Fitbit širdies ritmo aktyvumo LED jutikliai

Kaip tas mažas riešinės prietaisas žino, kad jūsų širdis plaka

Pirmą kartą užsidėjus Fitbit apyrankę ant riešo, daugelis žmonių nustebę pastebi žalius švytuojančius šviesos taškus ant prietaiso apačios. Ne, tai ne kokia futuristinė dekoracija ar dizainerio užgaida – tai optiniai jutikliai, kurie nuolat stebi jūsų širdies ritmą. Technologija vadinama PPG (photoplethysmography), o paprastai tariant – tai būdas matuoti kraujotaką naudojant šviesą.

Principas gana paprastas, nors skamba sudėtingai. Fitbit apyrankės apačioje yra keletas LED lemputių (dažniausiai žalios spalvos) ir šalia jų – fotodetektoriai, kurie veikia kaip mažyčiai fotoaparatai. Kai LED lemputė šviečia į jūsų odą, šviesa prasiskverbia pro viršutinius odos sluoksnius ir patenka į kraujagysles. Čia prasideda įdomiausia dalis: kraujas sugeria dalį šviesos, o likusi dalis atsispindi atgal į fotodetektorių.

Kai širdis susitraukia ir išstumia kraujo porciją į kraujagysles, jų tūris laikinai padidėja. Tai reiškia, kad sugeriama daugiau šviesos. Kai širdis atsipalaiduoja, kraujagyslėse kraujo mažiau, todėl daugiau šviesos atsispindi atgal. Šie pokyčiai vyksta kiekvieną kartą, kai širdis plaka, o Fitbit jutikliai juos užfiksuoja ir paverčia tais skaičiukais, kuriuos matote ekrane.

Kodėl būtent žalia šviesa

Galbūt pastebėjote, kad beveik visi širdies ritmo sekikliai naudoja žalią šviesą. Tai ne atsitiktinumas – čia slypi fiziologijos ir optikos mokslo derinys. Raudonas hemoglobinas kraujyje ypač gerai sugeria žalią šviesą, todėl ji puikiai tinka aptikti kraujotakos pokyčiams.

Bandymai su kitomis spalvomis parodė, kad raudona ar mėlyna šviesa neduoda tokių tikslių rezultatų. Žalia šviesa prasiskverbia į odą tinkamu gyliu – ne per giliai, bet ir ne per paviršutiniškai. Ji pasiekia būtent tas smulkias kraujagysles (kapiliarus), kuriose vyksta tie pulso pokyčiai, kurių mums ir reikia.

Tiesa, kai kurie naujesni Fitbit modeliai naudoja ir raudoną bei infraraudonąją šviesą papildomai. Tai padeda gauti tikslesnius matavimus esant sudėtingesnėms sąlygoms – pavyzdžiui, kai intensyviai sportuojate arba kai lauke šalta ir kraujotaka odoje sulėtėja.

Kas vyksta po oda

Įsivaizduokite savo riešą kaip sudėtingą kraštovaizdį. Viršuje – oda su pigmentais, plaukeliais, prakaitavimu. Giliau – riebalinis sluoksnis, raumenys, sausgyslės, kaulai. Ir visur tarp jų – kraujagyslės, nuo mažyčių kapiliarų iki stambesnių arterijų.

Kai Fitbit LED lemputė šviečia, šviesos spinduliai keliauja pro šį sudėtingą audinių labirintą. Dalis šviesos išsisklaidys, dalis bus sugertas melanino pigmento odoje, dalis pasieks raumenis. Bet dalis – ir tai svarbiausia – pasieks kraujagysles su tekančiu krauju.

Arterinis kraujas, pilnas deguonies, yra ryškiai raudonas ir labai gerai sugeria žalią šviesą. Kiekvieną kartą, kai širdis išstumia naują kraujo porciją, arterijose padaugėja šio raudono, šviesos sugeriančio skysčio. Fotodetektorius užfiksuoja, kad atgal grįžo mažiau šviesos – ir štai jums vienas širdies plakimas.

Kodėl kartais matavimas neveikia

Turbūt visi Fitbit naudotojai yra patyrę situaciją, kai prietaisas tiesiog atsisako rodyti širdies ritmą arba rodo keistus skaičius. Tai ne gedimas – tai optinių jutiklių apribojimai susidūrę su realiu gyvenimu.

Pirma problema – judesys. Kai bėgate ar šokate, jūsų ranka juda, o kartu juda ir Fitbit apyrankė ant odos. Tai sukelia triukšmą matavime, nes fotodetektorius gauna chaotiškai besikeičiančius signalus. Naujesni Fitbit modeliai naudoja sudėtingus algoritmus, kurie bando atskirti tikrą širdies plakimą nuo judesio triukšmo, bet tai ne visada pavyksta tobulai.

Antra problema – odos pigmentacija. Tamsesnė oda turi daugiau melanino, kuris taip pat sugeria žalią šviesą. Tai reiškia, kad iki kraujagyslių pasiekia mažiau šviesos ir atgal grįžta dar mažiau. Fitbit inžinieriai tai žino ir reguliuoja LED lemputių intensyvumą, bet vis tiek kartais matavimas būna mažiau tikslus.

