Реалізація моніторингу пульсу через мобільний застосунок

Реалізація мониторингу пульсу через мобільне приложення

Пульс можна вимірювати трьома способами через телефон: вбудована камера (PPG через вспишку), Bluetooth GATT з зовнішнім датчиком (нагрудний пояс, смарт-часи), або читання з платформе сховища (HealthKit, Health Connect — дані від Apple Watch / Wear OS). Вибір підходу визначає точність, затримку та UX.

PPG через камеру: як це працює та чому складно

Користувач прикладає палець до камери зі вспішкою. Капіляри в пальці пульсують — змінюється кількість відбитого червоного світла. Аналізуємо зелений канал (чутливіший до гемоглобіну) кожного 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 }

    // Середнє значення зеленого каналу по центральній області
    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)
}

Далі — FFT або Peak Detection на часовому ряді значень. При частоті 30 fps діапазон ЧСС 40–200 уд/мин → частота 0.67–3.33 Гц. FFT на вікні 5 секунд (150 семплів) дає достатнє розрізнення.

Проблеми PPG:

• Рух пальця = артефакти в 10× більше пульсового сигналу
• Яскравість зовнішнього освітлення впливає на baseline (потребує нормалізації)
• Точність ±5–10 уд/мин при ідеальних умовах, ±20+ при русі
• iOS ограничує яскравість вспішки — на деяких моделях сигнал слабкий

PPG підходить для «вимірювання в спокої, прикладивши палець на 30 секунд». Для мониторингу в реальному часі під час руху — потребується зовнішній датчик.

Bluetooth GATT: Heart Rate Profile

Стандартний профіль Bluetooth LE для датчиків пульсу (Polar H10, Wahoo TICKR, Garmin HRM):

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

Дані приходять через Notification. Перший байт — флаги: біт 0 визначає формат (UINT8 або UINT16), біт 4 — наявність RR-інтервалів.

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-інтервали (якщо є) — для HRV
    if (flag and 0x10 != 0) {
        var offset = if (flag and 0x08 != 0) 4 else 3 // пропускаємо енергозатрати якщо є
        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 // переведення з 1/1024 с в мс
            rrIntervals.add(rrMs)
            offset += 2
        }
    }
}

RR-інтервали — основа для розрахунку HRV (Heart Rate Variability). Якщо продукт претендує на стрес-мониторинг або восстановление — без RR не обійтися.

Читання з HealthKit / Health Connect

Для приложень, які не займаються прямим вимірюванням, а тільки показують дані:

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)

Дані приходять з джерелами: Apple Watch Series 4+ дає ЧСС кожні 5–15 хвилин у спокої та кожну секунду під час тренування.

Візуалізація

Для графіка ЧСС в реальному часі: кільцевий буфер останніх N значень, оновлення раз в секунду. На iOS — Charts (DanielGindi) або Swift Charts (iOS 16+). На Android — MPAndroidChart або Compose Canvas з кастомним рисуванням.

Зони ЧСС розраховуються від максимального пульсу (220 мінус вік або за формулою Кервонена з урахуванням пульсу в спокої):

Терміни

PPG-вимірювання через камеру — 2–3 тижні (з алгоритмічною частиною). Bluetooth GATT-інтеграція — 1–2 тижні. Читання з HealthKit/Health Connect з візуалізацією — 5–8 днів.