Притисніть кінчик пальця до камери та ліхтарика вашого телефона, і екран заллється глибоким червоним сяйвом. Цей червоний колір — це світло ліхтарика, яке пройшло крізь ваш палець — крізь шкіру, тканини та кров — перш ніж потрапити на сенсор. І воно не є постійним. З кожним ударом серця у судини кінчика пальця виштовхується трохи більше крові; кров поглинає світло; тому з кожним ударом серця світла проходить трохи менше. Сяйво то згасає, то відновлюється, то згасає, то відновлюється — в такт із вашим пульсом.
Це фотоплетизмографія — ФПГ — той самий принцип, за яким працює кліпса, яку медсестра одягає вам на палець, або зелені світлодіоди на звороті розумного годинника. «Фото» означає світло, а «плетизмографія» — вимірювання змін об'єму. Інструмент «Пульс» використовує трансмісійний варіант: ліхтарик з одного боку тканини, камера — з іншого, а сигналом є ритмічна модуляція світла, що проходить між ними. Він показує дві речі: частоту в ударах за хвилину та фактичну силу пульсуючого сигналу. Він ніколи не видає діагнозів.
Чому цей крихітний сигнал взагалі вдається виділити
Зміна світла, що проходить крізь тканини під дією пульсу, є крихітною — модуляція у кілька відсотків, часто навіть менше, на тлі великого постійного рівня. Її виявлення залежить від того, чи все інше залишається нерухомим, і саме тут стандартна дисципліна фіксації платформи робить свою справу.
По-перше, ліхтарик. Це єдине важливе джерело світла тут, і воно є відомим: фіксоване положення відносно пальця, фіксована яскравість, увімкнене протягом усього процесу фіксації. Освітлювальна сторона вимірювання є константою, тому будь-які періодичні зміни в тому, що отримує сенсор, мають бути викликані середовищем між ними. Зовнішнє світло майже не потрапляє всередину — притиснутий до об'єктива кінчик пальця перекриває більшу його частину, а те, що просочується, є постійним, а не періодичним.
По-друге, камера перестає адаптуватися. Типова поведінка камери смартфона полягає в тому, щоб боротися саме з тим сигналом, який нам потрібен: автоекспозиція бачить кадр, який злегка тьмяніє, і підвищує чутливість для компенсації; автоматичний баланс білого змінює відтінок кадрів, намагаючись підлаштуватися під червоний потік. І те, і інше перекриває фізіологічну модуляцію у кілька відсотків програмним коригуванням такої ж сили. Тому інструмент «Пульс» блокує автоекспозицію та автобаланс білого на час вимірювання — кадри вимірюються за однією фіксованою шкалою, і єдине, що змінюється, — це саме світло. Це те саме правило, завдяки якому працюють інструменти вимірювання відбивної здатності та напівпрозорості, і оптичний аналог прямого аудіоканалу при тестуванні постукуванням: вимкніть «допомогу» системи, залиште чисту фізику.
Далі аналіз полягає в усередненні кадрів до графіка яскравості в часі, знаходженні домінуючої періодичності у правдоподібному діапазоні та — що не менш важливо — вимірюванні того, яку частку енергії графіка насправді пояснює ця періодичність. Це останнє число і є показником сили сигналу, що виводиться поруч із частотою. Щільно притиснутий нерухомий палець дає сильне, чисте коливання; тремтячий палець, холодні руки або неповне перекриття об'єктива дають слабкий сигнал. Інструмент показує, який саме результат ви отримали, тому ненадійне показання можна відкинути, а не брати на віру. Усе працює локально на пристрої; жоден кадр не залишає телефон.
