Как фитнес-трекеры и смарт-часы высчитывают показатели и можно ли им верить

Фитнес‑браслеты и часы обещают отследить всё: пульс и активность, потраченные калории, время сна, продолжительность его фаз и уровень стресса.

Для получения тех же данных в больнице используют электрокардиографию (ЭКГ), полисомнографию и непрямую респираторную калориметрию. Можно ли сравнивать маленькие датчики фитнес‑браслетов с внушительными аппаратами, которые используются во время этих процедур? Давайте разбираться.

Пульс

Вы 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 (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 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 точность показаний, поскольку ткани запястья смещаются и датчики начинают ошибаться.

В одном исследовании 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.

В другом 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 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 — 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 шагов

Фитнес‑трекеры измеряют 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 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 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.

Так, в одном исследовании 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 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 калории

Фитнес‑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 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 60 научных исследований также отметили, что точность зависит от типа активности — пассивного отдыха, спорта или работы по дому.

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 сна

В лаборатории качество сна оценивают с помощью полисомнографии. 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 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 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.

В другом 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 глубокий сон где‑то на 20 минут и переоценило БДГ‑фазу на 17 минут.

В другом эксперименте Fitbit Charge 2 переоценил лёгкий сон на 34 минуты и недооценил глубокий на 24 минуты.

Анализ данных четырёх разных трекеров 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 стресса

Во 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 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 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 обнаружили, что часы Apple Watch довольно точно определяют стрессовое состояние — несмотря на то, что пропускают порядка 10% интервалов между сердечными сокращениями.

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.