ФПГ: как часы считывают пульс

Датчик фотоплетизмографии ( ФПГ ФПГ ФПГ Оптический метод: свет направляют в кожу и улавливают пульсацию крови при каждом ударе сердца. Большинство часов, колец и приложений с камерой телефона оценивают по ней ВСР. Подробнее: ФПГ , англ. PPG) — это огонёк на тыльной стороне часов или внутри кольца. Он направляет свет в кожу и измеряет, сколько его возвращается. Каждый удар сердца проталкивает в кожу немного дополнительной крови, которая на мгновение приглушает свет, так что на каждый удар датчик видит одну волну. Всё, что часы сообщают о сердце, от пульса и ВСР до содержания кислорода в крови и оповещений о нерегулярном ритме, основано на моментах появления и форме этих волн.

Что делает датчик ФПГ

PPG расшифровывается как фотоплетизмография: «фото» — свет, «плетизмо» — объём. Устройство небольшое. Светодиод направляет свет в ткань, а фотодиод измеряет свет, выходящий из неё. Кровь поглощает свет, поэтому, когда в ткани больше крови, до фотодиода доходит меньше света (Allen, 2007).

Детали можно расположить двумя способами:

• На просвет. Светодиод и фотодиод стоят по разные стороны кончика пальца или мочки уха. Так работают больничные пульсоксиметры и датчики-прищепки на палец.
• На отражение. Светодиод и фотодиод стоят рядом на одной поверхности, а фотодиод ловит рассеянный обратно свет. Так работают часы, кольца и приём «камера со вспышкой» в телефоне (Allen, 2007).

Важен цвет света. Красный и инфракрасный свет проникают в ткань глубоко, а это нужно пульсоксиметру. Зелёный свет сильно поглощается кровью и проникает не так глубоко, поэтому на запястье он даёт более чистый пульс и лучше выдерживает движение. Вот почему тыльная сторона большинства часов светится зелёным при измерении пульса и переключается на красный и инфракрасный только для измерения кислорода в крови (Castaneda и коллеги, 2018; Charlton и коллеги, 2023).

У сигнала две части. Большая часть возвращающегося света — постоянный уровень, так называемая постоянная составляющая ( DC DC Способность к замедлению ритма Средняя величина замедлений сердца в миллисекундах: её находят, усредняя картину вокруг каждого удара, который медленнее предыдущего. 24-часовой вагусный показатель, применяемый после инфаркта миокарда. Подробнее: Способность к замедлению ритма ); его задают кожа, кости и кровь, которая там есть всегда. Поверх него идёт небольшая рябь — переменная составляющая (AC), повторяющая каждый удар сердца. Рябь — лишь малая доля общего сигнала, поэтому электронике датчика приходится её усиливать, а небольшие помехи могут её заглушить (Allen, 2007).

Форма одной пульсовой волны

Если перевернуть рябь так, чтобы больше крови соответствовало движению вверх, каждый удар сердца выглядит так.

1. Систолический пик
2. Дикротическая вырезка
3. Диастолический пик
4. Интервал между пульсовыми волнами: от одного систолического пика до следующего

Плавная кривая с двумя пульсовыми волнами. Каждая волна круто поднимается к систолическому пику, опускается в небольшую впадину — дикротическую вырезку, снова поднимается к более низкому диастолическому пику и возвращается к исходному уровню. Промежуток между двумя систолическими пиками подписан: 1,00 с.

На каждом ударе видны одни и те же три ориентира (Elgendi, 2012):

1. Систолический пик. Сердце сокращается и отправляет по артериям волну давления. Объём крови в коже быстро растёт до максимума.
2. Дикротическая вырезка. Аортальный клапан закрывается, и волна от сердца затухает. Объём начинает падать.
3. Диастолический пик. Волна давления отражается от мест ветвления сосудов и от нижней части тела и приходит вторым, меньшим горбом, после чего объём стабилизируется.

Алгоритмы редко работают с исходной кривой. Они выбирают на ней точки: основание волны, где начинается подъём, пик, точку самого крутого подъёма, а также время и высоту вырезки и диастолического пика. Один из популярных методов берёт вторую производную волны, которая превращает пологие изгибы в чёткие всплески a, b, c, d и e, и сравнивает их размеры (Elgendi, 2012; Takazawa и коллеги, 1998).