Trečia problema – apyrankės prilegimas. Jei Fitbit apyrankė per laisva, tarp jutiklių ir odos lieka oro tarpas, į kurį gali patekti aplinkos šviesa. Tai visiškai supainioja matavimus. Bet jei per stipriai priveržiate – sutrukdote normaliai kraujotakai, ir tai irgi iškraipo rezultatus. Reikia rasti aukso viduriuką.

Technologinė evoliucija nuo pirmųjų modelių

Pirmieji Fitbit modeliai su širdies ritmo matavimu atsirado apie 2015-uosius. Tada naudoti jutikliai buvo gana primityvūs – viena ar dvi žalios LED lemputės ir vienas fotodetektorius. Matavimas veikė gerai ramybės būsenoje, bet sportuojant duomenys būdavo labai nepatikimi.

Per kelerius metus technologija šoktelėjo į priekį. Dabar naujesni Fitbit modeliai naudoja kelis LED šaltinius, išdėstytus skirtingose vietose. Kai kurie modeliai turi net šešis ar daugiau LED taškų. Tai leidžia matuoti iš skirtingų kampų ir gauti patikimesnius duomenis.

Fotodetektorių taip pat padaugėjo ir jie tapo jautresni. Šiuolaikiniai jutikliai gali užfiksuoti net labai mažus šviesos intensyvumo pokyčius, o tai reiškia tikslesnį širdies ritmo matavimą. Pridėkite prie to galingesnį procesorių, kuris realiu laiku apdoroja duomenis ir filtruoja triukšmą – gausite šiuolaikinį Fitbit.

Įdomu tai, kad technologija tapo ir energiškai efektyvesnė. Pirmieji modeliai greitai išsekdavo bateriją, nes LED lemputės nuolat šviesdavo. Dabar prietaisai protingai reguliuoja matavimo dažnumą – dažniau matuoja, kai sportuojate, ir rečiau, kai ramiai sėdite biure.

Ką dar gali pamatyti tie patys jutikliai

Širdies ritmo matavimas – tai tik pradžia. Tie patys PPG jutikliai gali duoti daug daugiau informacijos apie jūsų sveikatą, jei tik mokate teisingai interpretuoti signalus.

Pavyzdžiui, širdies ritmo variabilumas (HRV) – tai laiko tarpų tarp atskirų širdies plakimų svyravimai. Gali atrodyti, kad širdis turėtų plakti kaip metronomas, bet iš tikrųjų sveika širdis šiek tiek keičia ritmą. Tai rodo, kaip gerai jūsų nervų sistema prisitaiko prie aplinkos. Fitbit analizuoja šiuos duomenis ir gali įvertinti jūsų streso lygį ar atsigavimą po treniruotės.

Dar vienas dalykas – kraujo deguonies įsotinimas (SpO2). Kai kurie Fitbit modeliai gali apytiksliai įvertinti, kiek deguonies yra jūsų kraujyje. Tam naudojama raudona ir infraraudonoji šviesa, nes deguonimi prisotintas hemoglobinas ir deguonies neturintis hemoglobinas skirtingai sugeria šias šviesos bangas. Tai naudinga stebint miego kokybę ir galimas kvėpavimo problemas.

Netgi jūsų miego fazės gali būti nustatomos iš širdies ritmo duomenų. Giliojo miego metu širdis plaka lėčiau ir stabiliau, o REM miego fazėje – greičiau ir nereguliariau. Derinant šiuos duomenis su akselerometro informacija apie judesius, Fitbit gali gana tiksliai nustatyti, kada miegojote giliai, o kada tik dūzgėte paviršutiniškai.

Ar galima pasitikėti šiais matavimais

Atvirai kalbant – priklauso nuo to, kam jų reikia. Jei norite stebėti bendras tendencijas, matyti, kaip keičiasi jūsų ramybės pulso rodikliai per savaites ar mėnesius, ar suprasti, kaip intensyviai treniruojatės – Fitbit puikiai tinka.

Bet jei reikia medicininės tikslybės – pavyzdžiui, diagnozuoti aritmijas ar kitas širdies problemas – tada riešinės prietaisas nėra pakankamas. Medicininiai EKG prietaisai matuoja elektrinius širdies signalus tiesiogiai per elektrodų, o tai visiškai kitoks principas, duodantis daug tikslesnę informaciją.

Tyrimai rodo, kad Fitbit širdies ritmo matavimai ramybės būsenoje būna tikslūs apie 95-98 procentų. Tai geras rezultatas. Bet intensyvaus treniruotės metu tikslumas gali nukristi iki 80-90 procentų, priklausomai nuo sporto tipo. Bėgimas su ritmingais rankų judesiais – gerai. Svorių kilnojimas su staigiais judesiais – jau sunkiau. Dviračio važiavimas laikant rankas ant vairo – irgi sudėtinga, nes riešas nejuda.

