Senzorii din smartwatch: cum măsoară pulsul, pașii și somnul

Un smartwatch măsoară pulsul, pașii și somnul cu ajutorul a câțiva senzori miniaturali și al unor algoritmi care transformă semnalele brute în cifre. Accelerometrul simte mișcarea și numără pașii, senzorul optic din spatele carcasei citește pulsul prin piele, iar somnul este dedus din combinația dintre lipsa mișcării, ritmul cardiac și variația lui de la o bătaie la alta.

Să înțelegi cum lucrează senzorii are un folos practic: afli de ce cureaua strânsă corect contează, de ce ceasul numără uneori pași când ești în mașină și de ce pulsul pare ciudat la sală. Mai jos luăm fiecare senzor pe rând, de la cei prezenți pe orice brățară până la cei întâlniți doar pe modelele avansate.

Accelerometrul și giroscopul: baza tuturor măsurătorilor

Accelerometrul este senzorul care detectează schimbările de viteză pe trei axe (sus–jos, stânga–dreapta, înainte–înapoi) și stă la baza numărării pașilor, a recunoașterii activităților și a estimării somnului. Este un cip de câțiva milimetri, construit în tehnologia MEMS (sisteme microelectromecanice), în care o masă microscopică se deplasează ușor la fiecare mișcare.

Cum devin oscilațiile pași

Când mergi, brațul se balansează ritmic, iar accelerometrul înregistrează un tipar repetat. Algoritmul caută acel tipar, filtrează mișcările care nu se repetă (gesturi, scris la tastatură) și numără vârfurile care corespund pașilor. De aceea:

• mersul cu mâinile în buzunar sau împingând un cărucior poate fi numărat incomplet;
• drumul pe un pavaj denivelat, cu mașina sau cu bicicleta, poate adăuga pași „fantomă”;
• purtarea pe mâna nedominantă dă de obicei rezultate mai curate, pentru că face mai puține gesturi.

Rolul giroscopului

Giroscopul măsoară rotația. Împreună cu accelerometrul, el ajută la recunoașterea mișcărilor complexe: o tură de bazin, o repetare la sală, ridicarea încheieturii pentru a aprinde ecranul. Pe unele ceasuri, combinația celor doi senzori stă și la baza detecției căderilor, care caută o accelerare bruscă urmată de imobilitate.

Cum măsoară pulsul senzorul optic

Senzorul optic de puls folosește fotopletismografia (PPG), o metodă care măsoară cu lumină cât sânge trece prin vasele mici de sub piele. La fiecare bătaie a inimii, volumul de sânge din țesut crește ușor, iar sângele absoarbe mai multă lumină; între bătăi, absoarbe mai puțină.

Pe spatele ceasului vezi de obicei LED-uri verzi și una sau mai multe fotodiode. LED-urile luminează pielea de multe ori pe secundă, fotodiodele măsoară lumina întoarsă, iar algoritmul extrage din această undă ritmul bătăilor. Lumina verde este preferată pentru că e absorbită puternic de sânge și e mai puțin afectată de lumina din jur.

Ce influențează citirea

1. Strânsoarea curelei: un ceas prea larg lasă lumina din exterior să intre și se mișcă pe piele. Ideal stă la un deget deasupra osului încheieturii, ferm, dar fără să lase urme adânci.
2. Mișcarea bruscă: la sprinturi sau la exerciții cu greutăți, contracția mușchilor și flexia încheieturii perturbă semnalul.
3. Frigul: vasele de sânge de la suprafață se strâng, iar semnalul devine slab.
4. Tatuajele și pigmentarea: cerneala închisă la culoare poate bloca o parte din lumină; producătorii compensează prin intensitatea LED-urilor, cu rezultate diferite.
5. Părul des și transpirația abundentă pot și ele să reducă precizia.

Variabilitatea ritmului cardiac

Pe lângă puls, senzorul calculează variabilitatea ritmului cardiac (HRV), adică diferența de timp dintre bătăi succesive. O inimă sănătoasă, odihnită, nu bate ca un metronom; intervalele variază ușor. Ceasurile folosesc HRV pentru scoruri de stres, de recuperare și pentru estimarea fazelor de somn. Măsurătoarea e mai fiabilă noaptea, când stai nemișcat.

