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Sensoren für Fitnessarmbänder

Puls war nur der Anfang

27. Oktober 2016, 14:18 Uhr   |  von Dr. Christoph Goeltner

Puls war nur der Anfang
© Osram

Die Vermessung des eigenen Körpers boomt. Künftig sollen aus Vitaldaten wie Puls oder Blutsauerstoff weitere Kennwerte ermittelt werden. Voraussetzung dafür sind präzise und kontinuierliche Messungen. Grund genug, einen Blick auf die Messtechnik zu werfen, die hinter Fitnessarmbändern & Co. steckt.

Marktforscher bescheinigen Wearables wie Fitnessarmbändern und Smart-Watches hohe Wachstumsraten. Fast alle Geräte sind mit einem optischen Sensor zur Messung der Herzfrequenz ausgestattet. Einige Wearables bestimmen zusätzlich die Sauerstoffsättigung im Blut.

Auf den diesjährigen Consumer Electronics Shows in Asien und den USA konnten Besucher u. a. mit Hilfe eines Smartphones den Blutdruck messen. Auch die Bestimmung des Alkoholgehalts im Blut mittels Smart-Watch und die Ermittlung der persönlichen Stressbelastung waren Themen der Veranstaltungen. Viele Anwendungen verwenden Messdaten von Wearables-Sensoren, andere arbeiten mit kompakten, separaten Einheiten und nutzen das Smartphone zur Auswertung. Insgesamt sind zwei wesentliche Trends auszumachen: Herzfrequenzsensoren für Wearables werden präziser, um die Ableitung von weiteren Vitaldaten zu ermöglichen und neue optische Sensoren werden entwickelt, die auf anderen Wellenlängen oder Lichtquellen beruhen, beispielsweise für Blutzucker-Bestimmungen. Die Medizintechnik hält Einzug in unseren Alltag: Messungen, die bisher in Arztpraxen vorgenommen oder mit speziellen Geräten durchgeführt werden, lassen sich künftig per Smart-Watch oder Smart-Band erledigen. Voraussetzung für diese Entwicklung sind Sensoren, deren Messgüte die erforderliche Datenqualität gewährleistet.

Herzfrequenzmessung

Bild 1: Ein PPG-Sensor sendet grünes, rotes oder infrarotes Licht aus, welches Haus, Gewebe und Blutgefäße durchstrahlt und auf den Detektor reflektiert wird. Weil Blut Licht absorbiert, lässt sich aus dem Detektorsignal die Herzfrequenz ableiten.
© Osram

Bild 1: Ein PPG-Sensor sendet grünes, rotes oder infrarotes Licht aus, welches Haus, Gewebe und Blutgefäße durchstrahlt und auf den Detektor reflektiert wird. Weil Blut Licht absorbiert, lässt sich aus dem Detektorsignal die Herzfrequenz ableiten.

Bild 2: Detektorsignal einer PPG-Messung. Nur die in den Arterien pulsierende Blutmenge trägt zum veränderlichen Signalanteil bei. Das Verhältnis Imin/Imax ist maßgeblich für die Berechnung der Sauerstoffsättigung des Bluts (Pulsoxymetrie).
© Osram

Bild 2: Detektorsignal einer PPG-Messung. Nur die in den Arterien pulsierende Blutmenge trägt zum veränderlichen Signalanteil bei. Das Verhältnis Imin/Imax ist maßgeblich für die Berechnung der Sauerstoffsättigung des Bluts (Pulsoxymetrie).

Herzfrequenzsensoren nutzen den Umstand, dass sich die Blutmenge in Arterien mit dem Herzzyklus ändert. Saugt das Herz Blut an (Diastole), fließt weniger Blut durch die Arterie, als wenn das Blut ausgeworfen wird (Systole). Weil das im Blut enthaltene Hämoglobin Licht absorbiert, kann die Änderung der Blutmenge in den Arterien optisch gemessen werden. Ein Sensor für diese Photoplethysmographie (PPG) besteht aus einer Lichtquelle und einem Photodetektor. Dieser Sensor sitzt direkt auf der Haut. Die Anregungswellenlänge durchdringt Gewebe und Blutgefäße. Das eingestrahlte Licht wird absorbiert, transmittiert oder zum Detektor reflektiert (Bild 1). Dort wird ein elektrisches Signal generiert, das von der Absorption im Gewebe, in den Venen und den Arterien (Bild 2) abhängt. Nur der mit dem Herzschlag pulsierende Anteil der Blutmenge in den Arterien ist für den veränderlichen Signalanteil verantwortlich. Deshalb lässt sich aus der Periodizität des Detektorsignals der Puls ermitteln. Je nach Körperstelle eignen sich für diese Messungen unterschiedliche Wellenlängen. Am Handgelenk wird beispielsweise grünes Licht verwendet, während am Finger oder im Ohr auch rotes und infrarotes Licht genutzt wird.

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1. Puls war nur der Anfang
2. Sauerstoffsättigung im Blut
3. Anforderungen an die Sensoren

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