Нужен ли вам беспроводной кардиодатчик для тренировок на дорожке? Рейтинг лучших нагрудных пульсометров Как работает датчик пульса смартфоне.

В этом уроке мы разберём, как подключить датчик пульса к Arduino и измерять сердечный ритм. Для работы воспользуемся оптическим датчиком Pulse Sensor.

Принцип работы датчика пульса

Датчик импульсов, с которым мы будем работать, представляет собой, фотоплетизмограф, который является хорошо известным медицинским устройством, используемым для мониторинга сердечного ритма.

Фотоплетизмограмма - метод регистрации кровяного потока с использованием источника инфракрасного или светового излучения и фоторезистора или фототранзистора.

Фоторезистор меняет сопротивление в зависимости от количества поглощённого света. Чем больше кровяной поток, тем меньше света поглощается в тканях организма, следовательно, больше света приходит на фоторезистор.

Фотоплетизмограмма позволяет измерять объёмный пульс крови, вызванный периодическим изменением кровяного объёма при каждом ударе сердца, частоту сердцебиения, вариабельность сердечного ритма.

Принцип действия фотоплетизмограммы:

Сигнал сердечного пульса, который выходит из фотоплетизмографа имеет форму волны.

ЭКГ — сверху, ФПГ — снизу

Импульсный датчик Pulse Sensor реагирует на относительные изменения интенсивности света. Если количество света, падающего на датчик, остается постоянным, значение сигнала останется на (или близко к) 512 (средняя точка 10-разрядного диапазона АЦП Arduino). Больше света и сигнал поднимается. Меньше света — падает.

Подключение датчика к Ардуино

Для соединения с микроконтроллером у Pulse Sensor имеется три вывода. Подключаем их к Ардуино по следующей схеме:

Pulse Sensor	GND	VCC	OUT
Arduino Uno	GND	+5V	A0

Принципиальная схема:

Внешний вид макета:

Программа:

Для того, чтобы наша Ардуино подружилась с датчиком пульса, нужно установить PulseSensor Playground Library.

Заходим в меню Эскиз > Include Library > Manage Library, вбиваем в поиске PulseSensor и устанавливаем последнюю версию среди найденных результатов.

После того, как библиотека успешно установилась, выбираем в меню Файл > Образцы > PulseSensor Playground > GettingStartedProject.

Листинг нашей программы:

int Signal;

void setup(){
pinMode(LED13, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}

void loop(){
Serial.println(Signal);
if (Signal > Threshold){
} else {
digitalWrite(LED13, LOW);
}
delay(10);
}

Компилируем проект и прошиваем в Ардуино.

В результате мы должны увидеть мигающий диод в такт нашему пульсу, когда подносим руку или палец к датчику пульса.

Аппарат для наблюдения сердечного ритма

Теперь немного усложним нашу схему и сделаем аналог прибора, который используют в больницах, чтобы отслеживать пульс пациента. Для этого добавим зуммер и светодиод, о которых рассказывалось в предыдущих уроках ( и ). Принцип действия нашего устройства будет следующим: при подключении датчика пульса должны срабатывать световой и звуковой сигналы в такт сердцебиению, при отсутствии пульса звучит непрерывный сигнал с зуммера.

Примерный вид модели прибора:

График пульса, полученный по показаниям с нашего прибора:

Прибор в действии:

Листинг программы:

Int PulseSensorPurplePin = 0; // выход Ардуино А0
int LED13 = 13; // светодиод на плате
int Signal;
int Threshold = 550; // значение для данных сенсора, после которого подаётся сигнал
const byte dynPin = 2; // зуммер

void setup() {
pinMode(LED13, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
pinMode(dynPin, OUTPUT);
}

void loop(){
Signal = analogRead(PulseSensorPurplePin); // чтение данных с сенсора
Serial.println(Signal);
if (Signal > Threshold){
digitalWrite(LED13, HIGH); // если значение выше "550", то сигнал на светодиод
digitalWrite(dynPin, HIGH); // если значение выше "550", то включение зуммера
} else {
digitalWrite(LED13, LOW);
digitalWrite(dynPin, LOW);
}
delay(10);
}

Следует отметить, что значение для данных сенсора (переменная Threshold) равно 550 в нашем примере, но оно может изменяться при использовании прибора разными людьми.

А вы знали, что от бега бывают шрамы? Причем на грудной клетке. Конечно, не от самого бега, а от нагрудного пульсометра. Зачем нужны тренировки по пульсу, можно прочитать в .

Мне не повезло иметь конструкцию, при которой лента натирает, особенно на длинных дистанциях. Длительная тренировка около 30 км с пульсометром - гарантированные кровь-кишки натертости, боль в процессе и долго заживающие шрамы. Пробовала менять ленты, надевать ленту чуть выше и ниже, затягивать сильнее и слабее - безрезультатно. К тому же, нагрудный датчик пульса нужно регулярно стирать и менять в нем батарейку. Иначе он начинает бредить, часто в самый ответственный момент.

Все это изрядно раздражает, поэтому я давно хотела попробовать альтернативный вариант - оптический пульсометр . Выбор пал в пользу устройства Scosche Rhythm+ , которое мне удачно подарили на день рождения 😉 Что из этого получилось, читайте ниже. Осторожно: много графиков!

Как работает нагрудный датчик пульса

Нагрудный датчик пульса , он же нагрудный кардиомонитор (HRM strap, HRM band) - это эластичный ремень с двумя электродами в виде полосок из проводящего материала и кардиопередатчиком. Технология его работы построена на таком явлении как электрическая активность сердца, обнаруженном в конце 19 века.

