Ein PPG-Sensor ist das Licht auf der Rückseite einer Uhr oder im Inneren eines Rings. Er strahlt Licht in die Haut und misst, wie viel davon zurückkommt. Mit jedem Herzschlag gelangt etwas mehr Blut in die Haut und dämpft das Licht für einen Moment; der Sensor sieht also eine Welle pro Schlag. Alles, was eine Uhr über Ihr Herz mitteilt, von Herzfrequenz und Herzfrequenzvariabilität (HRV) bis zu Blutsauerstoff und Warnungen vor unregelmäßigem Rhythmus, beruht auf dem Zeitpunkt und der Form dieser Wellen.
Was ein PPG-Sensor tut
PPG PPG Ein optisches Verfahren: Licht wird in die Haut gestrahlt, und ein Sensor erfasst den Pulsschlag des Blutes bei jedem Herzschlag. Die meisten Uhren, Ringe und Smartphone-Kamera-Apps schätzen so die HRV. Mehr zu PPG steht für Photoplethysmographie: „Photo“ für Licht, „Plethysmo“ für Volumen. Die Bauteile sind klein. Eine Leuchtdiode (LED) strahlt Licht in das Gewebe, und eine Fotodiode misst das Licht, das wieder austritt. Blut absorbiert Licht: Ist mehr Blut im Gewebe, erreicht weniger Licht die Fotodiode (Allen, 2007).
Die Bauteile lassen sich auf zwei Arten anordnen:
- Transmission. LED und Fotodiode liegen auf gegenüberliegenden Seiten einer Fingerspitze oder eines Ohrläppchens. Pulsoximeter im Krankenhaus und Fingerclips arbeiten so.
- Reflexion. LED und Fotodiode sitzen nebeneinander auf derselben Fläche, und die Fotodiode fängt Licht auf, das aus dem Gewebe zurückgestreut wird. So arbeiten Uhren, Ringe und der Kamera-mit-Blitz-Trick am Handy (Allen, 2007).
Die Farbe des Lichts spielt eine Rolle. Rotes und infrarotes Licht dringt tief ins Gewebe ein, was ein Pulsoximeter braucht. Grünes Licht wird vom Blut stark absorbiert und dringt weniger tief ein. Am Handgelenk liefert es deshalb einen saubereren Puls und hält Bewegung besser stand. Darum leuchtet die Rückseite der meisten Uhren für die Herzfrequenz grün und schaltet nur für den Blutsauerstoff auf Rot und Infrarot um (Castaneda u. a., 2018; Charlton u. a., 2023).
Das Signal besteht aus zwei Teilen. Der größte Teil des zurückkehrenden Lichts ist ein gleichmäßiger Pegel, die sogenannte DC-Komponente, die von Haut, Knochen und dem ständig vorhandenen Blut bestimmt wird. Darüber liegt eine kleine Schwankung, die AC-Komponente, die jedem Herzschlag folgt. Diese Schwankung macht nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtsignals aus. Deshalb muss die Elektronik des Sensors sie verstärken, und deshalb können kleine Störungen sie überdecken (Allen, 2007).
Die Form eines Pulses
Dreht man die Schwankung um, sodass mehr Blut nach oben zeigt, sieht jeder Herzschlag so aus.
- Systolischer Gipfel
- Dikrote Inzisur
- Diastolischer Gipfel
- Puls-zu-Puls-Intervall, von einem systolischen Gipfel zum nächsten
Eine glatte Kurve mit zwei Pulsen. Jeder Puls steigt steil zu einem systolischen Gipfel an, fällt auf eine kleine Senke ab, die dikrote Inzisur, steigt wieder zu einem niedrigeren diastolischen Gipfel an und kehrt dann zur Grundlinie zurück. Der Abstand zwischen den beiden systolischen Gipfeln ist mit 1,00 Sekunden markiert.
Bei jedem Schlag zeigen sich dieselben drei Merkmale (Elgendi, 2012):
- Systolischer Gipfel. Das Herz zieht sich zusammen und schickt eine Druckwelle durch die Arterien. Das Blutvolumen in der Haut steigt schnell bis zum Gipfel.