Как волна меняется с возрастом, жёсткостью артерий и тренированностью

Самое интересное — отражённая волна. В эластичной артерии молодого человека волна давления идёт медленно, поэтому отражение возвращается поздно и приходит отдельным диастолическим горбом с чёткой вырезкой перед ним. В более жёсткой артерии волна идёт быстрее, отражение возвращается раньше и сливается с основной волной, а вырезка заполняется.

Врачи заметили это задолго до носимых устройств. В 1973 году Dawber и коллеги в исследовании ишемической болезни сердца разделили пульсовые волны артерий на четыре класса, от отчётливой вырезки до её полного отсутствия (Dawber и коллеги, 1973). Чёткая вырезка — обычная находка у людей со здоровыми, податливыми артериями (Elgendi, 2012).

Позже появились и числа. Millasseau и коллеги измеряли время от систолического пика до диастолического и делили на него рост человека, получая индекс жёсткости. У 87 взрослых без симптомов в возрасте от 21 до 68 лет индекс рос с возрастом и следовал за скоростью распространения волны давления по аорте — стандартным показателем жёсткости крупных артерий. Они описали и индекс отражения — высоту диастолического горба как долю от систолического пика, — который реагирует на лекарства, меняющие тонус артерий (Millasseau и коллеги, 2002; Millasseau и коллеги, 2006). Группа Takazawa шла от второй производной и объединила всплески от a до e в «индекс старения» (b − c − d − e)/a, который рос с возрастом у 600 человек (Takazawa и коллеги, 1998).

Тренированность действует в обратную сторону. У 146 здоровых добровольцев в возрасте от 21 до 96 лет жёсткость артерий росла с возрастом, но в любом возрасте была ниже у людей с более высокой аэробной работоспособностью, а у мужчин 54–75 лет, тренирующих выносливость, артерии были менее жёсткими, чем у малоподвижных мужчин того же возраста (Vaitkevicius и коллеги, 1993). В другом исследовании центральные артерии у тренирующих выносливость мужчин среднего и старшего возраста были на 20–35 % податливее, чем у менее активных мужчин того же возраста, а когда 20 малоподвижных мужчин на три месяца занялись регулярными аэробными упражнениями, в основном ходьбой, податливость их артерий выросла примерно до такого же уровня (Tanaka и коллеги, 2000).

Две оговорки. В этих исследованиях жёсткость измеряли напрямую, датчиками давления и ультразвуком на шее и ноге, а не с часов. А индексы формы волны ФПГ меняются и по причинам, не связанным с артериями: на них влияют место датчика, сила прижима, температура кожи и внешний свет, а также лекарства, действующие на сосуды (Charlton и коллеги, 2023; Millasseau и коллеги, 2006). Группы они описывают хорошо, но вашего собственного сосудистого возраста не определяют, и никакие часы не скажут по форме пульса, насколько натренированы ваши артерии.

Попробуйте: определите пульс так, как это делают часы

Интерактивная модель ниже — учебная, это не запись. Каждая пульсовая волна — сумма двух колоколообразных кривых, одной для систолической волны и одной для отражения; так принято строить синтетическую ФПГ для проверки алгоритмов (Tang и коллеги, 2020). Затем простой детектор находит пики, измеряет промежутки между ними и считает RMSSD RMSSD RMSSD Среднеквадратичное значение разностей соседних NN-интервалов: показатель ВСР в миллисекундах, построенный на том, насколько каждый интервал между ударами отличается от следующего. В основном отражает активность блуждающего нерва. Подробнее: RMSSD , как это сделало бы приложение.

Считываем пульс так, как это делают часы

Учебная модель, а не запись

Сигнал ФПГ, 8 с Движение

Промежуток между найденными пульсовыми волнами ±20 % от среднего; пунктир — настоящие значения модели

Найденные промежутки 1010 · 1040 · 980 · 960 · 1010 · 1040 · 980 мс

Частота пульса

60 уд/мин

RMSSD, измеренный

45 мс

RMSSD, настоящий

42 мс

При 100 Гц отсчёты идут через 10 мс, детектор находит каждый удар, и RMSSD равен 45 мс — в пределах 3 мс от настоящего значения модели, 42 мс.

