In den letzten Jahren wurden technologische Fortschritte schnell in Uhren integriert. Von den traditionellen analogen Uhren haben wir jetzt Smartwatches, die mehr Funktionen als je zuvor bieten. Uhren zeigen nicht nur die aktuelle Uhrzeit (und das Datum) an, sondern können jetzt auch Ihre Nachrichten und andere Benachrichtigungen anzeigen, Ihre Schritte und andere Aktivitäten verfolgen und sogar Ihren Gesundheitszustand überwachen! Keine Sorge, wir werden in diesem Beitrag nicht alle diese Dinge besprechen.
Vielmehr soll Ihnen dieser Beitrag dabei helfen, die in verschiedenen Smartwatches und Fitnesstrackern integrierte Technologie zu verstehen, mit der diese Ihre Herzfrequenz überwachen können. Wie wird Ihre Herzfrequenz mit diesen Wearables gemessen? Können Sie sich auf ihre Messwerte verlassen? Die Antworten auf diese und viele weitere Fragen finden Sie in den folgenden Abschnitten dieses Beitrags.
So messen Smartwatches und Fitness-Tracker Ihre Herzfrequenz:
Optische Herzfrequenzüberwachung (OHRM)
Was Smartwatches und Fitnesstracker im Wesentlichen tun, nennt sich optische Herzfrequenzüberwachung. Bei den meisten Marken geschieht dies mithilfe der Technologie namens Photoplethysmographie (PPG). [Einige Marken rühmen sich jedoch damit, eine andere Technologie zu verwenden, auf die wir später noch eingehen werden.]
Smartwatches und Fitnesstracker, die PPG verwenden, sind grundsätzlich an den grünen und roten Lichtern zu erkennen, die Sie auf der Rückseite ihrer Gehäuse sehen können. Die optische Herzfrequenzüberwachung nutzt diese LED-Lichter, um zu bestimmen, wie viel rotes oder grünes Licht von der Haut Ihres Handgelenks wahrgenommen wird. Hauptsächlich reflektiert das Blut unter der Haut das rote Licht und absorbiert grünes Licht. Daher ermöglicht jeder Herzschlag eine stärkere Absorption von grünem Licht; zwischen den Herzschlägen wird das besagte grüne Licht weniger absorbiert.
Wenn Sie glauben, dass diese Art der Überwachung der Herzfrequenz neu ist, irren Sie sich. Die Verwendung von Licht zur Anzeige des Blutflusses und zur Überwachung der Herzfrequenz begann tatsächlich im späten 19. Jahrhundert. Die Menschen dieser Zeit hielten ihre Hände in einem dunklen Raum neben eine Kerze. Auf diese Weise konnten sie den Blutfluss in ihren Adern sehen.
Später, etwa in den 1980er Jahren, wurden in Krankenhäusern die ersten Pulsoximeter eingeführt. Diese Geräte ähneln den heute verwendeten Finger- oder Ohrclip-Geräten zur Messung des Pulses und des Blutsauerstoffgehalts.
Komponenten der PPG-Technologie
Damit Smartwatches und Fitnesstracker mithilfe der PPG-Technologie die Herzfrequenz ihres Trägers überwachen können, müssen sie über folgende Komponenten verfügen:
1. Optischer Emitter
Dieses besteht normalerweise aus mindestens zwei LEDs, die Lichtwellen an die Haut des Trägers senden. Einige Geräte verwenden sogar verschiedene Wellenlängen, um die Unterschiede in Hautton, -dicke und -morphologie des Trägers zu berücksichtigen. Die unterschiedlichen Wellenlängen ermöglichen eine Interaktion mit verschiedenen Haut- und Gewebeschichten.
2. Digitaler Signalprozessor (DSP)
Diese Komponente ist dafür verantwortlich, das vom Träger gebrochene Licht zu erfassen und diese Signale in die Binärsprache (Einsen und Nullen) zu übersetzen, die dann in die Herzfrequenzdaten umgesetzt werden kann.
