Uhr oder Brustgurt? Was PPG mit HRV-Werten macht

Das Diagramm unten legt die beiden Signale für dieselben Herzschläge übereinander: oben das EKG 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 eines Brustgurts, unten das PPG 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 einer Uhr.

1. Pulswellenlaufzeit: Die Pulswelle erreicht das Handgelenk einen Bruchteil einer Sekunde nach der R-Zacke.
2. Die Laufzeit ändert sich mit Atmung und Blutdruck, daher ist ein PP-Intervall keine exakte Kopie seines RR-Intervalls.
3. Streuung der Zeitbestimmung: Eine runde Welle lässt sich am Fußpunkt, am steilsten Anstieg oder am Gipfel zeitlich bestimmen, und jeder Punkt liefert einen etwas anderen Schlagzeitpunkt.
4. Niedrige Abtastrate: Bei 25 Abtastwerten pro Sekunde sieht der Sensor alle 40 ms einen Punkt, daher wird der Gipfelzeitpunkt gerundet.

Zwei übereinanderliegende Kurven für dieselben Herzschläge. Die obere ist ein EKG mit einer hohen, scharfen R-Zacke pro Schlag; Klammern zwischen den Zacken sind mit RR-Intervall beschriftet. Die untere ist ein PPG-Signal mit einer glatten, runden Pulswelle pro Schlag. Jeder Puls beginnt kurze Zeit nach seiner R-Zacke, und diese Verzögerung, die Pulswellenlaufzeit, ist bei jedem Schlag ein wenig anders. Bei einem Puls deckt ein schattierter Bereich den Fußpunkt, den steilsten Anstieg und den Gipfel ab, die Punkte, die ein Detektor als Schlagzeitpunkt nehmen könnte. Bei einem anderen Puls markieren Punkte die Abtastwerte eines langsamen Sensors im Abstand von 40 ms, von denen keiner genau auf dem Gipfel liegt. Klammern zwischen den Pulsgipfeln sind mit PP-Intervall beschriftet.

Oft wird gefragt, ob eine Uhr oder ein Ring die Herzfrequenzvariabilität (HRV) so gut misst wie ein Brustgurt. Die kurze Antwort: in Ruhe fast, bei Bewegung schlechter. Diese Seite erklärt Schritt für Schritt, warum: wie ein Wearable Lichtimpulse in eine Liste von Schlagabständen verwandelt, wo bei jedem Schritt Zeitfehler entstehen und welche HRV-Zahlen dieser Fehler am stärksten verändert. Sie ist die Vertiefung zum Vergleich unter Wie die HRV gemessen wird. Zur Pulswelle selbst und zu den anderen Größen, die ein PPG-Sensor misst, lesen Sie zuerst PPG: Wie Ihre Uhr Ihren Puls liest.

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Zwei Signale von einem Herzschlag

Ein Brustgurt ist ein kleines EKG. Zwei Elektroden nehmen die elektrische Welle auf, die sich kurz vor der Kontraktion durch den Herzmuskel ausbreitet. In der Aufzeichnung erzeugt jeder Schlag eine hohe, schmale Spitze, die R-Zacke, die in wenigen Hundertstelsekunden steigt und fällt. Ihr Gipfel lässt sich zeitlich leicht bestimmen, daher ist der Abstand von einer R-Zacke zur nächsten, das RR-Intervall RR-Intervall RR-Intervall Die Zeit von einem Herzschlag zum nächsten, gemessen in Millisekunden zwischen den R-Zacken eines EKG. Die HRV wird aus einer Folge dieser Intervalle berechnet. Mehr zu RR-Intervall , ein genaues Protokoll dafür, wann der natürliche Schrittmacher des Herzens gefeuert hat (Task Force, 1996).

Eine Uhr oder ein Ring nutzt PPG, einen optischen Sensor. Eine Lichtquelle leuchtet in die Haut, und eine Fotodiode misst, wie viel zurückkommt. Drückt ein Schlag Blut in die kleinen Gefäße unter dem Sensor, wird etwas mehr Licht absorbiert, und der Sensor sieht pro Schlag einen glatten Buckel. Der Abstand zwischen den Buckeln ist das Puls-zu-Puls-Intervall (PP-Intervall), und die Variation dieser Abstände ist die Pulsratenvariabilität 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).

