Фитнес-браслеты. Краткий гайд

TLDR: Если хотите трекать сон, шаги и пульс - то ми бэнда будет достаточно. Если же хотите в спорт и в кучу внешних датчиков - тогда стоит брать именно спортивные устройства.

Предыстория

Идея поста возникла из вопроса в одном из местных чатиков в адрес очередного фитнес-браслета на фразе:

"Каждый раз ору, когда бэнд содержит в себе 90% фичей аппл вотч за 10% цены"

Далее беседа потекла в русле "а нафига вообще нужны эти Фениксы за охулиард денег".
Как человек который курит эту тему уже несколько лет хочу немного раскрыть тему.

Disclamer: этот текст о гаджетах только применительно к спорту и ЗОЖ. Насколько тот или иной гаджет хорош как умные часы описано в тысячах обзорах в интернетах. И да, часто гаджет за охулиард денег который офигенен для спорта полное говно как "умные часы".

Датчики

1. Координаты

Здесь как будто просто всё просто. В гаджет вставлен GPS или Glonass приёмник который отслеживает координаты. На сегодняшний день существует 3-4 промышленных решения которые отличаются, в основном, размером и энергопотреблением.
Сложности тут только в двух местах: любое "спутниковое ориентирование" имеет ограничение по точности. Точность зависит от класса прибора (но сейчас в подобного рода гаджетах если не брать совсем ширпотреб железо позволяет нормальную точность) и лицензирования. За лицензию может платить конечный пользователь (обычно это схема профессионального геодезического оборудования) или производитель прибора. И в зависимости от лицензии точность может от 50 до 4.9 метра.
Итого трек на самом деле представляет собой набор точек с некой дискретностью с разбросом в пределах 10 метров. Его линеаризация уже чисто софтварная.
Имея лучше лицензию и больше точность прибора погрешность линеаризации меньше. Имея два (GPS и Glonass) независимых датчика погрешность ещё меньше.
Количество и типы датчиков пишут в спецификации прибора. Точность пишут крайне редко. Как правило только GPS Class X что указывает на точность косвенно.

2. Измерение положения

Измерение положения - это то, что считает шаги, отслеживает стиль плаванья и пр. То есть то, что отвечает за определение как движется датчик. Часто это называют "акселерометром", но это не всегда именно датчик ускорения.
Здесь на рынке на сегодняшний день есть всего два варианта: трёхосевой гироскоп и шестиосевой гироскоп. Трёхосевой умеет измерять только положение в пространстве: махнули рукой по некоей траектории - это шаг. Шестиосевой умеет измерять положение в пространстве и ускорение по каждой из осей. Как правило в них стоит ещё и простейший интегратор, который из ускорения умеет получать скорость электронно.
Вся остальная обработка - программно.
Шестиосевой, очевидно, позволяет строить более сложные алгоритмы определения движений и даёт больше данных.
Тип гироскопа пишут все и львиная доля приборов исключая дикий ноунейм имеет на борту шестиосевые гироскопы.

3. Измерение пульса

Датчики в носимых гаджетах (часы, браслеты) всегда оптические. Нагрудные датчики всегда электростатические.

3.1 Встроенные датчики

Применяемые сегодня оптические датчики сердечного ритма по сути отличаются только количеством диодов и приёмников.
Оптический пульсометр излучает свет зелёного цвета (наиболее поглощаемый кровью) и измеряет степень его поглощения. Чем больше источников света и приёмников тем выше точность.
Из недостатков сразу можно отметить:

1. Изменение расстояния от датчика до поверхности кожи влияет на поглощение света и, конечно же, искажает показания.
2. Изменение внешней температуры влияет на объём крови в капиллярах кожи и искажает показания. Хотя этот процесс достаточно медленный и успешно компенсируется программно.
3. Все датчики подобного типа имеют рост погрешности с ростом кровотока (частоты сердечных сокращений) которая нелинейна и индивидуальна для каждого. Программная компенсация практически невозможна.
4. Посторонние субстанции между датчиком и кожей (плаванье, особенно в открытой воде) вносят погрешность измерений которую практически невозможно компенсировать программно.

