Pulsmessung mit optoelektronischen Sensoren
Die Messung der Herzfrequenz beim Sport war bislang eine Angelegenheit des zusätzlichen Brustgurts. Mal mehr, mal weniger bequem während des Sport getragen, sendete er die erfassten Daten per ANT+ oder Bluetooth Smart an einen Empfänger. Die in Fachkreisen PPG genannte Technologie Photoplethysmographie erlaubt es schon länger die Herzfrequenz mittels Licht zu messen. Seit wenigen Jahren findet sich die Technik auch in Fitnessarmbändern und Sportuhren, so dass die Pulsmessung direkt am Handgelenk vorgenommen und auf den Brustgurt verzichtet werden kann.
Messung des Blutflusses
Fitness Tracker mit optischer Pulsmessung verfügen über kleine Lichtquellen, die in der Regel in der Innenseite des Armbands angebracht sind. Das ausgesendete Licht ist intensiv genug, um so weit in die Haut einzudringen, dass es die Blutgefäße in den oberen Hautsschichten erreicht. Von dort wird ein Teil des Licht reflektiert und von einem weiteren Sensor am Armband – dem Photodetektor – registriert.
Optoelektronische Messung (schematisch)
Das grundlegende Prinzip der Pulsmessung mit Licht basiert auf folgenden Punkten:
- Während der Systole (dem Zusammenziehen des Herzmuskels) wird Blut durch die Gefäße zu den Organen gedrückt. In den Blutgefäßen nimmt der Blutfluss und der Gefäßdurchmesser zu.
- Während der Diastole (dem Entspannen des Herzmuskels) fließt das Blut durch die Gefäße wieder zum Herzen zurück. Der Blutdruck in den Gefäßen wird geringer, der Gefäßdurchmesser nimmt in Folge ab.
Zusätzlich wird sich folgender Umstand zunutze gemacht:
- Blut erscheint in der Farbe Rot, weil es die roten Anteile des Lichts reflektiert, wohingegen es grüne und blaue Farbanteile des Lichts schluckt.
- Eine größere Menge Blut absorbiert mehr Anteile grünen und blauen Lichts.
Je mehr Blut sich dabei in den Gefäßen befindet, desto mehr grüne und blaue Farbanteile werden geschluckt. Fließt weniger Blut durch die Gefäße, ist der Absorbtionsanteil also geringer. Diese veränderten Anteile des reflektierten Lichts werden von dem Photodetektor über die Zeit gemessen. Mit dem Wissen, dass ein geringer Grünanteil auf die Systole schließen lässt, wohingegen ein höherer Grünanteil des reflektierten Lichts die Diastole bedeutet, kann aus der Zeitspanne zwischen den minimal gemessenen Grünanteilen der Herzzyklus und damit der Puls bestimmt werden.
Sauerstoffsättigung
Auf einem ganz ähnlichen Prinzip funktioniert die Ermittlung des Sauerstoffgehalts im Blut. Schaut man sich an, welche Wellenlängen des Lichts von sauerstoffreichem und sauerstoffarmen Blut absorbiert werden, stellt man Unterschiede fest. Das sind genau die gleichen Unterschiede, die man zwischen ateriellem Blut (hellrot im Körperkreislauf) und venösem Blut (dunkelrot im Körperkreislauf) feststellt. Die unterschiedliche Farbe geht auf das sauerstoffbindende Hämoglobin zurück. Anhand der Absorbtion/Reflektion des ausgesandten und wieder gemessenen Lichts kann der Sauerstoffgehalt im Blut ermittelt werden.
Negative Einflüsse
Die Technik der Brustgurte ist etabliert und mittlerweile EKG-genau. Anders sieht es bei der mittels Licht gemessener Pulswerte aus. Für den Breitensport reicht die Genauigkeit meist völlig aus. Es gibt dennoch Aspekte, die eine Messung der Herzfrquenz per Photoplethysmographie negativ beeinflussen:
- Starke bzw. dunkle Körperbehaarung
- Gebräunte Haut
- Tatoos und Narben
- Ungenauer Sitz des Armbands
Genauere Messungen erhält man z.B. wenn man die Sensoren auf der Innenseite des Handgelenks platziert. Dort ist die Haut in der Regel dünner, weniger gebräunt und auch weniger behaart. Ein Armband müsste gedreht getragen werden, was zur Folge hat, dass das Display des Fitnessarmband nicht mehr ablesbar ist. Mit unterschiedlichsten Ansätzen versuchen die Hersteller die Genauigkeit zu erhöhen und haben in den letzten zwei Jahren durchaus Erfolge erzielen können. Mittlerweile gibt es Geräte, die durchaus vergleichbare Werte zur Messung mit Brustgurt liefern.