отображения реальных значений.

Часто получается так, что лишь через 30-40 секунд удерживания датчиков можно судить об истинных значениях ЧСС.

На поручнях консоли имеются проводные датчики измерения пульса

Беспроводные датчики измерения пульса

Беспроводные кардиодатчики имеют простое устройство и ряд преимуществ в сравнении с проводными устройствами:

1. Максимально точные измерения ЧСС. Погрешность беспроводных датчиков +/- 1 удар в минуту
2. Удобство использования. Кардиодатчик при помощи специального пояса закрепляется в районе сердца. При помощи двух электродов происходит регистрация разности потенциалов. Электроды рекомендуется смачивать водой для хорошего контакта. Далее по радиоканалу передается аналоговый либо цифровой сигнал, который поступает на приемник консоли и отображается на экране.
3. Возможность использования кардиозависимых программ.

Беспроводные кардиодатчики для измерения пульса имеют более точные измерения частоты сердечных сокращений. Погрешность беспроводных датчиков +/- 1 удар в минуту

Недостатки такого метода несущественны:

1. Необходимость использования в датчике батарейки. При каждодневных тренировках заряда хватит на 1 год.
2. Неудобство использования кардиопояса при длительных тренировках.

Наиболее популярные беспроводные датчики измерения пульса

Для измерения пульса применяются беспроводные датчики, работающие в диапазоне частот 5 кгЦ. Датчики бывают кодированные (применяются в фитнес-залах), и некодированные (предназначенные для домашней эксплуатации).

Ведущим лидером на рынке пульсометров является компания Polar . Наряду с ней в продаже можно встретить пульсометры торговых марок Sigma, Beurer, Oregon, Garmin, Suunto. Самые бюджетные модели имеют маленький набор функций и идут в цене от 500 рублей. В среднем ценовом диапазоне от 3000 рублей можно встретить качественные и удобные пульсометры. Дорогие модели, предназначенные для интенсивного и профессионального использования, нередко имеют кодированный сигнал, продаются в районе 20000 рублей.

Многие модели беговых дорожек имеют в комплекте беспроводной кардиопояс, преимущественно фирмы Polar, работающий на частоте 5,4 кГц.

Как узнать можно ли использовать беспроводной кардиодатчик на своем тренажере?

Перед покупкой беговой дорожки стоит уточнить наличие телеметрического приемника ЧСС в данной модели. Такую техническую информацию можно получить на официальном сайте продавца, либо в инструкции по эксплуатации тренажера.

Подключение кардиодатчика

Если кардиодатчик включается впервые, то необходимо установить батарейку питания, которая также поставляется в комплекте. Далее контактируемая с телом поверхность кардиодатчика смачивается водой и кардиопояс фиксируется на груди. После включения тренажера происходит автоматическое согласование устройств.

Учитывая рост всеобщего внимания к измерителям мощности, произошедший за последние годы, вы вполне могли решить, что мониторы сердечного ритма вышли из употребления. Это не так, они всё ещё являются полезным подспорьем в тренировках велосипедистов.

Монитор сердечного ритма или по простому пульсометр, как и предполагает его название, измеряет ваше сердцебиение в ударах за минуту и отображает его на экране. Как вы, вне всякого сомнения, могли заметить, чем больше усилий вы прилагаете при езде, тем быстрее бьётся ваше сердце.

Так что сердечный ритм или ЧСС — полезный показатель вашего уровня усилий.

Таким образом, вы можете использовать монитор сердечного ритма во время тренировок, устанавливая желаемые диапазоны сердцебиения для тренировочных сессий.

Некоторые устройства записывают ваше сердцебиение каждую секунду для дальнейшего анализа, а также способны оценить количество потраченных калорий. Такие пульсометры будут полезны велосипедистам, желающим сбросить лишний вес.

Стоит отметить, что сердечный ритм нельзя назвать идеальным показателем ваших усилий. На него влияет время суток, напитки с содержание кофеина, погода и ваш уровень усталости. Тем не менее, эти мониторы всё равно полезны и стоят гораздо меньше, чем самые дешёвые современные приборы для измерения мощности.

Более продвинутые модели могут работать и вместе с измерителями мощности, так что в будущем у вас будет возможность перейти к более серьёзным тренировкам.