Датчик крепится на груди, электроды увлажняются водой или специальным гелем для лучшей проводимости. В момент сокращения сердечной мышцы на коже регистрируется разность потенциалов - таким образом происходит измерение частоты пульса. С датчика информация по беспроводной технологии непрерывно передается на принимающее устройство: часы, велокомпьютер, фитнес-браслет, смартфон и т.п.

Как работает оптический датчик пульса

Оптический датчик пульса с помощью светодиодов просвечивает кожный покров мощным пучком света. Затем происходит измерение отраженного количества света, рассеянного кровотоком. Технология строится на том, что рассеивание света в тканях происходит определенным образом в зависимости от динамики кровотока в капиллярах, что позволяет отследить изменения пульса.

Оптические датчики требовательны к плотному прилеганию к коже (не работают через одежду) и расположению. Их работа построена на определении кровотока в тканях, поэтому чем больше тканей доступно для считывания, тем лучше.

Нагрудный и оптический датчик пульса для бегуна: сравним?

Почему Scosche RHYTHM+, а не встроенный в спортивные часы датчик пульса?

Самый очевидный вариант при выборе оптического пульсометра - купить спортивные часы со встроенным датчиком. Большинство относительно новых моделей часов известных производителей уже включают в себя эту опцию. На первый взгляд, удобно: все в одном, не нужно отдельно заряжать и надевать на себя еще одно устройство.

Но если присмотреться, то такой вариант имеет свои подводные камни. Первым из них для меня стало то, что оптический пульсометр должен плотно прилегать к коже, через ткань, даже самую тонкую, он не работает.

Мои основные тренировки обычно приходятся на конец осени и зиму - подготовка к весеннему марафону. К жаре адаптируюсь плохо, летом бегаю больше для поддержания, а прогресс и улучшение формы удается получить только по холодной погоде.

Часы при этом всегда ношу поверх рукава лонгслива или ветровки. Задирать рукав каждый раз, чтобы посмотреть на показания пульса и темпа - вообще не вариант. Особенно это касается бега на ПАНО, где пульс должен попадать в достаточно узкий коридор и его нужно все время контролировать, чтобы не ускакал выше.

Вторая причина, почему мне не подходит встроенный в часы датчик, обнаружилась уже во время тестирования, о ней ниже.

Оптический датчик пульса Scosche RHYTHM+: краткий обзор

Полное название устройства: Scosche RHYTHM+ Dual ANT+/Bluetooth Smart Optical HR .

Было выпущено в 2014 году. До сих пор считается одной из самых удачных и точных моделей среди оптических датчиков пульса. Подробнее можно почитать в мега-основательном обзоре на сайте Рэя , который DCRainmaker.

Так выглядит Scosche RHYTHM+, просто и с минимумом наворотов

Scosche RHYTHM+ — отдельное устройство в виде браслета с оптическим датчиком, которое надевается на руку и передает показания на любой гаджет, поддерживающий технологию ANT+ или Bluetooth Smart. Фактически это все современные спортивные часы, смартфоны (iPhone 4s и выше, Android 4.3 и выше) и другие устройства. Также работает с любыми приложениями, поддерживающими измерение пульса. Короче, полностью универсальная штука.

Scosche RHYTHM+ имеет три оптических сенсора

В комплекте к датчику идет USB зарядка, заявленное время работы 7-8 часов . Минус: индикация уровня заряда отсутствует. Я вышла из положения, просто ставя Scosche на зарядку после каждой тренировки.

Scosche RHYTHM+ на USB зарядке

По характеру Scosche - типичный интроверт. Все взаимодействие с внешней средой происходит при помощи единственного огонька, который во время зарядки устройства изредка мигает красным, во включенном состоянии — красным и синим, при выключении - снова красным, но чаще. Кнопка тоже одна, для включения достаточно просто нажать ее, для выключения - нажать и подержать. Другая коммуникация с устройством не предусмотрена, любители минимализма и голой функциональности оценят.

Размер браслета датчика регулируется при помощи липучек

Тестирование оптического датчика пульса Scosche RHYTHM+

Чтобы оценить точность оптического датчика по сравнению с нагрудным, я пошла самым простым путем: нацепила на себя двое часов, оба датчика и отправилась на пробежку. Scosche передавал показания пульса на Garmin 920XT, нагрудный датчик - на старый заклеенный изолентой заслуженный Garmin Forerunner 410.

Набор юного исследователя: часы 2 шт, датчики пульса 2 шт

В результате со всех тренировок было получено по два графика пульса - по версии каждого из датчиков. Затем для наглядного сравнения графики были наложены друг на друга. Подразумеваем, что показатели нагрудного пульсометра условно точны. Хотя с ним тоже не все так однозначно, как можно убедиться на одном из примеров ниже.

Почувствуй себя гиком. Весь январь бегала с двумя часами

За месяц были получены данные с разных типов тренировок :

трусца на низком пульсе
легкий бег на уровне аэробного порога (АП), в том числе с короткими ускорениями по 20-30 секунд (страйдами)
бег в марафонском темпе
темповый бег на уровне анаэробного порога (ПАНО)
МПК-интервалы по 1 км
повторы по 400 м

Посмотрим, что получилось.

Часть 1, неудачная

Если сидеть, стоять или ходить, то показания Scosche и нагрудного пульсометра совпадают практически полностью, отклонение не более одного удара (оптический датчик чуть запаздывает).

Пока не бежишь, датчики меряют одинаково

Попытка №1: легкий бег на аэробном пороге

Расположение по инструкции

На первую тестовую тренировку я надела только оптический датчик, т.к. уже пару раз успела с ним побегать, показания были вменяемые, подставы не ожидала.