Sfat: Dacă pulsul la antrenament pare nerealist, strânge cureaua cu o gaură în timpul efortului și slăbește-o după aceea. Pentru antrenamente cu intervale scurte, o centură de piept conectată la ceas prin Bluetooth dă valori mai stabile.

Oxigenul din sânge: lumina roșie și infraroșie

Senzorul de saturație a oxigenului (SpO2) folosește tot principiul optic, dar cu lumină roșie și infraroșie. Hemoglobina încărcată cu oxigen și cea fără oxigen absorb diferit cele două lungimi de undă, iar raportul dintre ele permite estimarea procentului de oxigen.

Pe ceas, măsurătoarea se face prin reflexie, de pe aceeași parte a încheieturii, nu prin transmisie, cum face pulsoximetrul de deget din farmacie. De aceea e mai sensibilă la mișcare și la poziționare. Majoritatea ceasurilor o fac la cerere, când stai nemișcat cu brațul sprijinit, sau periodic în timpul somnului.

Important: Valorile de oxigen și puls de pe un purtabil au caracter informativ și nu înlocuiesc consultul medical. Dacă te simți rău sau ai dificultăți de respirație, nu te baza pe ceas: sună la medic sau, în urgență, la 112.

ECG pe ceas: senzorul electric

Unele ceasuri au un senzor electric care înregistrează o electrocardiogramă simplă. Un electrod se află pe spatele carcasei, iar al doilea pe coroană sau pe ramă. Când atingi electrodul de sus cu degetul de la mâna opusă, închizi un circuit prin corp și ceasul măsoară activitatea electrică a inimii timp de aproximativ o jumătate de minut.

Spre deosebire de PPG, care vede efectul mecanic al bătăii, ECG vede impulsul electric care o declanșează. Ceasul înregistrează însă o singură derivație, nu cele 12 dintr-o electrocardiogramă făcută la cabinet. Funcția poate semnala un ritm neregulat, dar nu poate exclude alte probleme cardiace. Acolo unde e disponibilă, este de obicei certificată separat ca dispozitiv medical.

Cum „știe” ceasul că dormi

Ceasul nu vede creierul, așa că deduce somnul din semnale indirecte: lipsa mișcării, scăderea pulsului, creșterea variabilității și, la unele modele, ritmul respirației. Metoda se numește actigrafie când se bazează doar pe mișcare; purtabilele moderne o completează cu datele cardiace.

Algoritmul împarte noaptea în segmente scurte și clasifică fiecare segment ca veghe, somn ușor, somn profund sau somn REM (faza cu mișcări rapide ale ochilor, asociată viselor). Etalonul medical rămâne polisomnografia, făcută într-un laborator de somn, cu electrozi pe cap care măsoară direct activitatea creierului. Comparativ cu ea, purtabilele estimează destul de bine ora de adormire, cea de trezire și durata totală, dar mai greu fazele.

Câteva lucruri care încurcă estimarea:

• să stai nemișcat în pat, citind sau la telefon, poate fi înregistrat ca somn;
• trezirile scurte, de câteva minute, sunt adesea ratate;
• ceasul purtat prea larg pierde datele de puls și se bazează doar pe mișcare.

Dacă somnul este principalul motiv pentru care vrei un purtabil, un dispozitiv ușor și comod noaptea, cum este inelul, poate fi mai potrivit; vezi ce poate face un inel inteligent. Unele ecosisteme pot folosi ora la care te trezești ca declanșator pentru lumini sau termostat, idee dezvoltată în Automatizările smart home: rutine utile pentru fiecare zi.

GPS, barometru și busolă: senzorii de localizare

Pentru distanță, viteză și traseu, ceasul folosește un receptor GNSS (sistem global de navigație prin satelit), numit popular GPS. El calculează poziția din timpul în care ajung semnalele de la mai mulți sateliți. Receptoarele moderne pot folosi simultan GPS (american), Galileo (al Uniunii Europene), GLONASS și BeiDou, ceea ce crește numărul de sateliți vizibili.