Почти все мониторы сердечного ритма работают одинаково: датчик, закреплённый на вашей груди, передаёт биения сердца устройству с экраном, которое замеряет и/или записывает сердечный ритм.

В роли такого устройства могут выступать часы, велосипедный компьютер, установленный на рулевой колонке, или GPS-модуль. Это может быть даже ваш смартфон. Многие современные датчики мониторов сердечного ритма используют технологию Bluetooth Smart с низким энергопотреблением для прямого взаимодействия с вашим телефоном.

Либо вы можете добавить к своему телефону приёмник ANT+, работающий с совместимыми датчиками.

Дешевле всего стоят автономные мониторы сердечного ритма, почти всегда встроенные в спортивные часы. Они просты в использовании и являются одним из самых универсальных способов измерения сердечного ритма для людей, занимающихся несколькими видами спорта.

Чем больше вы готовы потратить, тем больше функций получите и тем больше устройство или связанные с ним приложения будут для вас делать, например, рассчитывать зоны сердечных сокращений или предупреждать вас, когда вы прилагаете слишком много или наоборот мало усилий во время текущей тренировки.

Чего желают в поздравительных речах больше всего? Конечно же, здоровья, которое всё чаще становится объектом вдохновения для производителей разнообразных гаджетов. Но разве сегодня есть люди, которых можно удивить браслетом для мониторинга физической активности? Вряд ли. Инженеры южнокорейской компании Samsung, с историей создания которой мы , решились на внедрение инновации, которая представлена датчиком сердцебиения. Многие поклонники высоких технологий задались вопросом о необходимости его наличия, но получить ответ от первоисточника пока не удавалось. До сегодняшнего дня. Итак, зачем в понадобился Heart Rate Sensor, и, главное, как же он работает?

Прежде всего, стоит отметить, что пятое поколение смартфонов линейки Galaxy является далеко не единственным устройством с поддержкой датчика сердцебиения. К таковым также относятся и , с которыми нам приходилось видеться. Но почему выбор пал именно на средство для измерения пульса?

Согласно утверждению представителей компании, частота сердечных сокращений является одним из наиболее часто измеряемых биологических показателей. Благодаря ей можно получить общее представление о своём состоянии не только до, во время и после тренировок, но и на протяжении выполнения рутинных заданий. Ввиду того, что гаджеты сопровождают нас практически повсюду, было принято решение о целесообразности использования данной функции.

Процесс измерения пульса со стороны выглядит невероятно просто: Galaxy S5 активирует красную вспышку, вы прикладываете к ней палец, проходит пять секунд — результат отображается на экране. Впрочем, изнанка вычисления частоты сокращений сердца куда более запутанная.

Для начала нам пригодятся некоторые базовые знания из биологии. Дело в том, что кровь двигается по кровеносным сосудам с разной скоростью. Это, в свою очередь, является следствием различного давления в артериях и венах.

Магия, что естественно, происходит после помещения пальца на светодиод. Благодаря помощи последнего, смартфону удаётся определять количество отраженного света, которое будет разниться в зависимости от скоростей движения крови. После анализа этой разницы в течение 5-10 секунд Galaxy S5 готов продемонстрировать готовый результат.

Одним из главных преимуществ сенсора является то, что руководство компании приняло решение о распространении средств для разработки. Соответственно, уже в скором времени стоит ожидать появление сторонних приложений для работы с датчиком сердцебиения. О последствиях такой стратегии для сканера отпечатков пальцев можно узнать .

В этой статье вы узнаете о нескольких деталях, на которые нужно обращать внимание при разработке сенсоров фотоплетизмографа.

Введение

В предыдущей статье вы познакомились с конструкцией . Сегодня я поделюсь некоторыми наработками, которые могут быть полезны при выборе элементной базы плетизмографа и разработке его электрической схемы. Они помогут улучшить качество полезного сигнала, на которое в первую очередь влияют следующие факторы:

• отсутствие артефактов;
• наличие выраженной пульсовой волны в точке регистрации;
• конструкция чувствительного элемента.

Артефакт – не относящееся к полезной составляющей изменение формы сигнала, спектрально и амплитудно схожее с ним.

