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Optische Pulsmessung: Was Sie schon immer wissen wollten

Da die optische Pulsmessung am Handgelenk oder an anderen geeigneten Körperstellen im Fitnessbereich im Vergleich zu Herzfrequenz-Brustgurten oder Finger-Pulssensoren relativ neu ist, stellen sich viele Fragen bezüglich Genauigkeit, Funktion, Vor- und Nachteilen und anderen Eigenschaften. Zum Beispiel, wann ein Brustgurt immer noch vorteilhafter ist.

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

Optische Pulsmessung: Funktion & Allgemeines

Wo hat die optische Pulsmessung ihren Ursprung?

  • Das optische Messverfahren zur Puls- und Blutsauerstoffmessung, das seit 2013 im Consumer-Markt und in der Sportelektronik eingesetzt wird, stammt aus der Medizintechnik. In der Medizin werden die Sensoren meist in Ohr- oder Fingerclips integriert.

Wer war der erste Hersteller, der einen optischen Pulssensor in einer Fitness-Uhr eingesetzt hat?

  • Unserer Kenntnis nach war es der Hersteller Basis, der 2013 mit dem Basis B1 den Trend setzte. Der Basis B1 ist der erste Fitness-Tracker mit einem optischen Pulsmesser und bietet neben der 24/7-Pulsmessung weitere interessante Features, von denen die meisten in aktuellen Trackern integriert sind. Dazu zählen ein Schrittzähler, ein Schlaftracker, aber auch ein Hauttemperatursensor, der allerdings noch nicht weit verbreitet ist.

Wie sieht so ein optischer Pulsmesser überhaupt aus?

  • Mittlerweile haben einige große Sportartikelhersteller eigene Entwicklungsabteilungen für Herzfrequenzsensoren. Dementsprechend findet man die unterschiedlichsten Sensoren und Bauformen. Hier eine kleine Auswahl:

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

  • Grundlage der Pulssensoren ist das Verfahren der Photoplethysmographie (PPG), bei dem Veränderungen des Blutvolumens in den Blutgefäßen optisch gemessen werden. Mit der PPG kann die sich mit jedem Herzzyklus ändernde Blutmenge, die in den Arterien transportiert wird, erfasst und gemessen werden. Das Herz wirft in einem rhythmischen Wechsel Blut aus (Systole) und ein (Diastole). Während der Systole fließt mehr Blut durch die Arterie, während der Diastole weniger. Wird die Änderung des Blutvolumens an einer geeigneten Körperstelle gemessen, kann aus den wiederkehrenden Signalen auf den Puls geschlossen werden. Das Blutvolumen kann von den Sensoren über die spezifische Lichtabsorption des im Blut enthaltenen Hämoglobins (eisenhaltiger Proteinkomplex, der in den roten Blutkörperchen der Wirbeltiere Sauerstoff bindet und ihnen die rote Farbe verleiht) bestimmt werden.

Welche Technik kommt in der Sportelektronik zum Einsatz?

  • Das Herzstück von Sport- und Fitnessuhren sind zwei oder mehr LEDs (Lichtquelle) und eine optoelektronische Sensorlinse (Detektor), die nebeneinander auf der Rückseite des Geräts angebracht sind. Die LEDs strahlen auf die Haut und durchdringen diese sowie Gewebe und Blutgefäße. Das Licht wird absorbiert, transmittiert oder reflektiert. Die optoelektrische Linse zwischen den LEDs nutzt das reflektierte Licht, das je nach Blutmenge während eines Herzzyklus variiert, um den Puls abzuleiten. Der Puls wird dann vom Gerät auf einem eigenen Display angezeigt oder kann auch an eine App auf einem Smartphone/Tablet oder an ein geeignetes Gerät übertragen werden.
  • Während am Finger in der Regel rotes (660 nm) und infrarotes Licht (940 nm) gute Messergebnisse liefern, liefert am Handgelenk, wo die meisten Fitnessarmbänder und -tracker getragen werden, grünes Licht (530 nm) die besten Ergebnisse.

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

  • Die meisten Hersteller verwenden grüne LEDs. Grünes Licht liefert am Handgelenk die besten Ergebnisse. Manchmal werden auch – wie am Finger üblich – zusätzlich LEDs verwendet, die rotes und infrarotes Licht aussenden. Damit lassen sich bei dunkleren Hauttypen genauere Pulswerte ermitteln. Darüber hinaus kann durch die Messung mit Infrarot- und Rotlicht die Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes bestimmt werden (sog. Pulsoxymetrie). Dies bedeutet, dass die Sauerstoffsättigung des Blutes nichtinvasiv, d.h. ohne Blutentnahme, bestimmt werden kann.

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 (z. B. Polar Verity Sense), die auch an anderen geeigneten Körperstellen, z. B. am Oberarm, getragen werden können.

Optische Pulsmessung: Genauigkeit

Wie genau ist die optische Pulsmessung?

