С тех пор, как носимые устройства, оснащенные технологией сердечного ритма, стали широко использоваться, возникли вопросы о точности оптических датчиков сердечного ритма при снятии показаний на разных тонах кожи. От печально известного так называемого «татуогейта» Apple, освещающего проблему зеленым светом в 2015 году, до различных академических исследований в последующие годы, было много дискуссий, но не так много выводов.
Что произошло? Изменились ли датчики, чтобы они могли работать с разными оттенками кожи, или отрасль не изменилась? Оказывается, первые исследования привели к изменениям и могут также вдохновить на новые стандарты для носимых датчиков сердечного ритма.
Датчик ЧСС на запястье
Оптический датчик частоты сердечных сокращений на задней панели ваших умных часов или фитнес-трекера работает с использованием известной технологии, называемой фотоплетизмографией (PPG), когда очень яркий свет проходит через вашу кожу и ткани для измерения кровотока. Затем информация отражается и интерпретируется для определения вашей частоты пульса.
Оптические датчики PPG на носимых устройствах используют инфракрасный зеленый свет для рентабельности и эффективности, поскольку производство устоявшейся технологии дешево, наши тела и кровь хорошо поглощают его, и на него меньше влияет движение. Все это делает его хорошим выбором для носимых устройств немедицинского назначения.
Однако использование зеленого ИК-света вызывает проблемы. Меланин, естественный пигмент кожи, также очень хорошо поглощает зеленый свет, а повышенное присутствие меланина в более темных тонах кожи снижает точность датчиков зеленого PPG. Зеленый свет также может иметь проблемы с темными татуировками, потом и даже с волосами на руках.
Проблема, о которой не сообщается
Кажется, что чем темнее ваша кожа, тем менее точным может быть зеленый датчик сердечного ритма PPG, потому что он может быть заблокирован меланином в слое основных клеток кожи. Эта тема привлекала внимание в течение нескольких лет, но в основном благодаря научные статьи и учеба.
Nature, в рамках исследования точности датчиков сердечного ритма, перечисляет семь статей, обсуждающих эту тему. И Валенсель, компания, которая производит биометрические датчики, в том числе датчики PPG, и перечисляет Suunto и Scosche в качестве партнеров, называет оттенок кожи одной из пяти основных проблем, связанных с оптическими датчиками сердечного ритма. An Статья Оксфордского академического журнала о датчиках PPG и сне пишет следующее: «Мы с глубокой озабоченностью отмечаем, что появляется все больше свидетельств того, что [PPG sensors] не так точны и могут вообще не работать у людей с более темным оттенком кожи ».
Насколько это может повлиять на точность? Джессилин Данн, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Дьюка, написал это исследование в этой области «Продемонстрировал, что неточные измерения пульса PPG на темной коже встречаются на 15 процентов чаще, чем на светлой коже».
Возможно, самый публичный и широко распространенный случай того, что носимые датчики PPG были сбиты с толку более темной кожей, произошел в 2015 году, когда на точность датчика сердечного ритма Apple Watch повлияли темные, тяжелые татуировки. Так называемой “татуировать»По-прежнему кажется проблемой, поскольку вопросы о точности Apple Watch Series 5 появляются на Доска обсуждений Apple совсем недавно, в сентябре 2020 года.
Что с этим делают компании?
Очевидно, что это не новая проблема или что-то, что было обнаружено только недавно, так что же компании, которые делают устройства с датчиками сердечного ритма PPG, делают с этим? Компания Garmin, выпускающая ряд носимых устройств с датчиками частоты сердечных сокращений, является одной из немногих, в которых упоминается эта проблема. на своем сайте: «Тон кожи может иметь эффект [on heart rate accuracy] поскольку меланин в коже поглощает часть света. Хотя Garmin разрабатывает наши часы для работы со всеми оттенками кожи, датчику, возможно, придется усерднее работать, чтобы найти пульс, [which] может потребоваться немного больше заряда аккумулятора ».
Подход Fitbit также заключается в увеличении мощности решения проблемы. Он также производит широкий спектр товаров для фитнеса с датчиками сердечного ритма. Статньюс в 2019 году он «очень серьезно относится к точности» и увеличил интенсивность своих зеленых инфракрасных светодиодов, чтобы повысить точность.
Apple не говорит о цвете кожи, но утверждает, что татуировки может повлиять на способность оптического датчика частоты сердечных сокращений обеспечивать надежные показания и указывает на увеличение мощности чтобы обойти это, написав, что «оптический датчик сердца предназначен для компенсации низких уровней сигнала за счет увеличения яркости светодиода и частоты дискретизации».
Huawei выпустила ряд носимых устройств для фитнеса и умных часов, и, как и другие компании, также активно работает над тем, чтобы свои датчики сердечного ритма работали эффективно. Компания сообщила Digital Trends: «Мы постоянно оптимизируем технологию мониторинга сердечного ритма TruSeen на основе оборудования и алгоритмов, чтобы повысить точность мониторинга в различных сценариях».