Почти сразу начались глюки, но через пару километров вроде бы все устаканилось. Ровный бег на 150-154 по ровному Труханову, пробежала около 8 км, и тут бах! пульс подпрыгивает под 180 и не снижается. Задумалась, бежать в больницу или вызывать скорую на место. Для справки: до 180+ мое сердце удается разогнать только на интервалах по 1 км, ну или на финишном ускорении на соревнованиях. И это явно не медитативный бег и единение с природой, а счет выдохов, чтобы отвлечь мозг и дотерпеть последние несколько сот метров.

Показания оптического датчика при беге на АП, расположение по инструкции

На графике видно, что я 3 раза останавливалась, пыталась как-то поправить датчик, но безуспешно. Дальше бежала по темпу, пульс колебался от 175 до 180 . Почему именно эти устрашающие цифры? А потому, что примерно такой у меня каденс . Видимо, из-за неудачного (в моем случае) расположения при движениях рукой на датчик как-то хитро попадает свет, и он считает эти колебания вместо пульса.

Вывод: размещение датчика по инструкции мне не подходит.

Попытка №2: трусца

Расположение датчика: на запястье - как у встроенного в спортивных часах

Расположение как в часах, плотная фиксация с помощью подручных материалов

Результат еще печальнее, правильных показаний не было вообще, сплошной каденс. На графике пульса с нагрудного датчика (синем) все четко: видны подъемы и спуски с лестниц, остановка на светофоре.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при трусце, расположение на запястье

Уже позже прочитала, что часы со встроенным датчиком рекомендуют надевать чуть выше, чем обычно, чтобы для считывания было доступно больше тканей. В моем случае это не помогает: и там, и там дефицит мягких тканей, одна кожа и кости 🙂

Вывод: размещение датчика на запястье (и часы со встроенным оптическим датчиком) мне не подходит.

Попытка №3: разминка / темповая работа на ПАНО 5 + 3 + 3 км / заминка

Расположение датчика: на бицепсе, с внутренней стороны. Подсмотрела такой вариант у Рэя (ссылка на его обзор выше), у него он работает. У меня - снова безобразие.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при работе на ПАНО, расположение на внутренней стороне бицепса

Попытка №4: снова трусца

Расположение датчика: немного выше локтя, сбоку (спереди)

Местами Scosche даже работал правильно, но не удержался, чтобы не изобразить на графике темповую тренировку.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при трусце, расположение выше локтя спереди

Здесь я задолбалась расстроилась и нажаловалась в фейсбуке на все эти продвинутые технологии. Автор подарка, который сам бегает с таким же пульсометром уже больше года, подсказал, что надевает его так, чтобы датчик располагался на внешней стороне бицепса. Ладно, еще одна попытка. И вуаля! Это помогло.

Часть 2, удачная

Расположение оптического датчика, которое у меня работает

Попытка №5: еще одна трусца

Расположение датчика: с внешней стороны бицепса

Идеальное совпадение графиков, включая отработку лестниц и переходов

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при трусце, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №6: темповая на ПАНО 5 + 3 + 3 + 1 км

Расположение датчика: там же

У нагрудного пульсометра получился чуть более сглаженный график, но все средние показатели на км совпадают.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при темповой работе на ПАНО, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №7: легкий бег на АП + 6 коротких ускорений по 20-30 сек.

Расположение датчика: там же

Единственное различие в том, что оптический показывает более высокий пульс на страйдах. Кто из них прав, не знаю, но это не принципиально — для коротких ускорений пульс абсолютно не важен.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при беге на АП с короткими ускорениями, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №8: интервалы 5х1км + повторы 4х400м

Расположение датчика: там же

На интервалах график с показателями оптического пульсометра чуть более «забористый», и есть небольшие запаздывания. Впрочем, отклонения мелкие, и на общую картину никак не влияют.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при интервалах 5х1км, расположение с внешней стороны бицепса

А вот на повторах несовпадение графиков уже серьезнее, хотя, как и в случае с короткими ускорениями, по пульсу их никто не бегает.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при повторах 4х400м, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №9: разминка / 13 + 5 км в марафонском темпе / заминка

Расположение датчика: там же

Здесь редкий случай - глюк нагрудного датчика . Его видно в начале синего графика, где пульс на разминке улетает на 180.

Как уже упоминалось, электроды нагрудного датчика для лучшей электропроводимости нужно смачивать - либо специальным гелем, либо водой. Лично я на них чаще всего просто плюю (пардон за натурализм), надеваю ленту и почти сразу выхожу на тренировку. Если не смочить электроды заранее, то поначалу пульсометр может глючить, но потом они увлажнятся естественным образом - с помощью пота.

Алгоритм был нарушен: в уже полностью одетом виде меня застал телефонный звонок, и выйти получилось только минут через 15. Лента высохла, да и на улице самоувлажняться не спешила из-за холода. Там видно еще одну остановку в самом начале М-темпа - тоже из-за телефона. При более высокой интенсивности процессы пошли быстрее, и нагрудный датчик пришел в чувство.

Еще был непонятный прыжок пульса по версии оптики во время легкого бега между работами - причину не нашла.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при М-темпе, расположение с внешней стороны бицепса

Пожалуй, на этом с графиками пора завязывать.

С тех пор я полностью перешла на Scosche и попрощалась со шрамами. С подобранным местом расположения оптического датчика его показатели достаточно точны для моих целей, никаких заметных глюков больше не наблюдалось. Надеюсь скоро пробежать с ним марафон и наконец-то узнать, с каким пульсом я это делаю (до этого ни разу не бегала 42 км с пульсометром по понятным причинам).

Плюсы/минусы оптического датчика по сравнению с нагрудным

Удобство: не натирает, не сползает, не мешает

В нем не разряжается батарейка, что случается редко, но в самый неподходящий момент

Его не нужно стирать, в отличие от нагрудного, который в просоленном состоянии может показывать некорректные данные (при активных тренировках стираю ленту раз в неделю)

Его не нужно смачивать перед использованием

При подборе удачного места размещения оптический датчик достаточно точен для решения задач бегуна-любителя

Нагрудный или оптический пульсометр?

