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Smartwatch. Foto: Unsplash, Aladin Mir.

Lifestyle

Wie Kennzahlen einer Smartwatch entstehen – und wie ihr diese nutzen könnt.

Puls, Herzratenvariabilität, Sauerstoffsättigung, Training Readiness, Fatigue Score... Kennzahlen, ihre Entstehung und Nutzen einfach erklärt!

Titelbild: Alamin Mir, Unsplash.

Egal welche Smartwatch oder welchen Fitnesstracker ihr kauft, fast alle Modelle haben inzwischen einen Pulsmesser am Handgelenk verbaut. Denn: Egal welche Kennzahlen bzgl. eurer Gesundheit oder eures Stresslevels euch eure Uhr gibt, fast alles fängt beim Puls an. Euer Herzschlag verrät nämlich mehr über euch, als ihr denkt. Bevor wir uns aber anschauen, welche Kennzahlen daraus ablesbar sind, schauen wir uns an, wie der Puls am Handgelenk überhaupt gemessen wird.

 

Alles fängt beim Puls an.

 

Zuerst gilt es zwei Begriffe zu klären: Elektrokardiographie vs. Photoplethysmographie.
Das Herz ist ein Muskel, und auch wenn das Gewebe des Herzmuskels ein anderes ist als das unserer Skelettmuskulatur, ist auch beim wichtigsten Muskel unseres Körpers ein elektrisches Signal bei jeder Kontraktion messbar. Und genau das misst ein Elektrokardiogramm (kurz EKG) – die elektrischen Impulse die vom Herzen bei jeder Kontraktion ausgehen. Dadurch ist die Elektrokardiographie die genaueste Methode, den Herzschlag zu messen. Ihr kennt Elektrokardiogramme aus Krankenhäusern, wenn euch mehrere Saugnäpfe oder verkabelte Pflaster an die Brust geklebt werden, um euren Puls zu messen. Eine weitere Anwendung von Elektrokardiogrammen sind Brustgurte, wie die skandinavische Firma Polar sie schon seit Jahrzehnten zum sportlichen und sportwissenschaftlichen Gebrauch produziert. Diese Brustgurte machen nichts anderes als die verkabelten Pflaster im Krankenhaus – sie messen die elektrischen Schläge, die euer Herz ausgibt.

Polar H10. Foto: Polar
Polar H10. Foto: Polar

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.

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.

Der Alltagsretter – die Photoplethysmographie

Das Wort klingt erstmal kompliziert und nerdy, dahinter verbirgt sich aber eine extrem interessante Technologie, die unheimliche Vorteile mit sich bringt. Denn auch wenn man es nicht glaubt, der Puls ist an fast allen Körperteilen messbar, besonders dort, wo die Haut sehr dünn ist. Denn die Hauptaufgabe des Herzen ist es, Blut zu pumpen. Geht man von einem Puls von 70 Schlägen pro Minute aus, pumpt das Herz in 24 Stunden ca. 10.000 Liter durch unseren Körper. Dadurch ist die Herzfrequenz an unserem ganzen Körper als pulsierende Bewegung in unseren Adern und Venen messbar – nämlich als Puls. Ob am Finger, an der Stirn, im Ohr, am Handgelenk oder vielen anderen Körperteilen, der Puls ist mittels Lichteinstrahlung und Reflektion so ganz gemütlich mittels bestimmter Sensoren aufzuzeichnen. Auch diese Technik kennt ihr aus Krankenhäusern, wenn euch zur Überwachung eurer Vitalfunktionen ein Fingerclip um den Zeigefinger geschnallt wird. Dieser zeichnet mittels Photoplethysmographie euren Puls, die Sauerstoffsättigung und weitere Kennzahlen auf.

Pulse Oximeter. Foto: Unsplash
Pulse Oximeter. Foto: Unsplash

 

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?

Wer schon einmal im Krankenhaus besagten Pulsmesser am Finger ein paar Sekunden ruckartig bewegt hat, wird schnell festgestellt haben, wie der Puls sofort ihn die Höhe schießt. Wenn es schlecht läuft, steigt durch ein paar Bewegungen des Zeigefingers nicht nur der Puls, sondern sinkt in ebenso flottem Tempo die Sauerstoffsättigung. Und genau das ist das Problem der PPG-Messung: Die Methode ist sehr anfällig für sogenannte Bewegungsartefakte, also durch Bewegungen des Sensors auf der Haut fälschlicherweise als Pulsschlag aufgezeichnete Signale. Bewegt sich das Messgerät auf der Haut, verändert sich dadurch natürlich die Menge an eingestrahltem und reflektiertem Licht, was oftmals als ausbleibender oder noch häufiger als zusätzlicher Pulsschlag gemessen wird.

Ein PPG Sensor ist um ein weites anfälliger für durch Bewegung ausgelöste Falschmessungen als ein EKG Messgerät.

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:

 

Garmin Forerunner 955 im Test. Credits @ Sport Technik
Garmin Forerunner 955 im Test. Credits @ Sport Technik

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:

Polar Herzfrequenzzonen Training
Herzfrequenz-Zonen Training. Quelle: Polar

Der Ruhepuls

Ein weiterer Richtwert ist der sogenannte Ruhepuls. Dieser misst – wie schon der Name sagt – die Herzfrequenz bei absoluter Ruhe und wird von Smartwatches meist automatisch direkt nach dem Aufstehen gemessen. Ein erhöhter Ruhepuls kann sowohl ein Indikator für Stress als auch für schlechten Schlaf sein. Ein sehr niedriger Ruhepuls wiederum spricht nicht automatisch für extrem gute Ausdauer oder Fitness, wird der Ruhepuls jedoch mit der Zeit niedriger kann das ein Zeichen dafür sein, dass sich die Ausdauer verbessert hat.

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.

Heart Rate Variability. Oura Ring
Herzratenvariabilität. Quelle: Oura

 

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.

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