Drei Unterschiede sind für die Zeitbestimmung wichtig:

• Der Puls kommt später an. Die Druckwelle muss das Herz verlassen und durch die Arterien laufen. Bei 32 Erwachsenen im Liegen betrug die Zeit von der R-Zacke bis zum Fußpunkt des Pulses 126 ms am Ohr und 269 ms am Finger (Block u. a., 2020). Das Handgelenk liegt dazwischen; eine Uhr sieht jeden Puls also wahrscheinlich etwa 150 bis 300 ms nach der R-Zacke, je nach Person und je nachdem, welcher Punkt des Pulses zeitlich bestimmt wird. Dieser Bereich ist unsere Schätzung, kein gemessener Wert.
• Die Verzögerung ändert sich. Die Laufzeit verkürzt sich, wenn der Blutdruck steigt, und verlängert sich, wenn er fällt (Mukkamala u. a., 2015), und sie schwankt mit der Atmung. Bei 15 gesunden Menschen, die in einem vorgegebenen Takt atmeten, lag die größte Veränderung der Laufzeit je nach Person zwischen 7 und 23 ms (Drinnan u. a., 2001). Diese Millisekunden landen in den PP-Intervallen, obwohl das Herz sie nie erzeugt hat.
• Der Puls ist rund. Die R-Zacke steigt und fällt in wenigen Dutzend Millisekunden. Die Pulswelle braucht allein etwa eine Zehntelsekunde zum Ansteigen, und ihr Gipfel ist breit und flach. Einen breiten Gipfel zeitlich zu bestimmen ist schwerer, als eine schmale Spitze zu verorten.

Schritt für Schritt: vom Licht zur HRV-Zahl

Jedes Wearable durchläuft eine Version dieser Kette. Die Hersteller veröffentlichen die Einzelheiten nicht; verstehen Sie die Schritte also als allgemeines Verfahren und nicht als das eines bestimmten Produkts.

Das Diagramm unten zeigt die sieben Schritte, nummeriert wie die folgenden Überschriften, und was bei jedem schiefgehen kann.

1. 1 Licht hinein, Rohsignal heraus Eine LED beleuchtet die Haut, und eine Fotodiode misst das Licht, das zurückkommt. Hier geht Genauigkeit verloren: Ein lockerer Gurt, Tageslicht, kalte Haut oder dunkle Tätowierfarbe können die Welle so weit verkleinern, dass sie kaum noch über dem Eigenrauschen des Sensors liegt.
2. 2 Abtastung Der Sensor misst in einem festen Takt, der Abtastrate. Hier geht Genauigkeit verloren: Ein Puls lässt sich nur auf einen Takt legen, daher wird jeder Pulszeitpunkt gerundet.
3. 3 Filtern Schnelles Rauschen wird geglättet und langsame Drift entfernt. Hier geht Genauigkeit verloren: Glättung stumpft jeden Puls ab; eine Verschiebung, die von seiner Form abhängt, verschiebt den Schlagzeitpunkt.
4. 4 Auf jedem Puls denselben Punkt finden Der Detektor bestimmt den Zeitpunkt eines Orientierungspunkts: Fußpunkt, steilster Anstieg oder Gipfel. Hier geht Genauigkeit verloren: Rauschen verschiebt einen breiten, flachen Gipfel stärker als einen steilen Anstieg.
5. 5 Die Intervallfolge Jeder Pulszeitpunkt wird vom nächsten abgezogen: eine Zahl pro Schlag. Hier geht Genauigkeit verloren: Ein zu spät bestimmter Puls macht ein Intervall zu lang und das nächste zu kurz.
6. 6 Bereinigen und Lücken füllen Verpasste und falsche Pulse werden verworfen, aufgefüllt oder ersetzt. Hier geht Genauigkeit verloren: Jeder aufgefüllte oder ersetzte Schlag ist eine Schätzung, und die Bearbeitungsmethode verändert die Ergebnisse.
7. 7 Das Fenster und die Zahl Die Firmware wählt einen Datenabschnitt, etwa kurze Zeitfenster nachts oder in Ruhe, und wendet eine Formel an. Hier geht Genauigkeit verloren: Kurze Zeitfenster enthalten weniger Schläge, daher fallen wenige fehlerhafte stärker ins Gewicht.