Оптические датчики практически никогда не сертифицируются как medical grade equipment в виду низкой точности. Есть некий ограниченный набор оптических датчиков используемых в медицине рассчитанных на применение когда закрепление датчика на груди невозможно. И то эти датчики работаю на просвет, а не на отражённом свете и пациент в таких случаях, как правило, неподвижен.

3.2 Выносные датчики

Электростатические (нагрудные) датчики измеряют электростатические импульсы, возникающие при сокращении сердечной мышцы. Погрешности нет. Влияния внешней среды нет. Единственное что требуется - плотное прилегание электродов к телу и хороший электрический контакт.
Все подобные датчики технически могут быть сертифицированы как medical grade, хотя не все такую сертификацию имеют.
Выносные датчики как правило работают по протоколу Ant+ и/или Bluetooth.
У большинства производителей выносные датчики пульса имеют несколько категорий и цен. На примере Garmin в порядке возрастания цены:

1. Датчик для велоспорта. Умеет измерять пульс и больше ничего.
2. Датчик для плаванья. Как и велодатчик умеет измерять пульс. Дополнительно усиленная влагозащита.
3. Датчик для бега. В датчиках этого типа дополнительно стоит шестиосевой гироскоп который позволяет собирать огромное количество дополнительных параметров (об этом ниже).
4. Датчик для триатлона. Самое дорогое исполнение. По сути это датчик для бега с дополнительной влагозащитой.

4. Измерение насыщения крови кислородом

Принцип работы датчика полностью аналогичен оптическому датчику измерения пульса. Разница только в том, что для измерения количества оксигемоглобина (с кислородом) и дезоксигемоглобина (без кислорода) используют источники света разной длины волны. Красный свет хорошо поглощается дезоксигемоглобином, инфракрасный хорошо поглощается оксигемоглобином.
Единственное отличие данных датчиков на носимых гаджетах от Medical grade equipment, что они работают на отражённом свете (от кости запястья), а не на просвет как медицинское оборудование.

5. Измерение мощности

5.1 Мощность в велоспорте

Измерение мощности педалирования на велосипеде делается с помощью тензодатчиков. Датчики ставят в педали (тот же Garmin), в систему (Sram), шатуны (Rotor) и даже кассету (точнее заднюю ось, PowerTap). Разница между ними всеми в точности, методе определения распределения нагрузки по ногам (если есть) и дополнительных параметрах (плавность вращения, определение позиции стоя/сидя, каденс и пр.)
Есть класс датчиков, которые располагаются на руле и измеряют мощность по скорости набегающего потока (тот же PowerPod), но они требуют регулярной калибровки и даже при этом имеют существенную погрешность.

5.2 Мощность бега

В данной области на текущий момент нет даже договорённости что такое "мощность бега" и каждый производитель оценивает это как считает нужным. Все имеющиеся на рынке датчики - это шестиосевые гироскопы (см. выше про датчики положения), крепящиеся на кроссовок. Софт внутри датчика на основании виденья производителя выдаёт некую цифру, которая принимается за "мощность бега".

6. Прочие датчики

Дополнительно к описанному существуют как встроенные в гаджет, так и выносные датчики давления, температуры, бега (тот же Garmin running dynamic pod, который по сути шестиосевой гироскоп, но без встроенного датчика сердечного ритма и может крепиться куда угодно), каденса и скорости (для велосипеда), датчики движения клюшки гольфа и многое другое.

Примечание. Для того чтобы понять что со всем этим зоопарком делать необходимо немного понимать биофизику процессов.