    • Die meisten Hersteller geben an, dass die Pulsmesser in ihren Fitnessarmbändern, (Multi-)Sportuhren etc. den Puls kontinuierlich und nahezu EKG-genau (ca. 99%) messen können. Dabei kann der Puls auch bei hohen Laufgeschwindigkeiten (z.B. bis 22 km/h) erfasst werden. Die tatsächliche Genauigkeit der Pulsmessung hängt von mehreren Faktoren ab, siehe dazu die folgenden Punkte.

Tipps, für bessere Messdaten

  • Da die Durchblutung am Oberarm stärker ist, kann es sein, dass Sie ein stärkeres Pulssignal erhalten, wenn der Tracker etwas höher getragen wird. Dies kann insbesondere bei Aktivitäten, bei denen das Handgelenk häufig gebeugt wird (z. B. Radfahren oder Gewichtheben), zu besseren Ergebnissen führen.
  • Das Armband des Trackers darf nicht zu eng anliegen, da dies die Blutzirkulation und damit die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. In der Regel wird das Armband während des Trainings etwas enger (bequem und nicht drückend) angelegt als im Alltag. Ein konkreter Tipp ist: die Uhr sitzt richtig, wenn sich die Haut darunter mitbewegt, wenn man versucht die Uhr zu bewegen. Außerdem sollte die Uhr direkt vor dem Handgelenkknöchel und nicht zwischen Knöchel und Hand getragen werden.
  • Bei hochintensivem Intervalltraining oder ähnlichen Aktivitäten, bei denen das Handgelenk stark und unrhythmisch bewegt wird, kann die Bewegung den Sensor daran hindern, ein genaues Pulssignal zu finden. Ähnliches gilt für Übungen wie Gewichtheben oder Rudern. Dabei können sich die Muskeln am Handgelenk so stark beugen, dass sich das Armband während des Trainings immer wieder strafft und lockert. Wenn der Tracker keinen Pulswert anzeigt, kann man versuchen, das Handgelenk zu entspannen und für ca. 10 Sekunden ruhig zu halten. Danach sollte ein Pulswert angezeigt werden.

Optische Pulsmessung: Tipps für den Sporteinsatz

Gibt es für das Intervall-Training empfehlenswerte optische Pulsmesser?

  • Die gibt es inzwischen auch, aber derzeit eher als flexibles Armband, das man am Unter- oder Oberarm tragen kann. Wir haben gute Erfahrungen mit dem Polar OH1 sowie dem neueren Polar Verity Sense gemacht. Alternativen findet man z.B. bei den Herstellern Scosche oder Wahoo.

In welchen Fällen ist das Erfassen des Pulses schwierig/nicht möglich? Welche Nachteile gibt es?

  • Besonders kalte Temperaturen (z. B. unter 0 °C) können dazu führen, dass der Puls nicht zuverlässig erfasst werden kann. Dies liegt daran, dass der Blutfluss bei niedrigen Temperaturen langsamer ist, was dem optischen Sensor Schwierigkeiten bereiten kann. Abhilfe schafft das Abdecken der betroffenen Körperregion durch entsprechende Kleidung und/oder intensive Aufwärmübungen, um den Körper aufzuwärmen.
  • Bei Tätowierungen am Handgelenk kann es zu ungenauen Messungen kommen, wenn der Sensor direkt darüber angebracht wird.
  • Bei einigen Sportarten ist es schwierig, den Sensor an der gleichen Stelle zu halten, und es kann zu Druck oder Bewegungen der Muskeln oder Sehnen in der Nähe des Sensors kommen. Bei diesen Sportarten ist mit ungenauen Messungen zu rechnen und es ist besser, einen HR-Gurt zu verwenden. Dies betrifft insbesondere Sportarten, bei denen das Handgelenk gebeugt wird (Radfahren, Kraftsport), bei denen direkte Erschütterungen die Pulsmessung unmöglich machen (z.B. Radfahren auf sehr holprigen Wegen/Straßen) oder bei denen die Muskulatur so stark angespannt ist, dass die Pulsmessung verfälscht wird.

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 Handgelenksknochen (in Richtung Ellenbogen) eng am Handgelenk getragen wird. Der Sensor sollte die Haut berühren, aber nicht so eng anliegen, dass er die Blutzirkulation behindert oder sich unangenehm anfühlt. Viele Hersteller bieten die Armbänder in verschiedenen Größen an, so dass sie für unterschiedliche Handgelenksdurchmesser geeignet sind.
  • Bei Kälte kann die Durchblutung der Haut zu schwach werden, so dass der Sensor nicht mehr richtig messen kann. Dies kann durch Erwärmen der Haut am Handgelenk oder durch Übungen zur Erhöhung der Hauttemperatur behoben werden.

Optische Pulsmessung: im Alltag

Wie oft zeitlich wird der Puls gemessen? Was heißt kontinuierliche Pulsmessung?

