Med hjerte(frekvensen) på rett plass

Måling av hjertefrekvens er ikke lenger begrenset til klinisk bruk. Takket være den utbredte tilgjengeligheten av bærbar teknologi som smartklokker, er det nå mulig for forbrukere å nøyaktig spore hjertefrekvensen uten spesialistmedisinsk utstyr.

Verdifullt

For pasienter med underliggende helseproblemer kan evnen til kontinuerlig hjertefrekvensovervåking gi verdifull innsikt, hjelpe brukere med å overvåke tilstanden sin over tid og i noen tilfeller til og med hjelpe med tidspunktet for medisinering. I forbindelse med trening, enten du er en profesjonell idrettsutøver eller bare ønsker å forbedre kondisjonen din, kan hjertefrekvensmålere gi tilbakemeldinger i sanntid, spore generell fremgang, hjelpe i rehabilitering etter skade og muliggjøre målrettet trening i hjertefrekvenssoner.

Stort mangfold

Mangfoldet i bruksmulighetene og verdien av dataene som innhentes, er bare noen av de viktigste faktorene bak den betydelige veksten innen teknologi for treningssporing. Men hvilken teknologi ligger til grunn for disse enhetene? Og hvordan påvirker de unike designhensynene til hjertefrekvensmålere utviklingen av bærbare enheter, som smartklokker og treningsmålere?

Metoder for hjertefrekvens- deteksjon: EKG mot PPG

Selv om betydningen av hjertet ditt er ganske selvforklarende, undervurderes ofte kompleksiteten i organets funksjon og den innsikten det kan gi for helsen og din følelsesmessige velvære.

Hovedsakelig er hjertet ansvarlig for å pumpe blod rundt i kroppen. Derfor er en sanntidsmåling av hjertefrekvens nyttig for å indikere nåværende fysisk anstrengelse samt for å avdekke plutselige helseproblemer. Kontinuerlig og nøyaktig overvåking kan imidlertid gi en bredere forståelse av en persons helse, noe som gjør det mulig å forstå viktig informasjon som hjertefrekvensvariasjon (HRV). HRV er tiden hjertet ditt svinger bort fra sin normale rytme og gir innsikt i helsen til det autonome nervesystemet (ANS). Data som stammer fra overvåking av HRV, er nyttige for å forstå en persons følelsesmessige velvære, samt for å belyse visse underliggende helseproblemer.

Viktig å forstå

For at en metode for hjertefrekvensdeteksjon skal være effektiv, må den være nøyaktig og ikke bare øyeblikkelig under spesifikke forhold, men kontinuerlig i ulike situasjoner for å bidra til å generere en bredere forståelse av en persons helse. Innen forbrukerhelseovervåking er det to metoder for hjertefrekvensdeteksjon: optisk deteksjon, kjent som fotopletysmogram (PPG), og den tradisjonelle metoden som brukes i kliniske innstillinger, elektrokardiogram (EKG), som måler den elektriske aktiviteten i hjertet direkte (Figur 1). For at begge teknologiene skal kunne brukes vellykket i smartklokker og treningsmålere, er det avgjørende å forstå fordelene og begrensningene ved begge metodene.

Fordeler med PPG

PPG-teknologi bruker et lite LED-lys og en fotodetektor for å måle hjerteaktivitet gjennom endringer i blodstrømmen. Når et blodkar utvider seg og trekker seg sammen, varierer det reflekterte lyset fra LED-en. Endringene i det reflekterte lyset kan deretter brukes til å beregne hjertefrekvensen samt endringen i blodstrømningsvolum. Hovedfordelen med PPG-sensorer er deres utrolige fleksibilitet, da de kan brukes på en rekke områder på kroppen, inkludert pannen, håndleddet, overkroppen, fingertuppen, øret og ankelen.

Begrensninger med PPG

Når det gjelder begrensninger, kan PPG, som bruker en optisk måling, påvirkes av flere faktorer som kan påvirke nøyaktigheten. Hvis enheten beveger seg bort fra huden, kan omgivelseslys nå fotodetektoren og endre avlesningen hvis ikke nødvendig kompensasjon blir brukt. Mengden og plasseringen av omkringliggende blodkar kan også påvirke systemets nøyaktighet. Videre har de fleste PPG-sensorer en innstillings- eller kalibreringsperiode, der de måler omgivelsesforholdene og beregner kompensasjon. Målingen er altså ikke øyeblikkelig, men høyfrekvente sensorenheter kan betydelig redusere konfigureringsperioden. Til slutt, siden LED-er brukes som lyskilde, er strømforbruket til en PPG-sensor direkte knyttet til pulsfrekvensen og varigheten av målingen. Dette kan begrense nøyaktighet og kontinuerlig overvåking i noen anvendelser med små batterier.

