Cadence lock: почему часы показывают ваш каденс вместо пульса

Знакомая сцена: вы выходите на интервалы, разгоняетесь — и часы показывают 178 ударов в минуту. Вы смотрите на второе поле экрана: каденс 178. Ещё отрезок — пульс 180, каденс 180. Совпадение идеальное и подозрительное, потому что таким оно не бывает. Это cadence lock — самый частый режим отказа оптической пульсометрии. И корень у него не в плохой прошивке, а в физике.

Полезный сигнал живёт на волосок от шума

Оптический пульсометр (фотоплетизмография, PPG) светит светодиодом в кожу и фотодиодом ловит обратно рассеянный свет. Сигнал состоит из двух частей.

DC-компонента — большой и медленный фон: поглощение светом кожи, кости, мышц, венозной крови и непульсирующей части артериальной. AC-компонента — крошечная пульсация в такт сердцу: в систолу объём артериальной крови растёт, поглощение увеличивается, в диастолу — падает.

И вот ключевая цифра, из которой следует всё остальное: AC-компонента составляет всего 1–2% от общего поглощения света. Отношение AC к DC называют перфузионным индексом — это, по сути, мера силы полезного сигнала. На запястье он низкий: сосудов мало, лежат глубоко, поэтому запястье изначально «шумное» место.

Практический смысл прост. Полезный сигнал сидит на верхушке огромного фона и занимает пару процентов от него. Любое возмущение сопоставимой амплитуды его перекрывает. Именно этим PPG принципиально отличается от нагрудного ремня: ЭКГ измеряет электрический потенциал сердца напрямую, а не пытается разглядеть двухпроцентную рябь в отражённом свете.

Удар бьёт по сигналу сразу с трёх сторон

Приземление стопы и бегущая вверх по конечности ударная волна создают не одну помеху, а несколько одновременно.

Смещение датчика относительно кожи. При каждом ударе плохо прижатый сенсор микроскопически съезжает. Меняются геометрия «светодиод — ткань — фотодиод», угол падения и длина оптического пути; в зазор подсасывается внешний свет. Это самый мощный из механизмов — и единственный, который вы полностью контролируете затяжкой ремешка.

Колебание контактного давления. Удар модулирует силу прижатия, а от неё зависит объём сосудистого русла под датчиком. Тут есть тонкость: амплитуда пульсовой волны максимальна, когда трансмуральное давление близко к нулю — то есть когда внешнее прижатие примерно равно среднему артериальному давлению и стенка сосуда «разгружена». Осцилляции давления от каждого шага гоняют рабочую точку по нелинейной кривой податливости, и форма пульсовой волны начинает плясать в такт шагам.

Венозная кровь. В покое венозная кровь относится к неподвижному фону. При сотрясении податливое венозное русло начинает колебаться в объёме — появляется паразитная пульсация, синхронная не с сердцем, а с движением.

Плюс сама ударная волна модулирует кровоток в микроциркуляторном русле под датчиком. То есть искажается не только оптика, но и измеряемый объект. И у всех этих помех одна и та же частота — частота шага.

Почему это не лечится алгоритмом

Большинство алгоритмов ищут пульс в частотной области: берут окно сигнала, считают спектр и выбирают доминирующий пик.

Теперь посчитайте. Каденс 160–190 шагов в минуту — это 2,7–3,2 Гц. Пульс 160–190 ударов в минуту — это те же 2,7–3,2 Гц. У обоих сигналов ещё и богатая гармоническая структура. Когда пики сходятся, алгоритм видит два соседних максимума, и пик движения почти всегда выше — ведь полезный сигнал составляет 1–2%, а механическая помеха от удара мощная. Алгоритм честно берёт больший пик и залипает на каденсе.

Это принципиальное ограничение, а не недоработка: когда две величины физически имеют одинаковую частоту, никакой частотный метод в одном канале их не разделит. Вычитание спектра каденса заодно вычитает и пульс.

Способов борьбы придумано много — акселерометр как опорный сигнал, адаптивная фильтрация, спектральное вычитание, алгоритмы TROIKA и JOSS (заявленная средняя ошибка 2,34 и 1,28 удара в минуту соответственно), многоканальные и мультиволновые сенсоры. Зелёный свет около 525 нм используют именно потому, что он проникает неглубоко и даёт лучшее отношение AC/DC, чем красный и инфракрасный. Всё это работает — пока пульс и каденс различимы. В точке их совпадения слепая зона остаётся у всех.

Обидно, что эта точка ровно там, где данные нужнее всего: на пороговых и интервальных скоростях. При разгоне одновременно растёт мощность ударного сигнала и пульс подтягивается к каденсу.