Între blocuri înalte, în pădure deasă sau în defileuri, semnalele se reflectă și traseul se poate abate cu câțiva sau chiar zeci de metri. Ceasurile cu recepție pe două frecvențe reduc această eroare. Pe banda de alergare sau în sală, unde nu există semnal de satelit, distanța e estimată din accelerometru și din lungimea pasului.

Altimetrul barometric

Barometrul măsoară presiunea aerului, care scade pe măsură ce urci. Senzorul detectează diferențe mici, de ordinul unui etaj, deci numără scările urcate și măsoară diferența de nivel pe munte. Pentru că presiunea se schimbă și cu vremea, altitudinea absolută trebuie recalibrată periodic, manual sau automat prin GPS.

Busola

Magnetometrul măsoară câmpul magnetic al Pământului și arată direcția. Se calibrează mișcând ceasul într-un „8” și poate fi derutat de obiecte metalice sau de magneți apropiați, inclusiv de huse cu închidere magnetică.

Temperatura pielii și ceilalți senzori

Pe lângă senzorii de bază, unele purtabile au și senzori de nișă, utili doar în anumite situații. Merită să știi ce fac, ca să nu plătești în plus pentru ceva ce nu folosești.

• Senzorul de temperatură a pielii urmărește variațiile față de media ta personală, de obicei noaptea. Nu măsoară temperatura corpului ca un termometru și nu poate confirma febra.
• Senzorul de lumină ambientală ajustează luminozitatea ecranului și ajută la economisirea bateriei.
• Senzorul de activitate electrodermală (EDA) măsoară variațiile mici de conductivitate a pielii, legate de transpirație, folosite pentru estimări de stres.
• Bioimpedanța trimite un curent foarte slab prin corp pentru a estima compoziția corporală; rezultatele variază mult cu hidratarea.
• Microfonul poate măsura nivelul zgomotului din jur, iar la unele ceasuri e folosit pentru apeluri și comenzi vocale.

Cum devin semnalele cifre: algoritmi și profil personal

Senzorii furnizează doar semnale brute; cifrele pe care le vezi sunt rezultatul algoritmilor, care pot fi foarte diferiți de la un producător la altul. De aceea două ceasuri purtate simultan, unul pe fiecare mână, pot arăta valori diferite pentru aceeași zi.

Câteva lucruri pe care le poți face ca algoritmii să lucreze mai bine:

1. Completează corect în aplicație vârsta, înălțimea, greutatea și mâna pe care porți ceasul.
2. Fă o alergare de calibrare cu GPS, ca ceasul să-ți învețe lungimea pasului.
3. Instalează actualizările de firmware, care îmbunătățesc adesea algoritmii.
4. Curăță periodic senzorii de pe spatele carcasei cu o lavetă moale, ușor umedă.
5. Poartă ceasul constant câteva săptămâni, pentru că multe scoruri se raportează la media ta.

Cât de exacte sunt rezultatele în comparație cu aparatele medicale discutăm separat, în Precizia purtabilelor: cât de exacte sunt măsurătorile. Senzorii activi consumă și ei energie, iar măsurarea continuă a oxigenului sau a pulsului la intervale scurte se simte în baterie, cum arătăm în Autonomia unui smartwatch: ce o influențează și cum o crești. Datele produse sunt sensibile, așa că merită să știi unde ajung datele din purtabile.

Pe scurt, despre senzori

Un purtabil nu „vede” direct nici pașii, nici somnul: el măsoară mișcare, lumină reflectată, presiune sau semnale electrice și le interpretează cu algoritmi. Calitatea rezultatului depinde de senzor, dar la fel de mult de felul în care porți ceasul și de profilul completat în aplicație. Dacă nu ai ales încă dispozitivul, criteriile complete sunt în Smartwatch sau brățară fitness: ghid complet de alegere.

De reținut:

• pașii vin din accelerometru, pulsul din senzorul optic PPG;
• somnul este estimat din mișcare, puls și HRV, nu măsurat direct;
• SpO2 folosește lumină roșie și infraroșie și cere să stai nemișcat;
• ECG-ul de pe ceas are o singură derivație;
• cureaua bine strânsă și profilul corect îmbunătățesc mult datele.