Як працює пульсометр в спортивних годинниках

У той час, коли медицина не мала сучасних технічних засобів діагностики, пульс вимірювали, прикладаючи палець до артерії, і рахували кількість поштовхів стінки артерії через шкіру за певний проміжок часу — зазвичай 30 секунд або одну хвилину. Звідси і пішла назва цього ефекту — pulsus (лат. “удар”), що вимірюється в ударах за хвилину.

Існує чимало методик визначення пульсу, але найвідоміші — промацування пульсу на зап’ясті, шиї та в області сонної артерії.

Після появи електрокардіографа (ЕКГ), пульс стали обчислювати за сигналом електричної активності серця, вимірюючи тривалість інтервалу (в секундах) між сусідніми зубцями R на ЕКГ, а потім перераховуючи в «удари за хвилину» за простою формулою: ЧСС = 60/(RR-інтервал).

Електрокардіограма може багато що сказати про наші серця й крім пульсу, але для зняття і розшифровки ЕКГ потрібні обладнання та кардіолог, яких не візьмеш з собою на пробіжку. На щастя, в сучасному світі практично кожен може дозволити собі пульсометр, який визначатиме частоту пульсу під час бігу і в стані спокою.

Як працює пульсометр

Вимірювання пульсу за електрокардіосигналами

Електрична активність серця була виявлена ​​і описана наприкінці 19 століття, а вже у 1902 році Віллем Ейнтховен став першим, хто її технічно зареєстрував за допомогою струменевого гальванометра.

Крім цього, Ейнтховен вперше записав електрокардіограму (він сам дав їй таку назву), розробив систему відведень і ввів назви сегментів кардіограми. За свою працю у 1924 році він став лауреатом Нобелівської премії.

У сучасній клінічній практиці для реєстрації ЕКГ використовують різні системи відведень (тобто схеми прикріплення електродів): з кінцівок, грудні відведення в різних конфігураціях тощо.

Для того, щоб виміряти пульс, можна використовувати будь-які відведення — на підставі цього принципу були розроблені спортивні годинники, які вміють визначати ЧСС.

Ранні моделі пульсометрів складалися з коробочки (монітор) і проводів, що кріпляться до грудей. Перший бездротовий ЕКГ-монітор був винайдений у 1977 році, і став незамінним помічником у тренуваннях збірної Фінляндії з лижних гонок. У масовий продаж перші бездротові пульсометри надійшли у 1983 році, з того часу міцно зайнявши свою нішу в аматорському та професійному спорті.

При проектуванні сучасних спортивних гаджетів система відведень була спрощена до двох точок-електродів, а найвідомішим варіантом такого підходу стали спортивні нагрудні датчики у вигляді ремінця (HRM strap/HRM band).

Для отримання стабільного і якісного сигналу необхідно змочити «електроди» на нагрудному ремені водою.

У таких ремінцях електроди виконані у вигляді двох смужок з провідного матеріалу. Ремінець може бути частиною всього пристрою або пристібатися до нього застібками. Значення пульсу, як правило, передаються через Bluetooth на спортивно-туристичні годинники чи смартфон за протоколом ANT+ або Smart.

Вимірювання пульсу за допомогою оптичної плетизмографії

Зараз це найпоширеніший спосіб вимірювання пульсу з погляду масового застосування, реалізований в спортивних годинниках, трекерах, мобільних телефонах. А перші спроби використання цієї технології робилися ще у 1800-х роках.

Звуження і розширення судини під дією пульсації кровотоку зумовлюють відповідну зміну амплітуди сигналу, отримуваного з виходу фотоприймача.

Спосіб широко використовується в лікарнях, згодом технологія перейшла і в побутові пристрої — компактні пульсоксиметри, які визначають пульс і насичення киснем крові в капілярах пальця. Чудово підходить для періодичних вимірювань пульсу, але абсолютно не підходить для постійного носіння.

Пульсометри

Ідея вимірювання пульсу із зап’ястя спортсмена за допомогою оптичної плетізмографії без додаткового носіння нагрудних ремінців виглядала дуже спокусливо. Першими цю ідею реалізували в годиннику Mio Alpha, які проголосили свій пристрій проривом і новим витком у вимірюванні пульсу. Сам модуль вимірювального датчика був розроблений компанією Philips.

