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Optische Pulsmessung: Pulssensor
Optische Pulsmessung: Pulssensor

Optische Pulsmessung in Sportelektronik – FAQ

Da die optische Pulsmessung im Fitnessumfeld im Vergleich zu Herzfrequenz-Brustgurte oder Finger-Pulssensoren noch neu ist, ergeben sich viele Fragen wie beispielsweise zu Funktionsweise, Vorteilen, Nachteilen, Genauigkeit und anderen Eigenschaften.

fitnessmodern.de stellt hier eine FAQ zur Verfügung, die häufige und wichtige Fragen beantwortet.

Optische Pulsmessung – Fragen und Antworten

Wo hat die optische Pulsmessung ihren Ursprung?

  • Das seit kurzem im Endverbrauchermarkt und der Sportelektronik eingesetzte optische Messverfahren zur Puls- und Blutsauerstoffmessung stammt aus der Medizintechnik. In der Medizin sind die Sensoren in der Regel in Ohr- oder Fingerclips integriert.

Auf welcher Grundlage und wie erfassen Geräte wie Fitness-Tracker und Activity-Tracker mit optoelektrischem Sensor den Puls?

  • Als Grundlage der Pulssensoren dient das Verfahren der Photoplethysmographie (PPG), bei der Änderungen des Blutvolumens in den Blutgefäßen optisch gemessen wird. Bei der PPG kann die mit jedem Herzzyklus sich verändernde Blutmenge, die in den Arterien transportiert wird, erfasst und gemessen werden. Das Herz wirft rhythmisch abwechselnd Blut aus (Systole) und saugt es ein (Diastole). Während der Systole fließt mehr Blut durch die Arterie, während der Diastole weniger. Erfasst man die Änderung des Blutvolumens an einer geeigneten Körperstelle, lässt sich aus den wiederkehrenden Signalen der Puls ableiten. Das Blutvolumen kann von den Sensoren anhand der spezifischen Lichtabsorption von im Blut befindlichen Hämoglobin (eisenhaltiges Proteinkomplex, der in den roten Blutkörperchen der Wirbeltiere Sauerstoff bindet und ihnen ihre rote Farbe verleiht) bestimmt werden.

Welche Technik kommt in der Sportelektronik zum Einsatz?

  • Das Herzstück der Pulsuhren und den Pulsarmbändern bilden zwei oder mehr LEDs (Lichtquelle) sowie ein optoelektrischer Sensor/Linse (Detektor), die auf dem Rücken des Geräts nebeneinander angebracht sind. Die LEDs strahlen auf die Haut und durchdringen diese sowie Gewebe und Blutgefäße. Das Licht wird dabei absorbiert, transmittiert oder reflektiert. Die zwischen den LEDs sitzende optoelektrische Linse nutzt das zurückreflektierte Licht, das je nach Blutmenge in einem Herzzyklus unterschiedlich ist, um den Puls abzuleiten. Der Puls wird dann vom Gerät auf einem eigenen Display angezeigt oder kann auch an eine Smartphone-/Tablett-App oder auf einem geeigneten Gerät übermitteln werden.
  • Während am Finger üblicherweise rotes (660 nm) und infrarotes Licht (940 nm) für gute Messwerte sorgt, sorgt am Handgelenk, wo die meisten Fitnessarmbänder und -Tracker getragen werden, grünes Licht (530 nm) für beste Ergebnisse.

Manchmal setzen Hersteller auch rot strahlende LEDs ein. Was hat es damit auf sich?

  • In der Regel setzen die meisten Hersteller grüne LEDs ein. Grünes Licht liefert am Handgelenk die besten Ergebnisse. Manchmal werden auch – wie sonst am Finger üblich – zusätzlich LEDs verbaut, die rotes und infrarotes Licht ausstrahlen. Diese ermöglichen bei dunkleren Hauttypen die Ermittlung genauerer Pulswerte. Außerdem lässt sich aus einer Messung mit infrarotem und rotem Licht die Sauerstoffsättigung des arteriellen Bluts (sog. Pulsoxymetrie) ermitteln. Das bedeutet, dass sich die Blutsauerstoffsättigung nichtinvasiv, also ohne die Entnahme einer Blutprobe, bestimmen lässt.

Wie und wo werden die Geräte getragen?

  • In der Regel werden die Geräte wie eine Uhr oder ein Armband am Handgelenk getragen. Es gibt aber auch Geräte mit flexiblem Band (zum Beispiel Scosche RHYTHM+), die auch an anderen geeigneten Körperstellen getragen werden können, zum Beispiel am Oberarm.

Wie genau ist die optische Pulsmessung?

  • Die meisten Hersteller geben an, dass die Pulsmesser in ihren Fitness-Armbändern, (Multi-) Sportuhren usw. den Puls kontinuierlich fast EKG-genau (ca. 99%) ermitteln können. Dabei kann der Puls auch bei hohen Laufgeschwindigkeiten (beispielsweise bis zu 22 km/h) erfasst werden. Wie genau die Pulsmessung tatsächlich ist, hängt von einigen Faktoren ab, siehe dazu die folgenden Punkte.