— нагрудный датчик по умолчанию точнее, технология его работы не требует танцев с бубном подбора оптимального расположения на теле и идеального прилегания

— оптический датчик в виде устройства (не встроенный в часы) нужно отдельно заряжать, а это еще +1 зарядка ко всей имеющейся куче проводов

Плюсы оптического датчика Scosche по сравнению со встроенным в часы

Путем экспериментов можно подобрать оптимальное место размещения, при котором показания будут наиболее точны. В случае с часами со встроенным датчиком пульса варианты ограничиваются запястьем - не у всех оптика работает корректно в этом месте (я тому пример).

Оптический датчик в виде отдельного устройства можно надевать под одежду, при этом показания выводятся на часы, надетые поверх рукава. Часы со встроенным датчиком должны прилегать к телу, что делает их использование в холодное время года неудобным.

А вы пробовали пользоваться оптическим пульсометром? Как впечатления?

Хотите получать обновления блога на почту? .

В этой статье вы узнаете о нескольких деталях, на которые нужно обращать внимание при разработке сенсоров фотоплетизмографа.

Введение

В предыдущей статье вы познакомились с конструкцией датчика измеряющего пульсограмму . Сегодня я поделюсь некоторыми наработками, которые могут быть полезны при выборе элементной базы плетизмографа и разработке его электрической схемы. Они помогут улучшить качество полезного сигнала, на которое в первую очередь влияют следующие факторы:

отсутствие артефактов;
наличие выраженной пульсовой волны в точке регистрации;
конструкция чувствительного элемента.

Артефакт – не относящееся к полезной составляющей изменение формы сигнала, спектрально и амплитудно схожее с ним.

Существуют несколько источников артефактов:

передвижения человека, использующего фотоплетизмограф, относительного источника освещения, естественного или искусственного, например, перемещение тени от солнца во время занятий спортом;
передвижения источника света относительно человека или изменение яркости этого источника. Например, мерцания люминесцентных ламп;
не связанные с пульсом движения частей тела вызывающие движения фотоплетизмографа или точек тела в том месте, где установлен чувствительный элемент. Например, движения костей предплечья, возникающие при движениях пальцами, движения костей головы, связанные с речью и мимикой.

Кроме артефактов качество измерения пульса зависит от выраженности пульсовой волны. У одного и того же человека пульс может быть проявлен очень хорошо и очень плохо. Например, я много раз наблюдал за изменением пульса во время трехчасового компьютерного психо-физиологического тестирования. Измерение пульсограммы производилось с мочки уха. При этом сигнал ухудшался с течением времени. Это могло происходить достаточно быстро – за полчаса, и связано, предположительно, с тем, что ушная клипса ухудшает кровоток, а также с вынужденной неподвижностью испытуемого.

Похожая ситуация наблюдается при измерении пульса с фаланги пальца. Изменение температуры в помещении или легкое изменение позы человека и вызванное этим смещение точки регистрации на небольшое расстояние могут привести к снижению уровня сигнала или вовсе к его исчезновению.

При измерении пульса с виска проблема отсутствия сигналов обостряется. Площадь виска больше площади пальца, труднее найти точку, в которой пульс лучше проявлен, и больше вероятность, что пользователь наденет датчик неправильно.

Многоканальные чувствительные элементы

Для решения описанной проблемы может быть применен распространенный в технике принцип – дублирование, которое в данном случае подразумевает использование датчика с несколькими чувствительными элементами. Принципиальная схема, реализующая такую идею, приведена на следующем рисунке.

Предвижу скептические мысли читателей насчет параллельно включенных светодиодов. Прошу не судить строго, так как это опытный образец, который не должен был эксплуатироваться длительное время.

Светодиоды и фототранзисторы на печатной плате располагаются попарно. Размер платы выбирается таким, чтобы перекрывать всю область виска, это позволяет располагать там же схему усиления и фильтрации сигнала. Плата может содержать отверстия для крепления к ленте-тесьме. Внешний вид датчика с девятью чувствительными элементами представлен на следующем рисунке.

Аналогичное решение может быть применено для измерения пульса с пальца или запястья. Ниже изображена схема датчика, состоящего из четырех фототранзисторов и одного светодиода.

Эмиттеры фототранзисторов могут не соединяться и тогда сигналы с каждого из них измеряются независимо, в этом случае требуется специальное многоканальное измерительное устройство. Многоканальное исполнение может быть также полезно для устранения артефактов. Если артефакт возникает только в районе одного фотоэлемента, он фиксируется и не учитывается в общей картине измерения. Однако использование такой схемы не всегда удобно, так как приводит к увеличению габаритов. Совсем другое дело, если соединить фоточувствительные элементы параллельно. В этом случае требуется только один измерительный канал. На следующем рисунке приведен прототип такого датчика. Он работает по схеме «на отражение». Светодиод располагается в центре, а фототранзисторы по краям. Датчик может использоваться для регистрации пульсограммы с фаланги пальца или запястья. Печатная плата разведена так, чтобы иметь возможность подключать фототранзисторы в многоканальный или одноканальный варианты.

Компаудирование

Для лучшей фиксации фотоэлементов поверхность печатной платы может быть залита компаундом. Для заливки изготавливается специальная форма, которую вы также видите на рисунке. Чтобы компаунд не прилипал к форме, ее лучше изготавливать из фторопласта. Если форму выполнить из другого материала, например из металла, то перед заливкой компаунда ее следует смазать специальным составом. Если такого состава нет в наличии, подойдет обычный вазелин. Следует также внимательно подходить к выбору компаунда, так как неправильно выбранный состав может деформировать элементы при отверждении.