7. Пороги

7.1 Термины и определения

Скелетные мышцы получают энергию в основном из глюкозы и жирных кислот. Она хранится в значительном количестве в мышечных волокнах в виде гликогена и триглицеридов. Химическая энергия связей углеводов, жиров и белков высвобождается в виде адезинотрифосфата - источника быстрой энергии. Аденозинфосфаты участвуют в циклах в качестве акцепторов и доноров энергии: запасы АТФ восполняются во время окисления источников энергии и используются при работе скелетных мышц.
Процесс гликолиза может идти как с использованием кислорода крови (аэробный гликолиз), так и без него (анаэробный гликолиз). Глюкоза при этом может потребляться из крови и мышечных тканей или из жировых отложений (через отдельные "транспортные" механизмы.)
В процессе работы скелетных мышц выделяется молочная кислота (или лактат - соль молочной кислоты). Молочная кислота образуется только в анаэробных условиях. Большое ее количество вызывает изменения концентрации ионов гидрогена во внутренней среде организма. При значительном смещении pH в сторону повышения кислотности наблюдается угнетение активности ферментов, регулирующих способность мышц к сокращению и скорость анаэробного ресинтеза АТФ.
То есть, проще говоря, накопление молочной кислоты в мышцах приводит к их неработоспособности.
Итого, есть несколько процессов, определяющих работу мышц и на их основе определяются "пороги":

1. Основная энергия получается из жирных кислот (разложение жира) с использованием кислорода крови. Накопления лактата в мышцах нет.

2. Основная энергия получается из жирных кислот и глюкозы тканей с использованием кислорода крови и без него. Накопления лактата в мышца нет.

3. Основная Основная энергия получается из жирных кислот и глюкозы тканей с использованием кислорода крови и без него. Лакатат накапливается в мышцах.

Исходя из этих параметров экспериментально выделили 5 зон тренировки в которых дают разные результаты и развивают разные способности:
1-я зона — аэробно-восстановительная работа, направленная на устранение недоокисленных продуктов обмена веществ, образовавшихся во время предыдущей работы. В этом случае смещения биохимических показателей крови находятся в пределах нормы.
2-я зона — аэробно-тренировочная работа, направленная на стабилизацию работоспособности.
3-я зона — смешанная работа аэробной направленности, проводится с целью повышения уровня VO2max.
4-я зона — смешанная работа анаэробной направленности, проводится для развития выносливости.
5-я зона — соревновательно-специфическая работа, направленная на развитие скоростных качеств. При этом наблюдается изменение биохимических показателей крови до индивидуального максимума.

8. Определение пороговых значений

Вот тут должен возникнуть вопрос о чём были эти почти полторы тысячи слов и как соль молочной кислоты в мышцах связана с часами на руке?
На самом деле напрямую.
Первый и основной использующийся в профессиональном спорте метод определения порогов лактата и зон тренировки - это измерение уровня лактата в крови.
Человек садится на тренажёр или тестовый "круг" (в зависимости от вида спорта) и выполняет упражнения с разной интенсивностью. На каждом этапе у человека делается забор крови и анализируется уровень лактата.
Метод хорош тем, что он абсолютно точен. Из недостатков сразу же можно сказать что это больно и затратно. Плюс невозможность делать замеры в произвольный момент.
Экспериментально было выяснено что образование лактата напрямую связано с мощностью, отдаваемой мышцей. То есть измерение мощности по сути даёт то же самое. Метод измерения лактата через мощность хорош тем, что при наличии датчика под определённую активность это можно делать везде и всегда. Метод не инвазивный. Недостаток метода тоже очевиден: мощность измеряется как правило в одной точке и учитывает работу только нескольких групп мышц. При этом спортивная активность часто подразумевает работу всех мышц в разной степени (например, на том же велосипеде вы можете стоять, раскачивать его руками, удерживать равновесие и т. д.) и эти мышцы тоже выделают лактат. То есть сам принцип измерения даёт погрешность.
Третий, наиболее широко используемый метод измерения уровня лактата - по частоте сердечных сокращений.
Скорость прокачки крови связана с уровнем лактата в мышцах: организм реагирует на нагрузку и усиливает кровоток чтобы ускорить очистку мышц.
Метод простой, требует минимального оснащения (датчик ЧСС много проще и дешевле датчика мощности). Метод учитывает уровень лактата во всех группах мышц в отличии от измерения мощности. Недостатки метода много обширнее чем в измерении мощности: сердечно-сосудистая система очень инертна, короткие пики могут не влиять на ЧСС вообще. Плюс изменение ЧСС как реакция на изменение мощности идёт с существенным опозданием.

Зачем это нужно

По порядку по каждому из датчиков и параметров.

Координаты

Точность определения координат зависит от:

1. Чипа GPS
2. Количество разных чипов
3. Точность датчика положения
4. Софт который это всё обрабатывает.

