Optische Herzfrequenzmessung – Genauigkeit, Grenzen, Herausforderungen

18. Dezember 2015
von Joachim Bardua
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Optische Herzfrequenzmessung – viele aktuelle Wearables wie GPS-Sportuhren, Fitness-Tracker und Smartwatches setzen auf dieses trendige Feature. Optische Herzfrequenzmessung ist im Gegensatz zu einem klassischen Herzfrequenz-Brustgurt elegant, komfortabel und ästhetisch.

Optische Herzfrequenzmessung (oHFM), Beispiel Garmin Forerunner 225

Optische Herzfrequenzmessung (oHFM), Beispiel Garmin Forerunner 225

Beispiele für Wearables mit optischer Herzfrequenzmessung:

  1. GPS-Sportuhren
    • Garmin Forerunner 225 und Forerunner 235
    • Garmin fenix 3 Saphir HR
    • Epson Runsense SF 810
    • TomTom Spark & Runner 2 Cardio
  2. Fitness-Tracker
    • Fitbit Surge
    • Garmin vivosmart HR
  3. Smartwatches
    • Apple Watch
    • Moto 360 Sport
    • Fitbit Blaze

Beim Testen von Wearables mit integrierter optischer Herzfrequenzmessung (oHFM) fällt immer wieder auf: Die angezeigten Herzfrequenzwerte können ungewöhnlich hoch oder niedrig sein. Die Herzfrequenzdiagramme einzelner Aktivtäten erscheinen – vor allem im direkten im Vergleich zu Sportuhren mit Herzfrequenz-Brustgurten – abschnittsweise wenig real.

Beispiel: Die mit einem Garmin Forerunner 225 gemessenen Herzfrequenzwerte weichen über eine Strecke von zwei Kilometer deutlich von den anderen Kandidaten ab. Dieses Verhalten ist bei unseren Tests aber auch bei anderen Sportuhren aufgetreten, beispielsweise der TomTom Cardio oder der Fitbit Surge – die Garmin ist also kein Einzelfall!

Herzfrequenzdiagramm: TomTom Spark (blau), Garmin Forerunner 225 (rot), Garmin epix (grün), Polar M400 (orange)

Herzfrequenzdiagramme: TomTom Spark* (blau), Garmin Forerunner 225* (rot), Garmin epix (grün), Polar M400 (orange) (* mit optischer Herzfrequenzmessung)

Das die mit unterschiedlichen Methoden aufgezeichneten Herzfrequenzkurven auch gut übereinstimmen können, zeigt das folgende Beispiel. Zum Einsatz sind zwei Sportuhren mit optischer Herzfrequenzmessung (Fitbit Surge, Garmin Forerunner225) und unsere Referenzuhr mit Herzfrequenz-Brustgurt (Polar M400) gekommen. Bei diesem Lauf bei angenehmen Plusgraden wurde auf möglichst gleichförmige Armbewegungen geachtet (der vertikale Versatz zwischen den einzelnen Diagrammen begründet sich in Abweichungen bei den aufgezeichneten Streckenlängen)

Herzfrequenzdiagramme: Fitbit Surge*, Garmin Forerunner 225*, Polar M400 (* mit opt. Herzfrequenzsensor)

Herzfrequenzdiagramme: Fitbit Surge*, Garmin Forerunner 225*, Polar M400 (* mit opt. Herzfrequenzsensor)

 

Optische Herzfrequenzmessung: Was können die Gründe für die zuvor beschrieben Abweichungen sein? Wir haben uns auf die Spurensuche gemacht und das Internet durchwühlt!

Optische Herzfrequenzmessung: Apple Watch Tattoo-Gate

Das Apple Watch Tattoo-Gate ist das bekannteste Beispiel aus der jüngeren Vergangenheit: Ist das Handgelenk mit Tattoos verziert, kann die optische Herzfrequenzmessung der Apple Watch versagen.

Welche Tipps gibt der Apple Support zur Herzfrequenzmessung – über das Tattoo-Gate hinausgehend:

  • Die Uhr sollte fest, aber komfortabel sitzen.
  • Das Durchströmen der Haut mit Blut variiert von Person zu Person und kann durch äußere Einflüsse wie z.B. Kälte beeinflusst werden.
  • Rhytmische Bewegungen wie beim Laufen oder Fahrradfahren führen zu besseren Ergebnissen als ungleichförmige Bewegungen wie z.B. beim Tennis oder Boxen.
  • Änderungen an der Haut wie z.B. Tattoos beeinflussen die Messungen negativ.