Кроме фиксации компаунд выполняет роль светофильтра. Для этой цели подходят эпоксидные компаунды с красителями. Например может использоваться компаунд «Эпоксикон» производства СПбГТИ.

Альтернативу компаундам могут составить твердые светофильтры. Они вплотную прилегают к печатной плате, а для светодиодов и фототранзисторов выполняются пазы фрезой или лазером. На следующем рисунке изображен датчик с элементами, закрытыми отфрезерованной пластиной.

Наличие светофильтра позволяет минимизировать артефакты, создаваемые внешними источниками света. На следующем изображении представлен вид оптических компаундов до отверждения и после.

Особенности выбора фототранзисторов и светодиодов

Для регистрации пульсовой волны используются фоточувствительные элементы – фотодиоды или фототранзисторы. В этой статье речь идет только о фототранзисторах. Потому что на момент моего начала работ в этом направлении уже имелись на руках несколько десятков различных транзисторных сенсоров (клипс, прищепок и напалечников), а также были наработанные схемотехнические решения. Использование диодов при этом ничуть не хуже и повсеместно применяется в различных приложениях, например в распространённых медицинских датчиках стандарта Nellcor.

При выборе фототранзисторов и светодиодов в первую очередь следует обращать внимание на следующие характеристики:

длину волны (максимум спектральной характеристики) [нм];
угол половинной яркости для светодиодов и угол охвата для фототранзисторов [град.];
интенсивность излучения [мВт/ср] для светодиодов и чувствительность для фототранзисторов [мА/(мВт/см2)];
номинальный ток фототранзистора и светодиода [мА];
темновой ток фототранзистора [мА];
наличие встроенных в корпус линз и светофильтров.

Для измерения пульса лучше всего подходят длины волн, которые сильнее всего поглощаются кровью. Это волны соответствующие зеленому цвету 530 нм. Так же используются красный и инфракрасный диапазоны. Очень рекомендую с классификацией способов измерения пульса, там же вы узнаете про спектр поглощения гемоглобина.

При выборе фотоэлементов следует обращать внимание на наличие линз и светофильтров, которые позволяют достичь желаемого угла половинной яркости и охвата, а, значит, быть менее чувствительным к излучению от других источников. Встроенные фильтры позволяют работать только в выбранном спектральном диапазоне. Если выбрать светодиод с большим углом половинной яркости и фототранзистор с большим углом охвата, то свет будет проходить, минуя поверхность кожи. Это приведет к ухудшению измерительного диапазона и световой поток, модулируемый пульсовой волной, практически не будет влиять на выходной сигнал измерительной схемы. Эта ситуация проиллюстрирована на следующем рисунке

Угол а2 является допустимым, а угол а1 слишком велик для того чтобы использовать светодиод с таким углом в устройстве измерения пульса. Этот пример относится к случаю измерения пульса «на отражение». Выбор светодиода с большим углом половинной яркости в устройствах, работающих «на просвет» приведет к тому, что большая мощность излучения будет проходить мимо фотоприемника. Это нежелательно, особенно в мобильных устройствах.

Также следует обращать внимание на интенсивность излучения светодиода, измеряемую в милливаттах на стерадиан [мВт/ср]. В документах на светодиоды она указывается обычно при токах 20, 100 и 1000 мА. Для экономии электроэнергии лучше выбирать светодиоды, у которых эта характеристика выше при одном и том же потребляемом токе. Следует обращать внимание на величину фотоэлектрического тока фототранзистора, чем больше ее значение, тем лучше. Последние две характеристики связаны между собой. В результате, уровень минимально ожидаемого сигнала должен быть хотя бы в несколько раз выше ожидаемого уровня шумов в измерительном устройстве.

Светодиоды и фототранзисторы часто продаются парами, подходящими друг к другу конструктивно и по спектральным характеристикам. В таблице приведены характеристики нескольких пар светодиодов и фототранзисторов. Пары в строчках 2 и 3 не подходят для использования в пульсометрах из-за большого угла и низкой мощности излучения. Пары 1, 4 и 5 подходят, причем первая пара подходит лучше всего. Это было подтверждено испытаниями. При прочих равных условиях лучший сигнал пульсограммы снимался при использовании первой пары. Нужно отметить, что если между светодиодом и фототранзистором поставить непрозрачную преграду, то угол излучения и чувствительности будут не так сильно влиять на качество измерения пульса.

Заключение. Три в одном

Вместо заключения упомяну замечательное интегральное решение, которое в комментариях к предыдущей статье привел хабрапользователь valexey . Речь идет об устройстве Si1143 производства Silicon Labs. Внутри у него два фотодиода – красный и ИК, блок управления тремя светодиодами, встроенная схема усиления и фильтрации, АЦП и модуль последовательного интерфейса I2C. Не буду описывать других подробностей, так как еще не успел опробовать. Судя по описанию, это устройство хорошо подходит для различных измерений связанных с пульсометрией.

P.S.

Репозиторий пополнился чертежами чувствительных элементов и промежуточных усилителей.

Время на чтение: 21 минута

Пульсометр – это измерительный прибор, который определяют частоту сердечных сокращений. Его еще называют монитором сердечного ритма (heart rate monitor) .

Пульсометр используют для контроля работы сердца, анализа нагрузок, определения зон пульса и выхода за рамки этих зон. На рынке спортивной атрибутики продается большое количество разнообразных моделей для мониторинга сердечного ритма. Давайте разберемся, для чего нужен пульсометр, в чем его преимущества и польза, как его выбрать, а также рассмотрим самые популярные модели пульсометров на рынке.

