Cómo Funciona un Pulsómetro.

Los pulsómetros han pasado a ser un dispositivo de consumo masivo, en comparación a como se usaban hace pocos años, en los que solo se requería en los servicios médicos y en el control especial en el hogar. Tener a la mano en tiempo real los datos de tu frecuencia cardíaca, y cómo cambia dependiendo de tu actividad física, ha sido un gran beneficio, que ahora se está convirtiendo en una necesidad. Veamos cómo funciona un pulsómetro.

La mayoría de los dispositivos portátiles con monitores de frecuencia cardíaca utilizan un método llamado fotopletismografía (PPG) para medir la frecuencia cardíaca. PPG es un término técnico para iluminar la piel y medir la cantidad de luz dispersada por el flujo sanguíneo.

Eso es una simplificación excesiva, pero los sensores PPG se basan en el hecho de que la luz que ingresa al cuerpo se dispersará de manera predecible a medida que cambie la dinámica del flujo sanguíneo, tanto por los cambios en las frecuencias del pulso sanguíneo (frecuencia cardíaca), como con los cambios en el volumen sanguíneo (salida cardíaca).

Cómo Funciona un Pulsómetro
Pulsómetro en reloj de pulsera.
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    ¿Cómo funciona un pulsómetro?

    Los sensores PPG utilizan cuatro componentes técnicos principales para medir la frecuencia cardíaca:

    Emisor óptico.

    Generalmente compuesto por al menos 2 LED que envían ondas de luz a la piel. Debido a las amplias diferencias en el tono de la piel, el grosor y la morfología asociados con una diversidad de consumidores, la mayoría de los pulsómetros de última generación utilizan múltiples longitudes de onda de luz que interactúan de manera diferente con diferentes niveles de piel y tejido.

    Procesador de señal digital (DSP).

    el DSP captura la luz refractada por el usuario del dispositivo y traduce esas señales en uno y cero que pueden calcularse en datos significativos de frecuencia cardíaca.

    Acelerómetro.

    El acelerómetro mide el movimiento y se usa en combinación con la señal DSP como entradas en algoritmos PPG.

    Algoritmos.

    Los algoritmos procesan las señales del DSP y el acelerómetro en datos de frecuencia cardíaca tolerantes al movimiento, pero también pueden calcular datos biométricos adicionales como VO2, calorías quemadas, intervalo RR, variabilidad de la frecuencia cardíaca, concentraciones de metabolitos en sangre, niveles de oxígeno en sangre e incluso presión arterial.

    Los sensores PPG.

    La tecnología PPG tiene alrededor de 150 años, pero se ha revolucionado en el siglo XXI para nuevos casos de uso. La monitorización óptica del flujo sanguíneo en tiempo real se utilizó por primera vez a fines de 1800 al hacer que las personas levantaran la mano hacia una vela en una habitación oscura para ver la estructura vascular y el flujo sanguíneo.

    Más recientemente, a principios de la década de 1980, se lanzaron los primeros oxímetros de pulso para uso hospitalario, midiendo la frecuencia del pulso y el oxígeno en la sangre usando dos LED alternos. Estos son muy similares a los dispositivos de clip para el dedo o la oreja que todavía se usan en los centros de salud en la actualidad.

    Los desarrollos de sensores PPG en los últimos años se han centrado en las aplicaciones de consumo de la tecnología a dispositivos portátiles. Esto requirió un desarrollo radical conocido como PPG tolerante al movimiento, porque el uso de sensores PPG durante el movimiento y la actividad aumenta enormemente la cantidad de ruido de movimiento que debe eliminarse para encontrar la señal del flujo sanguíneo.

    Principales desafíos en los dispositivos portátiles.

    PPG suena relativamente simple, pero en realidad es muy difícil de implementar con precisión para dispositivos portátiles. Medir la PPG durante un estado de reposo (dormir, sentarse y quedarse quieto) es relativamente sencillo, pero medir la PPG durante la actividad física es increíblemente complejo. De hecho, hay cinco desafíos fundamentales que enfrentará al construir dispositivos portátiles con pulsómetro.

    Ruido óptico.

    El mayor obstáculo técnico en el procesamiento de las señales del sensor PPG es separar la señal biométrica del ruido, especialmente el ruido de movimiento. Desafortunadamente, cuando brillas luz en la piel de una persona, solo una pequeña fracción de la luz regresa al sensor, y de la luz total recolectada, solo 1/1000 aproximadamente de esta puede indicar un flujo sanguíneo bombeado por el corazón. El resto de las señales simplemente se dispersan por otro material, como la piel, los músculos, los tendones, etc.

    Tono de piel.