3. Beschleunigungsmesser
Es misst Bewegungen; anschließend werden die erfassten Daten in das DSP-Signal integriert und dienen gemeinsam als Eingabedaten für PPG-Algorithmen.
4. Algorithmen
Im Wesentlichen verarbeiten sie die Eingaben vom DSP und dem Beschleunigungsmesser, um die bewegungstoleranten Herzfrequenzdaten zu erfassen. Abhängig von der Leistungsfähigkeit des Geräts können sie auch zur Berechnung von VO2, verbrannten Kalorien, RR-Intervall, Herzfrequenzvariabilität, Blutmetabolitenkonzentrationen, Blutsauerstoffwerten und sogar Blutdruck verwendet werden.
Hindernisse für eine genaue Ablesung
Da OHRM jedoch hauptsächlich auf Daten basiert, die sich aus der Lichtbrechung Ihrer Haut ergeben, gibt es viele Faktoren, die die Genauigkeit der erfassten Daten beeinträchtigen können. Hier sind die vier größten Hindernisse, die wir gefunden haben.
1. Optisches Rauschen
Dies gilt als die größte technische Hürde. Trotz der Nähe der Smartwatch oder des Fitnesstrackers zur Haut kommt nur eine sehr geringe Menge Licht zurück und wird vom Sensor erfasst. Und von dieser geringen Menge an gesammeltem Licht zeigt nur etwa 1/1000 tatsächlich den Blutfluss an, der durch das Pumpen des Herzens verursacht wird. Andere vom optischen Sender gesendete Signale werden dann von verschiedenen Materialien wie Muskeln, Knochen, Sehnen usw. gestreut.
2. Hautton
Auch der Hautton des Trägers kann ein wichtiger Faktor sein, da verschiedene Farbtöne Licht unterschiedlich absorbieren. Dunklere Haut beispielsweise absorbiert tendenziell mehr grünes Licht. In diesem Zusammenhang sind Träger mit Tätowierungen zu nennen, insbesondere wenn sich die Tätowierung auf dem Teil der Haut befindet, an dem das PPG Daten erfassen soll. Dies hat dazu geführt, dass bei einigen Wearables, darunter auch einigen Apple Watches, die Herzfrequenzüberwachung nicht mehr funktionierte. Dies führte zu einigen Twitter-Stürmen und dem Hashtag #tattoogate.
3. Crossover-Problem
Dieses besondere Hindernis tritt normalerweise auf, wenn Sie eine bestimmte sich wiederholende Bewegung ausführen, die möglicherweise mit Ihrer Herzfrequenz übereinstimmt. Ein häufiges Beispiel hierfür ist die Schrittfrequenz. Die Algorithmen der Smartwatch oder des Fitnesstrackers zeichnen möglicherweise die Daten Ihrer Schrittfrequenz als Ihre Herzfrequenz auf.
4. Sensorstandort
In Bezug auf das erste oben erwähnte Hindernis – optisches Rauschen – wurde festgestellt, dass (ironischerweise) das Handgelenk tatsächlich einer der schlechtesten Orte für OHRM ist, da in diesem Bereich so viel optisches Rauschen herrscht – beispielsweise in den Muskeln, Sehnen, Knochen usw. – und weil die Gefäßstruktur dort ebenfalls recht unterschiedlich ist.
Der empfohlene Bereich ist tatsächlich der Unterarm, da die Blutgefäße in diesem Bereich sehr nahe an der Haut liegen und eine höhere Dichte aufweisen.
Andere Herzfrequenztechnologien
In den vorherigen Abschnitten haben wir uns hauptsächlich auf die PPG-Technologie als Mittel zur optischen Herzfrequenzüberwachung konzentriert. Da es jedoch bereits eine Vielzahl von Smartwatches und Fitnesstrackern gibt, erwähnen einige, dass ihre OHRM-Fähigkeit nicht über PPG erfolgt. Fitbit und Jawbone verwenden beispielsweise eine ganz andere Art von Technologie.