Quelle: support.apple.com

Optische Herzfrequenzmessung: Epson Runsense

In einer Studie geht Epson auf die Genauigkeit von optischen Herzfrequenzmessern ein. Eine Epson Runsense SF-810 wird mit einem Elektreokardiogramm (EKG), einem ANT+ Herzfrequenz-Brustgurt und einer Sportuhr mit optischen Herzfrequenzsensor verglichen (die Studie enthalt einen kleinen Lapsus: auf Seite 17 wird das Mitbewerber-Produkt verraten … TomTom).

Der mit 15 Teilnehmern durchgeführte Test ist in zwei Phasen unterteilt. Phase 1 beinhaltet als körperliche Belastung Liegen, Stehen und Gehen in drei Belastungsbereichen, Phase 2 Rennen in zwei verschiedenen Belastungsbereichen. Die Methodik wird hinsichtlich der oHFM Sportuhren wie folgt beschrieben: “An jedem Handgelenk wurde über dem Processus Styloideus Ulnae ein Gerät getragen (SF-810 links und der Mitbewerber rechts), das dicht angepasst wurde, um einen guten Kontakt zwischen dem optischen Sensor und der Hautoberfläche zu garantieren” (Processus Styloideus Ulnae: “Griffelfortsatz der Elle”, der deutlich hervorstehende Knochen oberhalb vom Handgelenk)

Testergebnisse

  • Genauigkeit Phase 1: EKG (100%) > Brustgurt (95,3%) > SF-810 (95,0%) > Mitbewerber (93,3%)
  • Genauigkeit Phase 2: Brustgurt (100%) > SF-810 (99,3%) > Mitbewerber (98,3%)
  • Alle Geräte sind zu mindestens 90% mit dem EKG vergleichbar
  • Beim EKG wird von einer hundertprozentigen Genauigkeit ausgegangen, der ANT+ Brustgurt gilt als bestes Messgerät für diese Aktivitäten.

Da die Methodik für alle Sportuhren identisch ist, kann aus dem Ergebnis abgeleitet werden, dass die eingesetzte Sensortechnik und die jeweiligen Auswertungsalgorithmen zum Tragen kommen und für die Unterschiede verantwortlich sind. Epson setzt auf einen Sensor aus dem eigenen Hause, der Mitbewerber auf einen Sensor von Mio oder Osram (je nach TomTom Modell).

Quellen: epson.de bzw. epson-europe.com (PDF)

Optische Herzfrequenzmessung: Fünf Herausforderungen

In einem interessanten Artikel beschreibt die Webseite von EDN Network fünf Herausforderungen bezüglich der oHFM:

  • Optical Noise (Optisches Rauschen): Unterscheidung des für die Herzfrequenzmessung maßgeblichen biometrischen Signals von anderen Hintergrundsignalen (z.B. von Muskel- / Sehnen- / Knochenbewegungen verursacht).
  • Skin Tone (Hautfarbe): Lichtabsorption in Abhängigkeit von der Hautfarbe, siehe Apple Tattoo-Gate.
  • The Crossover Problem (Überlagerung von Signalen): Schwierigkeiten beim Unterscheiden von Herzfrequenz- und Kadenzsignalen beim Laufen.
  • Sensor Location on the Body (Platzierung des Sensors): Das Handgelenk gilt als schlechtester Platz für die oHFM (optisches Rauschen, siehe oben), der Unterarm soll besser geeignet sein (größere Dichte an Blutgefässen), das Ohr ist der ideale Platz (insbesondere für “aggressive”, ungleichmäßige Aktivitäten wie CrossFit).
  • Low perfusion (geringe Durchblutung): Geringe Durchblutung der Extremitäten, kann durch ein Aufwärmen verringert werden.