Пульсометр: для чего нужен и какие преимущества

Если вам нужна информация о работе вашего сердца во время тренировки, то такой прибор как пульсометр вам просто необходим. Во время тренировок монитор сердечного ритма помогает поддерживать нужное значение пульса, измеряет количество сожженных калорий и контролирует работу сердца и нагрузку. Чаще всего пульсометр используется во время интервальных и кардио-тренировок, но и во время силовых нагрузок он будет совсем не лишним. Кроме того, пульсометр можно использовать во время дневной активности для контроля работы сердца.

Кому может понадобиться пульсометр?

Тем, кто занимается кардио-тренировками для похудения или развития выносливости.
Тем, кто занимается высокоинтенсивными интервальными тренировками (ВИИТ).
Тем, кто имеет проблемы с сердцем и должен контролировать частоту сердечных сокращений.
Тем, кто хочет контролировать количество сожженных калорий во время тренировки.
А также тем, кто хочет регулярно улучшать свои результаты без вреда для здоровья.

Зачем вообще необходимо замерять пульс во время тренировки? В зависимости от пульса или частоты сердечных сокращений (сокращенно ЧСС) ваш организм будет использовать разные источники энергии. Исходя из этого, есть несколько зон нагрузки, которые определяют эффективность вашей тренировки:

Указанный процент берется от значения максимальной частоты сердечных сокращений. Для ее расчета воспользуемся формулой: Максимальная ЧСС = 220 – возраст.

Соответственно, чтобы организм в качестве источника использовал жирные кислоты, достаточно держать пульс в зоне 60-70% от максимальной ЧСС. Например, если ваш возраст 30 лет, то для расчетов возможного диапазона вашего пульса применим следующие расчеты:

Нижний порог = (220-30)*0,6=114
Верхний порог = (220-30)*0,7=133

При таком пульсе (114-133 удара в минуту) вы можете заниматься длительное время, поддерживая беспрерывный темп. В этом случае нагрузка будет аэробная, то есть с использованием кислорода. Такие кардио-тренировки помогают сжигать жир и тренировать сердце.

Если вы занимаетесь высокоинтенсивными интервальными тренировками (например, тренировки по протоколу Табата), то в моменты пика ваш ЧСС должен находиться в анаэробной зоне, т.е. 80-90% от максимальной ЧСС:

Нижний порог = (220-30)*0,8=152
Верхний порог = (220-30)*0,9=171

Пульсометр помогает следить за своим пульсом и поддерживать его в той зоне, которая отвечает вашим требованиям. Если модель пульсометра позволяет, то можно выставить интересующие вас зоны пульса, и вы будете оповещены, когда ваш пульс будет выходить из заданной зоны.

Преимущества пульсометра:

Монитор сердечного ритма защищает сердце от перегрузки во время тренировки, поскольку вы контролируете значение пульса.
Вы будете заниматься в нужной вам зоне пульса – для жиросжигания или выносливости в зависимости от ваших целей, а значит тренироваться более эффективно.
С пульсометром легко отслеживать свой прогресс, анализировать уровень нагрузки и ее восприятие организмом.
Вы будете точно знать, сколько калорий потрачено во время тренировки.
Вы можете использовать пульсометр во время обычной дневной активности для оценки работы организма или контроля нагрузок.
Пульсометр незаменим во время бега или быстрой ходьбы на улице, когда отсутствуют другие источники для определения уровня нагрузки.

На многих кардио-тренажерах уже установлен встроенный монитор сердечного ритма. Но во-первых, такие пульсометры показывают неточные данные, на которые лучше не ориентироваться. Во-вторых, для фиксации данных необходимо держаться за ручки во время бега или ходьбы, что не всегда удобно. Поэтому если вы хотите получать максимально точные данные по пульсу и калориям, то лучше приобрести монитор сердечного ритма.

Можно также использовать ручной мониторинг пульса. Для этого вам нужно остановиться и посчитать удары, зафиксировав полученные значения. Однако дополнительные манипуляции во время тренировки не всегда удобны, да и полученные значения будут иметь сильную погрешность. Кроме того, постоянные остановки снижают ваш пульс, что нарушает ритм занятия. Именно поэтому пульсометр незаменим: он будет фиксировать данные мгновенно на протяжении всей тренировки.

Основные функции пульсометра:

Мониторинг частоты сердечных сокращений (ЧСС)
Настройка зоны пульса
Уведомление о смене зоны пульса звуком или вибрацией
Расчет средней и максимальной ЧСС
Счетчик потраченных калорий
Отображение времени и даты
Секундомер, таймер

Некоторые пульсометры имеют дополнительные функции: GPS-навигация, будильник, шагомер, история тренировок, автоматический подсчет тренировочных зон, фитнес-тест, расчет ЧСС для отдельного круга (полезно для бегунов), синхронизация с приложениями и компьютером . Чем большими функциями оснащен прибор, тем он дороже по стоимости.

Виды пульсометров

Пульсометры можно разделить на 2 большие группы: нагрудные (с использованием нагрудного датчика) и запястные . Пульсометр с нагрудным ремнем пользуется бо льшей популярностью среди занимающихся, но благодаря новым технологиям появились модели, которые позволяют точно замерить пульс и без нагрудного датчика.

Нагрудный пульсометр представляет собой датчик с электродами, который одевается под грудью и передает данные на часы-приемник или мобильное приложение. Есть два типа моделей нагрудных пульсометров, которые отличаются по комплектации:

Пульсометр без часов-приемника. В этом случае данные передаются на смартфон посредством технологии Bluetooth Smart. Датчик синхронизируются со специальными приложениями в смартфоне, где в автоматическом режиме сохраняется вся необходимая информация о ЧСС и сожженных калориях. Это удобно для анализа тренировок, поскольку приложение хранит всю историю данных. Чаще всего пульсометры синхронизируются с приложениями на операционных системах Android и iOs.
Пульсометр с часами-приемником. В этом случае датчик отправляет данные на часы-приемник, где они обрабатываются, и вы можете видеть их на экране. Такие модели более дорогие, но и более удобные. Вам не нужно дополнительно использовать смартфон, вся информация будет высвечиваться на часах. Например, на улице такие пульсометры использовать удобнее.

