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Wie funktionieren die Sensoren in einem Fitness-Tracker?

iFixit Fitness-Tracker Teardown
Das Innenleben eines Fitness-Trackers besteht aus vielen Sensoren und Schaltkreisen.

Neue Fitness-Tracker können viel. Sie messen Schritte, berechnen verbrauchte Kalorien und wissen, wie schnell Dein Herz gerade schlägt. Doch wie funktioniert die Technik dahinter eigentlich? Hier erfährst Du, wie die gängigsten Sensoren in Fitness-Trackern arbeiten.

Für alle Sensoren gilt

Ein guter Sensor macht noch keinen guten Fitness-Tracker. Entscheidend ist die zugehörige App, die auf der Hardware läuft. Erst ein gutes Zusammenspiel von Sensoren und Algorithmen, die die Auswertung übernehmen, sorgt also letztlich für ein möglichst exaktes Ergebnis.

Bewegungssensoren

Zum Standard-Repertoire von Fitness-Trackern gehören Beschleunigungs- und Gyroskop-Sensoren. Sie sind die Basis für die Grundfunktionen der Tracker: das Zählen der Schritte und das Messen der Aktivität. Aktuelle Geräte besitzen in der Regel einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor. Dieser kann lineare Beschleunigung im dreidimensionalen Raum messen. Er erkennt also, wann Du Dich bewegst und wann nicht.

Gyroskop-Sensoren erfassen zusätzlich Drehbewegungen. Sie sind notwendig, um die Kraft, die auf den bewegten Körper wirkt, zu messen. Sie erkennen beispielsweise, mit wie viel Schmackes Du Deine Arme beim Aerobic-Kurs in die Luft wirfst. Das erlaubt Rückschlüsse auf die generelle Intensität der Bewegung. In manchen Spezifikationen ist von einem sogenannten 6-Achsen-Gyroskop-basierten Sensor zu lesen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine Kombination von 3-Achsen-Beschleunigungssensor und Gyroskop. Da beide Sensoren in einem Chip vereint sind, spart dies in der Regel Platz und sorgt für ein besseres Energie-Management.

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Im grünen Viereck ist ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor zu sehen (hier ein iFixit-Teardown des Fitness-Trackers Basis B1).

Die gemessenen Werte spucken beide Sensoren in wellenförmigen Linien aus. Je steiler die Kurven, desto intensiver die gemessene Bewegung. Ausgewertet werden diese Graphen dann von den Algorithmen, die der Hersteller in der zugehörigen App bereitstellt. Ein guter Tracker erkennt so, ob Du nur Deinen Arm rauf- und runterbewegst oder tatsächlich Deinen ganzen Körper in Bewegung setzt.

Die Apple Watch nutzt ab der 4. Generation die Bewegungssensoren auch, um einen Sturz und Bewegungsunfähigkeit zu erkennen.

Höhenmesser

Tracker, die einen Höhenmesser besitzen, können errechnen, wie viele Stufen Du erklommen hast. In der Regel handelt es sich bei den verbauten Sensoren um barometrische Höhenmesser, die die Veränderungen im Luftdruck nutzen, um eine Einschätzung über die zurückgelegten Stockwerke zu treffen. Auch hier ist das Zusammenspiel von Sensor und Algorithmus entscheidend. Ein guter Tracker merkt beispielsweise, ob Du einen Berg besteigst oder in einem Fahrstuhl fährst.

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Der Höhenmesser ermöglicht das Zählen von Treppen.

Optischer Herzfrequenzmesser

Ein optischer Herzfrequenzmesser – gelegentlich auch "Pulsmesser" genannt oder mit der Abkürzung "HR" bezeichnet – befindet sich im Gegensatz zu den anderen Sensoren nicht nur im Inneren des Trackers, sondern ist auch von Außen sichtbar. Er besteht aus zwei oder mehr LED-Lampen auf der Armband-Innenseite und einem optischen Sensor, der daneben angebracht ist. Das Licht durchdringt die Haut am Handgelenk des Trägers und wird entweder reflektiert oder absorbiert.

So lässt sich die Herzfrequenz, also die Herzschläge pro Minute, ermitteln. Die Algorithmen werten dies als Indikator für die Intensität einer Aktivität oder auch für die Qualität von Ruhephasen. Grundsätzlich lässt sich mit dem gleichen Verfahren auch der Blutdruck ermitteln, was von einigen wenigen Geräten wie zum Beispiel der Asus VivoWatch BP angeboten wird.

Allerdings können viele Faktoren dafür sorgen, dass die Technik nicht akkurat arbeitet. Zum Beispiel wenn der Tracker zu locker getragen wird und das Licht der LEDs nicht durch die Haut dringen kann. Drei Fingerbreit oberhalb des Handgelenks ist der beste Platz, um möglichst akkurate Ergebnisse zu erhalten – und zwar am besten an der Unterseite des Armes. Ein guter Brustgurt mit Herzfrequenzmesser ist jedoch trotzdem immer die präzisere Alternative, um die Herzschläge pro Minute zu ermitteln. Und für genaue Angaben über den eigenen Blutdruck ist ein Blutdruckmessgerät mit Oberarmmanschette noch der beste Weg.

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Der optische Herzfrequenzsensor findet sich stets auf der Tracker-Unterseite.