Fordeler med EKG

EKG-sensorer bestemmer en persons hjertefrekvens ved å bruke elektroder festet direkte til huden for å måle endringer i bioelektrisk potensial generert av hjertets ledningssystem. På grunn av den direkte målingen av hjertets elektriske aktivitet har EKG-sensorer liten eller ingen konfigureringsperiode, noe som gjør dem ideelle for nødssituasjoner. De kan også nøyaktig spore hjertepulstopper, noe som muliggjør pålitelige målinger av HRV. EKG-sensorer er immune mot lysforstyrrelser, og den eneste virkelige tekniske kravet er tett kontakt med huden. Sensorene er i seg selv svært små og krever svært lite strøm, siden de er enkle elektroder.

Begrensninger med EKG

Den største begrensningen med EKG-systemer er behovet for å detektere bioelektrisk aktivitet gjennom huden, noe som er mulig bare på visse områder av kroppen (vanligvis brystet, armhulene, øvre lår og fingertupper). Den uhåndterlige plasseringen av disse områdene for sensorer kan derfor begrense EKGs evne til å gi kontinuerlig overvåking utenfor klinisk bruk. I tillegg er kontaktpunktene ikke alltid praktiske for fysisk aktivitet, da bevegelse kan koble elektroden fra huden.

Designhensyn for hjertefrekvensmåling

Når du velger mellom EKG og PPG, må du grundig utforske flere hensyn før du velger en passende løsning. I klinisk bruk der øyeblikkelig og høy nøyaktighet er nødvendig, er EKG det logiske valget, men i treningsmålere og bærbare enheter er utvelgelsesprosessen mer nyansert.

Samspill

Kanskje det viktigste designhensynet for mange bruksområder er samspillet med brukeren. For mange treningsmålere og bærbare enheter som smartklokker, er håndleddet til en person det ideelle stedet fordi området er lite utsatt, enkelt tilgjengelig og ofte brukt (i form av tradisjonelle klokker og smykker). I slike bruksområder kan PPG-sensorer integreres i en klokke eller rem, slik at det oppnås en direkte fysisk tilkobling med resten av kontrollelektronikken, og brukeren får avlesninger på en komfortabel måte.

Bruk

Plasseringen av hjertefrekvensovervåking i hierarkiet over salgsargumenter for et produkt kan også påvirke hvilken teknologi som implementeres. Hvis enheten er en ekstra sporingssensor for helse eller trening designet for tilkobling til en smarttelefon eller smartklokke og legger vekt på høy nøyaktighet eller HRV-sporing, kan EKG-teknologi være å foretrekke. EKG-baserte kontinuerlige hjertefrekvensmålere står imidlertid overfor utfordringen med å ivareta brukerens komfort. I forbindelse med trening tar design vanligvis form av fleksible bånd som passer rundt en persons mage, mens de som brukes utelukkende for helseovervåking, kan bruke klebende puter for å sikre at tett kontakt med huden opprettholdes. Disse løsningene, som er trådløst tilkoblet smarttelefoner eller smartklokker for behandling og kontroll, bringer også ekstra designhensyn å opprettholde tilkoblingen til vertsenheten.

Ja takk, begge?

For de nyeste høytytende treningsmålerne og bærbare helsemonitorene, velger mange produsenter – som Samsung, Apple og Fitbit – i stedet for å implementere enten PPG eller EKG, å integrere begge sensortyper i produktene sine. PPG, for å gi kontinuerlig prøvetaking som brukes til å skape en bredere oversikt over en persons hjertefrekvens, samt spore fysisk aktivitet, og en EKG-sensor, som vanligvis er integrert i skjermens kant, for periodiske sjekker og nøyaktig HRV. For personer med potensial for paroksysmal atrieflimmer (PAF) – en tilstand der en person har uregelmessig, ofte unormalt rask hjerterytme – gir tilgang til svært nøyaktige EKG-målinger verdifull innsikt. Når personen opplever symptomer knyttet til PAF, kan de ta en EKG-måling. Videre kan de innsamlede dataene hjelpe medisinske fagpersoner med diagnostisering, samt med å visualisere situasjonen for individet.