Если вы приобретаете пульсометр с часами-примеником, то обратите внимание также на тип передачи данных. Есть два типа передачи данных с нагрудного датчика на часы:

Аналоговый (некодированный) тип передачи данных. Может быть подвержен радиопомехам. Считается менее точным, однако если погрешность и есть, то она совсем небольшая. Аналоговый пульсометр может синхронизироваться с кардио-тренажерами, подхватывая данные о сердечном ритме с вашего ремня. Но если в непосредственной близости от вас (в пределах метра) кто-то использует пульсометр с тем же типом передачи данных, например, на групповой тренировке, то могут возникать помехи.
Цифровой (кодированный) тип передачи данных. Более дорогой и точный тип передачи данных, не подвержен помехам. Однако пульсометр с цифровой передачей данных нельзя синхронизировать с тренажерами.

И аналоговые, и цифровые пульсометры достаточно точны, поэтому тип передачи данных не играет ключевой роли при выборе пульсометра. Дополнительно переплачивать за цифровой тип передачи данных не имеет смысла.

Запястные пульсометры

Удобство запястных пульсометров состоит в том, что вам не нужно надевать нагрудный ремень с датчиком. Для измерения данных вам понадобятся только часы, которые надеваются на запястье. Однако и такой вариант пульсометров имеет ряд особенностей и минусов, поэтому несмотря на кажущиеся удобства, запястные пульсометры пока пользуются меньшей популярностью.

Есть два типа запястных пульсометров, которые отличаются принципом мониторинга ЧСС:

Пульс замеряется при контакте пальцев и сенсора на лицевой стороне прибора. Вы просто надеваете пульсометр на запястье, касаетесь его, и прибор выдает вам значения пульса. Минус такого мониторинга заключается в том, что вы будете мерить пульс не в течение определенного периода времени, а по требованию, только после контакта пальцев и электродов на корпусе. Такой пульсометр больше подходит для туризма, альпинизма или для тех, кто из-за ограничений по здоровью вынужден периодически контролировать зону пульса.
Пульс замеряется с помощью слежения за кровеносными сосудами. Принцип работы таких пульсометров следующий: вы надеваете браслет на руку, светодиоды просвечивают кожу, оптический сенсор замеряет сужение сосудов и датчик выводит полученные значения на экран часов. Но и минусы таких приборов также очевидны. Для точности данных ремень должен быть жестко затянут на запястье, что не всегда удобно во время тренировки. Кроме того, сильное потоотделение или дождливая погода могут нарушить работу датчика.

Конечно, часы являются более привычным оборудованием, чем нагрудный ремень. Поэтому если вам дискомфортно ношение ремня под грудью, то рекомендуем приобрести второй вариант запястного пульсометра. Но дискомфорт и неудобство – едва ли не единственный аргумент в пользу запястного пульсометра. Большинство тренирующихся все же останавливают свой выбор на пульсометре с нагрудным датчиком из-за удобства и точности данных.

Цены на пульсометр определяются следующими параметрами:

Компания-производитель
Тип пульсометра: нагрудный или запястный
Комплектация: есть ли часы-приемник, сменные ремешки, чехлы и т.д.
Тип передачи данных: аналоговый или цифровой
Влагозащита
Ремень, его ширина, качество, удобство крепления
Качество корпуса часов-приемника
Наличие дополнительных функций

Пульсометры: подборка лучших моделей

Предлагаем вам подборку моделей пульсометров с кратким описанием, ценами и картинками. Исходя из этого обзора, вы сможете подобрать для себя подходящий монитор сердечного ритма. Цены указаны по данным Яндекс-маркета на сентябрь 2017 и могут отличаться от стоимости пульсометра в вашем магазине.

Пульсометры Sigma

Популярные модели пульсометров Sigma разрабатывает тайваньский производитель. Среди пульсометров Sigma считается одним из лидеров рынка, их модели практически идеальны по соотношению цены и качества. В основном они предлагают модели пульсометров с нагрудным ремнем и часами:

Sigma PC 3.11 : самая примитивная модель с базовой функцией подсчета частоты сердечных сокращений. Подсчет калорий не ведется.
Sigma PC 10.11 : оптимальная модель со всеми необходимыми основными функциями, в том числе подсчет средней и максимальной ЧСС, счетчик калорий, звуковой сигнал при нарушении целевой зоны ЧСС.
Sigma PC 15.11 : эта модель подойдет для любителей бега, поскольку здесь добавляются такие функции как счетчик кругов, средняя и максимальная ЧСС за круг, количество сожженных калорий за круг, время на круг.
Sigma PC 22.13 : в этом пульсометр используется цифровая передача данных, поэтому цена его немного дороже. Модель предлагается в нескольких цветовых вариантах корпуса. Функции стандартные: подсчет средней и максимальной ЧСС, счетчик калорий, индикатор зон, звуковой сигнал при нарушении целевой зоны ЧСС.
Sigma PC 26.14 : модель аналогичная предыдущей, но с добавлением новых функций. Например, в этом приборе есть счетчик кругов, автоматизированная функция для расчета целевой зоны, память для 7 учебных занятий, итоговые значения в неделю.

Пульсометры Polar

Polar – один из самых известных брендов на рынке пульсометров. Polar производит качественные приборы, но и цена их значительно выше. Вы можете приобрести нагрудный ремень с датчиком, который будет передавать данные на смартфон, или комплект из ремня и часов-приемника для более удобного отслеживания данных.