Am stärksten betroffen: RMSSD, pNN50, SD1, HF-Leistung · Weniger betroffen: mittlere Herzfrequenz, LF-Leistung, SD2

Eine Kette aus sieben Schritten von oben nach unten: Licht hinein und Rohsignal heraus, Abtastung, Filtern, auf jedem Puls denselben Punkt finden, die Intervallfolge, Bereinigen und Lücken füllen sowie das Fenster und die Zahl. Neben jedem Schritt steht der Fehler, der dort entstehen kann: eine schwache Welle durch den Sitz, Tageslicht, kalte Haut oder Tinte, Rundung auf den Takt der Abtastung, ein abgestumpfter Puls, Rauschen, das den gewählten Punkt verschiebt, ein verspäteter Puls, der ein Intervall verlängert und das nächste verkürzt, geschätzte Schläge und kurze Zeitfenster. Eine Leiste am Ende zeigt, dass RMSSD, pNN50, SD1 und HF-Leistung am stärksten betroffen sind, mittlere Herzfrequenz, LF-Leistung und SD2 weniger.

1. Licht hinein, Rohsignal heraus

Eine LED, am Handgelenk meist grün, beleuchtet die Haut, und eine Fotodiode misst das zurückkehrende Licht viele Male pro Sekunde. Der größte Teil dieses Lichts kommt unverändert zurück; die Schwankung von Schlag zu Schlag ist nur ein kleiner Teil davon, weshalb die Elektronik sie verstärkt.

Was schiefgehen kann: Ein lockeres Armband, einfallendes Tageslicht, kalte Haut oder dunkle Tattoofarbe können die Schwankung schrumpfen lassen, bis sie kaum über dem Eigenrauschen des Sensors liegt. PPG erklärt behandelt das genauer.

2. Abtastung: der Takt

Der Sensor sieht keine kontinuierliche Welle. Er nimmt Messwerte in einem festen Takt auf, der Abtastrate 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 . Bei 25 Abtastungen pro Sekunde liegen die Takte 40 ms auseinander, bei 64 etwa 16 ms und bei 500 2 ms. Ein Puls kann nur auf einen Takt gelegt werden, daher liegt jeder Pulszeitpunkt um bis zu einen halben Takt daneben: ±20 ms bei 25 Hz und ±1 ms bei 500 Hz.

Was es kostet: Jedes PP-Intervall trägt die Rundung des Pulses an beiden Enden. Für sich genommen ist dieser Fehler neben einem Intervall von 900 ms klein, doch die HRV besteht aus Veränderungen von 10 bis 50 ms, die Rundung kann also einen großen Anteil dessen ausmachen, was gemessen wird. Von der Elektrode zur Zahl rechnet das mit echten Zahlen durch.

3. Filtern

Bevor die Firmware nach Pulsen sucht, glättet sie das Signal (Tiefpassfilter), um schnelles Rauschen zu entfernen, und beseitigt die langsame Drift (Hochpassfilter), die von Atmung, Körperhaltung und Druck auf den Sensor kommt.

Was es kostet: Glätten entfernt Rauschen, schleift aber auch die Form jedes Pulses ab, und ein zeitlich nicht symmetrischer Filter verschiebt jeden Puls um denselben Betrag. Eine konstante Verschiebung spielt für Intervalle keine Rolle; eine Verschiebung, die von der Form jedes Pulses abhängt, schon.