Цей пристрій не є медичним приладом. Інструмент «Пульс» виводить частоту та силу сигналу — і ніколи не ставить діагнозів і не дає медичних порад. Він не схвалений, не сертифікований і не верифікований як медичний інструмент, і його ніколи не слід використовувати для прийняття рішень щодо здоров'я. Якщо показники важливі для вашого здоров'я — наприклад, якщо частота здається занадто високою, занадто низькою або нерегулярною — з цим питанням слід звернутися до лікаря та скористатися належним обладнанням, а не камерою смартфона.
Фізиці байдуже, що це палець
Ось чому «Пульс» — це більше, ніж просто черговий розважальний додаток для вимірювання пульсу: у самому вимірюванні немає нічого специфічного саме для пальців. Інструмент вимірює періодичну модуляцію світла, що проходить крізь притиснуте до об'єктива середовище. Кінчик пальця підходить, тому що об'єм крові пульсує. Але так само підходить і будь-що інше, що пульсує.
Притисніть шматок м'якої трубки від невеликого насоса до об'єктива та ліхтарика, і кожен цикл роботи насоса змінюватиме об'єм рідини — а отже, і кількість поглинутого світла — точно так само, як це робить серцебиття. Інструмент зчитує частоту циклів насоса так само, як і пульс. У деяких випадках це виявляється дійсно корисним:
- Акваріумні трубки — дозувальний або повітряний насос, частоту роботи якого ви хочете перевірити, не розбираючи систему та не покладаючись на шкалу на самому пристрої.
- Системи поливу — підтвердження того, що імпульсна крапельна стрічка дійсно працює з тією частотою, яку вказує контролер, на найвіддаленішому кінці лінії, де це найбільш критично.
- Будь-який невеликий насос — порівняння поточної частоти з частотою, коли пристрій був новим. Вимірювання, яке щомісяця зберігається під тим самим об'єктом у вашому каталозі, перетворює суб'єктивне «тобі не здається, що він звучить якось інакше?» на чіткий графік тенденції.
Така універсальність — це не штучне розширення можливостей інструмента, а властивість вимірювання самого середовища замість припущень про природу об'єкта дослідження. Показання частоти абсолютно байдужі до того, що саме створює ритм. Саме тому в медичному контексті це може бути лише орієнтовним числом, а в сантехнічному чи технічному — це повноцінний і точний інструмент.
Для чого корисне вимірювання частоти, без зайвих ілюзій
Оскільки вихідними даними є частота та рівень достовірності, чесні сценарії використання — це ті, які така частота дійсно дозволяє реалізувати. Перевірка частоти пульсу у стані спокою з цікавості, до і після пробіжки. Перевірка того, чи працює насос циклічно і як швидко. Спостереження за тим, як ритм машини зсувається протягом тижнів. Кожне вимірювання можна зберегти під Об'єктом, якому воно належить — людина не є каталожним Об'єктом, а насос є, і для вимірювань заради цікавості цілком підійде непризначений запис — і кожному згодом можна присвоїти еталонну мітку, як і для будь-якого іншого інструменту: насос, який справді виходив з ладу, або лінія, яка справді була засмічена. Це маховик набору даних, застосований до сантехніки.
Для чого вимірювання не підходять, так це для будь-якої діагностики, і дизайн інструменту постійно про це нагадує: він показує удари за хвилину та силу сигналу, і на цьому все. Жодних зон, жодних попереджень, жодних оцінок самопочуття. Стриманість — це його особливість. Число, якому можна довіряти таким, яке воно є, краще за вердикт, якому довіряти не можна.
Один трюк, багато інструментів
Пульс належить до невеликого сімейства інструментів, які поєднують ліхтарик із камерою з фіксованим AE/AWB, створюючи керований оптичний прилад — його «родичі» вимірюють коефіцієнт відбиття та напівпрозорість поверхонь за допомогою того самого світла й того самого заблокованого детектора, але спрямовані на інші завдання. І це сімейство є лише однією з гілок масштабнішого проєкту, що розглядає датчики телефону як інструменти, а не просто зручні дрібниці. Щоб охопити всю картину, почніть з огляду інструментів.