- Dikrote Inzisur. Die Aortenklappe schließt sich, und die Welle vom Herzen klingt ab. Das Volumen beginnt zu sinken.
- Diastolischer Gipfel. Die Druckwelle wird an Verzweigungen und im unteren Körper zurückgeworfen und kommt als zweite, kleinere Erhebung an, bevor sich das Volumen beruhigt.
Algorithmen arbeiten selten mit der rohen Kurve. Sie greifen Punkte darauf heraus: den Fußpunkt, an dem die Welle zu steigen beginnt, den Gipfel, den Punkt des steilsten Anstiegs sowie Zeitpunkt und Höhe der Inzisur und des diastolischen Gipfels. Ein verbreitetes Verfahren bildet die zweite Ableitung der Welle, die sanfte Biegungen in deutliche Spitzen mit den Bezeichnungen a, b, c, d und e verwandelt, und vergleicht deren Größen (Elgendi, 2012; Takazawa u. a., 1998).
Wie sich die Welle mit Alter, Steifigkeit und Fitness verändert
Interessant ist die zurückgeworfene Welle. In einer elastischen, jungen Arterie läuft die Druckwelle langsam; die Reflexion kommt daher spät zurück und erscheint als eigene diastolische Erhebung mit einer deutlichen Inzisur davor. In einer steiferen Arterie läuft die Welle schneller, die Reflexion kommt früher zurück und verschmilzt mit der Hauptwelle, und die Inzisur füllt sich auf.
Ärztinnen und Ärzte kannten dieses Phänomen lange vor den Wearables. 1973 ordnete die Arbeitsgruppe um Dawber in einer Studie zur koronaren Herzkrankheit arterielle Pulswellen in vier Klassen ein, von einer deutlichen Inzisur bis zu gar keiner (Dawber u. a., 1973). Eine deutliche Inzisur ist der übliche Befund bei Menschen mit gesunden, elastischen Arterien (Elgendi, 2012).
Spätere Arbeiten haben das in Zahlen gefasst. Die Arbeitsgruppe um Millasseau maß die Zeit vom systolischen zum diastolischen Gipfel und teilte die Körpergröße der Person durch diese Zeit, um einen Steifigkeitsindex zu erhalten. Bei 87 Erwachsenen ohne Beschwerden im Alter von 21 bis 68 Jahren stieg der Index mit dem Alter und folgte der Geschwindigkeit der Druckwelle entlang der Aorta, dem Standardmaß für die Steifigkeit großer Arterien. Außerdem beschrieben sie einen Reflexionsindex, der auf Medikamente anspricht, die den Tonus der Arterien verändern: die Höhe der diastolischen Erhebung als Anteil des systolischen Gipfels (Millasseau u. a., 2002; Millasseau u. a., 2006). Das Team um Takazawa ging stattdessen von der zweiten Ableitung aus und fasste die Spitzen a bis e zu einem „Alterungsindex“ zusammen, (b − c − d − e)/a, der bei 600 Menschen mit dem Alter anstieg (Takazawa u. a., 1998).
Fitness wirkt in die andere Richtung. Bei 146 gesunden Freiwilligen im Alter von 21 bis 96 Jahren stieg die Arteriensteifigkeit mit dem Alter, war aber in jedem Alter bei Menschen mit höherer aerober Leistungsfähigkeit geringer, und ausdauertrainierte Männer zwischen 54 und 75 Jahren hatten weniger steife Arterien als körperlich inaktive Männer gleichen Alters (Vaitkevicius u. a., 1993). In einer anderen Studie waren die zentralen Arterien bei ausdauertrainierten Männern mittleren und höheren Alters um 20 bis 35 % dehnbarer als bei weniger aktiven Männern gleichen Alters. Als 20 körperlich inaktive Männer drei Monate lang regelmäßig Ausdauersport betrieben, überwiegend Gehen, stieg ihre Arteriendehnbarkeit auf ein ähnliches Niveau (Tanaka u. a., 2000).
