Le cœur compte: comment les gadgets modernes mesurent votre pouls

À de rares exceptions près, le principal appareil de mesure des suiveurs de fitness est le capteur de fréquence cardiaque, qui mesure la fréquence cardiaque. Les logiciels modernes, combinés à l'intelligence artificielle, sont capables de calculer beaucoup en fonction de leurs données, des conditions pathologiques du corps au niveau de stress et de phases de sommeil. Nous allons essayer de donner l'exemple de la technologie Huawei TruSeen.

Il existe des capteurs qui surveillent l'apport sanguin des vaisseaux sanguins situés dans le photopléthysmogramme. Capteur de doigt classique, moniteur de fréquence cardiaque. La manière dont la lumière pénètre à travers un doigt est visible si, par exemple, vous la fixez à l’arrière d’une souris d’ordinateur, dans la zone du capteur. Cette lumière a de petites pulsations associées à un rythme cardiaque qui, avec une certaine dextérité, sont visibles même à l'œil nu.

La lumière est détectée par une photodiode, en fait un appareil photo photosensible à pixel unique avec un pixel de grande taille, qui effectue des lectures de 25 à 100 fois par seconde. Le flux de lumière naturelle du signal du doigt est très faible et bruyant, car la LED est utilisée pour le rétroéclairage.

Principe de suppression de PPG du doigt

Au fil du temps, l'idée est venue d'utiliser un moniteur de fréquence cardiaque dans une montre, avec un capteur au poignet. Le problème est que prendre un signal de votre poignet est bien pire que de prendre un doigt. Au doigt, nous prenons la lumière qui est transmise à travers l'objet et sur le poignet - qui est réfléchie (l'épaisseur du poignet étant beaucoup plus grande que le doigt, une source très puissante est nécessaire pour la lumière). De plus, le doigt est le «point terminal» de la propagation de l’onde de pouls. Cela signifie que l'onde est réfléchie par le bout du doigt et que c'est donc précisément à cet endroit qu'elle est clairement visible. Il est préférable d’utiliser la lumière verte pour la réflexion, car elle donne le rapport optimal entre profondeur de pénétration et réflexion. Le bleu ne pénètre presque pas sous la peau, tandis que le rouge et l'infrarouge, au contraire, pénètrent trop profondément et capturent en même temps les canaux vasculaires dans lesquels les ondes de pouls se propagent de différentes manières. En conséquence, le signal est plus bruyant.

La diffusion de la lumière sous la peau

Une histoire à part avec des gens à la peau noire. En raison de la forte absorption, vous devez soit augmenter la puissance du rétroéclairage (ce qui augmente la consommation d'énergie), soit utiliser une source plus «rouge». Les montres Huawei utilisent une DEL infrarouge, qui émet un signal plus bruyant par rapport au signal vert pris par une personne à la peau claire. Pour mesurer l'impulsion par photopléthysmogramme (PPG), on distingue des périodes distinctes et le nombre de pics du signal est calculé, ce qui n'est pas toujours possible. Premièrement, le signal reflète très mal les fluctuations du vaisseau sanguin, divers artefacts se superposent sous forme d’ondes respiratoires et de réflexions dues à des inhomogénéités. Deuxièmement, et surtout, l’utilisation des montres est un processus actif et les mouvements humains interfèrent avec le signal, ce qui «obstrue» le signal d’impulsion utile. De plus, la fréquence des mouvements et la fréquence cardiaque sont très proches, ce qui ne permet pas l'utilisation de méthodes simples de séparation de fréquence. Et si c'est le cas, il est nécessaire d'utiliser un algorithme "intelligent".

Forme d'onde pulsée PPG

En plus de l'optique, montres et capteurs mécaniques tels que l'accéléromètre et le gyroscope. L'accéléromètre, ou capteur d'accélération linéaire, mesure les trois axes de surcharge auxquels la montre est soumise. Par exemple, grâce à l’accéléromètre, notre smartphone compte les pas et estime qu’il a été retourné, ce qui modifie l’orientation de l’image à l’écran. Mais lorsque les aiguilles se déplacent vers la montre, une surcharge plusieurs fois supérieure à celle que g peut agir, le sang dans les vaisseaux est soumis à des perturbations importantes, qui affectent directement le signal PPG.

