Wie die Optoelektronik in Fitnessarmbändern den Puls misst

| Autor / Redakteur: Elena Poklonskaya * / Hendrik Härter

Fitnessarmband: Mit Hilfe von Optoelektronik messen die Wearables während des Sports den Puls.
Fitnessarmband: Mit Hilfe von Optoelektronik messen die Wearables während des Sports den Puls. (Bild: ©Kaspars Grinvalds - stock.adobe.com)

Fitnessarmbänder unterstützen uns beim Sport und messen mit der sogenannten Photopletysmogramm-Methode den Puls. Wir haben uns die Funktion bei den Wearables genauer angeschaut.

Wer gesund und körperlich fit bleiben möchte, der achtet auf seine Ernährung, ausreichend Schlaf und treibt regelmäßig Sport. Viele setzen zudem auf ein Fitnessarmband, das beim täglichen Training unterstützt. Es lassen sich die Anzahl der Schritte tracken, der Verbrauch an Kalorien und nicht zuletzt lässt sich auch unser Schlaf überwachen. Direkt an der Haut getragene Sensoren sammeln und verarbeiten eine Reihe von Daten und zeigen sie uns direkt an.

Die Wearables können immer mehr Aspekte unserer Gesundheit überwachen, beispielsweise messen sie eine ganze Reihe von Körperfunktionen wie den Blutdruck, den Puls und die Sauerstoffsättigung. Optoelektronische Bauteile spielen bei der Erfassung dieser Daten eine entscheidende Rolle.

Zwei Methoden, den Puls zu messen

Wenn man seine Kondition prüfen und verbessern will, ist der Puls wichtig. Kennt man seine maximale Pulsfrequenz, kann man daraus einen Zielpuls für sein Training errechnen, mit dem man den besten Trainingseffekt erzielt, aber sich nicht überlastet. Zur Pulsmessung sind zwei Methoden üblich: Das Elektrokardiogram (EKG) und das Photopletysmogramm (PPG). Das EKG misst die elektrische Aktivität des Herzen. Bei jedem Herzschlag wandert ein elektrischer Impuls wie eine Welle durch das Herz. Dieser Impuls löst die Kontraktion des Herzen aus, mit der das Herz das Blut pumpt. Das EKG ist in Praxis und Klinik das ideale Mittel, wenn man ein Herz prüfen will. Im Alltag ist die Methode nicht so gut geeignet, hier nutzt man besser das PPG.

Ein PPG erkennt die Änderung der Durchblutung des Gewebes. Ein entsprechender Sensor besteht aus einer Lichtquelle und einem Lichtsensor, ist also eine Lichtschranke. Die Lichtquelle kann entweder eine einzelne grüne oder eine Rot/Infrarot-Doppel-LED sein. Sie sendet Licht aus, ein Lichtsensor misst dann das Licht, das entweder das Gewebe durchdringt oder von ihm reflektiert wird. Die regelmäßige Änderung der empfangenen Lichtstärke hängt von der Durchblutung ab, die sich während jedes Herzschlags ändert, und liefert eine Information über die Funktion des kardiovaskulären Systems, hier speziell den Puls.

Vor der Zeit der Fitnessarmbänder kam das Pulsoximeter zum Einsatz. Solche Geräte finden sich hauptsächlich in Arztpraxen. Sie messen das Licht, das einen Finger durchdringt (Bildergalerie). Fitnessarmbänder hingegen messen das Licht, das von der Haut reflektiert wird. Ein Pulsoximeter misst zwei Parameter: den Puls und die Sauerstoffsättigung des Blutes. Das ist wichtig bei Patienten, die Probleme mit der Atmung haben, die etwa an Asthma leiden, Athleten beim Training oder jemand, der in der Höhe trainiert.

Lichtsensor und Lichtquelle abschirmen

Die Oximetrie ist eine nichtinvasive Mess- und Überwachungsmethode, mit der man die Sauerstoffsättigung des Blutes abschätzen kann. In unserem Blut transportieren die roten Blutkörperchen mittels des Eiweißes Hämoglobin den Sauerstoff. Oxygeniertes Hämoglobin (HbO2) hat im roten Bereich bei etwa 660 nm eine höhere Lichtabsorption als reduziertes Hämoglobin (Hb). Im Bereich des nahen Infrarots bei etwa 950 nm hat reduziertes Hämoglobin eine deutlich niedrigere Lichtabsorption als oxygeniertes Hämoglobin. Man misst nun das Licht, welches das Gewebe entweder durchdringt oder von ihm reflektiert wird, bei den beiden genannten Wellenlängen und kann so die Sauerstoffsättigung des Blutes bestimmen.

Wie erwähnt, arbeiten Fitnessarmbänder mit reflektiertem Licht. Das bedeutet, dass Lichtquelle und Lichtsensor auf der gleichen Leiterplatte montiert sind. Es ist daher wichtig, dass der Lichtsensor gut gegen die Lichtquelle abgeschirmt ist, so dass er nur das reflektierte Licht sieht. Streulicht aus der Lichtquelle würde die Messung verfälschen. Als Entwicklungsingenieur kann man hierzu entweder eine mechanische Barriere zwischen Lichtquelle und Lichtsensor vorsehen oder ein FAM-Gehäuse nutzen, das eine solche optische Abschirmung schon eingebaut hat.

Die Spezifikationen des Lichtsensors sind für die Funktion eines Pulsoximeters entscheidend. Er braucht einen großen Sichtwinkel von etwa 130°, eine Antwortzeit von maximal 100 ns, einen lineares Ausgangssignal unabhängig von der Lichtstärke des reflektierten Lichts und einen Empfindlichkeit von 430 bis 1100 nm. Dieser Bereich passt entweder zu einer grünen LED als Lichtquelle mit einer 525 nm oder einer Doppellichtquelle mit rotem bei 660 nm und infrarotem Licht bei 940 nm. Weiterhin erforderlich für ein Pulsoximeter sind hocheffiziente LEDs mit einer sehr engen Abstrahlcharakteristik, hoher Lichtintensität, einer Anstiegs- und Abfallzeit von 10 ns und einer guten thermischen Stabilität.

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* Elena Poklonskaya ist bei Vishay für das Produkt-Marketing der Sensoren verantwortlich. Sie ist Stipendiatin des Erasmus-Mundus-Programms für junge Forscher.

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Liebe Leser, es kam die Frage auf, wie mit optischen Mitteln der Blutdruck bei beiden Werten...  lesen
posted am 02.11.2017 um 19:14 von HHaerter

Lieber Kommentator! auf welchen Teil des Beitrags beziehen Sie sich genau? Dass ein...  lesen
posted am 02.11.2017 um 15:03 von HHaerter

garnicht!  lesen
posted am 02.11.2017 um 14:56 von liske

Der Betrag erklärt die Messung von Sauerstoffsättigung und Pulsfrequenz. Wie kann mit optischen...  lesen
posted am 20.10.2017 um 11:51 von Unregistriert


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