Zwei Einschränkungen. Diese Fitnessstudien haben die Steifigkeit direkt gemessen, mit Drucksensoren und Ultraschall an Hals und Bein, nicht mit einer Uhr. Und PPG-Konturindizes verändern sich auch aus Gründen, die mit den Arterien nichts zu tun haben: Der Sitz des Sensors, sein Anpressdruck, die Hauttemperatur und das Umgebungslicht beeinflussen sie ebenso wie Medikamente, die auf die Gefäße wirken (Charlton u. a., 2023; Millasseau u. a., 2006). Gruppen beschreiben sie gut. Ein Test für Ihr persönliches Gefäßalter sind sie nicht, und keine Uhr kann aus der Form eines Pulses ablesen, wie gut Ihre Arterien trainiert sind.
Ausprobieren: einen Puls auswerten wie eine Uhr
Die folgende interaktive Grafik ist ein Lehrmodell, keine Aufzeichnung. Jeder Puls ist die Summe zweier Glockenkurven, einer für die systolische Welle und einer für die Reflexion. Das ist ein übliches Verfahren, um synthetische PPG-Signale zum Testen von Algorithmen zu erzeugen (Tang u. a., 2020). Ein einfacher Detektor findet dann die Gipfel, misst die Abstände zwischen ihnen und berechnet den RMSSD RMSSD Quadratwurzel aus dem Mittelwert der quadrierten Differenzen aufeinanderfolgender Intervalle: eine HRV-Messgröße in ms, die zeigt, wie stark sich jeder Herzschlagabstand vom nächsten unterscheidet. Spiegelt vor allem die Vagusaktivität wider. Mehr zu RMSSD , so wie es eine App tun würde.
Den Puls auswerten wie eine Uhr
Ein Lehrmodell, keine Aufzeichnung
Erkannte Abstände 1010 · 1040 · 980 · 960 · 1010 · 1040 · 980 ms
- Pulsfrequenz
- 60 S/min
- RMSSD, gemessen
- 45 ms
- RMSSD, wahr
- 42 ms
Bei 100 Hz liegen die Abtastwerte 10 ms auseinander, und der Detektor findet jeden Schlag. Der RMSSD liegt daher bei 45 ms, höchstens 3 ms vom wahren Wert des Modells (42 ms) entfernt.
Eine deutliche dikrote Inzisur und eine getrennte diastolische Welle (Reflexionsindex 0,50): das Bild elastischer Arterien.
Die Regler funktionieren, wenn JavaScript aktiviert ist.
Ein Liniendiagramm mit 8 Sekunden eines synthetischen PPG-Signals mit einer Welle pro Herzschlag. Kurze Markierungen zeigen die erkannten Pulse. Ein zweites Diagramm zeigt den Abstand zwischen den erkannten Pulsen als Linie, die wahren Abstände des Modells als gestrichelte Linie. Anzeigen nennen die Pulsfrequenz, den RMSSD der erkannten Abstände und den wahren RMSSD. Danach folgen ein Satz, der einen etwaigen Unterschied erklärt, und ein Satz zur Form jedes Pulses. Fünf Regler stellen Arteriensteifigkeit, Herzfrequenz, Signalstärke, Bewegung und Abtastrate ein, und ein Kontrollkästchen schaltet die Interpolation zwischen den Abtastwerten ein.
Probieren Sie nacheinander diese Einstellungen aus. Erhöhen Sie die Steifigkeit und beobachten Sie, wie die Inzisur verschwindet. Senken Sie die Signalstärke, wie es kalte Hände tun würden, bis der Detektor Schläge verliert. Fügen Sie Bewegung hinzu und sehen Sie, wie die Abstände wild schwanken. Stellen Sie dann die Abtastrate Abtastrate Wie oft pro Sekunde ein Sensor das Signal misst, in Hertz (Hz). Sie bestimmt, wie genau sich jeder Herzschlag zeitlich erfassen lässt: etwa ±1 ms bei 1.000 Hz, ±4 ms bei 250 Hz und ±20 ms bei einer 25-Hz-Kamera. Mehr zu Abtastrate auf 25 Hz: Jeder Schlag wird weiterhin gefunden, doch der RMSSD ändert sich, weil jeder Gipfelzeitpunkt nur auf 40 ms genau bekannt ist.
Pulsratenvariabilität ist nicht ganz dasselbe wie HRV
Streng genommen wird die HRV am elektrischen Signal des Herzens im EKG EKG Eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzens mit Elektroden auf der Haut. RR-Intervalle aus dem EKG sind die Referenzmethode für die Messung der HRV. Mehr zu EKG gemessen, als Abstand zwischen den R-Zacken. Ein PPG-Sensor sieht dagegen die Druckwelle, die der Schlag aussendet, und diese Welle braucht Zeit bis zum Handgelenk oder zum Finger. Diese Verzögerung, die Pulswellenlaufzeit, ist nicht konstant. Sie ändert sich mit dem Blutdruck, mit der Körperhaltung, mit dem Tonus der Arterien und ein wenig mit jedem Atemzug. Der Abstand zwischen zwei Pulswellen ist also der Abstand zwischen zwei Herzschlägen plus die Veränderung der Laufzeit, und die Variation, die Sie mit einer Uhr messen, ist die Pulsratenvariabilität Pulsratenvariabilität Schwankung der Zeit zwischen Pulsschlägen, optisch gemessen von Uhren, Ringen und Smartphone-Kameras. In Ruhe folgt sie der HRV eng, bei Bewegung entfernt sie sich von ihr. Mehr zu Pulsratenvariabilität (PRV), nicht die HRV (Mejía-Mejía u. a., 2020; Yuda u. a., 2020).
In der Praxis stimmen beide gut überein, solange Sie stillhalten. Eine Übersichtsarbeit über Studien, die PPG mit EKG verglichen, kam zu dem Schluss, dass die PRV in Ruhe ein akzeptabler Ersatz für die HRV ist, mit einer Tendenz, kurzfristige Maße wie den RMSSD etwas höher zu messen, was die Autorinnen und Autoren darauf zurückführten, dass die Atmung auf den Kreislauf wirkt. Bei körperlicher Aktivität und manchen mentalen Aufgaben wurde die Übereinstimmung deutlich schlechter, teils so stark, dass sie nicht mehr akzeptabel war (Schäfer und Vagedes, 2013). Die Arbeitsgruppe um Yuda geht weiter und argumentiert, die PRV enthalte zusätzliche Informationen über die Blutgefäße und sei deshalb als eigenes Maß zu behandeln und nicht als Kopie der HRV (Yuda u. a., 2020).
Für Ihren Verlauf bedeutet das zweierlei. Ein Ruhewert einer guten Uhr, eines Rings oder einer Kamera-App ist eine brauchbare Schätzung Ihrer HRV. Und eine Uhr und ein Brustgurt werden nie auf die Millisekunde übereinstimmen, selbst bei denselben Herzschlägen.
Was schiefgehen kann
Jeder PPG-Wert beruht darauf, den richtigen Gipfel zum richtigen Zeitpunkt zu finden. Die häufigsten Gründe, warum das misslingt:
Bewegung
Wer den Arm bewegt, verschiebt den Sensor auf der Haut und bringt das Blut in Bewegung. Das fügt dem Signal Ausschläge hinzu, die weit größer sind als der Puls. In einer Studie mit 53 Personen, die sechs Geräte trugen, lag der Fehler bei der Herzfrequenz bei Aktivität im Durchschnitt um 30 % höher als in Ruhe, und die Art der Aktivität und das Gerätemodell machten den größten Unterschied (Bent u. a., 2020). Rhythmische Bewegung ist der schlimmste Fall, denn eine Schrittfrequenz von 160 pro Minute sieht aus wie eine Herzfrequenz von 160 (Zhang u. a., 2015).