Світло, яке потрапляє в кровотік, буде досить передбачувано розсіюватися при зміні швидкості кровотоку (наприклад, підвищення серцевого викиду). Оптична технологія вимірює пульс за допомогою світлодіодів, які оцінюють кровотік на зап’ясті. Це означає, що ви можете вимірювати пульс без використання нагрудного датчика. На практиці це працює так: оптичний сенсор на зворотному боці годинника випромінює світло на зап’ясті за допомогою світлодіодів, і вимірює кількість розсіяного кровотоком світла.

Метод реєстрації пульсу для фотоплетізмографічних датчиків

Для вимірювання пульсу важлива область з максимальним поглинанням — це діапазон від 500 до 600 нм. Зазвичай вибирається значення 525 нм (зелений колір). Зелений світлодіод датчика пульсу — найбільш популярний варіант в смарт-годинниках і браслетах.

Зараз ця технологія добре відпрацьована і впроваджена в серійне виробництво. Спектр пристроїв з подібною технологією досить широкий (смартфони, браслети-трекери, годинники), а виробники спортивних гаджетів теж не відстають — всі найбільш значимі компанії розширюють лінійку пульсометрів моделями з оптичними датчиками.

Помилки при роботі оптичних датчиків

Вважається, що оптичні датчики досить точно визначають пульс при ходьбі та бігу. Однак, при підвищенні частоти пульсу, скажімо, до 160 уд/хв, кровотік настільки швидко проходить через область датчика, що вимірювання стають менш точними.

Крім цього, на зап’ясті, де не так багато тканини, але багато кісток, зв’язок і сухожиль, будь-яке зниження кровотоку (наприклад, в холодну погоду) може спотворити роботу оптичного датчика пульсометра.

В одному невеликому дослідженні провели порівняльний аналіз точності нагрудних і оптичних датчиків пульсометрів. Учасників дослідження розділили на дві групи, в одній групі пульс вимірювався за допомогою нагрудного датчика, а в іншій — за допомогою оптичного. Обидві групи проходили тест на біговій доріжці, де вони спочатку йшли, а потім бігли, в цей час реєструвалася частота пульсу. У групі з нагрудним кардіодатчиком точність вимірювання ЧСС була 91%, тоді як в групі з оптичним датчиком вона становила лише 85%.

На думку глави компанії Mio Global, на сьогодні жоден з датчиків пульсометра не зрівняється в точності з нагрудним ременем.

Не варто забувати і про специфічні ситуації, коли оптичний датчик може не працювати. Одягнений поверх бігової куртки годинник, наявність татуювання на зап’ясті, нещільно прилеглий до шкіри годинник, тренування у спортзалі — все це може привести до похибок у вимірюванні пульсу за допомогою оптичних датчиків.

Попри це, технологічний прогрес у вимірюванні ЧСС привів до появи корисної альтернативи нагрудним ременям, і при усуненні низки недоліків оптичних датчиків ми отримаємо ще один потужний і точний інструмент стеження за пульсом під час занять спортом.

Які бігові показники дозволяє отримати пульсометр

Строго кажучи, просунута бігова динаміка вимірюється при наявності нагрудного ременя. Зовні звичайний, всередині датчик складається з трансмітера і акселерометра, завдяки якому і відбувається аналіз руху бігуна. Ті ж самі акселерометри є в телефонах, футподах, браслетах-трекерах.

До просунутих бігових показників зараховують три величини: час контакту з землею (ground contact time), вертикальні коливання (vertical oscillation) і частоту кроків, чи каденс (cadence).

Час контакту з землею (ground contact time, GCT) показує, як довго ваша стопа перебуває на поверхні землі під час кожного кроку. Вимірюється в мілісекундах. Типовий бігун любитель витрачає на контакт з поверхнею 160-300 мілісекунд. При підвищенні швидкості бігу значення GCT коротшає, при сповільненні — зростає.

Існує взаємозв’язок між часом контакту з землею і частотою виникнення травм, а також м’язовим дисбалансом у бігуна. Зменшення часу контакту з землею знижує частоту травм. Одним з найбільш дієвих способів зменшити цей показник вважається вкорочення кроку (підвищення каденсу), зміцнення сідничних м’язів і включення коротких спринтів у програму тренувань.

Вертикальні коливання (vertical oscillation, VO). Подивіться на будь-якого професійного бігуна — ви побачите, що верхня половина його тулуба робить зовсім незначні рухи, в той час, як основну роботу з переміщення бігуна виконують ноги.