4. Auf jedem Puls denselben Punkt finden

Der Detektor wählt auf jedem Puls einen Orientierungspunkt, den Referenzpunkt (englisch fiducial point), und bestimmt seinen Zeitpunkt. Drei Punkte sind üblich:

• Der Fußpunkt, an dem der Puls zu steigen beginnt. Den tiefsten Abtastwert zu nehmen ist unzuverlässig, weil das Tal flach ist. Das übliche Verfahren legt eine Tangente an den steilen Anstieg und sucht, wo sie das Niveau des vorangehenden Tals schneidet: die Methode der sich schneidenden Tangenten.
• Der steilste Punkt des Anstiegs, das Maximum der ersten Ableitung.
• Der Gipfel, die Spitze der Welle.

Das Diagramm unten markiert alle drei auf einem Puls.

1. Der Fußpunkt: wo eine Tangente am steilen Anstieg auf die Höhe der davorliegenden Senke trifft, die Methode der sich schneidenden Tangenten.
2. Der steilste Punkt des Anstiegs: Rauschen verschiebt eine steile Flanke zeitlich nur sehr wenig.
3. Der Gipfel: Nahe einer breiten, flachen Spitze kann ein wenig Rauschen den höchsten Abtastwert um mehrere Millisekunden verschieben.

Eine glatte Pulswelle. Eine gestrichelte Linie verläuft entlang der Senke vor dem Puls, eine zweite entlang des steilen Anstiegs; wo sie sich kreuzen, liegt der Fußpunkt. Ein Punkt auf halber Höhe des Anstiegs markiert den steilsten Anstieg, mit einem sehr kurzen Balken darüber. Ein Punkt auf der runden Spitze markiert den Gipfel, mit einem deutlich breiteren Balken darüber, der zeigt, dass Rauschen den Zeitpunkt des Gipfels viel weiter verschieben kann.

Der steilste Anstieg ist meist der stabilste, weil Rauschen eine steile Flanke zeitlich kaum verschiebt. Der Gipfel ist am instabilsten: Nahe einem breiten, flachen Gipfel kann ein wenig Rauschen den höchsten Abtastwert um mehrere Millisekunden verschieben, und der Gipfel wandert auch, wenn sich die Form des Pulses mit Atmung oder Blutdruck ändert. Die Belege stimmen damit überein. In einer Kipptischstudie, die PPG am Finger und an der Stirn zusammen mit einem EKG aufzeichnete, ergaben die Mitte des Anstiegs, das Maximum der ersten Ableitung und die sich schneidenden Tangenten die PP-Intervalle, die den RR-Intervallen am nächsten kamen, während der Gipfel und der einfache Fußpunkt am schlechtesten übereinstimmten (Peralta u. a., 2019). In einer Studie am Ohrläppchen, die sechs Methoden verglich, schnitt die Methode der sich schneidenden Tangenten am besten ab, mit einem quadratischen Mittel der Abweichung vom RR-Intervall von 5,69 ms (Hemon und Phillips, 2015). Dieselben Überlegungen erklären einen Befund aus der manschettenlosen Blutdruckmessung: Drückt man den Sensor fester an, verschiebt sich der Zeitpunkt des Gipfels etwa doppelt so stark wie der des Fußpunkts (Block u. a., 2020, mit Verweis auf ihre frühere Studie).

Interpolation hilft bei diesem Schritt. Statt den Takt zu nehmen, der dem Orientierungspunkt am nächsten liegt, legt der Detektor eine kleine Kurve durch die Abtastwerte in der Umgebung und liest den Punkt zwischen den Takten ab. Bei einem breiten Puls, der mehrere Abtastwerte umfasst, holt das den größten Teil der verlorenen Zeitgenauigkeit zurück.

5. Die Intervallfolge

Zieht man jeden Pulszeitpunkt vom nächsten ab, erhält man die PP-Folge: eine Zahl pro Schlag, in Millisekunden. Jeder Fehler aus den Schritten 1 bis 4 steckt jetzt in diesen Zahlen. Ein um 5 ms zu spät bestimmter Puls macht ein Intervall 5 ms zu lang und das nächste 5 ms zu kurz.