Fitbit
In den Spezifikationen der Fitbit-Smartwatches wird die PPG-Technologie nicht erwähnt. Vielmehr heißt es, man verwende „optische Herzfrequenzsensoren, die dennoch eine längere Akkulaufzeit gewährleisten“.
Fitbit bietet das sogenannte PurePulse-Gerät an. Diese Technologie kann die Herzfrequenz automatisch und kontinuierlich am Handgelenk messen und ist somit hilfreich für die Überwachung von Gesundheitsdaten und Trainingsintensität im Tagesverlauf.
Jawbone UP3 und UP4
Diese Smartwatches rühmen sich ihrer Bioimpedanz. Diese Technologie misst den Widerstand des Körpergewebes gegen winzige elektrische Ströme. Auf diese Weise können eine Vielzahl physiologischer Signale erfasst werden, einschließlich der Herzfrequenz.
Das bedeutet, dass die Bioimpedanzmessung anstelle von Lichtwellen (wie sie bei PPG verwendet werden) elektrische Ströme an das Körpergewebe sendet. Diese Methode soll im Vergleich zu PPG und anderen lichtbasierten Methoden weniger Strom verbrauchen und ermöglicht daher eine längere Akkulaufzeit der Smartwatch. Der Nachteil ist jedoch, dass diese Technologie nur die Ruhe- und passive Herzfrequenz messen kann. Sie ist noch nicht in der Lage, die Herzfrequenz des Trägers während des Trainings oder bei Aktivitäten zu verfolgen.
Welche Smartwatch oder welcher Fitness-Tracker überwacht die Herzfrequenz am genauesten?
In diesem einfachen Experiment von Tom's Guide wurde die Genauigkeit der Herzfrequenzüberwachung einer Reihe von Smartwatches und Fitnesstrackern im Vergleich zum Polar H10-Brustgurt getestet. Die getesteten Wearables sind die Apple Watch Series 3, Apple Watch Series 4, Fitbit Ionic, Fitbit Charge 2, Fitbit Versa, Samsung Galaxy Watch, Samsung Gear Sport, Garmin Fenix 5, Garmin Forerunner 35, Garmin Vivoactive 3 Music und Garmin Vivomove HR.
Basierend auf dem besagten Experiment lässt sich allgemein feststellen, dass die von diesen Smartwatches gemessene durchschnittliche Herzfrequenz im Vergleich zum Polar-Brustgurt um einige Schläge abweicht. Sobald sich die Herzfrequenz jedoch verlangsamt oder beschleunigt, tendieren die Smartwatches dazu, bei der Herzfrequenzüberwachung zu verzögern.
Die neueren Geräte zum Zeitpunkt der Erstellung der Liste, also die Apple Watch Series 4 und die Samsung Galaxy Watch, brauchten nur wenige Sekunden, um die Herzfrequenz ähnlich wie der Brustgurt anzuzeigen. Die Fitbit Versa hingegen reagierte nicht sehr schnell.
Die Garmin Forerunner 35 und Fenix 5 konnten die Herzfrequenz während des Trainings jedoch genau verfolgen. Sie wurden dann ungenau, wenn der Träger ruhte oder ging. Diese Ungenauigkeit wurde dann behoben, als diese Smartwatches in den Trainingsmodus versetzt wurden.
Schlussworte
Die Funktionen und Technologien, die wir in Smartwatches und Fitnesstrackern finden, werden mit jedem neuen Modell interessanter und komplexer. Wir hoffen, dass Sie mit diesem informativen Beitrag erfahren haben, wie ein kleines tragbares Gerät (insbesondere die grünen Lichter darin) Ihre Herzfrequenz jederzeit überwachen kann.