Чёткая дикротическая вырезка и отдельная диастолическая волна (индекс отражения 0,50): так выглядит пульсовая волна при эластичных артериях.

Жёсткость артерий (сосудистый возраст) 30, умеренно жёсткие ЧСС 60 уд/мин Сила сигнала (перфузия) 70, сильный Движение без движения Частота дискретизации 100 Гц, один отсчёт каждые 10 мс 2550100250 Интерполировать между отсчётами, чтобы уточнить время каждого пика

Ползунки работают при включённом JavaScript.

Линейный график: 8 с синтетического сигнала ФПГ, по одному выступу на каждый удар сердца. Короткие метки отмечают найденные пульсовые волны. Второй график показывает промежутки между найденными волнами линией, а настоящие промежутки модели — пунктирной линией. Ниже выведены частота пульса, RMSSD найденных промежутков и настоящий RMSSD, затем предложение о причине расхождения и предложение о форме каждой пульсовой волны. Пять ползунков задают жёсткость артерий, ЧСС, силу сигнала, движение и частоту дискретизации, а флажок включает интерполяцию между отсчётами.

Попробуйте по очереди такие настройки. Увеличьте жёсткость — и вырезка исчезнет. Уменьшайте силу сигнала, как это происходит при холодных руках, пока детектор не начнёт терять удары. Добавьте движение — и промежутки начнут беспорядочно скакать. Затем установите частоту дискретизации 25 Гц: каждый удар по-прежнему находится, но RMSSD меняется, потому что время каждого пика известно лишь с точностью до 40 мс.

Вариабельность пульса — не совсем ВСР

Строго говоря, ВСР измеряют по электрическому сигналу сердца на электрокардиограмме ( ЭКГ ЭКГ ЭКГ Запись электрической активности сердца с помощью электродов на коже. RR-интервалы, полученные по ЭКГ, — эталонный метод измерения ВСР. Подробнее: ЭКГ ), как промежутки между зубцами R. Датчик ФПГ видит волну давления, которую посылает удар, а этой волне нужно время, чтобы дойти до запястья или пальца. Эта задержка, время распространения пульсовой волны, непостоянна. Она меняется с артериальным давлением, с положением тела, с тонусом артерий и слегка с каждым вдохом. Поэтому промежуток между двумя пульсовыми волнами — это промежуток между двумя ударами сердца плюс изменение времени распространения, и изменчивость, которую вы измеряете с часов, — это вариабельность пульса вариабельность пульса Вариабельность пульса Изменчивость времени между ударами пульса, которую оптически измеряют часы, кольца и камеры телефонов. В покое она близко следует за ВСР, а при движении расходится с ней. Подробнее: Вариабельность пульса (PRV), а не ВСР (Mejía-Mejía и коллеги, 2020; Yuda и коллеги, 2020).

На практике при неподвижности они хорошо совпадают. В обзоре исследований, сравнивавших ФПГ с ЭКГ, PRV сочли приемлемой заменой ВСР в покое, с тенденцией немного завышать краткосрочные показатели вроде RMSSD; авторы связали это с влиянием дыхания на кровообращение. При физической активности и некоторых умственных задачах согласованность заметно ухудшалась, иногда до неприемлемого уровня (Schäfer и Vagedes, 2013). Yuda и коллеги идут дальше и утверждают, что PRV несёт дополнительную информацию о сосудах, поэтому её следует считать отдельным показателем, а не копией ВСР (Yuda и коллеги, 2020).

Для отслеживания тенденции из этого следуют два вывода. Измерение в покое с хороших часов, кольца или приложения с камерой — вполне приемлемая оценка вашей ВСР. А часы и нагрудный датчик никогда не совпадут с точностью до миллисекунды, даже на одних и тех же ударах.

Что может пойти не так

Каждое число, которое выдаёт ФПГ, зависит от того, найден ли нужный пик в нужный момент. Вот обычные причины, по которым это не удаётся.

