29/07/2021
Как фитнес-трекеры и смарт-часы высчитывают показатели и можно ли им верить
Пока ещё рано менять совет «слушай своё тело» на «просто посмотри в приложении». Разбираемся, как работают фитнес-браслеты и как часто врут.
ПульсВы когда‑нибудь замечали мигающие зелёные огоньки на обратной стороне своего фитнес‑браслета? Это и есть те самые датчики, благодаря которым устройства отслеживают сердцебиение.Эта технология называется фотоплетизмографией A. Henriksen, M. H. Mikalsen, A. Z. Woldaregay. Using Fitness Trackers and Smartwatches to Measure Physical Activity in Research: Analysis of Consumer Wrist‑Worn Wearables / Journal of medical Internet research (ФПГ). Зелёные светодиоды просвечивают ваше запястье, после чего их лучи возвращаются на чувствительный сенсор.В процессе сердцебиения объём крови в капиллярах меняется, так что свет отражается по‑разному. И на основании этой информации трекер высчитывает частоту сердечных сокращений (ЧСС).В докладе A. Tarniceriu, J. Harju, A. Vehkaoja. Detection of beat‑to‑beat intervals from wrist photoplethysmography in patients with sinus rhythm and atrial fibrillation after surgery / IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine (ITAB) с конференции по IT для биомедицины (ITAB) утверждают, что ФПГ обеспечивает 97–99% точности в определении сердечного ритма. По крайней мере, если пульс измеряют, когда человек не двигается.Движение же снижает S. H. Kim, D. W. Ryoo, C. Bae. Adaptive noise cancellation using accelerometers for the PPG signal from forehead / Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society точность показаний, поскольку ткани запястья смещаются и датчики начинают ошибаться.В одном исследовании K. Ricchio, P. Lyter, J. M. Palao. Reliability of fitness trackers at different prices for measuring steps and heart rate: a pilot study / Central European Journal of Sport Sciences and Medicine обнаружили, что во время ходьбы гаджеты Xiaomi и Fitbit недосчитывают от 0,5 до 9,5 удара в минуту, а во время бега — от 11,7 до 17,9 удара. Учёные подсчитали, что во время движения фитнес‑трекеры занижают пульс на 6–11% по сравнению с нагрудным пульсометром. В другом A. Shcherbina, C. M. Mattsson, D. Waggott. Accuracy in Wrist‑Worn, Sensor‑Based Measurements of Heart Rate and Energy Expenditure in a Diverse Cohort / Journal of personalized medicine эксперименте выявили чуть более оптимистичные данные.Умные часы Apple Watch выдавали ошибку только в 2,5%, а остальные тестируемые устройства от разных брендов — от 4,9 до 8,8%. Учёные сделали вывод, что часы в целом неплохо справляются с измерением пульса. Более того, приведённые выше эксперименты проводили в 2017–2018 годах, а модели часто обновляются.Например, в исследовании Y. Bai, C. Tompkins, N. Gell. Comprehensive comparison of Apple Watch and Fitbit monitors in a free‑living setting / PLoS One 2021 года Fitbit Charge 2 ошибались в измерении пульса всего на 2,7% в покое и на 4,9% — во время лёгкой физической активности.Apple Watch 2 оказались ещё более точными: в неподвижности считали пульс почти идеально, а при лёгкой активности выдавали ошибку только в 1,8%, недосчитав около двух ударов в минуту.Вполне возможно, что и другие современные трекеры считают пульс лучше за счёт добавления красных светодиодов K. Ricchio, P. Lyter, J. M. Palao. Reliability of fitness trackers at different prices for measuring steps and heart rate: a pilot study / Central European Journal of Sport Sciences and Medicine — более точных, дорогих и энергозатратных.Что в итоге: современные гаджеты достаточно точно считают пульс, особенно в состоянии покоя. Во время движения трекеры могут ошибаться и давать отклонение вплоть до 11%. Чем больше зелёных и красных светодиодов просвечивают ваше запястье, тем выше шанс, что трекер не наврёт.Количество пройденных шаговФитнес‑трекеры измеряют K. Ricchio, P. Lyter, J. M. Palao. Reliability of fitness trackers at different prices for measuring steps and heart rate: a pilot study / Central European Journal of Sport Sciences and Medicine шаги с помощью 3D‑акселерометра — чипа, который помогает определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство.Также в большинстве современных моделей есть гироскоп, определяющий углы и скорость поворота устройства, и магнитометр — электронный компас, который высчитывает ориентацию относительно магнитного севера. За счёт этих измерений фитнес‑браслеты хорошо определяют движение руки в пространстве.В обзоре K. R. Evenson, M. M. Goto, R. D. Furberg. Systematic review of the validity and reliability of consumer‑wearable activity trackers / The international journal of behavioral nutrition and physical activity 22 научных работ заключили, что фитнес‑трекеры довольно точно определяют пройденные шаги. Хотя некоторые (Fitbit One, Flex, Ultra) недооценивают медленную (2 км/ч) ходьбу на беговой дорожке.