Современные носимые электрокардиографические устройства получили широкое распространение для мониторинга здоровья и физической активности, обеспечивая возможность постоянного контроля сердечного ритма и вариабельности сердечного ритма (ВСР). Однако качество собранного сигнала в значительной степени зависит от типа выполняемой активности, что становится важной темой для исследователей и пользователей, желающих получить точные данные как во время отдыха, так и при интенсивных физических нагрузках. Качество сигнала ЭКГ определяется степенью его подверженности помехам, вызванным движением, напряжением мышц и изменениями положения тела. При статичных или умеренно активных состояниях, таких как ходьба на беговой дорожке, большинство однополосных носимых устройств обеспечивают приемлемую точность и минимальные искажения сигнала. Тем не менее, когда активность становится более интенсивной и включает сложные движения верхней части тела, качество сигнала резко снижается.
Это связано с возникновением артефактов движения, которые могут вызвать неправильное определение сердечных сокращений и, как следствие, неустойчивость данных о частоте сердечных сокращений и вариабельности. Для оценки надежности различных устройств и выявления влияния специфики физических нагрузок на качество ЭКГ сигнала, в исследовании сравнивались три коммерческих устройства: Polar H10, Equivital EQ-02 и Zephyr BioHarness 3.0, а также стандартный трёхконтактный многоканальный электрокардиограф BIOPAC. Эксперименты проводились на группе из 39 здоровых добровольцев в возрасте от 18 до 38 лет, выполняющих ряд физических упражнений от ходьбы на беговой дорожке до комплекса интенсивных тренировок и прохождения полосы препятствий, включающей динамические и неортодоксальные движения корпуса. Для количественной оценки качества сигнала применялся индекс качества сигнала (Signal Quality Index, SQI), отражающий долю выдерживающих порог приемлемого качества отрезков записи.
Значение SQI ниже 0,7 указывало на низкое качество сигнала, что автоматически исключало данные с артефактами и искажениями. В ходе эксперимента был зафиксирован значительный рост доли таких некачественных сегментов при переходе от ходьбы к комплексным упражнениям и полосу препятствий. Все три коммерческих устройства показали повышение уровня отверженных данных при выполнении упражнений с интенсивным вовлечением верхней части тела. Наименьшие потери сигнала зафиксированы при ходьбе на беговой дорожке, где средняя доля отверженных данных составляла около 11%. При тренировочных комплексах данный показатель увеличился до 30%, а при полосе препятствий достигал 40%.
Таким образом, верхняя часть тела и неровное перемещение существенно влияют на стабильность сигнала ЭКГ. При сравнительном анализе устройств выявлено, что Zephyr BioHarness 3.0 продемонстрировал значительно более высокие уровни отвержения сигнала по сравнению с Polar H10 и BIOPAC. Polar H10, несмотря на потребительскую направленность, показал близкие к лабораторному уровню качества данные и даже превосходил некоторые стандартные системы в динамичных условиях. Это объясняется, с одной стороны, эргономичным дизайном с электродами, расположенными на передней части грудной клетки, что способствует лучшему контакту и снижает вероятность смещений, а с другой стороны, продвинутыми алгоритмами обработки сигнала, которые способны эффективно фильтровать внешние шумы.
Важным фактором, влияющим на качество сигнала, является конструкция электродов и их размещение. Устройства с формфактором грудной ленты обычно обеспечивают более стабильный контакт с кожей, по сравнению с нагрудными ремнями или другими креплениями, подверженными изменению положения во время движения. Результаты исследований показывают, что использование более крупных и качественных электродов, а также материалов с улучшенными характеристиками проводимости, помогает минимизировать влияние мышечных сокращений и вибраций. Помимо аппаратных аспектов, немалую роль играет программное обеспечение и алгоритмы, используемые в ЭКГ-мониторах для обработки сигнала. Современные методы фильтрации на основе вейвлет-преобразований и искусственного интеллекта позволяют существенно уменьшить количество артефактов и повысить точность определения сердечных пиков даже в условиях высокой двигательной активности.
Однако данные алгоритмы обычно являются фирменными и закрытыми, что затрудняет независимую оценку и сравнительный анализ. Результаты исследования подчеркивают, что протоколы тестирования и валидации носимых ЭКГ-устройств должны учитывать не только статичные или низкоинтенсивные активности, но и высокодинамичные, неустойчивые по положению корпуса движения. В противном случае возможно переоценивание качества устройств, что приведет к ошибкам в мониторинге здоровья и тренировочных процессах. При выборе устройства для коммерческого или научного мониторинга сердечного ритма во время физических нагрузок стоит отдавать предпочтение тем моделям, которые продемонстрировали устойчивость к шумам в сложных условиях. Polar H10 может служить ориентиром для оценки практичности и надежности, особенно в ситуациях, когда использование габаритного многоконтактного оборудования невозможно.
Значительное снижение качества сигнала во время высокоинтенсивных упражнений приводит к увеличению недостоверных данных, что может исказить расчет вариабельности сердечного ритма, известной как важный индикатор автономной нервной системы и общего состояния здоровья. Поэтому исследования и практическое применение должны сопровождаться тщательным контролем качества собранной информации и, при необходимости, фильтрацией или исключением спорных сегментов из анализа. Среди ограничений исследования стоит отметить, что каждый участник использовал только одно коммерческое устройство, что не позволяет в полной мере оценить внутрисубъектные различия. Также не было детально проанализировано влияние конкретных видов артефактов и локализации движения на качество ЭКГ, что является перспективным направлением для дальнейших исследований. В итоге, понимание влияния типа физической активности на качество сигналов ЭКГ раскрывает новые горизонты для улучшения носимых технологий мониторинга здоровья.
Комбинация аппаратных инноваций, усовершенствованных алгоритмов обработки и комплексных протоколов тестирования позволит создать более надежные системы, способные предоставлять качественные и точные данные в любых условиях. Это особенно важно для спортсменов, военных и людей, ведущих активный образ жизни, которые полагаются на мониторинг сердечного здоровья в реальном времени для оптимизации тренировок, предотвращения перегрузок и раннего выявления проблем. Высокое качество ЭКГ-сигнала в носимых устройствах будет способствовать развитию персонализированной медицины и расширению цифровых решений в области здоровья и фитнеса. .