    Los humanos tienen una amplia gama de tonos de piel y estos diferentes tonos absorben la luz de manera diferente. Por ejemplo, la piel más oscura absorbe más luz verde, lo que presenta un problema porque la mayoría de los pulsómetros usan LED verdes como emisores de luz, lo que limita su capacidad de medir con precisión la frecuencia cardíaca a través de la piel oscura.

    Esto también presenta un problema para medir la frecuencia cardíaca a través de la piel tatuada, que Apple descubrió de manera difícil en lo que se conoció como " tattoogate ", cuando las personas con tatuajes en la muñeca descubrieron que el monitor de frecuencia cardíaca en el Apple Watch funcionaba mal.

    Problema cruzado.

    Uno de los aspectos más desafiantes del ruido óptico que se crea por el movimiento y la actividad ocurre durante lo que se conoce como actividad periódica, que es la actividad que implica la repetición continua de un movimiento similar.

    Esto se ve con mayor frecuencia en las tasas de pasos medidas durante el trote y la carrera, porque las tasas de pasos generalmente caen en el mismo rango general que el de los latidos del corazón (140-180 latidos / pasos por minuto). El problema que enfrentan muchos pulsómetros es que resulta fácil para los algoritmos que interpretan los datos entrantes del sensor óptico confundir la frecuencia cardíaca ("cadencia") con la frecuencia cardíaca.

    Esto se conoce como el "problema cruzado", Porque si observas las mediciones en un gráfico, cuando la frecuencia cardíaca y la frecuencia de paso se cruzan entre sí, muchos dispositivos tienden a ajustarse a la frecuencia de paso y presentan ese número como frecuencia cardíaca, aunque la frecuencia cardíaca pueda estar cambiando drásticamente después del crossover.

    Ubicación del sensor.

    La ubicación del pulsómetro en el cuerpo presenta desafíos únicos que varían significativamente según la ubicación. Resulta que la muñeca es uno de los peores lugares para la monitorización precisa de PPG de la frecuencia cardíaca debido al ruido óptico mucho mayor creado en esa región (músculo, tendón, hueso, etc.) y debido al alto grado de variabilidad en la vascularización. estructura y perfusión sanguínea través de las poblaciones humanas.

    El antebrazo es considerablemente mejor debido a la mayor densidad de vasos sanguíneos cerca de la superficie de la piel. Sin embargo, la oreja es, por mucho, la mejor ubicación en el cuerpo para un pulsómetro porque es esencialmente solo cartílago y vasos sanguíneos, que no se mueven mucho incluso cuando el cuerpo está en movimiento vigoroso, y debido a un banco de arteriolas ideal entre el anti -trago y concha del oído, reduciendo drásticamente el ruido óptico que debe filtrarse.

    Baja perfusión.

    La perfusión es el proceso de un cuerpo que transporta sangre a los lechos capilares. Al igual que con el tono de la piel, el nivel de perfusión es muy variable entre las poblaciones, con problemas como obesidad, diabetes, afecciones cardíacas y enfermedades arteriales, cada una de las cuales reduce la perfusión sanguínea.

    La baja perfusión, especialmente en las extremidades del cuerpo donde se encuentran la mayoría de los dispositivos portátiles, puede presentar desafíos para los pulsómetros porque la relación señal-ruido puede reducirse drásticamente, ya que una perfusión más baja se correlaciona con señales más bajas de flujo sanguíneo. La región de la cabeza (incluida la oreja, la sien y la frente) admite una perfusión mucho más alta y fotopletismografías de mejor calidad que las muñecas o los pies.

    Lectura de pulso correcta.

    Entonces, ¿cómo se consigue una lectura de pulso correcta?

    Es obviamente muy difícil de hacer con precisión, pero ciertamente es posible y así es cómo. En un nivel alto, el dispositivo debe tener muy buenos algoritmos de optomecánica y extracción de señal.

    Cada uno de ellos tiene múltiples dimensiones, así que veamos cada uno con más detalle.

    Optomecánica.

    El Acoplamiento optomecánico es la luz guiada y acoplada al cuerpo de manera efectiva en el dispositivo. Esto es crítico para maximizar la señal del flujo sanguíneo y minimizar el ruido ambiental, como la luz solar, que puede agregar ruido al sensor.

    También se requieren diferentes longitudes de onda para diferentes ubicaciones de sensores en el cuerpo, en parte debido a la diferente composición fisiológica del cuerpo en diferentes ubicaciones y al impacto del ruido ambiental en diferentes ubicaciones del cuerpo.

    La separación de los emisores también es importante para garantizar que esté midiendo suficiente flujo sanguíneo y menos artefactos de movimiento.