Tipps, für bessere Messdaten

  • Da der Blutfluss höher am Arm stärker ist, erhält man unter Umständen ein stärkeres Pulssignal, wenn der Tracker etwas weiter oben getragen wird. Das kann inbesondere bei Aktivitäten, bei denen das Handgelenk häufig gebeugt werden muss (z. B. beim Fahrradfahren oder Gewichtheben) zu besseren Ergebnissen führen.
  • Das Armband des Tracker darf nicht zu eng anliegen, da es die Blutzirkulation und somit die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. In der Regel wird das Armband während des Trainings ein wenig enger angelegt (komfortabel und nicht beengend) als während des täglichen Tragens.
  • Beim Intervall-Training mit hoher Intensität oder ähnlichen Aktivitäten, bei denen sich das Handgelenk stark und nicht rhythmisch bewegt, kann die Bewegung unter Umständen den Sensor dabei stören, ein genaues Pulssignal zu finden. Ähnlich verhält es sich bei Übungen wie Gewichtheben oder Rudern. Dabei können sich die Muskeln am Handgelenk so beugen, dass sich das Armband während des Trainings immer wieder enger zieht und lockert. Wenn der Tracker keinen Pulsmesswert anzeigt, kann man versuchen, das Handgelenk zu entspannen und ca. 10 Sekunden lang ruhig zu halten. Danach sollte man einen Pulsmesswert erhalten.

In welchen Fällen ist das Erfassen des Pulses schwierig/nicht möglich?

  • Besonders kalte Temperaturen (beispielsweise unter 0 °C) können dazu führen, dass der Puls nicht zuverlässig ermittelt werden kann. Das kommt daher, dass bei kälteren Temperaturen der Blutfluss langsamer ist, was dem optischen Sensor Schwierigkeiten bereiten kann. Abhilfe schafft hier die entsprechende Körperregion durch passende Kleidung abzudecken und/oder intensivere Aufwärmübungen durchzuführen, um den Körper aufzuwärmen.
  • Bei Tätowierungen am Handgelenk, können ungenaue Messungen entstehen, wenn der Sensor direkt über diese platziert wird.
  • Bei manchen Sportarten, ist es schwierig den Sensor an derselben Stelle zu halten und zu Druck bzw. Bewegungen in Muskeln oder Sehnen nahe am Sensor kommen. Für diese Sportarten ist mit ungenauen Messungen zu rechnen und es sollte lieber ein HR-Gurt eingesetzt werden.

Was kann ich tun, um mit der Pulsmessung über das Handgelenk möglichst präzise Messwerte zu erhalten?

  • Es ist wichtig, dass das Armband direkt über dem Handgelenkknochen (Richtung Ellenbogen) eng anliegend am Handgelenk getragen wird. Der Sensor muss die Haut berühren, jedoch nicht so eng anliegen, dass er die Blutzirkulation stört oder sich unangenehm anfühlt. Viele Hersteller bieten die Armbänder in verschiedenen Größen an, so dass sie sich für unterschiedliche Handgelenkdurchmesser eignen.
  • Bei Kälte kann die Blutzirkulation in der Haut zu schwach werden, sodass der Sensor keine korrekte Messung durchführen kann. Dieses Problem lässt sich beheben, indem man die Haut am Handgelenk erwärmt oder Übungen durchführt, um seine Hauttemperatur zu erhöhen.

Kann der Puls auch bei Wasser- und Schwimmaktivitäten ermittelt werden?

  • Einige Geräte mit optoelektrischem Sensor, erkennen den Puls auch unter Wasser/beim Schwimmen. Es ist aber von vielen Randparametern abhängig, ob die Pulsermittlung tatsächlich genau und zuverlässig funktioniert. Beispielsweise:
    • Es ist im Wasser auf festen/engen Sitz zu achten, sonst kann es vorkommen, dass die Pulsaufzeichnung unterbrochen wird.
    • das Gelingen könnte vom Hauttypen abhängig sein. Bei helleren Hauttypen erkennt ein Gerät den Puls in der Regel zuverlässiger.
    • Die Sensorposition spielt bei einigen Geräte auch eine Rolle. So erreicht man mit dem Tracker Mio Fuse beispielsweise bessere Ergebnisse, wenn der Sensor auf der Unterseite des Unterarms getragen wird.
    • Bauweise des Gehäuses

Unterstützen die Geräte das Erfassen der HRV (Herzfrequenzvariabilität)/des RR-Intervalls?

