Sensoren für Fitnessanwendungen Den Puls mit Licht messen

AMS hat ein neues Sensor-Modul für Fitness- und Gesundheitsanwendungen entwickelt.
AMS hat ein neues Sensor-Modul für Fitness- und Gesundheitsanwendungen entwickelt.

Wearables sind voll im Trend: Mit ihrer Hilfe soll der Körper beim Sport oder bei gesundheitlichen Problemen überwacht werden. Zu den wichtigsten Parametern gehört die Herzfrequenz. Ihre Messung erfolgt meist über einen Brustgurt, der aber oft als störend empfunden wird. Wie kann es besser gehen?

Die Herzfrequenz und ihre zeitliche Variation beinhalten viele Informationen über die körperliche Belastung und den allgemeinen Gesundheitszustand. Wearbables, die die Herzrate messen, sollen natürlich möglichst genau und verlässlich funktionieren, ohne den Träger zu behindern oder zu beeinflussen. Gerade im Fitnessbereich muss die Benutzung auch einfach sein.

Die gebräuchlichste Methode den Herzschlag zu messen, ist das Elektrokardiogramm (EKG). Hierbei werden die elektrischen Aktivitäten des Herzmuskels auf der Hautoberfläche nachgewiesen. Im Fitness-Bereich erfolgt das meist über einen Brustgurt, der umständlich angelegt werden muss und oft als störend empfunden wird.

Eine alternative Methode ist die Photoplethysmographie (PPG): Durch den Pulsschlag ändert sich das Volumen selbst kleinster Äderchen. Diese Volumenänderungen können nachgewiesen werden, indem das Gewebe mit Licht durchleuchtet und die Absorption gemessen wird. Die Messung muss an Stellen des Körpers erfolgen, die dünn genug sind, um eine noch messbare Menge an Licht durchzulassen. Dafür werden Sensoren in Klammern verwendet, die je nach Bauart an Finger oder Ohr angebracht werden können.

Seit einiger Zeit gibt es auch Sensoren auf dem Markt, die die Herzfrequenz aus der Reflexion statt der Transmission bestimmen können. Dies ermöglicht weit kleinere Sensoren, die an beliebigen Stellen der Haut befestigt werden können. Diese Sensoren können damit auch in Fitnessbändern und anderen Wearables verwendet werden.

Ein Nachteil von PPG ist die Beeinflussung durch Bewegungen: Auch Bewegungen verändern die reflektierte Lichtmenge und führen zu Fehlern in der Bestimmung der Herzfrequenz. Gerade bei Fitnessarmbändern, die beim Sport getragen werden sollen, ist dies ein Problem. Wenn man allerdings die Bewegung kennt, können die störenden Effekte herausgerechnet werden.

AMS bietet nun den Sensor AS7000, der mit PPG die Herzrate und ihre Variation misst, ohne dafür einen umständlichen und unkomfortablen Brustgurt zu benötigen. Der Sensor ist der erste Vertreter einer Familie von Gesundheits- und Fitnesslösungen für Wearables.

Der AS7000 ist in einem 6,1 × 4,1 × 1,0 mm3 großen Gehäuse (Bild) verbaut. Das Modul besteht aus LEDs, Photosensor, analogem Frontend und Controller. Ebenfalls ist die Anwendungssoftware inbegriffen, die man zur Herstellung eines genauen Fitnessarmbands mit Pulsüberwachung braucht.

Auf dem eingebauten Prozessor läuft die bei AMS entwickelte Firmware. Sie konvertiert die gemessene Lichtstärkeänderung und gibt digitale Werte für die Pulsfrequenz und deren Änderung aus. Kombiniert man den AS7000 mit einem externen Beschleunigungsmesser, filtert die Firmware Bewegungsartefakte aus.

AMS stellt auch stellt Anleitungen zum elektrischen, mechanischen und optischen Design bereit. Dabei werden bestimmte kritische Bereiche behandelt wie etwa Design und Material des Armbands und des Gehäuses sowie spezielle optische Designüberlegungen, wie etwa Luftspalt und Dicke des Abdeckglases.

Ein Armband mit Pulsmessung als Funktionsmuster kann im AMS-Online-Shop bestellt werden. Das Armband arbeitet mit einem AS7000 und funkt seine Messwerte über Bluetooth zu einem beliebigen Android-Smartphone oder -Tablet. Dazu hat AMS eine App entwickelt, welche die Pulsfrequenz und ihre Änderung anzeigt und alle Daten mitprotokolliert.