Tracker mit EKG

Im Gegensatz zum optischen Herzfrequenzmesser handelt es sich bei Trackern, die ein EKG anbieten, nicht mehr nur um ein Fitness-Produkt. Stattdessen kommt das Elektrokardiogramm aus dem Gesundheitssektor und soll Hinweise auf mögliche Herzkrankheiten bieten.

Bislang sind solche EKGs überwiegend in Smartwatches verbaut, aber dürften ihren Weg zunehmend auch in Fitness-Tracker finden. Im Uhrengehäuse befinden sich dann mehrere Elektroden, die an der Unterseite und am Uhrenrand angebracht sind. Um eine Messung zu bekommen, muss der Nutzer die Uhr fest am Handgelenk tragen und für 30 Sekunden einen Finger an die weiteren Elektroden am Rand legen.

Auf diese Weise kann die zugehörige App die erfassten elektrischen Signale des Kreislaufs im Körper erkennen und auswerten. Herzinfarkt oder Schlaganfall können solche vereinfachten EKGs nicht ermitteln. Stattdessen lassen sich Hinweise auf Herzkrankheiten wie Vorhofflimmern finden. Allerdings handelt es sich bei den Ergebnissen niemals um eine Diagnose, dafür sind Ärzte verantwortlich.

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Die Elektroden für die Messung liegen unter anderem im Uhrengehäuse.

Einer wissenschaftlichen Studie vom Sommer 2019 zufolge kann die Technik, was sie soll. Allerdings raten Mediziner vollkommen gesunden, jungen Menschen davon ab, das EKG zu benutzen, weil die Gefahr von falschen oder falsch gedeuteten Befunden besteht.

SpO2-Sensor

Dieser Sensor ermöglicht die sogenannte "Pulsoximetrie". Hinter diesem kompliziert klingenden Wort verbirgt sich die Messung der Sauerstoffsättigung im Blut. Ein weiteres Vitalzeichen, das vor allem im Gesundheits- und nicht im Fitness-Bereich eine Rolle spielt.

Auch dieser Sensor arbeitet mit zwei LEDs – einer roten und einer infraroten. Erneut wird die Reflexion des Lichts gemessen, um eine Aussage über die Sauerstoffsättigung im Blut zu machen. Die Methode ist aus der Medizin bekannt. In Praxis oder Krankenhaus findet eine solche Messung in der Regel über eine Klemme am Finger statt. Die Ergebnisse des Tracker-Sensors können jedoch von äußeren Einflüssen beeinträchtigt werden. Eine Verschmutzung des Geräts oder ein ungenauer Sitz des Trackers können die Ergebnisse verfälschen. Eine Diagnose kann wie immer nur eine ärztliche Untersuchung bringen.

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Ein Tracker mit optischem Herzfrequenzmesser und SpO2-Sensor.

Und welcher Sensor misst den Kalorienverbrauch?

Keiner! Der Kalorienverbrauch wird bei Trackern anhand der zur Verfügung stehenden Werte von den Algorithmen in der App ausgewertet. Daher ist es auch wichtig, dass Du Dein korrektes Alter, Gewicht und Größe in der Anwendung einspeicherst. Nur anhand dieser Daten kann die App Deinen Kalorienverbrauch möglichst korrekt berechnen. Es geht hier nicht darum, wie viele Kalorien Du am Tag durch die Nahrung zu Dir nimmst und wie viele Du verbrennst, sondern nur um den durchschnittlichen Kalorienverbrauch.

GPS ermittelt Deinen Standort

"GPS" ist die Abkürzung für "Global Positioning System". Dabei handelt es sich um ein globales Navigationssatellitensystem, das zur Positionsbestimmung verwendet wird. GPS kommt neben Fitness-Trackern auch in Smartphones, Tablets oder anderen Navigationsgeräten zum Einsatz. Im Tracker sorgt der GPS-Empfänger dafür, dass zum Beispiel eine Joggingroute aufgezeichnet wird. Auch in einfachen Geräten arbeitet die Standorterkennung ziemlich genau. Abweichungen liegen in der Regel zwischen 5 und 15 Metern.

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Mit dem Smartphone verbunden, zeichnet ein Tracker Laufstrecken auch per GPS auf.

Zusammenfassung

  • Ein Sensor ist nur so gut wie die Algorithmen, die seine Messungen auswerten.
  • Bewegungsmesser sind die Basis für jeden Tracker und ermitteln Schritte und Intensität einer Aktivität.
  • Höhenmesser bestimmen die Zahl der erklommenen Stockwerke.
  • Optische Herzfrequenzmesser – auch Pulsmesser genannt –zeigen, wie oft Dein Herz pro Minute schlägt.
  • Ein EKG soll Hinweise auf Herzkrankheiten geben.
  • Ein SpO2-Sensor ermittelt die Sauerstoffsättigung im Blut und soll ebenfalls Rückschlüsse auf gesundheitliche Probleme zulassen.
  • Der Kalorienverbrauch wird von keinem Sensor gemessen, sondern von Algorithmen errechnet, die auf Basis der Messdaten und deiner persönlichen Eingaben Schätzwerte ausgeben.
  • GPS ermittelt Deinen Standort und zeichnet zum Beispiel Deine Joggingroute auf.
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