Существуют несколько источников артефактов:

• передвижения человека, использующего фотоплетизмограф, относительного источника освещения, естественного или искусственного, например, перемещение тени от солнца во время занятий спортом;
• передвижения источника света относительно человека или изменение яркости этого источника. Например, мерцания люминесцентных ламп;
• не связанные с пульсом движения частей тела вызывающие движения фотоплетизмографа или точек тела в том месте, где установлен чувствительный элемент. Например, движения костей предплечья, возникающие при движениях пальцами, движения костей головы, связанные с речью и мимикой.

Кроме артефактов качество измерения пульса зависит от выраженности пульсовой волны. У одного и того же человека пульс может быть проявлен очень хорошо и очень плохо. Например, я много раз наблюдал за изменением пульса во время трехчасового компьютерного психо-физиологического тестирования. Измерение пульсограммы производилось с мочки уха. При этом сигнал ухудшался с течением времени. Это могло происходить достаточно быстро – за полчаса, и связано, предположительно, с тем, что ушная клипса ухудшает кровоток, а также с вынужденной неподвижностью испытуемого.

Похожая ситуация наблюдается при измерении пульса с фаланги пальца. Изменение температуры в помещении или легкое изменение позы человека и вызванное этим смещение точки регистрации на небольшое расстояние могут привести к снижению уровня сигнала или вовсе к его исчезновению.

При измерении пульса с виска проблема отсутствия сигналов обостряется. Площадь виска больше площади пальца, труднее найти точку, в которой пульс лучше проявлен, и больше вероятность, что пользователь наденет датчик неправильно.

Многоканальные чувствительные элементы

Для решения описанной проблемы может быть применен распространенный в технике принцип – дублирование, которое в данном случае подразумевает использование датчика с несколькими чувствительными элементами. Принципиальная схема, реализующая такую идею, приведена на следующем рисунке.

Предвижу скептические мысли читателей насчет параллельно включенных светодиодов. Прошу не судить строго, так как это опытный образец, который не должен был эксплуатироваться длительное время.

Светодиоды и фототранзисторы на печатной плате располагаются попарно. Размер платы выбирается таким, чтобы перекрывать всю область виска, это позволяет располагать там же схему усиления и фильтрации сигнала. Плата может содержать отверстия для крепления к ленте-тесьме. Внешний вид датчика с девятью чувствительными элементами представлен на следующем рисунке.

Аналогичное решение может быть применено для измерения пульса с пальца или запястья. Ниже изображена схема датчика, состоящего из четырех фототранзисторов и одного светодиода.

Эмиттеры фототранзисторов могут не соединяться и тогда сигналы с каждого из них измеряются независимо, в этом случае требуется специальное многоканальное измерительное устройство. Многоканальное исполнение может быть также полезно для устранения артефактов. Если артефакт возникает только в районе одного фотоэлемента, он фиксируется и не учитывается в общей картине измерения. Однако использование такой схемы не всегда удобно, так как приводит к увеличению габаритов. Совсем другое дело, если соединить фоточувствительные элементы параллельно. В этом случае требуется только один измерительный канал. На следующем рисунке приведен прототип такого датчика. Он работает по схеме «на отражение». Светодиод располагается в центре, а фототранзисторы по краям. Датчик может использоваться для регистрации пульсограммы с фаланги пальца или запястья. Печатная плата разведена так, чтобы иметь возможность подключать фототранзисторы в многоканальный или одноканальный варианты.

Компаудирование

Для лучшей фиксации фотоэлементов поверхность печатной платы может быть залита компаундом. Для заливки изготавливается специальная форма, которую вы также видите на рисунке. Чтобы компаунд не прилипал к форме, ее лучше изготавливать из фторопласта. Если форму выполнить из другого материала, например из металла, то перед заливкой компаунда ее следует смазать специальным составом. Если такого состава нет в наличии, подойдет обычный вазелин. Следует также внимательно подходить к выбору компаунда, так как неправильно выбранный состав может деформировать элементы при отверждении.

Кроме фиксации компаунд выполняет роль светофильтра. Для этой цели подходят эпоксидные компаунды с красителями. Например может использоваться компаунд «Эпоксикон» производства СПбГТИ.

