Optyczne czujniki tętna

Pozostajemy w temacie czujników tętna. Ostatnio pisałem o pasach piersiowych, dzisiaj przyjrzymy się czujnikom optycznym. Czy warto się nimi zainteresować? O tym i nie tylko w niniejszym wpisie.

W części pierwszej szczegółowo opisałem pasy piersiowe, było zarówno o wadach i zaletach. Dzisiaj na warsztat bierzemy czujniki optyczne. Temat jest dość skomplikowany więc uprzedzam, że będzie trochę dłużej niż ostatnio, ale chyba nie będziecie narzekać.

Jeszcze 5 lat temu optyczne czujniki tętna były raczej ciekawostką. Czołowi producenci zegarków sportowych zaczęli umieszczać je w swoich topowych sprzętach całkiem niedawno, bo w okolicach roku 2016. Obecnie, optyczne czujniki tętna montowane są już nie tylko w najdroższych modelach, ale także w opaskach za kilkaset złotych. Odmiennym tematem jest oczywiście jakość tych czujników. Nie da się jednak zaprzeczyć, że na przestrzeni kilku lat, czujniki optyczne stały się wszechobecne.

Na wstępie warto również zaznaczyć, że optyczny pomiar tętna nie jest technologią specjalnie młodą. Wykorzystywany jest już od kilkudziesięciu lat w służbie zdrowia. O ile jednak optyczne pomiary podczas spoczynku nie stanowią problemu, to pomiary w czasie aktywności to zupełnie inna liga.

źródło: suunto.com

Jak to działa?

Pomiar za pomocą OHRM (Optical Heart Rate Monitoring) odbywa się za pośrednictwem światła. Cały trik polega na tym, że światło rozprasza się w naszym ciele w przewidywalny sposób wraz ze zmianą dynamiki przepływu krwi. Dotyczy to zarówno częstotliwości tętna, jak również zmianę objętości przepływu krwi.

Czujniki optyczne zbudowane są z kilku elementów. Przede wszystkim jest nim emiter optyczny, który naświetla naszą skórę. Zazwyczaj emitery składają się z 2 lub więcej diod LED. Odbite światło przechwytywane jest przez detektor, a następnie przetwarzane jest przez procesor sygnału, który przetwarza te informacje na cyfrowe dane. Dodatkowo przy pomocy akcelerometru pozyskiwane są dane na temat ruchu. Dopiero ten komplet danych jest analizowany przez algorytmy. Pozyskiwane w ten sposób dane poza tętnem umożliwiają dodatkowo wyznaczyć np. VO₂ max, zmienność rytmu serca, stężenie metabolitów krwi, poziom tlenu, czy nawet ciśnienie krwi.

W przypadku pomiarów z pasa piersiowego mamy do czynienia z danymi wyświetlanymi w czasie rzeczywistym. W wypadku pomiarów optycznych jest to informacja, która zostaje oszacowana w oparciu o wiele danych wsadowych. Oczywiście obliczenia wykonywane są w ułamku sekundy, niemniej nie są to dane bezpośrednie, a do uzyskania pożądanego wyniku wymagane jest przeprowadzenie skomplikowanych analiz. To powoduje, że samo urządzenie musi być bardziej wydajne, żeby poradzić sobie z przetworzeniem znaczących ilości danych. To oczywiście ma bezpośredni wpływ na wyższą cenę sprzętu.

źródło: garmin.com

Pomimo większego skomplikowania urządzenia w porównani z tradycyjnym pasem piersiowym, wydawać by się mogło, że czujniki optyczne są opcją zdecydowanie lepszą, zapewniają nam przecież dużo więcej danych. To w zasadzie prawda, ale nie do końca, bo jak to często w życiu bywa sytuacja nie jest taka jednoznaczna. Gdzie zatem tkwi problem?

Główne problemy technologii optycznego pomiaru tętna

1. Szum optyczny - chodzi o jakość pozyskiwanych danych. Pierwotne dane zawierają bardzo dużo "śmieciowych" informacji. Żeby uzyskać konkretny wynik niezbędna jest szczegółowa filtracja zebranych danych. Specjaliści szacują, że jedynie 1/1000 odbieranego światła przez czujnik zawiera poszukiwane informacje. Reszta odebranych sygnałów to światło odbite, które nie jest wykorzystywane do analizy.
2. Odcień skóry - kolor ludzkiej skóry może przybierać różnorodną gamę odcieni, a różne odcienie skóry inaczej absorbują światło. Na przykład ciemniejsza skóra pochłania więcej zielonego światła, co stanowi problem, ponieważ większość OHRM używa zielonych diod LED jako emiterów światła, ograniczając ich zdolność do dokładnego pomiaru tętna przez ciemną skórę. Dlatego producenci stosują często różnokolorowe diody LED. Problemem są również tatuaże, które także mogą zafałszować wyniki tętna.
3. Problemy z interpretacją danych - przykładowo częstotliwość kroków (kadencja) często mieści się w tym samym zakresie co bicie serca (140-180 uderzeń/kroków na minutę). Algorytmom niestety zdarza się "pomylić" kadencję z częstością pracy serca.
4. Lokalizacja czujnika - okazuje się, że nadgarstek to jedno z najgorszych miejsc do dokładnego monitorowania naszego tętna. Pod względem jakości zbieranych danych dużo lepszym miejscem do pomiaru jest np. przedramię ze względu na większą gęstość naczyń krwionośnych. Najlepiej byłoby jednak umieszczać optyczne czujniki tętna na czole lub uchu.