Нагрудные ремни с датчиком:

Polar H1 : интерфейс связи GymLink, поддежка Android и iOs, влагозащита.
Polar H7 : интерфейсы связи GymLink и Blutooth Smart, поддежка Android и iOs, влагозащита.
Polar H10 : новое поколения датчиков пульса, пришедшее на замену H7, один из поплярных моделей пульсометра.

Нагрудный пульсометр с часами в комплекте:

Polar A300 : помимо стандартных функций в данном приборе также есть много дополнительных «фишек»: шагомер, мониторинг сна, функция напоминания, установка целей, акселерометр. Также есть возможность соединения со смартфоном по Bluetooth.
Polar FT60 : в эту модель включена функция счетчика калорий, а также ряд вспомогательных, но очень удобных и полезных функций, таких как: будильник, второй часовой пояс, индикатор низкого уровня заряда батареи, блокировка кнопок от случайного нажатия.
Polar M430 : еще один очень многофункциональный гаджет, влагозащищенный, с GPS-навигацией и подсветкой. Добавлена функция уведомления о входящих звонках, полученных сообщениях и уведомлениях из приложений для социальных сетей GPS.

Пульсометры Beurer

В этом бренде представлены модели пульсометров с нагрудным ремнем и модели, в которых для измерения данных нужно дотронуться до сенсора прибора. Для тренировок мы рекомендуем выбирать пульсометры с нагрудным ремнем, это удобнее и практичнее.

Beurer PM25 : простая и удобная модель, есть все важные функции, например, встроенный календарь, часы, будильник, секундомер, счетчик калорий, оповещение при выходе за пределы зоны тренировки.
Beurer PM45 : набор функций похож с моделями PM25, но добавляются сменные ремешки, крепление на велосипед, футляр для хранения.
Beurer PM15 : это запястный пульсометр с касанием сенсора, прибор контролирует частоты сердцебиения, оповещает при выходе за пределы зоны тренировки, но калории не считает. Цена: 3200 рублей.

Пульсометры Suunto

Еще одна известная компания на рынке спортивного снаряжения, которая выпускает серию спортивных часов с возможностью измерения пульса. Suunto предлагает нагрудные датчики и нагрудные датчики в комплекте с часами:

Suunto Comfort Belt : нагрудный датчик, который подходит для всех моделей часов спортивной T-серии и для компьютеров, которые можно использовать как пульс-монитор.
Suunto Smart Belt : нагрудный датчик с технологией Bluetooth Smart. Совместим с приложением Movescount от Suunto.
Suunto M2 : нагрудный датчик с часами, который имеет все основные функции, в том числе контроль ЧСС, подсчет калорий, автоматический выбор нужной зоны ЧСС.
Suunto M5 : этот пульсометр оснащен дополнительным функциями, которые помогут вам определить оптимальный режим тренировок с учетом ваших индивидуальных показателей, а также получить достоверную информацию о скорости и расстоянии во время беговых тренировок.

Пульсометры Sanitas

У компании Sanitas не так много моделей, но они отличаются невысокой ценой, поэтому мы также их упоминаем.

Sanitas SPM22 и SPM25 : пульсометр с нагрудным ремнем, который включает в себя все основные функции и отлично подойдет для регулярного использования.
Sanitas SPM10 : для измерения пульса с этой моделью вам не потребуется нагрудный ремень. Вы просто надеваете прибор на запястье и касаетесь пальцем сенсора на лицевой стороне прибора. Такой прибор подходит для людей, которые не хотят носить нагрудный пояс или, например, для туризма.

Другие модели

Nexx HRM-02. Бюджетный вариант нагрудного ремня с датчиком, который подойдет тем, кто не готов серьезно тратиться на фитнес-гаджеты. Прибор имеет встроенный Bluetooth Smart и совместим практически со всеми мобильными приложениями, поддерживающими функцию передачи данных от беспроводного пульсометра. Считает пульс и сожженные калории.
Torneo H103 . Нагрудный датчик с часами-приемником. Наделен всеми основными функциями: расчет ЧСС, счетчик калорий, установка зон пульса, измерение времени в целевой зоне, секундомер, календарь и будильник, водонепроницаемость.
Wahoo TICKR . Еще один вариант нагрудного пульсометра, который передает информацию через Bluetooth на смартфон. Помимо пульса ведется учет таких характеристик, как пройденные шаги и сожженные калории.

Какой же пульсометр выбрать:

Если вы хотите приобрести пульсометр с оптимальным соотношением цены и качество, то покупайте модели Sigma или Beurer.
Если вы хотите приобрести максимально надежный и точный прибор, то покупайте модели Polar или Suunto.
Если вы хотите приобрести самый простой и недорогой вариант монитора сердечного ритма, стоит обратить внимание на модели, которые предлагаются на сайте Aliexpress (обзор ниже).

Пульсометры: подборка лучших моделей на Aliexpress

Предлагаем вам подборку мониторов сердечного ритма, которые можно приобрести на Aliexpress по доступной цене. Все пульсометры имеют схожие функции и находятся примерно в одном ценовом диапазоне, поэтому предлагаем вам ориентироваться на отзывы покупателей, среднюю оценку товара и общее количество заказов данного товара.

Нагрудный датчик без часов

Если вы приобретаете нагрудный датчик без часов, то данные о сердечном ритме будут отправляться на приложение в смартфоне. Нагрудные датчики совместимы со всеми устройствами с системой Bluetooth Smart (4.0) и ANT. Представленные датчики достаточно точные в измерениях пульса.

Предлагаем вам обратить внимание на следующие нагрудные датчики: