Auch wenn das Elektrokardiogramme die genauste Methode ist, um den Puls zu bestimmen, ist sie bei weitem nicht die verbreiteste. Denn der Nachteil der Elektrokardiographie ist offensichtlich: Wirklich zuverlässig kann sie den Pulsschlag nur an der Brust messen. Wie eingangs erwähnt lassen sich aus dem Puls eine Vielzahl von Sport –  und Trainingswissenschaftlichen Kennzahlen, wie zum Beispiel das Stresslevel ableiten. Dazu ist jedoch eine Langzeitmessung notwenig, um ein sogenanntes Baselevel herzustellen. Helfen hier auch Smartwatches?

Ein zuverlässiges EKG kann nur an der Brust gemessen werden.

Meistens ist dazu eine Messung über Nacht erforderlich. Und auch wenn für klinische Studien oftmals Langzeit EKG’s (über 24 Stunden) gemessen werden, so ist es für die meisten Leute mehr als unpraktisch und unangenehm, im Alltag einen Brustgurt zu tragen. Aus diesem Grund hat sich für den Alltagsgebrauch eine weitere Methode entwickelt, die zuverlässig den Herzschlag messen kann: Die Photoplethysmographie, kurz PPG.

Um zu verstehen, was die Vor – und Nachteile dieser Technik sind, ist es erstmal nötig zu wissen, wie genau sie funktioniert.
Wie schon erwähnt, dreht sich alles um die Einstrahlung und Reflektion von Licht:
Ein PPG-Messgerät besteht meist aus einer oder mehr Lichtdioden, die Lichtstrahlen in verschiedenen Wellenlängen, meist im grünen und roten Bereich, emittieren und in unsere Haut einstrahlen. Neben einer oder mehrerer Dioden besteht ein PPG-Messgerät auch immer aus einer oder mehr Sensoren, die misst wieviel Licht zurückgestrahlt wird.
Da unser Blut Licht aufnimmt, wird je nach Blutdurchfluss mehr oder weniger Licht wieder reflektiert und somit ein Puls messbar: Fließt mehr Blut, wird dadurch weniger Licht zurückgestrahlt und vice versa.

Ein PPG misst den Puls als Blutfluss, ein EKG die elektrische Kontraktion des Herzmuskels.

Der Vorteil der PPG Messung ist also offensichtlich: Sie kann so gut wie überall erfolgen: Am Finger, an der Stirn, im Ohr am Handgelenk und beliebig vielen weiteren Stellen. Ein weiterer Vorteil: Da Hämoglobin, die Eiweißverbindung in unserem Blut, die Sauerstoff transportiert, ebenfalls Licht aufnimmt und so noch weniger Licht reflektiert wird, kann neben der Pulsmessung durch ein PPG-Sensor auch die Sauerstoffsättigung im Blut aufgezeichnet werden.

Klingt soweit eigentlich nach der perfekten Methode, Vitalwerte aufzuzeichnen – aber was sind eigentlich die Nachteile der photoplethysmographischen Messung?

Ein weiterer Nachteil, der zu einem Aufschrei in der Wearable Industrie führte, ist die Messgenauigkeit bei unterschiedlichen Hauttönen. Verschiedene Wellenlängen des Lichtspektrums dringen bei unterschiedlichen Hauttönen tiefer oder weniger tief ein und führen so zu genaueren oder ungenaueren Pulsmessungen. Ähnlich verhält es sich mit der Pulsmessung im Wasser. Licht bricht in Wasser immer in einem gewissen Winkel, und somit führt Wasser zwischen Haut und Sensor auch oftmals zu Falschmessungen der PPG-Messgeräte.

Die Lösung liegt in der Software

Wie so oft in der Technikwelt schafft es aber die Software der einzelnen Geräte und Hersteller, Schwachstellen der Hardware zu kompensieren. So sind es bei den meisten Smartwatches namhafter Hersteller wie Apple, Samsung, Garmin oder Polar komplexe Algorithmen, die durch Machine Learning es immer besser schaffen, solche Bewegungsartefakte zu erkennen und auszubügeln. So wäre es vor ein paar Jahren noch absolut undenkbar gewesen, mit einem PPG-Messgerät joggen zu gehen – die Erschütterungen am Handgelenk wären einfach zu enorm gewesen, um ein verlässlichen Puls aufzuzeichnen. Inzwischen sind es aber besonders diese repitiven Bewegungsmuster wie Erschütterungen durch Laufen, die von besagten Algorithmen besonders zuverlässig erkannt und ausgebessert werden. Auch bei unregelmäßigeren Erschütterungen, wie zum Beispiel beim Wandern, wenn man während 2 Stunden ruhigen Gehens plötzlich über einen größeren Absatz springt, werden von den Algorithmen als Ausschlag erkannt und somit nicht in der Messung als Puls registriert.

Insgesamt kann man also ruhigen Gewissens davon ausgehen, dass die PPG-Messung am Handgelenk innerhalb eines Gewissen Toleranzbereichs den Puls auch bei sportlichen Aktivitäten sehr zuverlässig aufzeichnet. Dazu gibt es etliche Validierungsstudien – und Videos, die PPG-Messgeräte mit dem Goldstandard, also EKG’s vergleichen.

So findet man für fast jede Sportuhr und Smartwatch Vergleichsvideos, in dem die Pulsmessung besagter Uhr mit einem EKG verglichen werden:

Nutzen und Indikationen für den Alltag

Wie bereits eingangs erwähnt, sagen neben dem Puls weitere Messwerte extrem viel über die Gesundheit einer Person aus. Zu diesen gehören die Sauerstoffsättigung und die sogenannte Herzratenvariabilität, kurz HRV – aber eins nach dem anderen:

Der Puls

Aus dem Puls selbst lassen sich mehrere Kennzahlen und Indikationen ableiten:
Was oftmals als Puls abgekürzt wird, ist dabei eigentlich die Herzfrequenz, also die Anzahl an Herzschlägen pro Minute.

Herzfrequenz-Zonen Training

Die Herzfrequenz ist in der Sportwissenschaft eine der wichtigsten Kennzahlen zur gezielten Trainingssteuerung,- Verbesserung,- und Auswertung. So kann mithilfe der Berechung der maximalen Herzfrequenz in Prozentbereichen dieser trainiert werden. Ein sogenanntes Herzfrequenz-Zonen Training kann für verschiedene Ziele besonders hilfreich sein. Hier eine schnelle Zusammenfassung.

Die geläufigste Fausformel zur Schätzung der maximalen Herzfrequenz ist die sogenannte Subtraktionsmethode:

220 – Alter = Max. Herzfrequenz. 

Diese Methode ist jedoch nur eine Schätzung und sollte auch als solche betrachtet werden. Trotzdem kann sie ein Richtwert sein, um das Training nach Herzfrequenz-Zonen einzuteilen. Die Herzfrequenz-Zonen und ihr jeweiliger Effekt unterteilen sich dabei wie folgt:

Die Rückkehr zum Ruhepuls kann eine weitere Indikation für gute Fitness sein. Vergleicht man Profisportler mit Alltagssportlern, wird man feststellen, dass bei einem Belastungstest professionelle Triathleten oder Ausdauersportler nicht nur einen höheren Maximalpuls haben, sondern auch um einiges schneller zu ihrem Ruhepuls zurückkehren als Hobbysportler. Smartwatches nehmen diese “Time to Baseline” oftmals her, um den Trainingsfortschritt zu messen.

Die Sauerstoffsättigung

Die Sauerstoffsättigung gibt, wie der Name schon sagt, an, wieviel Sauerstoff die Eiweißverbindung Hämoglobin im Körper transportiert. Bei gesunden Menschen sind Werte zwischen 90-99% normal, bei Asthma oder anderen chronischen Lungenerkrankungen können auch geringere Werte auftreten. Eine flache, falsche oder verringerte Atmung, wie zum Beispiel bei Stress, kann ebenfalls zu geringeren Werten führen. So können Smartwatches oftmals durch die Sauerstoffsättigung alarmiert werden und durch angeleitete Meditationen oder Atemübungen Stress messbar entgegenwirken. Weitere Gründe für eine geringe Sauerstoffsättigung im Blut können Kreislaufstörungen oder ein geringer Sauerstoffgehalt in der Umgebungsluft wie zum Beispiel im Hochgebirge sein.

Die Herzratenvariabilität (HRV)

Kaum eine durch den Puls ableitbare Kennzahl hat in den letzten Jahren so viel Aufmerksamkeit erhalten wie die Herzratenvariabilität. Dieser Kennwert gibt, einfach ausgedrückt, an, wie groß die zeitlichen Unterschiede zwischen einzelnen Pulsschlägen sind. Betrachtet man zum Beispiel eine Herzfrequenz von 60, also 60 Schlägen pro Minute, bedeutet das nicht, dass das Herz exakt jede Sekunde kontrahiert. So kann es durchaus vorkommen, dass das Herz mal nach 1,5 Sekunden, mal nach 0,5 Sekunden und mal nach exakt einer Sekunde kontrahiert.

Umso variabler die Zeitunterschiede zwischen den einzelnen Pulsschlägen, desto entspannter ist die Person. Man kann sich das in etwas so vorstellen: Sind wir unter Stress, ist unser zentrales Nervensystem in Alarmbereitschaft und diktiert dem Herzen vor, wie eine Maschine zu funktionieren, was zu einer niedrigen Herzratenvariabilität führt. Sind wir entspannt und stressfrei spiegelt das unser Herz auch wieder und schlägt mit einer hohen Variabilität – mal jede Sekunde, mal jede zweite Sekunde.

Eine niedrige Herzratenvariabilität lässt auf ein hohes Stresslevel schließen und vice versa

Die ableitbaren Indikationen der Herzratenvariabilität sind enorm. So kann, in einem sportlichen Kontext, zum Beispiel das vieldiskutierte Phänomen des Übertrainings frühzeitig erkannt werden, ebenso Stress, schlechter Schlaf, falsche Ernährung und viele weitere Faktoren.

Fatigue Score, Training Readiness, Body Battery etc…

Die einzelnen Hersteller von Sportuhren und Smartwatches und deren Marketingabteilungen haben sich inzwischen etwas nutzerfreundlichere Namen einfallen lassen, in denen sie die beschriebenen Kennzahlen in Summe auswerten. Letztlich sind es jedoch Kennzahlen wie der Ruhepuls und die Herzratenvariabilität, die mithilfe cleverer Algorithmen einfach verständliche Indikatoren wie das Stresslevel und den allgemeinen Gesundheitszustand an die Nutzer weitergibt. Aber egal ob Training Readiness, Body Battery oder Fatigue Score, ihr habt jetzt das technische Verständnis an der Hand, um zu erkennen, was hinter diesen Zahlen stecken und wie diese gemessen werden. Und denkt immer dran: Das Herz ist der wichtigste Muskel des Körpers, denn alles fängt beim Puls an.