«Умные» браслеты: как работают, что измеряют и можно ли им доверять

Фитнес-браслеты в 2021 году не только считают шаги и калории, но и мониторят сон, измеряют давление и даже уровень стресса. Но некоторые исследователи сомневаются, стоит ли доверять им своё здоровье.

Цифровые часы c дополнительными функциями существуют с 1970-х годов. Одними из первых «умных» часов были Seiko UC-2000 — они не только показывали время, но и выполняли роль калькулятора, имели встроенный японско-английский переводчик и игры вроде тетриса.

К ним прилагалась карманная клавиатура, с её помощью можно было написать текст до 2000 символов, сохранить его в заметках на часах и распечатать на специальном принтере.

В начале 2000-х годов Microsoft выпустила часы на базе технологии Smart Personal Object Technology (SPOT), которая работала с помощью FM-вещания. Использовать технологию компании прекратили в 2008 году, но идея «умных» часов сохранилась. И в 2010-х годах на рынок вышли часы и браслеты от Apple, Samsung, Sony и других, функции которых работают через интернет.

Первые «умные» браслеты разрабатывались для профессиональных спортсменов, чтобы отслеживать физические показатели и рассчитывать нагрузки. Вскоре трекеры стали носить и любители, а также те, кто не занимается спортом и ведёт сидячий образ жизни.

Если раньше в браслетах были только шагомер и пульсометр, сейчас производители добавляют всё больше новых функций.

Например, Amazon выпустила «умный» браслет Halo, который умеет определять процент подкожного жира и по голосу понимает настроение владельца, а Apple, Garmin и Fitbit обещают, что их часы отследят уровень кислорода в крови.

Некоторые «умные» устройства помогают улучшить сон людям, которые страдают от кошмаров, в том числе вызванных посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР). Часы анализируют движения тела и частоту сердечных сокращений — на основе этого «понимают», когда человеку снится кошмар, и начинают вибрировать.

Количество функций «умных» часов растёт — но чаще их используют для просмотра уведомлений и отслеживания физической активности. Медицинская польза таких устройств нередко вызывает вопросы — и у покупателей, и у исследователей.

Обычно трекеры носят на запястье. Они измеряют показатели с помощью встроенных датчиков, отслеживать прогресс можно на часах и в приложении на смартфоне. Точность трекеров зависит от заложенного производителем алгоритма и действий владельца.

«Умные» часы измеряют пульс благодаря методу фотоплетизмографии. Свет, исходящий от датчиков в часах, попадает на кожу, большая его часть поглощается тканями тела, другая — отражается.

Благодаря зелёным светодиодам часы могут замерять объём крови, проходящий через запястье в каждый момент времени. Кровь красная, поэтому она отражает красный и поглощает зелёный свет. При ударе сердца кровоток в запястье увеличивается, вместе с ним и объём поглощённого зелёного света. В период между ударами он, наоборот, уменьшается. Так благодаря светодиодам часы могут измерить количество ударов сердца в минуту, то есть пульс.

Фитнес-браслет не медицинский прибор, поэтому пульс измеряется с погрешностью. В состоянии покоя она небольшая, но простой ходьбы может быть достаточно, чтобы погрешность выросла, а сигнал исказился.

Чем сильнее физические нагрузки, тем меньше точность. Например, помехи, вызванные ходьбой со скоростью 100 шагов в минуту, могут быть неотличимы от частоты пульса в 100 ударов в минуту — это приведёт к ошибке в подсчётах. А во время бега, датчик, скорее всего, не сработает.

Исследование, в котором протестировали семь «умных» часов на 60 добровольцах, показало:

Одна из причин неточности измерения пульса — зелёные светодиоды, они не так точны, как красные, которые используются в медицинских приборах. По словам научного сотрудника Каролинского института Микаэля Матсона, хоть красные светодиоды помогают точнее определить пульс, во время движения они плохо работают, в отличие от зелёных. Поэтому производители «умных» часов устанавливают зелёные светодиоды.

Кроме того, на точность измерения могут повлиять сильный загар, наличие татуировок, пот на коже или слабо затянутый ремешок.

Считать шаги и определять скорость движения помогает акселерометр — устройство с противовесом, реагирующее на перемещение тела в пространстве. Он распознаёт ускорение фитнес-браслета и реагирует на движения руки.

Некоторые устройства дополнительно используют гироскоп, учитывающий трёхмерное перемещение в пространстве, что позволяет:

Например, браслет с гироскопом может понять, что человек бежит на месте, делает физические упражнения или просто сильно машет рукой.

Фитнес-трекеры анализируют все движения рук в течение суток, поэтому некоторые из них алгоритм может ошибочно посчитать за шаги. При этом если человек шаркает, хромает или просто передвигается медленно — такие движения трекер может не зарегистрировать.

