Застрял на каденсе
Почему GPS-часы часто неверно оценивают частоту сердечных сокращений во время бега?
Видели ли вы когда-либо странные, резкие скачки частоты сердечных сокращений на GPS-часах во время пробежки? Если поискать в интернете, то на разных форумах можно увидеть скриншоты с необычно высокой для данного атлета частотой сердечных сокращений (ЧСС). Пример одной из таких аномалий:
Это было снято часами во время обычного бега по холмистой местности. На первый взгляд, можно подумать, что бег в гору вызвал резкое увеличение частоты сердечных сокращений, но если это не совпало с резким увеличением темпа, такой значимый скачок частоты сердечных сокращений кажется очень странным.
Глядя на этот график, кажется, что происходит одно из двух событий:
- часы серьезно ошибаются относительно истинной ЧСС.
- атлету следует незамедлительно обратиться к кардиологу.
Хотя такие компании, как Garmin, Apple или Fitbit, держат алгоритмы обработки данных в тайне, попытаемся разобраться, как GPS-часы оценивают такие показатели, как скорость/темп бега или пульс. А самое главное – что может пойти не так?
Если внимательно присмотреться, то можно заметить, что предполагаемая "частота сердечных сокращений", сообщаемая GPS-часами на скриншоте выше, подозрительно похожа на диапазон значений, которые соответствуют каденсу — около 165–185 шагов в минуту. Более того, если посмотреть наложение частоты сердечных сокращений и каденса (который также измеряется часами) – вы увидите почти идеальное совпадение!
Это явление в беговой среде называют блокировкой каденса (cadence lock) — иногда часы "блокируются" на частоте шагов, путая ее с частотой сердечных сокращений. Почему так происходит и как это исправить? Ответить на эти вопросы поможет базовая информации о носимых технологиях.
Как GPS-часы измеряют частоту сердечных сокращений во время бега?
Датчики сердечного ритма в GPS-часах являются относительно новой методикой, но они основаны на технологиях, которые использовались примерно с середины 20-го века. Если у вас есть такие часы, вы знаете, что у них есть яркий зеленый светодиод на стороне, обращенной к запястью, подобный этому:
Часы, представленные выше, оснащены тремя зелеными светодиодами и одним фотодатчиком (черный квадрат посередине). Этот метод называется фотоплетизмографией (ФПГ), и представляет собой ту же технологию, которая используется для пульсоксиметрии. Пульсоксиметры стали очень популярны во время пандемии covid-19, а до этого они использовались в медицине для отслеживания оксигенации крови. Методика была впервые описана в 1930-х годах.
Основная идея: то, как белки гемоглобина в эритроцитах поглощают свет, зависит от того, переносят ли они в данный момент кислород. Кроме того, поскольку кровеносные сосуды сокращаются и расширяются вместе с биением сердца, то, как определенные длины волн света (например, зеленый свет) поглощаются или не поглощаются, предсказуемо меняется по мере того, как бьется сердце.
Поскольку каждый удар сердца посылает волну заполненных кислородом эритроцитов, устремляющихся через легкие в кровеносные сосуды, существует "прилив" и "отлив" количества света, поглощаемого тканью вблизи поверхности запястья.
Таким образом, теоретически должно быть возможно наблюдать за ростом и падением поглощения света на запястье, чтобы определить частоту сердечных сокращений. И действительно, большую часть времени этот принцип работает просто отлично! Единственная проблема в том, что во время бега все становится немного беспорядочным.
Почему пульс на запястье во время бега настолько неточен?
Бег вызывает проблемы для качественной работы оптических пульсометров на запястье, поскольку он создает сильные сигналы ускорения, которые мешают оптическим данным, поступающим в часы. На PhysioNet есть хороший набор данных с открытым исходным кодом, который прекрасно иллюстрирует эту проблему. Посмотрите на следующий график:
Есть три источника данных: электрокардиограмма (ЭКГ), снятая с помощью электродов, измеряющая истинную ЧСС посредством электрической активности сердца, оптический датчик, измеряющий оптический сигнал на тыльной стороне запястья, и надеваемый на запястье акселерометр, который оценивает движение запястья. Человек на этом графике бежит в довольно спокойном темпе по беговой дорожке. Вот несколько вещей, на которые следует обратить внимание:
- На ЭКГ с грудных электродов (верхний рисунок) частота сердечных сокращений видна очень четко. Сердце нашего бегуна бьется девять раз за пять секунд, то есть частота сердечных сокращений составляет около 108 ударов в минуту.
