Sensoren für Fitnessarmbänder Puls war erst der Anfang

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 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

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.

Sauerstoffsättigung im Blut

Ist der Sensor mit infrarotem und rotem Licht ausgestattet, kann aus den Messdaten auch die Sauerstoffsättigung des arteriellen Bluts berechnet werden. Dieser Wert ist z. B. im Höhensport oder für die Überwachung von Frühgeborenen wichtig. Um die Blutsauerstoffsättigung nichtinvasiv, also ohne die Entnahme einer Blutprobe zu bestimmen wird die »Pulsoxymetrie« angewendet. Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass sauerstoffarmes und sauerstoffreiches Blut Licht unterschiedlich absorbieren. Das körpereigene Molekül Hämoglobin (Hb), das den Sauerstoff im Blut transportiert, ist optisch aktiv. Hämoglobin ändert sein Absorptionsverhalten mit der Bindung von Sauerstoff (Oxyhämoglobin HbO2, Bild 3), deshalb reicht es bei der Pulsoxymetrie bereits aus, mit einem Finger den Sensor nur zu berühren.

Die Sauerstoffsättigung des Bluts (der SpO2-Wert) berechnet sich aus den Konzentrationen beider Hämoglobinvarianten. Aus Absorptionsmessungen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen wird der SpO2-Wert ermittelt. Dafür kommt sowohl rotes Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm, als auch infrarotes Licht mit 940 nm infrage. Bei diesen Wellenlängen ist die Absorption der beiden Hämoglobinmoleküle am unterschiedlichsten. In der Praxis wird zur Berechnung des SpO2-Wertes das Verhältnis der minimalen und maximalen Detektorsignale (Imin/Imax) bei der jeweiligen Wellenlänge verwendet.

Während die Herzfrequenzmessung nur relative Änderungen der Lichtabsorption betrachtet, benötigt die Pulsoxymerie absolute Messwerte. Für die Genauigkeit der Messung spielt die Bandbreite der LED deshalb eine wichtige Rolle. Bild 3 zeigt die spektrale Absorptionskurve von Blut zusammen mit den normierten Emissionsspektren der grünen, roten und infraroten LED. Besonders rote LED müssen schmalbandig emittieren, weil sich die Absorption in diesem Bereich stark über die Wellenlänge ändert. Schon einige Nanometer Abweichung können einige Prozent Fehler im SpO2-Wert verursachen.

Das gesamte Detektorsignal setzt sich aus einem großen konstanten und einem kleinen variablen Anteil zusammen (Bild 2). Für eine Herzfrequenzmessung ist die absolute Signalhöhe nicht von Interesse. Es ist ausreichend, den konstanten Signalanteil mit einem Bandpassfilter zu unterdrücken und die verbleibende, veränderliche Komponente zu verstärken, um daraus die Periodizität des Signals zu ermitteln. Für die Pulsoxymetrie muss der Sensor die Minima und Maxima des Photostroms genau erfassen. Die Digitalisierung muss also die gesamte Signalhöhe gut auflösen und eine hohe Messfrequenz aufweisen, um die Peaks und Täler genau zu treffen.