Digital Trends спросила Mobvoi, который с 2016 года выпускает линейку умных часов Wear OS TicWatch, исследовала ли она, влияет ли оттенок кожи на точность датчика PPG. Компания сообщила нам следующее: «Благодаря нашим исследованиям и разработкам мы нашли несколько способов повысить точность отслеживания сердечного ритма на наших TicWatches с разными оттенками кожи, волосами на руках или татуировками. Тесты продолжаются, поэтому мы не можем поделиться результатами в настоящее время, но надеемся, что в ближайшем будущем появятся некоторые интересные разработки ».
Задавая тот же вопрос компании Myzone, производящей носимые устройства, которая специализируется на фитнес-ориентированных продуктах со встроенными мониторами сердечного ритма, генеральный директор Дэйв Райт сказал: «Это правда, что оптические датчики пульсометров могут быть заблокированы такими факторами, как темнота. кожа, татуировки и волосы. В Myzone мы стремимся к тому, чтобы наши мониторы сердечного ритма были самыми точными на рынке, предлагая запатентованное устройство, которое на 99,4% соответствует точности электрокардиограммы (ЭКГ) ».
Интересно то, что устройство, о котором говорит Райт, не лежит на вашем запястье. «Использование грудного монитора, такого как Myzone, означает, что вы напрямую подключаетесь к электрическим импульсам от сердца, что дает наиболее точные показания», – сказал он.
Подгонка и размещение датчика усугубляют проблему точности
Способность монитора точно измерять частоту сердечных сокращений не ограничивается оттенком кожи и, возможно, не играет такой большой роли, как предполагалось. Как показывают слова Райта, размещение датчика на вашем теле и то, как он подходит, – еще одна важная часть головоломки.
В Исследования Университета Дьюка упомянутый ранее, который был опубликован Национальным центром биотехнологической информации и был первым в своем роде. В результате исследования с участием 53 человек был сделан вывод о том, что «мы не обнаружили статистически значимых различий в точности измерения ЧСС носимых устройств по оттенкам кожи, однако мы обнаружили другие источники неточностей в измерениях, включая вид деятельности и тип устройства ».
Доктор Марк Гиллинов, заведующий отделением торакальной и сердечно-сосудистой хирургии клиники Кливленда, назвал мониторы на запястье «развлекательными». Он писал в статье о использование пульсометров, чтобы оставаться здоровым что «фитнес-устройства, которые носятся на запястье, в том числе пульсометры, невероятно популярны, но если вы действительно хотите знать свою частоту пульса, носите пульсометр с нагрудным ремнем».
Помимо подгонки и размещения, не менее важным является качество самого датчика. Инженер-биомедик Ариэль Аш-Шакур, который работает с различными сердечно-сосудистыми устройствами и технологиями, хотя и не с датчиками PPG, сказал мне в прямом сообщении в Twitter, что при условии, что датчик PPG спроектирован правильно, «тогда он должен учитывать различия в оттенке кожи и соответствие будет наиболее важным фактором для получения точных показаний ».
Все это перекликается с цитатой Сида Сундара, старшего менеджера проекта сенсорной компании Silicon Labs, когда он разговаривал с В наличии в 2017 г. о проблемах сбора биоданных с помощью носимых устройств. «Когда мы разговариваем с клиентами, чтобы обсудить характеристики датчика, проблемы могут быть вызваны подгонкой или чем-то принципиально неправильным с алгоритмом или датчиком. Как правило, первое », – сказал он.
Стандартизированное тестирование
Производители носимых устройств четко осознают проблему и прилагают усилия для ее решения, однако есть еще один способ понять, какие датчики обеспечивают наиболее точные результаты, возможно, еще до того, как устройство будет выпущено. Это будет проходить через специализированное тестирование.
Испытания медицинских технологий уже проводятся. В США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) тестирует и утверждает медицинские устройства, но не потребительские устройства, такие как умные часы, если они не предназначены для медицинских целей. В мае 2020 года Европейский Союз представил Правила в отношении медицинского оборудования, которые включают тесты датчика частоты сердечных сокращений PPG, чтобы помочь установить согласованность и точность в устройствах с датчиком частоты сердечных сокращений PPG. Теперь консорциум университетов вместе с Huawei Technologies Finland под названием Interlive Network предложил серия стандартизированных протоколов испытаний для мониторинга сердечного ритма и подсчета шагов на потребительских носимых устройствах.
Протокол будет учитывать возраст, пол, рост, вес, массу тела и тон кожи, при этом в предложении говорится, что «оттенок кожи, по-видимому, влияет на точность показаний ЧСС, основанных на PPG, и его также следует учитывать при проверке достоверности». Испытания также будут проверять тип активности, контактное давление и даже окружающий свет и температуру, чтобы установить точность.
Заставить датчики сердечного ритма постоянно обеспечивать точный результат на разных типах кожи – сложная проблема, которая включает не только сам датчик, но и то, где он расположен на вашем теле и как он с ним соприкасается. Ранние исследования, похоже, побудили множество компаний, производящих эти устройства, серьезно отнестись к проблеме, а также могут подтолкнуть саму отрасль к внедрению новых методов, которые помогут нам лучше распознавать лучшие датчики, прежде чем мы наденем их на запястье.
Рекомендации редакции