В исследовании F. El‑Amrawy, B. Pharm, M. I. Nounou. Are Currently Available Wearable Devices for Activity Tracking and Heart Rate Monitoring Accurate, Precise, and Medically Beneficial? / Healthcare informatics research с использованием 17 трекеров, включая Apple Watch, несколько моделей Samsung Gear, Garmin Vivofit, Mi Band и другие, также выяснили, что трекеры и умные часы обеспечивают точность в 92,8–99,7%. Лучшие показатели обеспечили Apple Watch и MisFit Shine. При этом точность подсчётов, по-видимому, зависит от типа активности. Так, в одном исследовании M. B. Nelson, L. A. Kaminsky, D. C. Dickin, A. H. K. Montoye. Validity of Consumer‑Based Physical Activity Monitors for Specific Activity Types / Medicine and science in sports and exercise трекеры Fitbits One, Zip, Flex и Jawbone UP24 давали погрешность только в 4% во время разных видов ходьбы в лаборатории, но начинали дико врать, когда люди принимались за обычные дела вроде уборки комнаты или работы в саду.Во время такой активности некоторые гаджеты занижали количество шагов более чем в два раза. И только Fitbit Flex показал более или менее точный результат, не досчитав всего 47 шагов.Что касается общего количества шагов в день, в исследовании Y. Bai, C. Tompkins, N. Gell. Comprehensive comparison of Apple Watch and Fitbit monitors in a free‑living setting / PLoS One Apple Watch 2 , Fitbit Charge 2 и Alta обнаружили, что умные часы и трекеры ошибаются примерно на 10–15%, увеличивая при этом количество пройденных шагов.Что в итоге: если вы гуляете с обычной скоростью в 4–5 км/ч, фитнес‑трекер, скорее всего, покажет вам правильное количество шагов. А вот во время домашней работы или медленной ходьбы по дорожке особенно надеяться на точность не стоит.В любом случае погрешность не такая уж большая, и если вы вместо 10 000 шагов на самом деле прошли 8 500 или 11 500, по здоровью это не ударит.Потраченные калорииФитнес‑трекеры рассчитывают информацию об энергозатратах на основании данных о движении и пульсе. Также в некоторых устройствах есть датчики тепла и кожно‑гальванической реакции, что обеспечивает дополнительную информацию об интенсивности движения.Все эти данные обрабатываются в приложении, где уже есть ваши показатели роста, веса и возраста, и с помощью алгоритма (у каждого производителя он свой) высчитываются энергозатраты.В исследовании M. B. Nelson, L. A. Kaminsky, D. C. Dickin, A. H. K. Montoye. Validity of Consumer‑Based Physical Activity Monitors for Specific Activity Types / Medicine and science in sports and exercise с Fitbits One, Zip, Flex и Jawbone UP24 трекеры более или менее точно (с ошибкой не выше 8%) определяли энергозатраты во время пассивного отдыха, например чтения или работы за компьютером.Во время ходьбы и бега по дорожке или земле же гаджеты переоценивали энергозатраты на 16–40%. А когда люди выполняли домашние дела — пылесосили, заправляли кровать или работали в саду, наоборот, недооценивали потраченные калории на 27–34%.В метаанализе R. O’Driscoll, J. Turicchi, K. Beaulieu. How well do activity monitors estimate energy expenditure? A systematic review and meta‑analysis of the validity of current technologies / British Journal of sport medicine 60 научных исследований также отметили, что точность зависит от типа активности — пассивного отдыха, спорта или работы по дому. Часы и фитнес‑браслеты недооценивают общий расход калорий в день и энергозатраты на бытовую активность, но при этом значительно переоценивают то, что сжигается в процессе тренировок. Что в итоге: фитнес‑браслеты не умеют точно высчитывать энергозатраты, прибавляя калорий на спорт и убавляя на обычную бытовую активность. Поэтому при составлении рациона питания не стоит зацикливаться на количестве потраченных калорий, указанном в приложении.Количество и качество снаВ лаборатории качество сна оценивают с помощью полисомнографии Polysomnography (sleep study) / Mayo Сlinic . Спящего подключают к различным аппаратам и отслеживают его мозговые волны, дыхание, уровень кислорода в крови и другие показатели.Фитнес‑браслеты рассчитывают время и качество сна с помощью акселерометра, который показывает, насколько активно вы двигаетесь, и светодиода, который определяет ЧСС.В одном эксперименте M. Zambotti, S. Claudatos, S. Inkelis, I. M. Colrain. Evaluation of a consumer fitness‑tracking device to assess sleep in adults / Chronobiology international с участием 28 женщин показатели Jawbone UP сравнили с результатами полисомнографии и выяснили, что браслет переоценивает время сна в среднем на 26 минут, а время засыпания — на 5 минут.