Implementering av optisk hjertefrekvensmåling med PPG

Optisk hjertefrekvensmåling med PPG spiller en avgjørende rolle i mange treningsmålere og bærbar teknologi. Evnen til å gi nøyaktige målinger fra komfortable steder på kroppen gjør det ofte til teknologien valgt av designere. Uansett bruksområde og om PPG implementeres sammen med EKG eller alene, i et marked som beveger seg så raskt som treningsmålere og smartklokker, er den raske utviklingen av en sensorløsning med høy nøyaktighet avgjørende for prosjektets overordnede suksess.

Analog Devices ADPD188GG

Analog Devices sin ADPD188GG optiske modul er en komplett fotometrisk løsning som kan måle optiske signaler fra både synkroniserte reflekterte LED-pulser og omgivende lyskilder. Den svært effektive modulen integrerer to LED-er og fotodetektordioder, alle innkapslet i en elegant tilpasset pakke som forhindrer at lyset fra LED-en blir oppdaget av fotodioden uten først å gå gjennom et objekt. Under synkron måling tilbyr den markedets beste avvisning av omgivende lysforstyrrelser. Denne funksjonen gjør den perfekt for treningsmålere, der kraftig bevegelse kan tillate omgivende lys å komme inn i måleområdet.

For å bidra til en rask utviklingsprosess, skaper EVAL-ADPD188GGZ evalueringskortet (Figur 2) og tilhørende WaveTool-applikasjon et enkelt miljø for evaluering av ADPD188-sensoren. WaveTool-applikasjonen har et brukervennlig grensesnitt designet for å effektivisere utviklingsprosessen – den gir også mulighet for grundig konfigurasjon, sanntids frekvens- og tidsdomeneanalyse, samt overføringsevne for brukerdatagramprotokoll (UDP). Hvert evalueringskort inneholder en ADPD188GG optisk modul, AD8233 EKG-forsterker og ADXL362 akselerometer, med kortets formfaktor optimalisert for PPG-målinger på håndleddet.

Analog Devices/Maxim Integrated MAX30102

Analog Devices / Maxim Integrated MAX30102 (Figur 3) er en kombinert pulsoksimeter og optisk hjertefrekvenssensor. Denne kompakte overflatemonteringsenheten (SMD) integrerer en LED-driver, LED-dioden og en utrolig liten 14-pinners optisk modul på 5,6 mm x 3,3 mm x 1,55 mm. Dette bidrar til å maksimere kjøretiden i batteridrevne applikasjoner, med en driftseffekt på mindre enn 1 mW, mens det ekstremt lave strømforbruket i hvilemodus er bare 0,7 µA. Videre er både prøvefrekvensen og LED-en programmerbare, noe som bidrar til intelligente applikasjonsbaserte strømsparinger. Med lavt støynivå, rask prøvetaking, høyt signal-til-støy-forhold (SNR) og utmerket avvisning av omgivende lys, er modulen egnet for et bredt spekter av nettbrett-PC-er, smarttelefoner og bærbare treningsenheter.

For å sikre at utviklingsprosessen for prosjektet ditt er så enkel som mulig, tillater Analog Devices MAXREFDES117 referansedesign (Figur 4) deg å evaluere MAX30102 kombinert pulsoksimeter og optisk sensor med både Arduino- og Mbed-plattformer. Når referansekortet er koblet til, kan ingeniører raskt starte evalueringen ved hjelp av den enkle åpne hjerte- og SpO2-algoritmen som er inkludert i eksempelfastvaren.

Ergonomi innen bærbar teknologi

Valget av hvor du skal måle en persons hjertefrekvens avhenger av mange faktorer, som deres fysiske aktivitet, nøyaktigheten som kreves for målingen, behovet for tilgang til kontroller og komfort. Med det sagt er håndleddet ofte å foretrekke for hjertefrekvensovervåking i mange prosjekter. Ettersom klokker og armbånd har eksistert siden lenge før hjertefrekvensovervåkingens tid, kan bruk av dette kjente stedet gi den beste komforten. Fra et ytelsessynspunkt tilbyr håndleddsbaserte enheter enestående tilgang til kontroller, elegant integrering av både PPG- og EKG-sensorer, muligheten til å inkorporere tidsfunksjonalitet og sensormåling med høy nøyaktighet i en rekke aktiviteter.

Dette er grunnen til at så mange treningsmålere og bærbare enheter er basert på håndleddet. Selv innen idrettsbruk velger mange utøvere av ikke-kontaktsporter, som syklister, løpere og roere, smartklokker eller håndleddsbaserte treningsbånd. Uavhengig av enhetens plassering har hjertefrekvensovervåking kommet for å bli og vil bare vokse i takt med teknologien. Dette vil gi utøvere og forbrukere kvantifiserbar innsikt i helsen deres, og hjelpe dem med å ta informerte beslutninger om livsstil og trening.