Tyle o problemach, teraz sprawdźmy co takie czujniki mogą nam zaoferować. Wysokiej jakości czujniki optyczne mogą nam zapewnić bardzo bogate dane biometryczne możemy do nich zaliczyć:

• częstotliwość oddechów
• VO₂ max
• saturację - czyli poziom tlenu we krwi
• zmienność rytmu serca
• ciśnienie krwi
• efektywność pracy serca

Kiedy najlepiej sprawdzi się OHRM?

Czujniki optyczne dobrze sprawdzają się podczas rejestracji treningów ze stałą intensywnością. Jeżeli więc planujesz zwykłe rozbieganie OHRM sprawdzi się idealnie. Podobnie ma się sytuacja przy długich sesjach, które najczęściej pokonujemy w podobnym tempie i ze stałą intensywnością. Wówczas optyczny czujnik tętna sprawdzi się tak samo dobrze jak pas piersiowy.

Jeżeli jednak planujesz intensywną sesję interwałową i zależy Ci na bardzo dokładnych danych, zabierz lepiej pas piersiowy. Szybkie zmiany intensywności podczas treningów mogą okazać się dla czujników optycznych sporym wyzwaniem. Częstym problemem jest np. błędne zarejestrowanie pierwszego odcinka interwału.

Swego czasu ciekawe badanie przeprowadziła firma Polar, gdzie porównano trzy różne sprzęty do pomiaru tętna, były to:

• pas piersiowy Polar H10
• optyczny czujnik tętna OH1 umieszczany na ramieniu oraz
• optyczny czujnik tętna wbudowany w zegarek

Za standard uznano wskazania pasa piersiowego Polar H10, który cechuje się bardzo dużą dokładnością. Okazało się, że optyczny czujnik tętna OH1, który umieszcza się wysoko na ramieniu, zanotował w całym teście odchylenia pomiarowe rzędu 1% względem swojego piersiowego odpowiednika. Optyczny czujnik tętna wbudowany w zegarek przy niskich intensywnościach wykazywał podobną dokładność (błędy w granicach 1%). Jednak przy sesjach o dużej intensywności i zmienności wysiłku (gra w unihokeja) błędy w pomiarze sięgały już 13%.

źródło: polar.com

Optyczne czujniki tętna nie najlepiej sprawdzą się również podczas jazdy na rowerze. Jak pisałem wyżej czujniki do wyświetlania tętna analizują również dane z akcelerometru, a podczas jazdy na rowerze drgania z kierownicy mogą generować dodatkowy szum informacyjny, który może wpłynąć negatywnie na jakość uzyskiwanych danych.

Podobnie sytuacja wygląda przy ćwiczeniach na siłowni, czy treningu Crossfit. Dźwiganie ciężarów zmienia sposób przepływu krwi w ramionach, co również może mieć wpływ na poprawność wyników.

Niektóre osoby nie czują się komfortowo podczas korzystania z pasa piersiowego. Dotyczy to często kobiet, które mogą czuć wzmożony dyskomfort podczas noszenia pasa piersiowego w połączeniu ze stanikiem sportowym. Wówczas poświęcenie pewnej precyzji danych kosztem wyższego komfortu staje się uzasadnione.

Czy zatem warto interesować się czujnikami optycznymi?

Początkowo optyczne czujniki tętna miały złą prasę. Te złe opinie nie były wyssane z palca, ale technologia ta na przestrzeni lat ciągle się rozwija. Czy dzisiaj warto zainteresować się optycznymi czujnikami tętna? Moim zdaniem, zdecydowanie tak. Po pierwsze należy pamiętać, że czujnik, czujnikowi nie równy. Montowane w topowych zegarkach Garmina, Polara, czy Suunto nijak się mają do tych zainstalowanych w opaskach za kilkaset złotych. Po drugie, podczas większości treningów biegowych czujniki optyczne sprawdzają się bardzo dobrze. Oczywiście ciągle zdarzają się pomyłki, ale coraz częściej te różnice dla większości osób mogą okazać się nieistotne.

Wskazówki dotyczące korzystania z optycznego czujnika tętna

Głównym czynnikiem mającym wpływ na dokładność pomiarów, jest sposób noszenia zegarka. Warto zastosować się do kilku podstawowych rad:

• zegarek nie powinien być zapięty zbyt luźno, musi dobrze przylegać do ręki;
• zegarek nie powinien być zapięty zbyt ciasno, może to spowodować ograniczenia w przepływie krwi;
• kluczowe jest noszenie zegarka jak najwyżej nad nadgarstkiem, na czas treningu warto umieścić zegarek wyżej niż podczas normalnego użytkowania (w odległości równej szerokości 2 palców nad kością nadgarstkową), zapewni to nam większą dokładność wyników;

To byłoby na tyle jeżeli chodzi o temat monitoringu pracy serca. Zainteresowani mogą również zapoznać się z tekstem o pasach piersiowych. Technologia technologią, przede wszystkim życzę Wam udanych treningów 🙂

Źródła:
https://valencell.com/blog/2015/10/optical-heart-rate-monitoring-what-you-need-to-know/
https://www.polar.com/blog/optical-heart-rate-monitoring-polar-precision-prime/
https://www.suunto.com/pl-pl/Content-pages/co-naley-wiedzie-o-nadgarstkowym-pomiarze-ttna/