Движение

Когда вы двигаете рукой, датчик смещается по коже, а кровь перемещается в сосудах, из-за чего в сигнале появляются колебания, намного более сильные, чем пульс. В исследовании 53 человек, носивших шесть устройств, ошибка пульса при активности была в среднем на 30 % выше, чем в покое, а наибольшее значение имели вид активности и модель устройства (Bent и коллеги, 2020). Хуже всего ритмичное движение, потому что темп шагов 160 в минуту выглядит как пульс 160 (Zhang и коллеги, 2015).

Слабый пульс: холодные руки и плохая перфузия

Холод сужает мелкие сосуды в коже, поэтому к датчику приходит меньше крови, рябь уменьшается, а собственный шум датчика остаётся прежним. В обзоре Allen температура кожи и перфузия названы среди главных факторов, меняющих размер пульсовой волны (Allen, 2007). Измерение камерой в холодной комнате может и вовсе не получиться.

Давление прижима и внешний свет

Датчик должен прилегать ровно и плотно. Если он прилегает слишком свободно, свет светодиода уходит наружу, дневной свет проникает внутрь, а сигнал плывёт при смещении ремешка. Если ремешок затянут слишком туго, давление сжимает мелкие сосуды и сглаживает пульс (Allen, 2007; Charlton и коллеги, 2023).

Цвет кожи и татуировки

Меланин поглощает свет, поэтому более тёмная кожа возвращает его меньше. Влияет ли это на показания, лучше всего изучено для пульса, и данные неоднозначны. В упомянутом выше исследовании 53 человек оценивали цвет кожи и не нашли статистически значимой разницы в точности пульса между оттенками (Bent и коллеги, 2020). В систематическом обзоре 2023 года нашли десять исследований с 469 участниками в сумме: в четырёх сообщали о более низкой точности на более тёмной коже, в четырёх различий не было, в двух результаты были смешанными, а людей с самой тёмной кожей проверяли мало (Koerber и коллеги, 2023). С кислородом в крови картина яснее. По записям одной американской больницы, когда пульсоксиметр показывал от 92 до 96 %, анализ крови показывал насыщение кислородом ниже 88 % в 11,7 % измерений у чернокожих пациентов и в 3,6 % у белых; в данных нескольких больниц это были 17,0 % и 6,2 % (Sjoding и коллеги, 2020). Считайте SpO2 с часов грубым ориентиром, а пульс — более надёжным числом.

Тёмные чернила татуировки тоже поглощают свет. В рекомендациях самой Apple сказано, что чернила, рисунок и насыщенность некоторых татуировок могут блокировать свет датчика и делать показания ненадёжными (Apple Support).

Частота дискретизации и интерполяция

Датчик считывает свет заданное число раз в секунду. При 25 отсчётах в секунду пик можно определить лишь с точностью до 40 мс, а ВСР строится на разностях в несколько десятков миллисекунд. В пилотном исследовании, где записи ФПГ с частотой 10 кГц понижали до меньшей частоты, показатели PRV значимо не отличались от ВСР по ЭКГ при 25 Гц и выше, а RMSSD начинал отличаться при 15 Гц и ниже (Choi и Shin, 2017). Исследование 2021 года на 57 пятиминутных записях поставило предел выше: SDNN SDNN SDNN Стандартное отклонение всех NN-интервалов записи, в миллисекундах. Показывает общую вариабельность; его значение сильно зависит от длительности записи. Подробнее: SDNN и RMSSD оставались в пределах 5 % от значения при 1 кГц вплоть до 50 отсчётов в секунду без интерполяции и вплоть до 10 и 20 отсчётов в секунду, когда положение пика интерполировали между отсчётами (Béres и Hejjel, 2021). Мало кто из производителей сообщает, как часто их датчик снимает отсчёты.

Экстрасистолы и фибрилляция предсердий

При преждевременном сокращении (экстрасистоле) сердце выбрасывает меньше крови, чем обычно, поэтому пульсовая волна мала, и детектор часто её пропускает. В записи тогда получается один длинный промежуток вместо двух коротких. Стандарты ВСР Рабочей группы ESC и NASPE требуют удалять экстрасистолы экстрасистолы Эктопическое сокращение Сокращение сердца, которое возникает вне обычного водителя ритма и обычно приходит раньше срока. Эктопические сокращения встречаются часто, но искажают ВСР, если их не убрать или не исправить. Подробнее: Эктопическое сокращение и промежутки вокруг них до расчёта любых чисел ВСР (Task Force, 1996), потому что один неверно поставленный удар может изменить результат (Laborde и коллеги, 2017). При фибрилляции предсердий промежутки нерегулярны от удара к удару, и PRV перестаёт значить то, что значит обычно; именно эту нерегулярность ищут описанные ниже оповещения часов.

