Реализация мониторинга пульса через мобильное приложение

Реализация мониторинга пульса через мобильное приложение

Пульс можно измерять тремя способами через телефон: встроенная камера (PPG через вспышку), Bluetooth GATT с внешним датчиком (нагрудный пояс, смарт-часы), или чтение из платформенного хранилища (HealthKit, Health Connect — данные от Apple Watch / Wear OS). Выбор подхода определяет точность, задержку и UX.

PPG через камеру: как это работает и почему сложно

Пользователь прикладывает палец к камере со вспышкой. Капилляры в пальце пульсируют — изменяется количество отражённого красного света. Анализируем зелёный канал (более чувствителен к гемоглобину) каждого кадра.

// iOS: AVCaptureVideoDataOutputSampleBufferDelegate
func captureOutput(_ output: AVCaptureOutput,
                   didOutput sampleBuffer: CMSampleBuffer,
                   from connection: AVCaptureConnection) {
    guard let pixelBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer) else { return }

    CVPixelBufferLockBaseAddress(pixelBuffer, .readOnly)
    defer { CVPixelBufferUnlockBaseAddress(pixelBuffer, .readOnly) }

    let width = CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer)
    let height = CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer)
    let bytesPerRow = CVPixelBufferGetBytesPerRow(pixelBuffer)
    guard let buffer = CVPixelBufferGetBaseAddress(pixelBuffer) else { return }

    // Среднее значение зелёного канала по центральной области
    var greenSum: Int64 = 0
    let startX = width / 3
    let startY = height / 3
    for y in startY..<(height * 2 / 3) {
        for x in startX..<(width * 2 / 3) {
            let pixel = buffer.advanced(by: y * bytesPerRow + x * 4)
            greenSum += Int64(pixel.load(fromByteOffset: 1, as: UInt8.self))
        }
    }
    let avgGreen = Double(greenSum) / Double((width / 3) * (height / 3))
    processPPGSample(avgGreen)
}

Дальше — FFT или Peak Detection на временном ряду значений. При частоте 30 fps диапазон ЧСС 40–200 уд/мин → частота 0.67–3.33 Гц. FFT на окне 5 секунд (150 семплов) даёт достаточное разрешение.

Проблемы PPG:

• Движение пальца = артефакты в 10× больше пульсового сигнала
• Яркость внешнего освещения влияет на baseline (нужна нормализация)
• Точность ±5–10 уд/мин при идеальных условиях, ±20+ при движении
• iOS ограничивает яркость вспышки — на некоторых моделях сигнал слабый

PPG подходит для «измерения в покое, приложив палец на 30 секунд». Для мониторинга в реальном времени во время движения — нужен внешний датчик.

Bluetooth GATT: Heart Rate Profile

Стандартный профиль Bluetooth LE для датчиков пульса (Polar H10, Wahoo TICKR, Garmin HRM):

• Service UUID: 0x180D (Heart Rate)
• Characteristic UUID: 0x2A37 (Heart Rate Measurement)

Данные приходят через Notification. Первый байт — флаги: бит 0 определяет формат (UINT8 или UINT16), бит 4 — наличие RR-интервалов.

override fun onCharacteristicChanged(
    gatt: BluetoothGatt,
    characteristic: BluetoothGattCharacteristic,
    value: ByteArray
) {
    val flag = value[0].toInt()
    val isUint16 = flag and 0x01 != 0
    val heartRate = if (isUint16) {
        ((value[2].toInt() and 0xFF) shl 8) or (value[1].toInt() and 0xFF)
    } else {
        value[1].toInt() and 0xFF
    }

    // RR-интервалы (если есть) — для HRV
    if (flag and 0x10 != 0) {
        var offset = if (flag and 0x08 != 0) 4 else 3 // пропускаем энергозатраты если есть
        while (offset + 1 < value.size) {
            val rrRaw = ((value[offset + 1].toInt() and 0xFF) shl 8) or (value[offset].toInt() and 0xFF)
            val rrMs = rrRaw * 1000 / 1024 // перевод из 1/1024 с в миллисекунды
            rrIntervals.add(rrMs)
            offset += 2
        }
    }
}

RR-интервалы — основа для расчёта HRV (Heart Rate Variability). Если продукт претендует на стресс-мониторинг или восстановление — без RR не обойтись.

Чтение из HealthKit / Health Connect

Для приложений, которые не занимаются прямым измерением, а только отображают данные:

iOS:

let query = HKAnchoredObjectQuery(
    type: HKQuantityType(.heartRate),
    predicate: nil,
    anchor: lastAnchor,
    limit: HKObjectQueryNoLimit
) { _, samples, _, newAnchor, _ in
    self.lastAnchor = newAnchor
    let bpmValues = (samples as? [HKQuantitySample])?.map {
        $0.quantity.doubleValue(for: HKUnit(from: "count/min"))
    } ?? []
}
healthStore.execute(query)

Данные приходят с источниками: Apple Watch Series 4+ даёт ЧСС каждые 5–15 минут в покое и каждую секунду во время тренировки.

Визуализация

Для графика ЧСС в реальном времени: кольцевой буфер последних N значений, обновление раз в секунду. На iOS — Charts (DanielGindi) или Swift Charts (iOS 16+). На Android — MPAndroidChart или Compose Canvas с кастомным рисованием.

Зоны ЧСС рассчитываются от максимального пульса (220 минус возраст или по формуле Кервонена с учётом пульса покоя):

Сроки

PPG-измерение через камеру — 2–3 недели (с алгоритмической частью). Bluetooth GATT-интеграция — 1–2 недели. Чтение из HealthKit/Health Connect с визуализацией — 5–8 дней.