Praktinis patarimas: jei norite patikrinti, ar jūsų Fitbit tiksliai matuoja, palyginkite jo rodmenis su rankiniu pulso matavimu. Suskaičiuokite pulsą per 15 sekundžių ir padauginkite iš keturių. Jei skirtumas didesnis nei 5-10 plakimų per minutę – galbūt reikia kitaip užsidėti apyrankę arba ji nešvari ir reikia nuvalyti jutiklius.

Kaip prižiūrėti ir optimaliai naudoti jutiklius

Tie žali LED taškeliai gali atrodyti nesunaikinamų, bet iš tikrųjų jie reikalauja tam tikros priežiūros. Pirmiausia – švara. Prakaitas, odos riebalai, losjonas, purvas – visa tai kaupiasi ant jutiklių paviršiaus ir trukdo šviesai prasiskverbti į odą.

Rekomenduoju bent kartą per savaitę švelniai nuvalyti Fitbit apyrankės apačią drėgna šluoste. Jei intensyviai sportuojate – dar dažniau. Nenaudokite šveitimo priemonių ar alkoholio, nes tai gali pažeisti plastiko paviršių ar pačius jutiklius. Paprastas vanduo su lašeliu muilo puikiai tinka.

Antra svarbi detalė – nešiojimo būdas. Fitbit turėtų būti ant riešo maždaug per dviejų pirštų plotį aukščiau riešo kaulo. Ne ant paties kaulo ir ne per aukštai ant dilbio. Apyrankė turi priglūsti prie odos, bet ne veržti. Turėtumėte sugebėti prakišti po ja vieną pirštą.

Kai sportuojate, galite šiek tiek labiau priveržti apyrankę – tai sumažins jos judėjimą ir pagerins matavimo tikslumą. Bet po treniruotės atleiskite, kad oda galėtų kvėpuoti. Nuolatinis per stiprus spaudimas gali sudirginti odą ir net sutrikdyti kraujotaką.

Dar vienas triukas – kartais pakeiskite ranką. Jei visada nešiojate Fitbit ant kairės rankos, kartais pabandykite ant dešinės. Tai duoda odai pailsėti ir sumažina dirginimo riziką. Be to, kai kurie žmonės pastebi, kad ant vienos rankos matavimas veikia tiksliau nei ant kitos – dažniausiai dėl to, kuri ranka dominuojanti ir kaip išsidėsčiusios kraujagyslės.

Ateities perspektyvos ir tai, kas laukia už kampo

Optiniai širdies ritmo jutikliai nuėjo ilgą kelią, bet technologija vis dar tobulėja. Viena įdomiausių krypčių – neinvazinis gliukozės kiekio kraujyje matavimas. Teoriškai, analizuojant, kaip šviesa sąveikauja su krauju, galima nustatyti ir cukraus kiekį. Tai būtų revoliucija diabetu sergantiems žmonėms, kurie dabar turi durti pirštus kelis kartus per dieną.

Kitas tyrimo laukas – kraujospūdžio matavimas per optinį jutiklį. Dabar tam reikia specialių manžetų, bet ateityje galbūt pakaks paprastos apyrankės. Principas būtų panašus – analizuojant, kaip keičiasi kraujagyslių tūris ir kaip greitai pulsas sklinda per kraujagysles, galima apskaičiuoti spūdį.

Fitbit ir kiti gamintojai taip pat eksperimentuoja su dirbtinio intelekto algoritmais, kurie galėtų anksčiau aptikti sveikatos problemas. Pavyzdžiui, nereguliarūs širdies ritmo pokyčiai, kurie gali rodyti prieširdžių virpėjimą – rimtą būklę, didinančią insulto riziką. Jei prietaisas galėtų tai pastebėti ir perspėti – tai išgelbėtų gyvybes.

Technologiškai jutikliai tampa mažesni, energiškai efektyvesni ir tikslesni. Galbūt netrukus pamatysime Fitbit, kurie galės matuoti širdies ritmą net per drabužius, arba jutiklius, integruotus į ausines ar akinius. Galimybės beveik begalinės, kai supranti pagrindinį principą – šviesa ir kraujas sąveikauja nuspėjamai, o mes mokame tą sąveiką interpretuoti.

Kas tikrai įdomu – jutikliai darosi ne tik geresni, bet ir prieinamesni. Prieš dešimtmetį optinis širdies ritmo matavimas buvo prabangos funkcija. Dabar jį turi net pigiausi aktyvumo sekikliai. Tai reiškia, kad milijonai žmonių gali stebėti savo širdies sveikatą kasdien, o tai jau keičia visuomenės požiūrį į prevenciją ir sveikatos priežiūrą.

Taigi tie mažyčiai žali LED taškeliai ant jūsų Fitbit – tai ne tik šviesos šaltiniai. Tai langas į jūsų širdies veiklą, į kraujotakos paslaptis, į tai, kaip jūsų kūnas reaguoja į stresą, treniruotes, miegą ir kasdienį gyvenimą. Ir visa tai pagrįsta paprasta, bet genialiai pritaikyta idėja – šviesą galima naudoti matuoti gyvenimą.