  • In der Regel übermitteln die Geräte eine Abschätzung von HRV-Daten, die mit Hilfe komplexer Algorithmen ermittelt werden. Es findet also keine echte Erfassung der HRV statt, sie können es technisch nicht. Um sich mit Fitness-Apps, die HR-Profile unterstützen, unterhalten zu können, müssen die Geräte gemäß Protokollspezifikation auf jeden Fall HRV-Daten übermitteln. Sonst ist ein Koppeln nicht möglich. Deshalb senden die Geräte geschätzte Werte. Benutzen gekoppelte Geräte, die das Vorschlagen von Regenerationszeiten unterstützen (Activity-Tracker, GPS-Uhren oder Apps), diese womöglich ungenauen Werte, schlagen sie auch mal falsche Regenerationszeiten vor. So kann es beispielsweise passieren, dass sie für einen einfachen 30-Minutenlauf Regenerationszeiten von 150 Stunden vorschlagen.

Welche weiteren Vorteile gibt es im Vergleich zu HR-Brustgurten?

  • Nicht störanfällig: die Geräte können von anderen Puls­uhren oder elektromagnetischen Feldern nicht beeinflusst werden, da der Puls optisch direkt am Hand­gelenk gemessen wird. Somit sind Sportaktivitäten in der Gruppe mit vielen Puls­uhren im Einsatz problemlos möglich.
  • Kein Verrutschen wie beim Brustgurt, dadurch genauere Messwerte. Der Brustgurt rutscht gerne mal runter, so dass eine genaue Erfassung nicht mehr möglich. Oft merkt man das garnicht.
  • Bequem und einfach: keinen unangenehmen Brustgurt auf der Haut.
  • Weniger und leichtere Pflege
  • Insgesamt weniger Geräte anschaffen

Welche Übertragungsprotokolle werden unterstützt?

  • Die Geräte unterstützen Bluetooth Smart (Bluetooth v4), manche bringen darüber hinaus auch eine ANT+ Schnittstelle mit und können dadurch die erfassten Daten an mehrere Geräte gleichzeitig übertragen.

Was sollte mein Smartphone/Tablet/Computer können?

  • Möchte man in den vollen Genuß aller Funktionen kommen, muß man darauf achten ein Bluetooth Smart Ready-fähiges Smartphone/Tablet/Computer zu besitzen. Gerade bei den Pulsmessern ohne eigenem Display ist man auf externe Anzeige- und Konfigurationshilfe angewiesen. Die meisten Android- und Apple-Geräte der neueren Generation sind Bluetooth Smart Ready. Bei Android ist man in der Regel ab Version 4.3 auf der sicheren Seite, bei Apple Smartphone beispielsweise seit dem iPhone 4s. Details können in unserem Artikel zu Bluetooth v4 nachgelesen werden. Ist man sich nicht sicher, sollte man das Wunschgerät einfach über die hier angebotenen Links bestellen und ausprobieren.

Was sollte meine Fitness-App können?

  • Bei Einsatz von Drittanbieter-Apps sollte sichergestellt werden, dass diese ebenfalls Bluetooth Smart und HR-Profile unterstützen.

Welche Fitness-Apps mit Bluetooth Smart- und HR-Profil-Unterstützung gibt es?

Einige Beispiele:

  • Endomondo
  • Wahoo Fitness
  • Runtastic
  • Map My Ride
  • Run Keeper
  • Map My Run
  • Strava
  • Adidas MiCoach
  • iBike Sports
  • und viele mehr…

Gibt es weitere Möglichkeiten oder Sensoren in Fitness-Armbändern, die es ermöglichen den Puls ohne Brustgurt oder Fingersensor zu ermitteln?

  • Ja: Durch die Bioelektrische Impedanzanalyse (BIA) soll dies möglich sein, verlässliche über längere Zeit ermittelte Werte liegen aber noch nicht vor. Der Pionier im Fitness-Tracker Umfeld ist der Hersteller Jawbone, der die aus der Körperfettmessung bekannte Messmethode in sein Fitness-Armband Jawbone UP3 einbaut, das seit Ende 2015 im Handel ist. Die BIA basiert auf dem Prinzip der Messung von Widerständen im Körpergewebe. Dabei wird ein schwacher nicht spürbarer elektrischer Strom durch den Körper geleitet mit dem ein Fließwiderstand gemessen werden kann. Unter anderen Messwerten befinden sich auch Daten zur Herzfrequenz.

Was sonst kann neben der Pulsmessung optisch gemessen werden?

  • Die optische Messtechnologie erlaubt es auch den Sauerstoffgehalt des Bluts zu bestimmen. Dabei wird infrarotes und rotes Licht eingesetzt, das die Sauerstoffsättigung des arteriellen Bluts nichtinvasiv (ohne Entnahme einer Blutprobe) ermitteln kann. Diese Methode wird Pulsoxymetrie genannt. Interessant ist dies beispielsweise für Bergsteiger und Drachen- oder Segelflieger, also Menschen die in großer Höhe aktiv sind. Außerdem sind diese Daten für Personen mit Herz- oder Lungenpro­blemen interessant.

Dieser FAQ-Artikel zur optischen Pulsmessung wird stets aktualisiert. Eine Übersicht über die auf fitnessmodern.de vorgestellten Fitness-Armbänder, Fitness-Tracker, Acitvity-Tracker und (Multi-) Sportuhren mit integriertem Pulssensor findet man hier:

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