Почему голень — худшее место для датчика

Ударная нагрузка резко убывает снизу вверх. При одновременном измерении инерциальными датчиками у элитных юниоров-стайеров на скорости 14–16 км/ч получили:

большеберцовая кость: 14 ± 3 … 16 ± 3 g;
крестец: 4 ± 1 … 5 ± 1 g (около 32% от нагрузки на голень);
лопатка: 4 ± 1 g (около 27%).

То есть голень получает удар примерно в 3,5–4 раза сильнее, чем плечевой пояс, и почти три четверти ударной волны гасится по дороге наверх.

Причин несколько. Над большеберцовой костью почти нет мышечного демпфера — волна проходит в датчик без ослабления, тогда как на плече слой мягких тканей толще. Собственные частоты мягких тканей ног лежат примерно в диапазоне 10–50 Гц, и удар возбуждает их напрямую. А с утомлением демпфирующая способность мышц падает, и ускорения на голени к концу длинной гонки растут.

Это подтверждается прямыми сравнениями. В независимой валидации трёх одинаковых датчиков, надетых одновременно на запястье, предплечье и плечо, плечо стабильно превосходило остальные позиции. Плечевой Polar Verity Sense показывал MAPE около 0,69% на лёгком беге, тогда как для запястных устройств на беге типичны ошибки другого порядка: в валидации у кардиопациентов бег дал MAE 12,1 удара в минуту и MAPE 8,5% — против 3,8% на ходьбе и обычных 1–3 ударов в покое.

Что с этим делать

Нужен честный пульс — берите нагрудный ремень. ЭКГ меряет электрику сердца напрямую и cadence lock не подвержен в принципе. Если вам важна точность лучше ±5 ударов в динамике, альтернатив нет.
Не переносите ремень — ставьте оптику на плечо или предплечье. Удар там в разы меньше, кровоток стабильнее, ошибка приближается к ремню.
Никогда не вешайте оптический датчик на голень. Это худшая позиция из возможных.
Носите часы — затяните ремешок. Плотный прижим убирает главный механизм артефакта. Сдвиньте часы чуть выше косточки, в холод прогрейте запястье: вазоконстрикция снижает перфузию и делает залипание вероятнее.
Выведите каденс рядом с пульсом. Если оба числа слиплись — данным верить нельзя.
Проверяйте задним числом. Наложите график пульса на график каденса. Совпадение линий на интервалах, разгонах и спусках — признак артефакта, а не кардиодинамики. Не позволяйте таким тренировкам портить расчёт нагрузки и восстановления.
Знайте свою зону риска. Если у вас высокий каденс (около 180) и высокий рабочий пульс (около 180) — вы в группе повышенного риска. Если они разнесены по частоте, оптика будет ошибаться заметно реже.

Оговорки

Абсолютные значения ударной нагрузки зависят от скорости, техники приземления, обуви, поверхности и усталости — устойчиво здесь соотношение «голень намного больше плеча», а не конкретные цифры. Надёжных опубликованных данных по пиковым ударным ускорениям на запястье почти нет, поэтому сравнение запястья с голенью следует считать качественным. Конкретные алгоритмы производителей закрыты: описанные методы — это опубликованная научная база, а не подтверждённое содержимое чьей-то прошивки. И приведённые значения ошибок взяты из конкретных исследований на конкретных популяциях — они показывают порядок величины и разницу между активностями, а не универсальную константу.

Главное

Полезный сигнал PPG — всего 1–2% от общего поглощения света; всё остальное фон.
Удар порождает три помехи сразу: смещение датчика, колебание контактного давления и пульсацию венозной крови — и все на частоте шага.
Cadence lock — проблема физики: каденс 160–190 и пульс 160–190 дают одни и те же 2,7–3,2 Гц, и разделить их частотным методом невозможно.
Голень получает в 3,5–4 раза больший удар, чем плечо (14–16 g против 4 g) — худшее место для оптики.
Иерархия решений: нагрудный ремень → плечо или предплечье → туго затянутые часы.
Диагностика: совпал пульс с каденсом — данные недостоверны.

Источники: Ueberschär O. и соавт. «Measuring biomechanical loads and asymmetries in junior elite long-distance runners through triaxial inertial sensors», Sports Orthopaedics and Traumatology, 2019, воспроизведено в обзоре Sheerin K. и соавт. «The measurement of tibial acceleration in runners», Gait & Posture. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0949328X19301449. Zhang Z., Pi Z., Liu B. «TROIKA: A General Framework for Heart Rate Monitoring Using Wrist-Type Photoplethysmographic Signals During Intensive Physical Exercise», IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 62(2):522–531, 2015. Zhang Z. «Photoplethysmography-Based Heart Rate Monitoring in Physical Activities via Joint Sparse Spectrum Reconstruction», IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 62(8):1902–1910, 2015. Cheng D. и соавт., валидация запястной фотоплетизмографии, European Heart Journal — Digital Health, 6(5):1024, 2025.