Le deuxième capteur important est le capteur de vitesse angulaire ou gyroscope, qui détecte les mouvements de rotation. Les mouvements de rotation et l'accéléromètre déterminent le changement de la position de l'horloge dans l'espace. Nous pouvons enregistrer les lectures du gyroscope et de l'accéléromètre en même temps et les utiliser pour l'analyse du signal PPG. L'accéléromètre est un capteur passif qui consomme un minimum d'énergie. Il peut être comparé à un ressort et à une balle à la fin. Pour mesurer l'accélération, il suffit simplement de "lire" les lectures de l'extension du ressort. Un gyroscope est un capteur actif et nécessite plus d’énergie pour son fonctionnement, car il contient des pièces mobiles - une plaque oscillante, dont les paramètres de vibration sont reliés de manière rigide aux vitesses angulaires du capteur. Par conséquent, pour économiser la batterie, le gyroscope n'est pas utilisé en permanence.

Lecture des trois axes de l'accéléromètre en cours d'exécution

Si vous utilisez des trackers de fitness, vous connaissez deux modes de "prise" du pouls: avec repos et en mouvement. La première nécessite que l'utilisateur ne bouge pratiquement pas, mais compte précisément chaque battement et le temps entre les contractions cardiaques adjacentes. Cet algorithme est utilisé au repos et en sommeil. Fait intéressant, en mode nuit, les suivis passent en illumination infrarouge, qui n’est pas visible à l’œil humain et n’interfère pas pendant le sommeil, comme le vert. Le deuxième cas, lorsqu'il est nécessaire de mesurer le pouls dans des conditions de fortes perturbations mécaniques, est beaucoup plus compliqué. Le niveau du signal cardiaque devient très faible par rapport aux interférences de trafic et il est impossible de compter chaque impulsion cardiaque séparément sur la courbe du signal.

Comptage de chaque pic sur un signal PPG

Un tel signal est considéré dans le domaine fréquentiel. Pour la représentation en fréquence, on utilise la transformée mathématique de Fourier, dont le résultat est le spectre du signal. Si vous appliquez la transformée de Fourier à des «fenêtres» temporelles relativement petites, vous pouvez voir l'évolution du spectre dans le temps, appelée spectrogramme. Le spectrogramme est bon en ce que le "fil" de l'impulsion devient reconnaissable sur elle. Dans l'image dans le vrai sens du mot, une ligne droite est visible qui coïncide avec l'impulsion et ressemble à un fil. Cependant, le fil ne se distingue pas toujours, car beaucoup de bruit indésirable est imposé. Les bruits les plus importants sur cette image sont généralement des bruits de la circulation. Leur intensité peut souvent dépasser l'intensité du pouls. Pour supprimer les fréquences de mouvement, on utilise des filtres qui reçoivent des signaux d'accéléromètres, et l'impulsion cesse d'être perdue parmi les nombreuses harmoniques du mouvement.

Spectrogrammes de PPG et Accéléromètre (ACC)

Le plus intéressant est de trouver un algorithme permettant de trouver les fils sur le spectrogramme et de surveiller leurs modifications. Si la fréquence augmente, le filtre doit être réglé sur une frette de fréquence supérieure, si bas - fréquence basse. Pour cela, des mathématiques issues de la théorie des systèmes adaptatifs de suivi sont utilisées. En conséquence, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque les mouvements sont périodiques et très stables. Il s’agit tout d’abord de l’activité sur le tapis roulant. Au contraire, dans des conditions de faible périodicité de mouvements (par exemple, des jeux actifs), il n’est pas possible d’atteindre des taux aussi élevés.