Вождение автомобиля, работа с компьютерной мышью, переодевание, приём душа и активная жестикуляция могут вызывать у шагомера ложные срабатывания.

Устройства разных производителей по-разному считают потраченные калории. Одни учитывают показатели активности и физического состояния, а также рост, вес, возраст и пол человека. Другие работают только на основе данных активности — некоторые учитывают её тип: бег, ходьба, катание на велосипеде, плавание.

Точность подсчёта сожжённых калорий зависит от математической модели, которая используется в трекере, — чем больше данных она учитывает, тем достовернее результат. Исследование учёных Стенфордского университета и Шведской школы спорта и наук о здоровье показало: разница в количестве сожжённых калорий за 10 тысяч шагов может колебаться от 400 до 800 килокалорий.

Точность измерений также зависит от учёта уровня физической подготовки, качества выполнения упражнений и состава тела. Не все браслеты учитывают эти показатели.

Для измерения давления некоторые устройства используют датчик давления. Другие — датчик частоты пульса, он работает на базе пульсоксиметра или фотоплетизмограммы.

Самые точные показатели даёт медицинский тонометр. Он измеряет давление в районе плеча, где артерии находятся глубоко под кожей, тогда как «умные» часы — на запястье. Артериальное давление на запястье обычно выше и его сложнее измерить из-за близкого расположения артерий к коже.

Чтобы точнее измерить давление с помощью «умных» часов, рука и запястье должны находиться на уровне сердца. Но даже в этом случае показания браслета будут менее точны, чем у тонометра. Погрешность возрастёт, если кожа на запястье покроется пылью или вспотеет, а также если мерить давление в движении.

Высотомер, или альтиметр, работает благодаря датчикам атмосферного давления. Атмосферное давление выше всего у поверхности земли и по мере того, как человек поднимается вверх, оно уменьшается. Чтобы определить высоту, альтиметр сравнивает новый показатель давления с ранее известным уровнем моря.

«Умные» часы с высотомером необходимо калибровать почти ежедневно, чтобы они соответствовали известной контрольной высоте. Во время полёта на самолете или после изменения атмосферного давления показатель высоты может быть неверным.

Определить стресс поможет показатель вариабельности пульса — интервал между ударами сердца. На его основе «умные» часы Apple Watch, Samsung Galaxy Watch и некоторые трекеры Fitbit сообщают об уровне стресса. На вариабельность влияют возраст, положение тела, время суток, состояние здоровья и эмоциональные, физические и психические переживания.

Сердце человека не бьётся в одном ритме. Например, у здоровых молодых людей сердечный ритм за один цикл дыхания, вдох и выдох, может меняться на 10–15 ударов в минуту. Когда человек находится в стрессовой ситуации, вариабельность снижается — сердечный ритм может изменяться только на два удара за цикл дыхания.

Производитель датчиков сердечного ритма Valencell считает, что замерять уровень стресса лучше в неподвижном состоянии — движения запястий могут помешать измерению.

Для клинических исследований ученые используют алгоритмы, которые «чистят» показания от шумов. Но фитнес-трекерам может не хватать мощности для подобных вычислений. К тому же без контекста невозможно узнать, изменения в ритме вызваны стрессом или положительным волнением.

В Valencell считают, что повысить точность измерений можно при помощи устройств, которые крепились бы не только на запястье, а, например, у сердца. Измерить стресс помогут и дополнительные данные: так Fitbit выпустила часы с датчиком электродермальной активности (EDA) для отслеживания физической реакции тела на стресс.

Для мониторинга сна в фитнес-браслетах используются два датчика: акселерометр отслеживает движения, а пульсометр — сердечный ритм, продолжительность и стадии сна.

Некоторые браслеты дополнительно учитывают уровень кислорода в крови. Его снижение во время сна может влиять на качество сна и привести к синдрому апноэ и дневной сонливости.

Сон состоит из последовательно сменяемых фаз: быстрый сон и медленный, или глубокий, который включает три цикла. Человек проходит все фазы по нескольку раз за ночь. В фазе глубокого сна человек перестаёт двигаться, а пульс замедляется и становится монотонным. В фазе быстрого сна учащается дыхание и повышается частота сердечных сокращений и давление.

В 2018 году пекинские учёные протестировали шесть браслетов от Apple, Samsung, Jawbone, Fitbit, Huawei и Xiaomi и сочли их показатели точными, без значительных погрешностей.

Однако врач-сомнолог Михаил Полуэктов объясняет, что трекеры дают «сырой» массив данных, который сложно интерпретировать без специального образования: владелец «умных» часов получает информацию, которую не может использовать.