    ¿La mecánica es tal que el desplazamiento bruto entre el sensor y la piel es mínimo durante el ejercicio o el movimiento del cuerpo? Esto puede ser un problema para muchos casos de uso de accesorios comunes, como correr, trotar y particularmente ejercicios de gimnasio.

    Algoritmos de Extracción de Señal.

    Los algoritmos se deben validar en un conjunto poblacional diverso. Es importante asegurarse de que el dispositivo funcione en múltiples tonos de piel, ambos sexos, diferentes tipos de cuerpo y niveles de condición física, etc.

    Los algoritmos también deben poder funcionar durante diferentes actividades, como caminar, correr (carreras constantes de alta velocidad y entrenamiento a intervalos), carreras de velocidad, actividades de gimnasia (levantamiento de pesas, Crossfit, etc.) y actividades de la vida cotidiana como escribir, hablar por teléfono o montando en un vehículo.

    ¿Es la metodología de extracción de señal escalable a múltiples factores de forma? No querrás tener que usar algoritmos diferentes para cada factor de forma diferente que quieras usar.

    Esta tecnología y el mercado de dispositivos portátiles están avanzando rápidamente y deben continuar innovando para cumplir con los requisitos continuos del cliente.

    ¿Qué métricas puedes obtener de los sensores PPG?

    Si bien PPG es realmente difícil de corregir, cuando lo haces correctamente, puede ser muy poderoso. Una señal PPG de alta calidad es fundamental para una gran cantidad de datos biométricos que el mercado demanda hoy en día. Por ejemplo, aquí hay una lista de algunos de los datos biométricos que pueden derivar de una PPG altamente precisa y tolerante al movimiento. Pero ojo, estos no son todos.

    Frecuencia respiratoria.

    La frecuencia respiratoria es el número de respiraciones tomadas en un período de tiempo (generalmente 60 segundos) y las frecuencias respiratorias más bajas en reposo generalmente se correlacionan con niveles más altos de condición física.

    VO2 Max.

    El VO2 mide el volumen máximo de oxígeno que alguien puede usar y el VO2 Max se considera ampliamente como un indicador de resistencia aeróbica.

    Niveles de oxígeno en la sangre.

    También conocido como SpO 2 o saturación de oxígeno. Es el indicativo de la concentración de oxígeno en la sangre.

    Intervalo RR.

    Esta es la variabilidad de la frecuencia cardíaca. En términos simples, el Intervalo RR es el tiempo entre pulsos sanguíneos o latidos ECG, y en general cuanto más variado es el tiempo entre latidos, mejor. El análisis del intervalo RR puede usarse como un indicador de los niveles de estrés y varios problemas cardíacos, entre otras cosas.

    Presión arterial.

    La mayoría de las personas están muy familiarizadas con la presión arterial como un indicador de la salud cardiovascular, pero muchos no saben que algunas de las tecnologías más avanzadas de hoy en día pueden evaluar la presión arterial utilizando las señales del sensor PPG.

    Eficiencia cardíaca.

    Este es otro indicador de aptitud física que generalmente mide qué tan eficientemente funciona tu corazón para dar un paso. Esto sirve como un proxy de cuán duro debería trabajar el corazón para hacer ejercicios más desafiantes como correr o andar en bicicleta.

    Factores de forma usados en los pulsómetros.

    Normalmente se ven tres escenarios principales:

    Estilo de vida.

    Por lo general, el seguimiento de cosas como pasos, movimientos básicos, ritmo cardíaco en reposo y / o casual, etc. La comodidad y el estilo generalmente se valoran por la precisión en este escenario, aunque estamos comenzando a ver ese cambio con el creciente interés del consumidor en la salud.

    Tipo de sesiones o actividad.

    Se centra en la medición biométrica en tiempo real durante una actividad específica como hacer ejercicio, correr, andar en bicicleta o incluso combatir un incendio. La estabilidad y la precisión son muy valoradas en estos escenarios.

    Salud personal.

    La edición continua de los indicadores de salud personal, como frecuencia cardíaca, presión arterial, saturación de oxígeno, se ha vuelto una exigencia en estos tiempos. Estas mediciones se pueden usar junto con un plan de prevención en poblaciones sanas, o un plan de manejo de enfermedades para aquellos que manejan condiciones de salud como hipertensión, diabetes o enfermedades cardiovasculares. La precisión y la comodidad son muy valoradas en estos escenarios.

    Para Cerrar.

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    Los dispositivos portátiles están tomando todas las formas y tamaños en estos días, incluidas pulseras, relojes inteligentes, audífonos, bandas para las piernas y muchos más. Dado que un medidor de pulso se está convirtiendo en un requisito para casi todos los dispositivos portátiles, debes asegurarte de que la tecnología OHRM que selecciones con tu dispositivo realmente funcione para ti.

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