Les montres et les traqueurs modernes ont une fonction de reconnaissance des activités - course, marche, vélo, natation, etc. Toutes ces activités sont caractérisées par un certain rythme et, par conséquent, par l'intensité de l'activité physique. Plus la charge est élevée, plus la fréquence cardiaque est élevée. Nous arrivons ainsi à l’une des technologies clés de Huawei - la technologie intelligente de prévision du rythme cardiaque, qui utilise des schémas complexes de comportement du rythme cardiaque dans différentes situations. Il est évident, par exemple, qu'avec la même intensité de marche et de course, les réponses à la fréquence cardiaque seront différentes. En outre, avec différentes formations, différentes personnes affichent des résultats différents. Ainsi, par exemple, pour les activités cyclistes, notre algorithme ne fonctionne pas de la même façon qu'en marche ou en course, car un signal de mouvement complexe est très facilement masqué par le pouls, car vous devez garder les mains sur le volant et l'intensité est extrêmement faible. Il y a beaucoup d'interférences aléatoires de bosses sur la route. De plus, il est possible de plier les mains sur le volant, ce qui entraîne le mouvement de la montre sur le poignet. Il y a beaucoup d'exemples typiques et tout le monde doit les traiter et pouvoir les traiter.

Spectrogramme PPG avec harmoniques de mouvement

Si, dans les cas les plus simples, vous pouvez essayer de créer un modèle du comportement de la fréquence cardiaque, dans les cas complexes, cela devient presque impossible. Mais aujourd'hui, nous vivons à une époque d'intelligence artificielle et les algorithmes informatiques sont capables de créer eux-mêmes des modèles mathématiques complexes. Grâce aux algorithmes d’apprentissage automatique et aux réseaux de neurones, nous sommes en mesure de résoudre le problème de l’estimation de la fréquence cardiaque avec une précision suffisante pour les tâches amateurs.

Ainsi, par exemple, vous pouvez modifier les paramètres du modèle en fonction du sexe, de l’âge, du poids corporel et également du style de vie d’une personne. Toutes ces informations sont contenues dans le smartphone. Cette connaissance peut rendre l'algorithme de reconnaissance plus précis. En outre, vous pouvez évaluer approximativement la manière dont le système cardiovasculaire répond à l'activité physique et apporter des modifications à l'algorithme à la volée. C'est l'essence de l'algorithme adaptatif. Mais ici, il est important de ne pas exagérer l’importance du modèle et de ne lui faire confiance que lorsque la fiabilité de ses résultats est élevée. Créer un algorithme combinant de manière optimale la capacité de prédire et d'évaluer la situation de mesure réelle est une tâche plutôt difficile. Pour le résoudre, il faut utiliser l'intelligence artificielle - un réseau de neurones récurrent (réseau avec rétroactions), qui apprend à généraliser les différents états dans lesquels se trouve l'utilisateur de la montre et à prédire le pouls en fonction de l'état des capteurs.

Algorithme d'estimation intelligente de la fréquence cardiaque des montres Huawei

Pour former un réseau de neurones, des données d'apprentissage sont nécessaires - des ensembles de données. Pour collecter ces données, différents groupes de personnes sont impliqués dans des tâches simulant des scénarios de comportement typiques avec des montres usées. Les données «brutes» sont collectées par les capteurs. Les données de fréquence cardiaque précises sont obtenues à partir de pulsomètres thoraciques qui enregistrent l'activité électrique du cœur (ECG). Notre cœur génère des impulsions électriques très puissantes, ce qui nous permet de les enregistrer de manière très fiable, mais porter une ceinture pectorale n’est pas très pratique. C’est pourquoi le capteur de fréquence cardiaque intégré à la montre est si populaire parce qu’il permet d’utiliser un objet familier, destiné à l’origine uniquement à la mesure du temps, avec une efficacité bien supérieure.

Il convient de noter que la précision de la détermination de l'impulsion par le capteur optique PPG sera toujours inférieure à la précision du capteur ECG du thorax. Y compris parce que c’est le capteur thoracique qui sert de norme pour le capteur de fréquence cardiaque, et non l’inverse. Naturellement, si vous êtes un athlète professionnel et que vous vous entraînez à monter sur le podium aux Jeux Olympiques, vous devez utiliser les outils les plus précis. Si vos demandes sont un peu plus modestes, alors, pour la plupart des tâches ménagères pratiques, la méthode optique utilisée dans les montres intelligentes Huawei est suffisante.

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