Ein schwacher Puls: kalte Hände und schlechte Durchblutung
Kälte verengt die kleinen Gefäße in der Haut. Dadurch erreicht weniger Blut den Sensor, und die Schwankung wird kleiner, während das Eigenrauschen des Sensors gleich bleibt. Allens Übersichtsarbeit nennt Hauttemperatur und Durchblutung unter den wichtigsten Faktoren, die die Größe der Pulswelle verändern (Allen, 2007). Eine Kameramessung in einem kalten Raum kann völlig scheitern.
Anpressdruck und Umgebungslicht
Der Sensor muss flach und fest aufliegen. Sitzt er zu locker, entweicht das Licht der LED, Tageslicht dringt ein, und das Signal driftet, wenn das Armband verrutscht. Sitzt er zu fest, drückt er die kleinen Gefäße zusammen und flacht den Puls ab (Allen, 2007; Charlton u. a., 2023).
Hautfarbe und Tätowierungen
Melanin absorbiert Licht; dunklere Haut gibt also weniger davon zurück. Ob sich das auf die Messwerte auswirkt, wurde am häufigsten für die Herzfrequenz untersucht, und die Studienlage ist uneinheitlich. Die oben genannte Studie mit 53 Personen erfasste die Hautfarbe und stellte keinen statistisch signifikanten Unterschied in der Genauigkeit der Herzfrequenz zwischen den Hauttönen fest (Bent u. a., 2020). Eine systematische Übersichtsarbeit von 2023 wertete zehn Studien mit insgesamt 469 Personen aus: Vier berichteten von geringerer Genauigkeit bei dunklerer Haut, vier zeigten keinen Effekt und zwei hatten gemischte Ergebnisse; Menschen mit der dunkelsten Haut waren nur selten untersucht worden (Koerber u. a., 2023). Beim Blutsauerstoff ist das Bild klarer. In Daten eines Krankenhauses in den USA zeigte der Bluttest in 11,7 % der Messungen bei Schwarzen Patientinnen und Patienten und in 3,6 % bei weißen einen Sauerstoffwert unter 88 %, obwohl das Pulsoximeter 92 bis 96 % angezeigt hatte; ein Datensatz aus mehreren Krankenhäusern ergab 17,0 % und 6,2 % (Sjoding u. a., 2020). Betrachten Sie den SpO2-Wert einer Uhr als grobe Orientierung und die Herzfrequenz als den verlässlicheren Wert.
Auch dunkle Tätowierfarbe absorbiert Licht. Apples eigene Hinweise besagen, dass Farbe, Muster und Sättigung mancher Tätowierungen Licht vom Sensor abblocken und die Messwerte unzuverlässig machen können (Apple Support).
Abtastrate und Interpolation
Ein Sensor tastet das Licht eine feste Anzahl von Malen pro Sekunde ab. Bei 25 Messwerten pro Sekunde lässt sich ein Gipfel nur auf 40 ms genau platzieren, und die HRV wird aus Unterschieden von wenigen Dutzend Millisekunden berechnet. In einer Pilotstudie, die PPG-Aufzeichnungen von 10 kHz auf niedrigere Abtastraten herunterrechnete, unterschieden sich die PRV-Maße ab 25 Hz aufwärts nicht signifikant von der HRV aus dem EKG, während sich der RMSSD ab 15 Hz abwärts zu unterscheiden begann (Choi und Shin, 2017). Eine Studie von 2021 mit 57 Aufzeichnungen von je fünf Minuten setzte die Grenze höher: SDNN SDNN Die Standardabweichung aller NN-Intervalle einer Aufzeichnung, in Millisekunden. Sie misst die Gesamtvariabilität, und ihr Wert hängt stark von der Dauer der Aufzeichnung ab. Mehr zu SDNN und RMSSD blieben ohne Interpolation bis hinunter zu 50 Messwerten pro Sekunde innerhalb von 5 % des Werts bei 1 kHz, und bis hinunter zu 10 und 20 Messwerten pro Sekunde, wenn die Gipfelposition zwischen den Messwerten interpoliert wurde (Béres und Hejjel, 2021). Nur wenige Hersteller geben an, wie oft ihr Sensor abtastet.