Quelle: edn.com

Optische Herzfrequenzmessung: Weitere Artikel

  • dspace.cc.tut.fi (PDF, wissenschaftlich, lesenswert), Zitat: “The ideal device would be able to record the heart rate from any individual in every condition, which is an impossible task considering that each measurement subject, human being, is a unique black box with many unknown parameters that should be known completely to get the perfect reading every time.
  • osram-os.com (Hersteller optischer Sensoren, z.B. von TomTom eingesetzt), Zitat aus den Produktspezifiaktionen des SFH 7050 Sensors: “… is designed to operate close to human skin, any additional air-gap between human skin and the sensors surface can reduce the signal strength.” ; weitere, die HF-Messungen beeinflussende, erwähnte Faktoren: Hautfarbe, Lokation.
  • valencell.com (Software und optische Sensoren), analog zu EDN (siehe oben), weitere Faktoren: Minimieren von externen Einflüssen wie Sonnenlicht, Platzierung am Körper, mechanische Einflüsse, unterschiedliche Aktivitäten, Abhängigkeiten von den Personen (Hautton, Geschlecht, Fitnesslevel, …)
  • lifeq.com (Algorithmen zum Auswerten der Daten von oHFM-Sensoren, z.B. TomTom Spark):
    Faktoren

        • Bewegung, Aktivitätstyp
        • Umgebung (z.B. helles Licht)
        • dunkle Haut
        • Durchblutung

    Ergebnisse

        (im Vergleich zu einem EKG Brustgurt

      • Sehr genau beim Laufen und Fahrradfahren
      • Ungenauer bei Aktivitäten wie CrossFit und Gewichtheben (extreme Armbewegungen mit hohen Geschwindigkeiten)
      • Ungenauer bei geringer Durchblutung aufgrund niedriger Temperaturen
  • ams.com (PDF: Heart-rate measurement in a wearable form factor)
  • businesswire.com
  • neurosky.com, Faktoren: Umgebungslicht, unterschiedliche Hauttöne, Bewegungsartefakte, Anwendung nur an Körperteilen mit einer hohen Konzentration an Blutgefässen (das Handgelenk soll problematisch sein).
  • technologyreview.com (Handgelenk ist nicht optimal, Körperhaare, Schweiß, Fett, zu dünn, …)
  • tomsguide.com
  • wareable.com (Einflüsse wie Armbewegungen, Sitz etc.)
  • mioglobal.com (ein Pionier in Sachen oHFM): Genauigkeit ist bei einem höheren BMI (Body-Mass-Index) höher (sprich: mehr Muskelmasse bzw. Fett).

Optische Herzfrequenzmessung: Schlussfolgerungen

Nach dem Studium zahlreicher Artikel zeigt sich, dass die optische Herzfrequenzmessung noch am Anfang ihrer Karriere steht und von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird: Sensortechnik, Auswertungsalgorithmen, Platzierung am Körper, ausgeführte Aktivität und den körperlichen Voraussetzungen des Anwenders.

Zeigt eine oHFM Sportuhr bei einem Sportler genaue Werte, kann dies bei einem anderen Sportler schon ganz anders aussehen. Dies muss einerseits beim Testen berücksichtigt werden, andererseits gilt für Interessenten: ausprobieren und experimentieren, z.B. durch ein Variieren der Trageposition. Und falls alles nicht hilft und keine plausiblen Werte herauskommen, bleibt nichts anderes übrig als ein anderes Modell mit oHFM zu testen, einen Herzfrequenz-Brustgurt anzuschliessen oder gänzlich auf die optische Herzfrequenzmessung zu verzichten und von vonherein eine Sportuhr mit Herzfrequenz-Brustgurt kaufen – insbesondere wenn eine hundertprozentige Verlässlichkeit gefordert ist, z.B. beim Trainieren mit Herzfrequenzzonen.

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Zusammenfassung – welche Faktoren spielen eine Rolle?

  • Sensortechnik
  • Algorithmen zum Auswerten der Daten
  • Äußere Einflüsse wie z.B. starkes Umgebungslicht und niedrige Temperaturen (geringe Durchblutung der Extremitäten)
  • Sitz der Sportuhr: locker / fest, direkt über dem Handgelenk oder weiter oben am Arm (größere Dichte an Blutgefässen)
  • Lufteinschlüsse zwischen Sensor und Haut
  • Hautfarbe, Tattoos, Behaarung, Schweiß, Körperfett, zu dünn
  • Art der Aktivität bzw. des Trainings, Armbewegungen: rythmisch, ungleichmäßig, Geschwindigkeit
  • Störende Hintergrundsignale, verursacht von Muskel- / Sehnen- / Knochenbewegungen
  • Überlagerung von Signalen
  • Geschlecht, Fitnesslevel
Bei Problemen mit der oHFM – welche Möglichkeiten hat der Sportler?