Директор Центра расстройств сна в медцентре Джона Хопкинса Алан Шварц считает, что большинство устройств для отслеживания сна лишь предполагают, спит человек или нет — часто они принимают за сон бездействие. Но трекеры могут дать примерное представление о графике сна, и если у пользователя нет проблем со здоровьем, этого достаточно. Главное — относиться к данным с долей критики, считает Шварц.

Электрокардиограмма (ЭКГ) — это обследование, которое считывает длительность и силу электрических сигналов, возникающих при сердцебиении. Во время ЭКГ используют электроды для измерения электрической активности сердца.

Медицинский прибор обычно состоит из десяти электродов, размещенных на разных частях тела. В «умных» часах их меньше, например, в Apple Watch Series 4 два: один электрод на задней поверхности часов — над запястьем, второй — сбоку на колёсике. Чтобы сделать ЭКГ, нужно положить одну руку с часами на стол, а палец второй приложить к колёсику и подождать, пока часы снимут показания.

Часы VivoWatch BP от Asus также используют два датчика для измерения ЭКГ и работают без необходимости сидеть и поднимать руку во время измерений.

Эксперты не уверены, чего от таких функций больше, пользы или вреда. Например, некоторые кардиологи сомневаются, что постоянные замеры ЭКГ помогут молодым людям — скорее наоборот, ошибочные предупреждения могут привести к тревожности и нагрузке на больницы из-за тех, кто обратится к врачу.

Эффективность фитнес-браслетов пока мало изучена, но те исследования, что есть, определяют трекеры как недостаточно точные, чтобы использовать их в спортивных или медицинских целях.

Учёные Питтсбургского университета предположили, что люди, которые носят фитнес-браслеты, должны худеть быстрее, поскольку постоянно следят за своим состоянием.

Они проверили эту гипотезу — в эксперименте участвовало 470 человек от 18 до 35 лет, которых посадили на низкокалорийную диету и прописали физическую активность. Некоторые участники контролировали диету и тренировки самостоятельно, другие — с помощью браслета.

По итогам двух лет исследований оказалось, что группа с браслетами потеряла в весе меньше, чем группа без них. Учёные пришли к выводу, что трекер активности не даёт преимуществ в похудении.

Другой эксперимент длился восемь недель с участием 78 человек. Исследователи хотели выяснить, какой метод похудения эффективнее: с тренером, с трекером или с тем и другим. Испытуемых разделили на три группы:

Резких различий в похудении между группами не было. Исследователи решили, что систематическое использование трекера даёт такой же эффект, как и контроль активности с помощью тренера. Лучшие результаты показала третья группа, которая еженедельно занималась с тренером и ежедневно пользовалась трекером.

Одно из последних исследований, которое провёл в 2020 году Сиднейский университет, показало, что использование трекеров активности повышает физическую активность людей без хронических заболеваний. Люди, пользующиеся трекером, ходят больше — в среднем на 2000 шагов в день.

Исследование Стэнфордского университета говорит, что «умные» часы и фитнес-браслеты могут помочь выявить Covid-19.

Исследователи проанализировали данные фитнес-браслетов 32 человек, больных коронавирусом, и обнаружили, что у 26 из них были изменения в частоте сердечных сокращений, количестве шагов в день или времени сна. Таким образом, симптомы заболеваний можно было обнаружить заранее на основании экстремального повышения частоты пульса в состоянии покоя.

Похожий эксперимент провели в медицинском комплексе Mount Sinai. В течение полугода 297 медработников должны были носить «умные» часы не менее восьми часов в день и ежедневно рассказывать о своём состоянии

Исследователи хотели понять, можно ли прогнозировать заражение на основе анализа вариабельности сердечного ритма, и оценить воздействие пандемии на психическое здоровье. Часы продемонстрировали значительные изменения показателей сердечного ритма за семь дней до подтверждения коронавируса.

В Mount Sinai также обнаружили, что через 7–14 дней после постановки диагноза сердечный ритм нормализовался и больше не отличался от показателей тех, кто не был болен.

Университет Бата в течение двух лет изучал влияние технологий на здоровье людей 13–18 лет. Исследование более 1000 англичан показало, что постоянное использование трекеров активности может привести к навязчивым состояниям, тревоге и страху.

52% исследуемых с помощью «умных» браслетов следят за калориями, физической активностью, настроением, частотой пульса, режимом сна и менструацией. Но постоянная проверка трекера может привести к зависимости, вызванной желанием стать здоровее или спортивнее своих сверстников.

Многие исследуемые жаловались на расстройство питания, возникновение паранойи и беспокоились из-за того, что не видят результатов от диеты и спорта.

Несмотря на популярность трекеров активности и «умных» часов, пока мало доказательств, что они могут улучшить здоровье. А точность показателей браслетов пока далека от медицинских значений.

#умныечасы #здоровье