Extraschläge und Vorhofflimmern
Ein vorzeitiger Herzschlag Extrasystole Ein Herzschlag, der nicht vom normalen natürlichen Schrittmacher des Herzens ausgeht und meist zu früh kommt. Extrasystolen sind häufig, verzerren die HRV aber, wenn man sie nicht entfernt oder korrigiert. Mehr zu Extrasystole befördert weniger Blut als ein normaler; seine Pulswelle ist deshalb klein, und der Detektor übersieht ihn oft. Das Gerät sieht dann einen langen Abstand statt zweier kurzer. Die HRV-Standards verlangen, dass Extraschläge und die Abstände um sie herum entfernt werden, bevor ein HRV-Wert berechnet wird (Task Force, 1996), denn ein einziger falsch gesetzter Schlag kann das Ergebnis verändern (Laborde u. a., 2017). Bei Vorhofflimmern sind die Abstände von Schlag zu Schlag unregelmäßig, und die PRV bedeutet nicht mehr das, was sie sonst bedeutet; genau diese Unregelmäßigkeit suchen die weiter unten beschriebenen Warnfunktionen der Uhren.
Was Uhren aus dem PPG berechnen
Ein Signal speist viele Werte. Jeder der folgenden Algorithmen hat sein eigenes Verfahren und seine eigenen Grenzen.
Schlagerkennung und Herzfrequenz. Der einfachste Ansatz findet jeden Gipfel oder Fußpunkt und zählt. Bei Belastung wechseln viele Uhren stattdessen zu einem Frequenzverfahren: Sie suchen über einige Sekunden den stärksten regelmäßigen Rhythmus im Signal und nutzen den Beschleunigungssensor, um den Rhythmus herauszurechnen, der zu Ihren Schritten passt. TROIKA, ein bekanntes Verfahren dieser Art, erreichte bei 12 Menschen, die mit bis zu 15 km/h liefen, einen mittleren Fehler von 2,34 Schlägen pro Minute (Zhang u. a., 2015). Unter allen PPG-Werten ist die Herzfrequenz am wenigsten anfällig für grobe Fehler, denn ein Fehler bei einem einzelnen Gipfel verändert einen 10-Sekunden-Durchschnitt kaum.
HRV, genauer PRV. Die App listet die Abstände zwischen den Gipfeln auf, sortiert Abstände aus, die falsch aussehen, und wendet eine Formel wie den RMSSD an. Weil ein einziger falsch gesetzter Gipfel den RMSSD stark verändert, messen die meisten Hersteller im Schlaf und verwerfen Abschnitte mit Bewegung. Die Formeln stehen unter Wie wird HRV gemessen?.
Blutsauerstoff (SpO2). Sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut absorbieren rotes und infrarotes Licht unterschiedlich. Der Sensor vergleicht die Größe der Pulsschwankung bei den beiden Farben, ein „Verhältnis der Verhältnisse“, und rechnet es mit einer an Freiwilligen angepassten Kurve in einen Prozentwert um (Allen, 2007). In diesem Schritt steckt die oben beschriebene Verzerrung durch die Hautfarbe.
Atemfrequenz Atemfrequenz Atemzüge pro Minute. Die Atmung allein verändert schon die HRV: Langsames, tiefes Atmen vergrößert die Schwankung; unter etwa 9 pro Minute wandert sie vom HF- ins LF-Band. Mehr zu Atemfrequenz . Die Atmung hinterlässt im PPG drei Spuren: Die Grundlinie driftet auf und ab, die Pulse werden größer und kleiner, und die Abstände zwischen ihnen werden länger und kürzer. Algorithmen ziehen eine oder mehrere dieser Spuren heraus und zählen die Zyklen. Bewegung und schlechter Sensorkontakt stören das Signal, auf das sie sich stützen, und nur wenige wurden an Daten von Menschen im Alltag getestet (Charlton u. a., 2018).