  • Anderes Handgelenk ausprobieren
  • Sportuhr weiter oben am Arm anbringen
  • Auf einen festen Sitz der Sportuhr achten
  • Keine hektischen Armbewegungen
  • Vor der Aktivität aufwärmen
  • Arm vor Auskühlung schützen (Handschuhe anziehen!)
  • Sensor der Sportuhr reinigen
  • Keine Sonnencreme verwenden
  • Falls möglich einen Herzfrequenz-Brustgurt anschliessen (und vor dem Workout mit Spucke oder einem Elektroden-Kontakt-Gel anfeuchten)

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7 Kommentare

  1. Hallo! Vielen Dank für den Artikel. Im Artikel wie auch in den Kommentaren, wird der Brustgurt als genau(er) dargestellt, sollte man Zweifel an der oHFM haben. Das Ergebnis von Epson sagt doch etwas anderes im Vergleich zum “absoluten” EKG oder? 95,3% Genauigkeit des Brustgurtes ist doch sehr schlecht, insbesondere im Vergleich zur optischen Messung mit 95,0 bzw. 93,3%. Damit wäre der Brustgurt für mich als Referenz ungeeignet da kaum genauer. Verstehe ich das falsch?

    Antworten
  2. Habe Fenix 5. Anfangs dachte ich, hervorragend kein Brustgurt mehr. Im Laufe der Zeit wunderte ich mich immer wieder. Der Ruhepuls sank immer wieder im Laufe des Tages bis auf Werte von 42/min. Ich dachte, ich habe ein Herzproblem. Dann besorgte ich mir den Brustgurt von Garmin, es konnte kaum eine Pulsmessung durchgeführt werden, auch mit Kontaktgel nicht. Dann kam ich auf die Idee, den Brustgurt von Polar zu nehmen, sowohl den H7 wie auch den H10. Bei beiden Gurten war der Puls sowohl in Ruhe als auch bei Belastung in Ordnung. Dann besorgte ich mir den optischen Gurt OH1 von Polar. Die Pulswerte stimmten mit den mit Brustgurt gemessenen sowohl mit der Uhr Fenix 5 als auch mit Polar V800 überein. Zusätzlich lies ich beim Kardiologen ein EKG schreiben mit gleichzeitiger Messung mit OH1. Die Werte waren in Ruhe und auch bei Belastung identisch. Abweichung zum EKG höchstens 1/min.
    Dann machte ich noch Messungen mit der neuen Garmin Vivoactive 3 mit Messung am Handgelenk und mit OH1. Ich stellte die selben Ungenauigkeiten bei der Handgelenkmessung wie bei Fenix 5 fest.
    Folgerungen aus meinen Ergebnissen möge jeder selbst ziehen.

    Antworten
  3. Hallo Joachim
    seit 2,5 Jahren ist dein Artikel für mich Grundlage, auf die Schwierigkeiten der oHFM. Gibt es jetzt neue Erkenntnisse?
    Woran orientierst du dich momentan – hast du einen Linktipp?
    Freue mich auf deine falls du kurz Zeit findest…
    Grüße Volker

    Antworten
    • Hallo Volker,

      die oHFM am Handgelenk ist meiner persönlichen Meinung nach und nach vielen Erfahrungen mit diversen Wearables “Schrott” – dies liegt aber nicht an der Technologie per se sondern an der Lokalität “Handgelenk” – ein optischer Herzfrequenzsensor wie der Polar OH1 liefert sehr gute Werte (am Ober- oder Unterarm getragen): https://www.navigation-professionell.de/polar-oh1-test/
      VG

      Antworten
  4. Ein sehr gut gemachter Artikel! Können Sie mir sagen, auf welcher Plattform bzw. mit welcher Software Sie die Diagramme für den Vergleich der Herzfrequenz gemacht haben? Ich suche eine Möglichkeit, im CSV-Format vorliegende Herzfrequenz-Daten verschiedene Pulsmesser zu vergleichen. Haben Sie mir diesbezüglich einen Tipp?

    Liebe Grüsse
    Martin

    Antworten
  5. Vielen Dank für den Klasse Artikel, sehr informativ.
    Probieren geht wie so oft über Studieren. 😉

    Ich werde mir nun ein optisches System zulegen, da mich der Brustgurt bei MTB’n teilweise stört.
    Werde dann erstmal fleißig mit beiden Systemen auf Tour gehen.
    Sollte die Abweichung über 5% betragen, werde ich die Smartwatch innerhalb der Rückgabefrist eintauschen.

    Antworten

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