  • Dies hängt in der Regel vom Hersteller und der Preiskategorie ab. Die Pulsuhr kann den Akku stark belasten, weshalb es verschiedene algorithmische Ansätze gibt, dem entgegenzuwirken. Während im Trainingsmodus meist ein 1-Sekunden-Intervall Standard ist, gelten im Uhrenmodus je nach Hersteller andere Regeln. Ein 1-Sekunden-Intervall bedeutet, dass der Puls jede Sekunde abgetastet wird. Dies wird auch als kontinuierliche Pulsmessung bezeichnet. Im Uhrenmodus wird der Puls bei den meisten Trackern seltener abgetastet als im Trainingsmodus. Garmin beispielsweise verwendet bei seinen kleineren Trackern einen dynamischen Algorithmus, der den Puls umso häufiger misst, je mehr man sich bewegt. Bei seinen teureren Sportuhren (wie der Fenix 7) misst Garmin im Uhrenmodus sogar jede Sekunde den Puls und bietet dennoch gute Akkulaufzeiten. Andere Hersteller messen den Puls alle fünf Sekunden oder jede Minute. Apple in seiner Watch sogar nur alle 10 Minuten, wobei mit Apps von Drittanbietern auch andere Intervalle eingestellt werden können.

Können optische Pulsmesser den Ruhepuls messen?

  • Ja, der Ruhepuls wird von den meisten aktuellen Fitnessarmbändern und Sportuhren erfasst. Er wird entweder auf dem Gerät selbst oder in der App angezeigt. Der Ruhepuls kann eine wichtige Hilfe und ein Indikator dafür sein, ob man fit genug für ein bevorstehendes intensives Training ist. Steigt er an, deutet dies zum Beispiel auf eine drohende Erkältung oder ein zu hohes Trainings-, Stress- oder Arbeitspensum hin, so dass man besser einen Gang zurückschaltet.

Wie genau ist die Ruhepulsmessung?

  • Dies ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Manche Geräte nehmen einfach den niedrigsten Pulswert des Tages. Andere sind etwas zurückhaltender.
  • Tipp: Um das Muster des eigenen Trackers zu erkennen, sollte man in den ersten Tagen morgens direkt nach dem Aufwachen noch im Bett die Pulsmessfunktion des Trackers nutzen und den Puls beobachten. Diesen Wert notieren und später am Tag in der App vergleichen.

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

  • Moderne Sportuhren und Fitnessarmbänder und weitere Wearables ermöglichen auch das Messen der HRV. Wir haben dazu einen ausführlichen Beitrag zum Thema Herzfrequenzvariabilität online gestellt.

Optische Pulsmessung: Schwimmen & im Wasser

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.
    • Bauweise des Gehäuses
  • Tipp: Soll die Herzfrequenz im Wasser zuverlässig funktionieren, empfehlen wir speziell dafür ausgelegte HR-Brustgurte (beispielsweise Garmins HRM-Tri Premium oder HRM-Swim)

Optische Pulsmessung oder HR-Brustgurt?

Welche weitere 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

Smartphone und Apps

Welche Übertragungsprotokolle werden unterstützt?

  • Die Geräte unterstützen Bluetooth Smart (Bluetooth ab Version 4), 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?

  • Um alle Funktionen nutzen zu können, muss ein Bluetooth Smart fähiges Smartphone/Tablet/Computer vorhanden sein. Gerade bei Pulsuhren ohne eigenes 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-Smartphones beispielsweise ab dem iPhone 4s. Details finden Sie in unserem Artikel zu Bluetooth v4.

Was sollte meine Fitness-App können?

  • Bei der Verwendung von Anwendungen von Drittanbietern sollte darauf geachtet 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…

Sonstiges

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

  • Ja: Mit der Bioelektrischen Impedanzanalyse (BIA) soll dies möglich sein, verlässliche Werte über einen längeren Zeitraum liegen aber noch nicht vor. Vorreiter im Umfeld der Fitnesstracker ist der Hersteller Jawbone, der die aus der Körperfettmessung bekannte Messmethode in sein Fitnessarmband Jawbone UP3 integriert hat, das seit Ende 2015 im Handel ist. Die BIA basiert auf dem Prinzip der Widerstandsmessung im Körpergewebe. Dabei wird ein schwacher, nicht spürbarer elektrischer Strom durch den Körper geleitet, der den Strömungswiderstand misst. Neben anderen Messwerten werden auch Daten zur Herzfrequenz ermittelt.

Was sonst kann neben der Pulsmessung optisch gemessen werden?

  • Die optische Messtechnik ermöglicht auch die Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Blut. Mit Hilfe von Infrarot- und Rotlicht kann die Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes nicht-invasiv (ohne Blutentnahme) bestimmt werden. Diese Methode wird als Pulsoximetrie bezeichnet. Sie ist zum Beispiel für Bergsteiger und Drachen- oder Segelflieger interessant, also für Menschen, die in großen Höhen aktiv sind. Auch für Menschen mit Herz- oder Lungenproblemen sind diese Daten interessant.

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Tracker & Sportuhren mit optischer Pulsmessung

Dieser FAQ-Artikel zur optischen Pulsmessung wird ständig aktualisiert. Eine Übersicht der auf fitnessmodern.de vorgestellten Sportuhren, Fitnessarmbänder und weiteren Wearables mit integriertem Pulssensor finden Sie hier:

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