Warnungen vor unregelmäßigem Rhythmus. Die Uhr prüft im Hintergrund die Abstände zwischen den Pulsen auf das chaotische Muster von Vorhofflimmern und sendet eine Benachrichtigung, wenn mehrere Prüfungen übereinstimmen. In der Apple Heart Study mit 419.297 Menschen erhielten 0,52 % über im Median 117 Tage eine Benachrichtigung. Von den 450, die anschließend ein auswertbares EKG-Pflaster zurücksandten, hatten 34 % darauf Vorhofflimmern, und wenn bei angelegtem Pflaster eine neue Benachrichtigung eintraf, zeigte das EKG in 84 % der Fälle genau in diesem Moment Vorhofflimmern (Perez u. a., 2019). In der Fitbit Heart Study mit 455.699 Menschen erhielt 1 % eine Erkennung. Von den 1.057, die ein auswertbares Pflaster zurücksandten, hatten 32,2 % darauf Vorhofflimmern, und eine neue Erkennung während des Tragens des Pflasters stimmte in 98,2 % der Fälle mit Vorhofflimmern im EKG überein (Lubitz u. a., 2022). Eine Benachrichtigung ist ein Anlass für ein EKG, keine Diagnose, und das Ausbleiben einer Benachrichtigung ist keine Entwarnung.
Blutdruck ohne Manschette. Es gibt zwei Wege. Der eine misst die Laufzeit der Druckwelle zwischen zwei Punkten, etwa einer EKG-Spitze an der Brust und einem PPG-Gipfel am Handgelenk. Eine steifere, stärker unter Druck stehende Arterie leitet die Welle schneller; eine kürzere Laufzeit deutet also auf einen höheren Druck hin, doch jede Person braucht eine Kalibrierung mit einer Manschette, und das Gerät muss von Zeit zu Zeit neu kalibriert werden (Mukkamala u. a., 2015). Der andere Weg liest die Form der einzelnen PPG-Welle. Seit 2014 gibt es einen IEEE-Standard für Geräte ohne Manschette (IEEE 1708), und er verlangt zwar Tests über einen Anstieg und einen Abfall des Drucks, doch Fachleute haben darauf hingewiesen, dass er offenlässt, wie diese Veränderungen erzeugt werden; ein Gerät kann ihn also bestehen, ohne zu zeigen, dass es die relevanten Arten von Druckänderungen erfasst (Mukkamala u. a., 2021). Die European Society of Hypertension rät, solche Geräte nicht für klinische Entscheidungen zu verwenden, bis sie eine ordentliche Validierung bestanden haben (Stergiou u. a., 2022).
„Gefäßalter“ und Stresswerte. Manche Apps machen aus dem Steifigkeitsindex, dem Reflexionsindex oder dem Alterungsindex aus der zweiten Ableitung ein Gefäßalter oder mischen die PRV mit anderen Signalen zu einem Stresswert. Die Indizes folgen in Gruppen tatsächlich dem Alter, wie die obigen Studien zeigen. Ob der Wert einer einzelnen Person etwas bedeutet, ist nicht validiert, und dieselbe Person kann ein anderes Gefäßalter erhalten, wenn sie den Sensor fester andrückt oder die Hand wärmt. Betrachten Sie solche Werte als Kuriosität.
PPG, EKG und Brustgurte für die HRV
| PPG am Handgelenk oder Ring | PPG per Smartphone-Kamera | Brustgurt (EKG) | |
|---|---|---|---|
| Was zeitlich erfasst wird | Pulswelle in der Haut | Pulswelle in der Fingerspitze | Die elektrische R-Zacke des Herzens |
| Maß | PRV | PRV | HRV |
| Wann | Schlaf oder Einzelmessungen | Eine Messung, die Sie starten | Eine Messung, die Sie starten |
| Messwerte pro Sekunde | Selten angegeben | Die Bildrate der Kamera, meist 30 oder 60 | 250 bis 1.000, der Bereich, den die EKG-Standards empfehlen |
| In Ruhe | Nahe am EKG | Nahe am EKG in einer Studie mit 29 Personen | Die Referenz für zu Hause |
| In Bewegung | Unzuverlässig | Nicht brauchbar | Gut, wenn der Gurt feucht ist und fest sitzt |
| Zusätzliche Schläge | Werden oft übersehen | Werden oft übersehen | Sichtbar und entfernbar |
Die EKG-Standards verlangen 250 bis 500 Messwerte pro Sekunde oder mehr und lassen eine niedrigere Rate nur mit Interpolation zu (Task Force, 1996). Der Wert für die Kamera ist die übliche Bildrate von Handys, und in einer Studie mit 29 Personen in Ruhe stimmte der RMSSD einer Kamera-App eng mit dem EKG überein (Plews u. a., 2017). Ein klinisches EKG mit mehreren Ableitungen bleibt für alle drei die Referenz. Belege für einzelne Geräte stehen unter HRV bei Oura, Whoop, Garmin und Apple Watch.