- В данных об ускорении на запястье (средний график) также довольно четко вырисовывается каденс. Его немного сложнее заметить, если вы не смотрите на такие графики каждый день, но, глядя на повторяющийся шаблон ускорения (который возникает из-за движения запястья вперед-назад и "подпрыгивания" тела вверх-вниз), довольно ясно, что наш бегун делает около 11 шагов за 5 секунд, то есть его или ее каденс равен примерно 132 шагам в минуту.
- Оптические данные с запястья (нижний график) крайне запутанные!
Вероятно, вы уже понимаете, к чему это все идёт. Проблема, с которой сталкиваются GPS-часы, заключается в попытке извлечь сигнал частоты сердечных сокращений из всего шума, создаваемого каденсом. Один из способов понять сложность этой проблемы — взглянуть на различные частоты, присутствующие в каждом сигнале. Именно это и делает приведенный ниже график:
Инженеры знают, что это происходит с помощью преобразования Фурье. Впрочем, если это словосочетание ничего не значит для вас, не стоит волноваться. Заметили проблему? Сигнал сердечного ритма на запястье ничтожен по сравнению с шумом от движения запястья! Таким образом, легко увидеть, откуда берется "блокировка каденса": часы блокируются на шуме, создаваемом движением запястья, вместо истинного сигнала, создаваемого сердцем.
Как вы можете себе представить, проблема отслеживания частоты сердечных сокращений среди всего этого шума становится еще более трудной в двух ситуациях:
- Когда сигнал ускорения запястья очень сильный — это происходит, когда вы быстро бежите.
- Когда темп приближается к частоте сердечных сокращений, что также происходит при быстром беге.
Это, конечно, довольно сильно раздражает бегунов, которые выстраивают свои тренировки на основе сердечного ритма, поскольку обычно эти атлеты сильно обеспокоены своим пульсом во время тренировок.
Можно было бы представить себе некоторые способы решения этой проблемы: использовать несколько оптических датчиков, попытаться каким-то образом вычесть сигнал ускорения из оптического сигнала и так далее. Вполне возможно, что подобные решения приходят в голову инженерам Apple, Garmin и Fitbit. Но, учитывая то, что мы увидели выше, вполне вероятно, что даже самые лучшие способы решения этой проблемы не всегда будут работать хорошо.
Как повысить точность измерения пульса на запястье во время бега?
Во-первых, если значения частоты сердечных сокращений абсолютно необходимы для ваших тренировок, используйте нагрудный датчик. Это лучший способ гарантировать точность показаний. Тем не менее, есть несколько стратегий, которые можно использовать для улучшения качества измерений частоты сердечных сокращений на запястье.
Для начала, плотно застегните часы и убедитесь, что датчик на часах чистый. Когда оптический датчик плотно прижат к коже, он будет меньше двигаться во время бега и у него будет больше шансов точно измерить частоту сердечных сокращений.
Другой способ, который можно попробовать, — вытянуть руку перед собой на несколько секунд, прежде чем проверять частоту сердечных сокращений. Идея здесь в том, чтобы уменьшить ускорение на запястье, возникающее от размахивающего движения рук. Однако, этот метод сработает не так хорошо, как можно подумать, потому что даже когда вы не размахиваете руками во время бега, они все равно довольно сильно подпрыгивают вверх и вниз относительно земли (потому что руки прикреплены к туловищу, которое совершает колебательные движения во время бега).
Оптический датчик сердечного ритма, который испытывает меньшее ускорение, например, тот, что крепится на предплечье или плече, скорее всего, будет легче и точнее определять истинный пульс и не станет жертвой блокировки каденса.
Тем не менее, даже плечо испытывает довольно сильные ускорения во время быстрого бега, поэтому оптический датчик сердечного ритма, прикрепленный на руке вряд ли станет идеальным решением для всех.
Наконец, если часы позволяют, измените настройки на циферблате, чтобы отображать каденс на том же экране, что и пульс. Если вы проверите свой пульс на экране и увидите, что часы очень точно отслеживают каденс, будет понятно, что произошла та самая блокировка каденса, и следует игнорировать те значения "пульса", которые показывают часы.
Резюме
Можно многое сказать о том, являются ли тренировки с измерением частоты сердечных сокращений для бегунов хорошей идеей в принципе, многие эксперты относятся к ним весьма скептично, но также можно еще многое сказать и о ряде других факторов, которые могут повлиять на точность пульсометра на запястье.
Основная суть в том, что следует всегда содержать датчик в чистоте, следить за тем, чтобы часы не болтались на запястье во время бега, и сравнивать записанный пульс с каденсом. Если два этих показателя внезапно меняются синхронно, вы поймете, что что-то пошло не так, и в этом случае не следует доверять данным о частоте сердечных сокращений, измеренным на запястье.