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Optische Pulsmessung: Alles, was Sie schon immer wissen wollten

Da die optische Pulsmessung für das Handgelenk oder anderen geeigneten Körperstellen im Fitnessumfeld im Vergleich zu Herzfrequenz-Brustgurten oder Finger-Pulssensoren relativ neu ist, ergeben sich viele Fragen wie beispielsweise zur Genauigkeit, Funktion, Vorteilen, Nachteilen und anderen Eigenschaften. Wie etwa, wann ein Brustgurt weiterhin 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 seit kurzem (2013) 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.

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

  • Unseres Wissens nach war das der Hersteller Basis, der mit dem Basis B1 im Jahr 2013 den Trend setzte. Der Basis B1 enthält als erster Fitness-Tracker einen optischen Pulsmesser und bietet neben der 24/7 Pulsmessung weitere interessante Eigenschaften, von denen die meisten in aktuellen Trackern integriert sind. Darunter zählen ein Schrittzähler, Schlaf-Tracker, aber auch ein Hauttemperatur-Sensor, der allerdings nicht weit verbreitet ist.

Wie sieht so ein optischer Pulsmesser überhaupt aus?

  • Inzwischen haben einige der großen Sportartikel-Hersteller ihre eigenen Entwicklungsabteilungen für die Pulssensoren. 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?

  • 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 das Polar OH1 oder Scosche RHYTHM+), die auch an anderen geeigneten Körperstellen getragen werden können, zum Beispiel am Oberarm.

Optische Pulsmessung: Genauigkeit

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.

Optische Pulsmessung: Tipps für den Sporteinsatz

Gibt es für das Intervall-Training empfehlenswerte optische Pulsmesser?

  • Die gibt es inzwischen in der Tat auch, derzeit aber eher als flexibles Armband, das man am Unter- oder Oberarm tragen kann. Mit dem Polar OH1 haben wir gute Erfahrungen sammeln können. Alternativen findet man bei beispielsweise bei den Herstellern Scosche oder Wahoo.

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

  • 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. Insbesondere sind hier Sportarten gemeint, bei denen das Handgelenk gebeugt ist (Fahrradfahren, Kraftsport), direkte Erschütterungen die Pulsmessung unmöglich machen (wie Fahrradfahren auf stark holprigen Wegen/Strassen) oder die Muskulatur so stark angespannt ist, dass die Pulsmessung verzerrt 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 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.

Optische Pulsmessung: im Alltag

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

  • Das hängt in der Regel vom Hersteller und der Preiskategorie ab. Der Pulsmesser kann stark am Akku saugen, weswegen es unterschiedliche algorithmische Ansätze gibt dem entgegenzuwirken. Während im Trainingsmodus meistens ein 1-Sekundenintervall der Standard ist, gelten im Uhrmodus je nach Hersteller andere Regeln. Ein 1-Sekundenintervall bedeutet, dass der Puls jede Sekunde abgetastet wird. Das ist auch mit kontinuierlicher Pulsmessung gemeint. Im Uhrmodus wird im Vergleich zum Trainingsmodus bei den meisten Trackern der Puls weniger oft abgetastet. Garmin beispielsweise setzt bei seinen kleineren Trackern einen dynamischen Algorithmus ein, der je mehr man in Bewegung ist, öfters den Puls abtastet. In seinen höher preisigeren Sportuhren (wie der Fenix 5) misst Garmin im Uhrmodus den Puls gar jede Sekunde und bietet dennoch gute Akkulaufzeiten. Andere Hersteller messen den Puls jede fünfte Sekunde oder minütlich. Apple in seiner Watch gar nur alle 10 Minuten, wobei mit Drittanbieter-Apps andere Intervalle einstellbar sind.

Können optische Pulsmesser den Ruhepuls messen?

  • Ja, der Ruhepuls wird von den meisten aktuellen Fitnessarmbändern und Sportuhren erfasst. Dieser wird dann entweder auf dem Gerät selbst oder in der App angezeigt. Der Ruhepuls kann ein wichtiger Helfer und Indikator dafür sein, ob man fit genug für ein anstehendes intensives Training ist. Wenn der Trend sich nach oben ändert, spiegelt dieser etwa sich anbahnende Erkältungen oder einen zu hohen Trainings-, Stress- oder Arbeitslevel wider, so dass man lieber etwas auf die Bremse treten sollte.

Wie genau ist die Ruhepulsmessung?

  • Das ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Manche Geräte nehmen einfach nur den niedrigsten Pulswert des Tages. Andere wiederum sind da zurückhaltender.
  • Tipp: Um das Muster des eigenen Trackers zu erkennen, sollte man in den ersten Tagen morgens gleich nach dem Aufwachen noch im Bett von der Pulsmessfunktion des Trackers Gebrauch machen und den Puls beobachten. Merken Sie sich und gleichen diesen Wert später am Tag in der App ab.

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

  • Moderne Sport-/Pulsuhren, 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?

  • 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.

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…

Sonstiges

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.

Tracker & Sportuhren mit optischer Pulsmessung

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:

Fitnessarmbänder & Sportuhren Testberichte