Что часы вычисляют по ФПГ

Из одного сигнала получают много чисел. У каждого алгоритма ниже свой метод и свои ограничения.

Обнаружение ударов и пульс. Самый простой подход находит каждый пик или основание и считает их. При нагрузке многие часы переходят на частотный подход: ищут самый сильный регулярный ритм в сигнале на отрезке в несколько секунд и с помощью акселерометра вычитают ритм, совпадающий с вашими шагами. TROIKA, известный метод такого рода, достиг средней ошибки 2,34 удара в минуту у 12 человек, бежавших со скоростью до 15 км/ч (Zhang и коллеги, 2015). Пульс — число ФПГ, в котором труднее всего сильно ошибиться, потому что ошибка в одном пике почти не меняет среднее за 10 секунд.

ВСР, а на деле PRV. Приложение составляет список промежутков между пиками, отбрасывает те, что выглядят неверно, и применяет формулу, например RMSSD. Один неверно поставленный пик сильно меняет RMSSD, поэтому большинство производителей измеряют во сне и отбрасывают участки с движением. Формулы приведены в материале как измеряют ВСР.

Содержание кислорода в крови (SpO2). Кровь, богатая кислородом, и кровь, бедная им, поглощают красный и инфракрасный свет по-разному. Датчик сравнивает размер пульсовой ряби на двух цветах, «отношение отношений», и переводит его в проценты по кривой, подобранной на добровольцах (Allen, 2007). Систематическая ошибка, связанная с цветом кожи, о которой говорилось выше, возникает именно на этом шаге.

Частота дыхания Частота дыхания Частота дыхания Сколько вдохов вы делаете за минуту. Она сама по себе меняет ВСР: чем медленнее и глубже дыхание, тем больше размах колебаний от удара к удару, а при частоте ниже примерно 9 вдохов в минуту дыхательный пик переходит из диапазона HF в LF. Подробнее: Частота дыхания . Дыхание оставляет в ФПГ три следа: уровень сигнала смещается вверх и вниз, пульсовые волны то растут, то уменьшаются, а промежутки между ними то удлиняются, то укорачиваются. Алгоритмы выделяют один или несколько из этих следов и считают циклы. Движение и плохой контакт датчика портят сигнал, на который они опираются, и мало какие из них проверяли на данных людей, занятых повседневными делами (Charlton и коллеги, 2018).

Оповещения о нерегулярном ритме. Часы в фоновом режиме проверяют промежутки между пульсовыми волнами на хаотичный рисунок, характерный для фибрилляции предсердий, и если несколько проверок согласуются, отправляют уведомление. В исследовании Apple Heart Study с 419 297 участниками уведомление получили 0,52 % при медиане наблюдения 117 дней. Из 450 человек, которые затем вернули пластырь-регистратор ЭКГ с пригодной для анализа записью, у 34 % на нём была фибрилляция предсердий, а когда новое уведомление приходило, пока пластырь был на теле, ЭКГ показывала фибрилляцию предсердий в этот момент в 84 % случаев (Perez и коллеги, 2019). В исследовании Fitbit Heart Study с 455 699 участниками обнаружение сработало у 1 %. Из 1057 человек, вернувших пластырь с пригодной для анализа записью, у 32,2 % на нём была фибрилляция предсердий, а новое срабатывание во время ношения пластыря совпало с фибрилляцией предсердий на ЭКГ в 98,2 % случаев (Lubitz и коллеги, 2022). Уведомление — повод сделать ЭКГ, а не диагноз, и отсутствие уведомлений не означает, что всё в порядке.