Похожие результаты получили в эксперименте M. de Zambotti, F. C. Baker, I. M. Colrain. Validation of Sleep‑Tracking Technology Compared with Polysomnography in Adolescents / Sleep с участием подростков. Здесь Jawbone UP переоценивали время сна примерно на 30 минут, а его эффективность — на 5%.В обеих научных работах трекеры упускали время бодрствования во время ночных пробуждений, причисляя их ко времени сна. И чем чаще просыпались люди, тем больше ошибались гаджеты. В другом R. Danzig, M. Wang, A. Shah The wrist is not the brain: Estimation of sleep by clinical and consumer wearable actigraphy devices is impacted by multiple patient- and device‑specific factors / Journal of sleep research исследовании с участием 102 женщин трекеры Jawbone и Fitbit Flex прибавили лишний час сна и переоценили его эффективность на 14%.Что касается фаз сна, здесь фитнес‑браслеты, часы и другие умные устройства сильно проигрывают полисомнографии. Например, кольцо ŌURA — один из лучших девайсов для отслеживания сна с точностью 96%, недооценило M. Zambotti, L. Rosas, I. M. Colrain. The Sleep of the Ring: Comparison of the ŌURA Sleep Tracker Against Polysomnography / Behavioral sleep medicine глубокий сон где‑то на 20 минут и переоценило БДГ‑фазу на 17 минут.В другом эксперименте Fitbit Charge 2 переоценил M. Zambotti, A. Goldstone, S. Claudatos. A validation study of Fitbit Charge 2™ compared with polysomnography in adults / Chronobiology international лёгкий сон на 34 минуты и недооценил глубокий на 24 минуты.Анализ данных четырёх разных трекеров J. Mantua, N. Gravel, R. M. C. Spencer. Reliability of Sleep Measures from Four Personal Health Monitoring Devices Compared to Research‑Based Actigraphy and Polysomnography / Sensors также подтвердил, что время лёгкого и глубокого сна отличается от показателей полисомнографии на всех устройствах.Что в итоге: фитнес‑браслеты вполне могут прибавить вам 20–60 минут сна и скрыть от вас эпизоды ночных пробуждений. Так что если приложение поздравляет вас с отличной ночью, а вы при этом чувствуете себя паршиво, вполне возможно, что браслет «спал», когда вы ходили или ворочались с боку на бок.Кроме того, не стоит надеяться на браслеты, оценивая количество и продолжительность фаз. Пока что точно определять их гаджеты не умеют.Уровень стрессаВо время стресса у человека преобладает симпатический отдел нервной системы, в спокойном состоянии — парасимпатический.Определить, какой из них в большей степени активирован в данный момент, можно H. Kim, E. Cheon, D. Bai. Stress and Heart Rate Variability: A Meta‑Analysis and Review of the Literature / Psychiatry investigation по показателям вариабельности сердечного ритма (ВСР) — разнице во временных промежутках между двумя ударами сердца.В лаборатории показатели ВСР могут определить с помощью ЭКГ — измерения электрической активности сердца. У фитнес‑браслетов такой возможности нет, поэтому они измеряют Y. S. Can, B. Arnrich, C. Ersoy. Stress detection in daily life scenarios using smart phones and wearable sensors: A survey / Journal of Biomedical Informatics вариабельность пульса — частоту изменения объёма крови в капиллярах — и на основании этого рассчитывают уровень стресса.Считается, что вариабельность частоты пульса может давать представление о ВСР и уровне стресса. Так, в одном свежем исследовании D. Hernando, S. Roca, J. Sancho. Validation of the Apple Watch for Heart Rate Variability Measurements during Relax and Mental Stress in Healthy Subjects / Sensors обнаружили, что часы Apple Watch довольно точно определяют стрессовое состояние — несмотря на то, что пропускают порядка 10% интервалов между сердечными сокращениями. Однако это всего лишь один эксперимент и тестировалась в нём единственная модель. В целом же вариабельность частоты пульса не самый точный способ измерения. Особенно если гаджет укреплён на запястье. Дело в том, что ЭКГ измеряет электрическую активность сердца напрямую, а фотоплетизмография регистрирует только последствия этой активности — изменения объёма крови после сердечного выброса.Даже самое незначительное движение браслета на руке, а также сокращение мышц запястья могут внести помехи в измерения. Так что не приходится рассчитывать на точность, даже когда вы сидите неподвижно — а вы не так уж часто это делаете — не говоря уже об измерениях в движении.Что в итоге: трекеры не очень хорошо отслеживают уровень стресса, потому что вы всё время двигаетесь и это снижает точность показаний вариабельности частоты пульса. Поэтому, если приложение показывает вам низкий уровень стресса, а у вас проблемы со сном и дёргается глаз, не игнорируйте симптомы и найдите время на отдых и расслабление.
