Прижмите кончик пальца к камере и фонарику телефона, и экран загорится глубоким красным светом. Этот красный цвет — свет фонарика, прошедший сквозь ваш палец — через кожу, ткани и кровь — прежде чем попасть на сенсор. И он не постоянен. С каждым ударом сердца в сосуды кончика пальца нагнетается чуть больше крови; кровь поглощает свет, поэтому с каждым ударом сердца света проходит чуть меньше. Свечение то затухает, то разгорается, затухает и разгорается в такт вашему пульсу.
Это и есть фотоплетизмография — ФПГ — тот же принцип, что лежит в основе клипсы, которую медсестра надевает вам на палец, и зеленых светодиодов на задней панели смарт-часов. "Photo" означает свет, "plethysmography" — измерение изменений объема. Инструмент «Пульс» использует трансмиссионный вариант: фонарик с одной стороны ткани, камера — с другой, а сигналом служит ритмическая модуляция проходящего между ними света. Он сообщает две вещи: частоту в ударах в минуту и то, насколько сильным был сам пульсирующий сигнал. Он никогда не ставит диагноз.
Почему вообще удается уловить этот крошечный сигнал
Изменение проходящего света под воздействием пульса ничтожно мало — модуляция в несколько процентов, а часто и меньше, накладывающаяся на мощный постоянный уровень. Его выделение зависит от неподвижности всего остального, и именно здесь на сцену выходит привычная для платформы дисциплина захвата данных.
Во-первых, фонарик. Это единственный важный здесь источник света, и он известен заранее: фиксированное положение относительно пальца, фиксированная мощность, постоянное горение на протяжении всего процесса съемки. Осветительная сторона измерения постоянна, поэтому любые периодические изменения в том, что улавливает датчик, должны быть вызваны разделяющей их средой. Внешний свет практически не проникает — прижатый к объективу кончик пальца изолирует большую его часть, а то, что просачивается, является постоянным, а не периодическим.
Во-вторых, камера перестает адаптироваться. Поведение камеры телефона по умолчанию — бороться именно с тем сигналом, который нам нужен: автоэкспозиция видит слегка темнеющий кадр и увеличивает усиление для компенсации; автобаланс белого меняет оттенок кадров, пытаясь скорректировать обилие красного. И то, и другое стирает физиологическую модуляцию в несколько процентов программной коррекцией той же величины. Поэтому инструмент «Пульс» блокирует автоэкспозицию и автобаланс белого на время съемки — кадры измеряются по одной фиксированной шкале, и единственным меняющимся параметром остается сам свет. Это то же правило, по которому работают инструменты коэффициента отражения и светопропускания, и оптический аналог тракта необработанного звука в тесте на постукивание: отключите «помощь» автоматики, доверьтесь физике.
Дальнейший анализ сводится к усреднению кадров в график изменения яркости во времени, поиску доминирующей периодичности в вероятном диапазоне и — что не менее важно — измерению того, какую долю энергии графика эта периодичность действительно объясняет. Последнее число — это показатель силы сигнала, который выводится рядом с частотой. Плотно прижатый неподвижный палец дает сильное, чистое колебание; дрожащие руки, холодный палец или неполное перекрытие объектива дают слабый сигнал. Инструмент сообщает, какой результат получился, поэтому сомнительным показаниям можно не верить, а просто отбросить их. Все вычисления происходят на устройстве; ни один кадр не покидает телефон.
Этот инструмент не является медицинским прибором. Инструмент «Пульс» сообщает частоту и силу сигнала — и никогда не ставит диагноз и не дает медицинских рекомендаций. Он не одобрен, не сертифицирован и не утвержден как медицинский инструмент, и его ни в коем случае нельзя использовать для принятия решений о здоровье. Если показания важны для вашего здоровья — частота кажется слишком высокой, слишком низкой или нерегулярной — этот вопрос следует адресовать врачу со специальным оборудованием, а не камере телефона.
Физике все равно, палец это или нет
Вот почему «Пульс» — это не просто забавное приложение для измерения пульса: в самом измерении нет ничего, что относилось бы исключительно к пальцам. Инструмент измеряет периодическую модуляцию проходящего света средой, прижатой к объективу. Кончик пальца подходит, потому что объем крови в нем пульсирует. Но то же самое происходит и с любым другим пульсирующим объектом.
Прижмите мягкую трубку от небольшого насоса к объективу и фонарику, и каждый рабочий цикл насоса будет изменять объем жидкости — а значит, и поглощаемый свет — точно так же, как биение сердца. Инструмент считывает частоту циклов насоса точно так же, как пульс. В некоторых случаях это оказывается по-настоящему полезным:
- Аквариумные шланги — дозирующий или воздушный насос, частоту работы которого вы хотите проверить, ничего не разбирая и не полагаясь на шкалу прибора.
- Ирригационные системы — подтверждение того, что импульсная капельная линия действительно работает с частотой, заявленной контроллером, на самом дальнем ее конце, где это действительно важно.
- Любой небольшой насос — сравнение текущей частоты работы с той, что была у нового прибора. Измерение, вносимое ежемесячно для одного и того же Объекта в вашем каталоге, превращает субъективное "тебе не кажется, что он звучит иначе?" в четкий график тренда.
Универсальность этого метода — не натяжка со стороны инструмента, а следствие того, что мы измеряем саму среду, а не строим предположений о субъекте. Показания частоты безразличны к тому, что именно создало ритм — именно поэтому в медицинском плане они могут быть только числом, а в случае с водопроводом оказываются отличным инструментом.
Для чего подходит частота, если говорить честно
Поскольку на выходе мы получаем частоту и уровень достоверности, добросовестные Сценарии — это те, которые действительно опираются на частоту. Проверка пульса в покое из любопытства до и после пробежки. Проверка того, работает ли насос циклично и с какой скоростью. Наблюдение за тем, как ритм машины смещается в течение недель. Каждое Измерение можно сохранить под Объектом, к которому оно относится — человек не является объектом каталога, а насос является, а для Измерений из любопытства вполне подойдет неназначенная запись, — и для каждого Измерения позже можно задать эталонную метку, как и в любом другом Инструменте: насос, который действительно выходил из строя, или действительно засорившийся трубопровод. Это маховик данных в применении к сантехнике.
Для чего Измерения точно не годятся, так это для диагностики, и дизайн Инструмента постоянно напоминает об этом: он показывает лишь удары в минуту и силу сигнала. Никаких пульсовых зон, предупреждений или показателей здоровья. Умеренность — это его главное свойство. Число, в точности которого вы уверены, гораздо лучше сомнительного вердикта.
Один прием, множество инструментов
Пульс принадлежит к небольшому семейству Инструментов, которые объединяют фонарик и камеру с заблокированной автоэкспозицией и балансом белого (AE/AWB) в контролируемый оптический прибор. Родственные ему Инструменты измеряют коэффициент отражения и полупрозрачность поверхности с помощью того же источника света и того же заблокированного детектора, но решают другие задачи. И это семейство — лишь одно из направлений масштабного проекта по превращению датчиков телефона в измерительные приборы, а не просто в удобные функции. Чтобы составить представление обо всей картине, начните с обзора Инструментов.