Артериальное давление без манжеты. Есть два пути. Первый измеряет время распространения волны давления между двумя точками, например между зубцом ЭКГ на груди и пиком ФПГ на запястье. Более жёсткая артерия под более высоким давлением проводит волну быстрее, поэтому более короткое время распространения указывает на более высокое давление, но каждому человеку нужна калибровка по манжете, а устройство время от времени приходится калибровать заново (Mukkamala и коллеги, 2015). Второй путь считывает форму отдельной волны ФПГ. С 2014 года существует стандарт IEEE для устройств без манжеты (IEEE 1708), и он требует испытаний при повышении и понижении давления, но эксперты отмечали, что он не определяет, как создавать эти изменения, поэтому устройство может пройти проверку, не показав, что отслеживает действительно важные изменения давления (Mukkamala и коллеги, 2021). Европейское общество гипертонии считает, что такие устройства нельзя использовать для клинических решений, пока они не пройдут надлежащую валидацию (Stergiou и коллеги, 2022).

«Сосудистый возраст» и оценки стресса. Некоторые приложения превращают индекс жёсткости, индекс отражения или индекс старения по второй производной в сосудистый возраст или смешивают PRV с другими сигналами в оценку стресса. В группах эти индексы действительно меняются с возрастом, как показывают исследования выше. Но значит ли что-нибудь оценка конкретного человека, не проверено, и один и тот же человек может получить разный сосудистый возраст, сильнее прижав датчик или согрев руку. Относитесь к ним просто с любопытством.

ФПГ, ЭКГ и нагрудные датчики для ВСР

Стандарты ЭКГ требуют от 250 до 500 отсчётов в секунду или больше и допускают более низкую частоту только с интерполяцией (Task Force, 1996). Цифра для камеры — обычная частота кадров телефона, а в исследовании с участием 29 человек в покое RMSSD из приложения с камерой близко совпал с ЭКГ (Plews и коллеги, 2017). Клиническая ЭКГ с несколькими отведениями остаётся эталоном для всех трёх. Данные по устройствам смотрите в материале ВСР в Oura, Whoop, Garmin и Apple Watch.

Во что обходится оптический метод, зависит от показателя. Небольшие ошибки в определении момента каждого пульса накапливаются в показателях, которые сравнивают соседние удары, таких как RMSSD, pNN50 pNN50 pNN50 Процент пар соседних NN-интервалов, которые различаются более чем на 50 миллисекунд. Как и RMSSD, отражает быстрые вагусные изменения, но выражается долей, а не величиной. Подробнее: pNN50 и мощность HF мощность HF Мощность HF Дисперсия интервалов между ударами в диапазоне от 0,15 до 0,40 Гц, в мс²: это диапазон обычного дыхания. Отражает в основном вагусную активность при частоте дыхания от 9 до 24 вдохов в минуту. Подробнее: Мощность HF , тогда как средний пульс почти не меняется. Материал часы или нагрудный датчик? Что ФПГ делает с числами ВСР разбирает каждый источник ошибки, содержит таблицу по показателям и интерактивную модель, которая измеряет одни и те же удары по ЭКГ и по датчику ФПГ.

Что это значит для ваших измерений

• Сравнивайте устройство с ФПГ только с ним самим. Его ВСР — это PRV, измеренная по своему расписанию и с собственными фильтрами, поэтому она не совпадёт с нагрудным датчиком или другими часами. Пример разобран в уроке почему устройства расходятся.
• Для любого замера, который запускаете сами, сидите неподвижно и в тепле, а ремешок затягивайте плотно, но не туго, как советуют производители (Apple Support). Порядок действий есть в материале как сделать хорошее измерение ВСР.
• Доверяйте измерениям во сне больше, чем разовым замерам днём. Когда вы часами не двигаетесь, у детектора лучшие шансы.
• Одно странное значение сначала считайте проблемой датчика. Движение, холодная рука или пропущенный удар объясняют большинство таких случаев.
• Пульсу доверяйте, ВСР оценивайте по тенденции, SpO2 считайте грубым ориентиром, а к сосудистому возрасту и оценкам стресса относитесь просто с любопытством.
• С оповещением о нерегулярном ритме идите к врачу за ЭКГ. Если есть симптомы, не считайте отсутствие оповещений поводом успокоиться.
• Если нужна ВСР уровня ЭКГ дома, её даёт нагрудный датчик с бесплатным приложением. См. ВСР с запястья так же точна, как нагрудный датчик? и можно ли измерить ВСР камерой телефона?