Альтернативу компаундам могут составить твердые светофильтры. Они вплотную прилегают к печатной плате, а для светодиодов и фототранзисторов выполняются пазы фрезой или лазером. На следующем рисунке изображен датчик с элементами, закрытыми отфрезерованной пластиной.

Наличие светофильтра позволяет минимизировать артефакты, создаваемые внешними источниками света. На следующем изображении представлен вид оптических компаундов до отверждения и после.

Особенности выбора фототранзисторов и светодиодов

Для регистрации пульсовой волны используются фоточувствительные элементы – фотодиоды или фототранзисторы. В этой статье речь идет только о фототранзисторах. Потому что на момент моего начала работ в этом направлении уже имелись на руках несколько десятков различных транзисторных сенсоров (клипс, прищепок и напалечников), а также были наработанные схемотехнические решения. Использование диодов при этом ничуть не хуже и повсеместно применяется в различных приложениях, например в распространённых медицинских датчиках стандарта Nellcor.

При выборе фототранзисторов и светодиодов в первую очередь следует обращать внимание на следующие характеристики:

• длину волны (максимум спектральной характеристики) [нм];
• угол половинной яркости для светодиодов и угол охвата для фототранзисторов [град.];
• интенсивность излучения [мВт/ср] для светодиодов и чувствительность для фототранзисторов [мА/(мВт/см2)];
• номинальный ток фототранзистора и светодиода [мА];
• темновой ток фототранзистора [мА];
• наличие встроенных в корпус линз и светофильтров.

Для измерения пульса лучше всего подходят длины волн, которые сильнее всего поглощаются кровью. Это волны соответствующие зеленому цвету 530 нм. Так же используются красный и инфракрасный диапазоны. Очень рекомендую с классификацией способов измерения пульса, там же вы узнаете про спектр поглощения гемоглобина.

При выборе фотоэлементов следует обращать внимание на наличие линз и светофильтров, которые позволяют достичь желаемого угла половинной яркости и охвата, а, значит, быть менее чувствительным к излучению от других источников. Встроенные фильтры позволяют работать только в выбранном спектральном диапазоне. Если выбрать светодиод с большим углом половинной яркости и фототранзистор с большим углом охвата, то свет будет проходить, минуя поверхность кожи. Это приведет к ухудшению измерительного диапазона и световой поток, модулируемый пульсовой волной, практически не будет влиять на выходной сигнал измерительной схемы. Эта ситуация проиллюстрирована на следующем рисунке

Угол а2 является допустимым, а угол а1 слишком велик для того чтобы использовать светодиод с таким углом в устройстве измерения пульса. Этот пример относится к случаю измерения пульса «на отражение». Выбор светодиода с большим углом половинной яркости в устройствах, работающих «на просвет» приведет к тому, что большая мощность излучения будет проходить мимо фотоприемника. Это нежелательно, особенно в мобильных устройствах.

Также следует обращать внимание на интенсивность излучения светодиода, измеряемую в милливаттах на стерадиан [мВт/ср]. В документах на светодиоды она указывается обычно при токах 20, 100 и 1000 мА. Для экономии электроэнергии лучше выбирать светодиоды, у которых эта характеристика выше при одном и том же потребляемом токе. Следует обращать внимание на величину фотоэлектрического тока фототранзистора, чем больше ее значение, тем лучше. Последние две характеристики связаны между собой. В результате, уровень минимально ожидаемого сигнала должен быть хотя бы в несколько раз выше ожидаемого уровня шумов в измерительном устройстве.

Светодиоды и фототранзисторы часто продаются парами, подходящими друг к другу конструктивно и по спектральным характеристикам. В таблице приведены характеристики нескольких пар светодиодов и фототранзисторов. Пары в строчках 2 и 3 не подходят для использования в пульсометрах из-за большого угла и низкой мощности излучения. Пары 1, 4 и 5 подходят, причем первая пара подходит лучше всего. Это было подтверждено испытаниями. При прочих равных условиях лучший сигнал пульсограммы снимался при использовании первой пары. Нужно отметить, что если между светодиодом и фототранзистором поставить непрозрачную преграду, то угол излучения и чувствительности будут не так сильно влиять на качество измерения пульса.

Заключение. Три в одном

Вместо заключения упомяну замечательное интегральное решение, которое в комментариях к предыдущей статье привел хабрапользователь