Вертикальні коливання визначають наскільки ваша верхня половина «підстрибує» при бігу. Ці підстрибування вимірюються в сантиметрах відносно певної фіксованої точки (у випадку з нагрудним ременем — це сенсор, вбудований в нагрудний датчик). Вважається, що найбільш економічна техніка бігу передбачає мінімальні вертикальні коливання, а зменшення вертикальних коливань досягається через підвищення каденсу.

Частота кроків або каденс (cadence). Як зрозуміло з назви показника, він демонструє кількість кроків за хвилину. Досить важливий параметр, що оцінює економічність бігу. Чим швидше ви біжите, тим вищий каденс. Вважається, що частота близька до 180 кроків за хвилину є оптимальною для ефективного і економічного бігу.

Пульсові зони (heart rate zones). Знаючи максимальний пульс, різні моделі бігових годинників можуть розбивати ваше тренування на пульсові зони, показуючи, скільки часу впродовж тренування ви провели в тій чи іншій зоні.

У різних виробників ці зони позначені по-своєму, але їх можна поділити на такі типи: відновна зона (60% від максимальної ЧСС), зона для тренування витривалості (65-70% від максимальної ЧСС), зона тренування аеробної ємності (75-82% від максимальної ЧСС), зона порогу анаеробного обміну — ПАНО (82-89% від максимальної ЧСС) і зона максимального аеробного навантаження (89-94% від максимального ЧСС).

Знання своїх пульсових зон допоможе вам отримати максимум від кожного тренування. Про тренування за пульсом ми детально розповімо в наступній статті рубрики.

Крім просунутих бігових характеристик, сучасні пульсометри можуть вимірювати і відстежувати ще кілька цікавих показників:

EPOC (excess post-exercise oxygen consumption). Показник споживання кисню після тренування демонструє, наскільки змінився ваш метаболізм після пробіжки. Ми всі знаємо, що біг призводить до спалювання калорій, але навіть після того, як тренування закінчилося, калорії продовжують згорати. Безумовно, для їх заповнення потрібно якісно відновитися.

Спостереження за показником EPOC допоможе вам зрозуміти, які тренування найбільш енергетично затратні, а також поліпшити процес відновлення.

Підраховане споживання кисню (est. VO2). Показник поточного споживання кисню, вирахуваний на підставі максимального споживання кисню і максимальної ЧСС.

Максимальне споживання кисню (VO2max). Показник відображає здатність вашого організму споживати кисень. Це важливо, оскільки при підвищенні цього показника ваше тіло може краще і швидше утилізувати кисень, який доставляється до м’язів, що працюють.

Значення максимального споживання кисню (МПК) збільшується при підвищенні тренованості. Це один з найважливіших бігових показників, безпосередньо пов’язаний з економічністю бігу. Як і у випадку з визначенням максимальної ЧСС, найкращим способом визначення МПК є тестування в лабораторії, але деякі виробники пульсометрів використовують алгоритми розрахунку МПК прийнятної точності. Тренування допомагають поліпшити значення цього показника.

Бігова продуктивність (running performance). Показник, який використовує VO2max (глобальний стандарт аеробної тренованості і витривалості) для відстеження прогресу в тренуваннях.

Піковий тренувальний ефект (peak training effect, PTE). Показує вплив тренувальної сесії на загальну витривалість і аеробну продуктивність. Чим ви тренованіші, тим важче ви повинні тренуватися для того, аби досягти більш високих цифр PTE.

Замість висновку

При інтенсивному використанні пульсометр може бути чудовим помічником для бігуна. Не зовсім доречно вважати пульсометр дорогою іграшкою, який зовсім необов’язковий для «серйозних» спортсменів. Визначтеся з цілями на сезон, а після почніть вибудовувати тренувальний план.

Пам’ятайте, що вимірювання і контроль ЧСС під час тренувань — надійний спосіб покращити результати і уникнути перетренованості.

Для тих, хто тільки починає свій біговий шлях, можна порекомендувати спершу стежити за пульсом під час легких пробіжок, і вже потім переходити до якого-небудь тренувального плану. Дані, отримані за допомогою пульсометра, допоможуть зрозуміти, як ваш організм реагує на навантаження.

Тим не менш, не потрібно ставати заручником цифр і гаджетів. Вчіться слухати свій організм, оцінюйте відчуття від кожного тренування, ну а цифри стануть важливим додатковим джерелом інформації.

Переклад українською: Наталя Сколоздра

Що ще почитати:

• Як вибрати годинник для бігу
• Що таке зони ЧСС, як їх дізнатись і навіщо це потрібно
• Що таке тест Купера і навіщо його проходити бігунам