Wie viel Genauigkeit der optische Weg kostet, hängt von der Kennzahl ab. Kleine Timing-Fehler bei jedem Puls summieren sich bei Schlag-zu-Schlag-Maßen wie RMSSD, pNN50 pNN50 Der Anteil benachbarter NN-Intervalle, die sich um mehr als 50 Millisekunden unterscheiden. Er bildet wie der RMSSD schnelle, vagal bestimmte Veränderungen ab, aber als Anteil und nicht als Größe. Mehr zu pNN50 und HF-Leistung HF-Leistung Die Varianz der Herzschlagabstände im Frequenzband von 0,15 bis 0,40 Hz, in ms²: dem Bereich der normalen Atmung. Bei einer Atmung von 9 bis 24 Atemzügen pro Minute spiegelt sie vor allem die Vagusaktivität wider. Mehr zu HF-Leistung , während die mittlere Herzfrequenz Mittleres RR-Intervall Der durchschnittliche Abstand zwischen zwei Herzschlägen in einer Aufzeichnung, in Millisekunden. Die Herzfrequenz ist der Kehrwert davon: 60.000 geteilt durch das mittlere RR-Intervall. Mehr zu Mittleres RR-Intervall sich kaum ändert. Uhr oder Brustgurt? Was PPG mit HRV-Werten macht geht jede Fehlerquelle durch, enthält eine Tabelle nach Kennzahlen und eine interaktive Grafik, die dieselben Schläge mit einem EKG und mit einem PPG-Sensor erfasst.
Was das für Ihre Messwerte bedeutet
- Vergleichen Sie ein PPG-Gerät nur mit sich selbst. Seine HRV ist PRV, nach eigenem Zeitplan und mit eigenen Filtern gemessen, und stimmt deshalb weder mit einem Brustgurt noch mit einer anderen Uhr überein. Die Lektion Warum Ihre Geräte nicht übereinstimmen geht ein Beispiel durch.
- Halten Sie bei jeder Messung, die Sie selbst starten, still und bleiben Sie warm, und tragen Sie das Armband fest, aber nicht zu eng, wie es die Hersteller empfehlen (Apple Support). So gelingt eine gute HRV-Messung beschreibt die Routine.
- Trauen Sie Schlafmessungen mehr als tagsüber gemessenen Einzelwerten. Ruhige Stunden geben dem Detektor die besten Chancen.
- Betrachten Sie einen einmaligen merkwürdigen Wert zuerst als Sensorproblem. Bewegung, eine kalte Hand oder ein übersehener Schlag erklären die meisten davon.
- Verwenden Sie die Herzfrequenz mit Vertrauen, die HRV als Verlauf, den SpO2-Wert als grobe Orientierung und Gefäßalter sowie Stresswerte als Kuriosität.
- Nehmen Sie eine Warnung vor unregelmäßigem Rhythmus zum Anlass, ein EKG bei einer Ärztin oder einem Arzt machen zu lassen. Werten Sie das Ausbleiben von Warnungen nicht als Entwarnung, wenn Sie Beschwerden haben.
- Wer HRV auf EKG-Niveau zu Hause möchte, bekommt sie mit einem Brustgurt und einer kostenlosen App. Siehe Ist die HRV am Handgelenk so genau wie am Brustgurt? und Kann eine Smartphone-Kamera die HRV messen?