GPS+Glonass на борту дадут больше точность. Наличие хорошего гироскопа (для велосипеда это может быть датчик скорости на колесе) который учитывается софтом ещё сильнее повышает точность.
На круг разница выглядит примерно вот так:

И в дистанции:

В реальности до 5% на круг.
Мало? Да. Но, допустим, я знаю что на марафонской дистанции я могу выложиться в конце на 2-3 км максимум и имея эти 2-3 км в погрешности можно либо недобежать вообще, либо пробежать не выложившись на финальном отрезке.

Положение

Опять же зависит от точности датчика и софта, который это обрабатывает.
Помимо подсчёта (и точности) количества шагов гаджет может определять стиль плаванья, считать количество гребков на 25/50м в плавании, время контакта с землёй и вертикальное соотношение в беге и кучу других параметров.
Дополнительно, для тех дисциплин где прямой расчёт мощности невозможен многие гаджеты умеют корректировать показатели и учитывать не только пульс, но и движения. Это крайне полезно для, допустим, бега и позволяет много точнее рассчитывать лактатные пороги.

Пульс

Тут всё просто: оптический датчик врёт и сильно. Электростатический точен. На стабильном невысоком пульсе эта погрешность не так заметна. На стабильном высоком погрешность уже выше. На сильнопеременном пульсе начинается кошмар. Дополнительно к этому некоторые гаджеты умеют "терять соединение" даже с встроенным пульсометром:

Определение зон пульса и порогов лактата по врущему датчику (причём врущему нелинейно) невыполнимо. С учётом того, что определение пороговых значений лактата по пульсу само по себе не точно и очень инертно это теряет смысл совершенно.

Выводы

Чтобы ответить на вопрос: Что выбрать? Надо сначала определить для чего вам нужен фитнес-гаджет.
Если задача отслеживать сон, считать шаги и смотреть на график пульса то возможности браслета за 30-40 у. е. полностью аналогичны возможностям любого другого гаджета и отдавать в 10 раз больше за Apple Watch или Garmin MARQ смысла никакого. Точность датчика для таких простых параметров достаточна. Софт, как правило, предоставляется производителем датчика и всё программная обработка данных достаточно точна. Выбирайте что нравится и по цене. Ну может посмотреть чтобы он имел шестиосевой гироскоп для более точного определения количества шагов.
Если задача не только иметь красивые графики, но и хотя бы как-то отслеживать простейшие параметры тренировок (ну хотя бы что тренировка не порвёт сердце высоким пульсом) лучше взять гаджет умеющий цеплять внешние датчики и работать с ними.
Если же задача прогрессировать в спорте, то лучше уходить на именно спортивные устройства. Помимо огромного набора внешних датчиков которые позволяют измерять гору параметров вы получите алгоритмы считающие нагрузку, усталость, прогресс, позволяющие предлагать программы тренировок.
Спортивные гаджеты отличаются набором метрик, которые они умеют считать и, по сути, мощностью платформы. Набор метрик и алгоритмы позволят оценивать эффективность тренировки, точнее определять пороговые зоны (не только по пульсу, но и по общему объёму движений, допустим), отслеживать специальные параметры вроде вертикального соотношения или времени контакта с землёй для бега и пр.
Пример набора метрик:

Лидером в этой части сейчас является FirstBeat и гаджеты умеющий их метрики и алгоритмы показывают условно одно и то же. Отличие будет сколько алгоритмов FirstBeat есть в гаджете. Чаще это - лицензионные ограничения и в более дешёвом гаджете метрик будет меньше.
Второй параметр - это сама платформа гаджета. Тупо процессорная мощность. И это влияет только на то, что гаджет умеет вычислять прямо в онлайне. Например, Fenix 5 от Garmin не умеет показывать аналитику сна, но её можно смотреть в телефоне/на сайте. Fenix 6 уже имеет достаточно вычислительной мощности и смотреть все те же графики можно прямо в часах.

P. S. Эта статья не претендует на полноту и тут надо ссылок на исследования, литературу и, может быть, более подробного раскрытия каких-то моментов. Если будет какое-то обсуждение в комментариях буду дополнять.