6. Bereinigen und Lücken füllen

Manche Pulse werden verpasst, bei Bewegung oder wenn ein vorzeitiger Herzschlag 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 zu wenig Blut auswirft. Manchmal werden falsche Pulse erkannt, wenn ein Schritt oder ein Zucken wie ein Schlag aussieht. Die Firmware muss die Folge reparieren, bevor sie irgendetwas berechnet. Typische Regeln verwerfen einen Puls, der unmöglich früh nach dem vorigen kommt, füllen eine lange Lücke mit gleichmäßig verteilten Schlägen und ersetzen ein Intervall, das sich zu stark von seinen Nachbarn unterscheidet, durch einen lokalen Mittelwert. Die HRV-Standards verlangen, dass auffällige Schläge und Artefakte Artefakte Artefakt Fehler in einer Herzschlagaufzeichnung, etwa ein übersehener, zusätzlicher oder falsch erfasster Schlag, oft durch Bewegung oder schlechten Sensorkontakt. Kann HRV-Werte stark verfälschen. Mehr zu Artefakt vor der Analyse behandelt werden (Task Force, 1996), und die Bearbeitungsmethode selbst verändert die Ergebnisse (Peltola, 2012). Das Löschen von Intervallen verbindet Schläge, die nie benachbart waren; das Auffüllen glättet die Folge.

Was es kostet: Jeder aufgefüllte oder ersetzte Schlag ist eine Schätzung, meist eine glatte, und senkt daher die Schlag-zu-Schlag-Variation an dieser Stelle. Auch Lücken schaden. Bei 20 gesunden Freiwilligen hatten die Schlagabstände der Apple Watch im Mittel fünf Lücken pro Aufzeichnung, jede etwa 6,5 Sekunden lang. Die Messgrößen im Zeitbereich wurden nicht signifikant beeinflusst, aber LF- und HF-Leistung 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 waren signifikant niedriger (Hernando u. a., 2018).

7. Das Fenster und die Zahl

Zuletzt wählt die Firmware aus, welchen Datenabschnitt sie nimmt, und wendet eine Formel an. Die meisten Uhren und Ringe berechnen die HRV nicht aus jedem Schlag des Tages. Sie nehmen kurze Fenster in der Nacht oder in Ruhe, mitteln sie und geben einen Wert aus; jede Marke wählt anders, wie HRV nach Gerät und die Lektion dazu, warum Geräte sich widersprechen beschreiben. Kurze Fenster enthalten weniger Schläge, daher fallen einige schlechte stärker ins Gewicht.

Sechs Quellen für Zeitfehler

Jede Skizze unten entspricht einer der sechs Ursachen in der nummerierten Liste darunter.

1. 1 Abtastung

   Jeder Puls wird auf den nächsten Takt gerundet, um bis zu einen halben Taktabstand.

2. 2 Der Orientierungspunkt

   Ein breiter, flacher Gipfel lässt sich durch Rauschen leicht verschieben, ein steiler Anstieg nicht.

3. 3 Laufzeit

   Atmung, Blutdruck und Körperhaltung verändern die Verzögerung vom Herzen zum Sensor von Schlag zu Schlag.

4. 4 Bewegung

   Bewegungen von Arm und Handgelenk erzeugen Ausschläge, die viel größer sind als der Puls.

5. 5 Ein schwacher Puls

   Der Puls schrumpft, während das Rauschen des Sensors gleich bleibt, daher zittert jeder Orientierungspunkt stärker.

6. 6 Verpasste und zusätzliche Schläge

   Jeder erzwingt eine Reparatur, und jede Reparatur ist eine Schätzung.

Sechs kleine Skizzen. 1, Abtastung: Punkte auf einem Puls im Abstand von einigen Dutzend Millisekunden; keiner liegt auf dem Gipfel, der nächste liegt also um einen Bruchteil des Taktabstands daneben. 2, Der Orientierungspunkt: ein Puls mit einer breiten Spanne über der flachen Spitze und einer schmalen Spanne über dem steilen Anstieg, die zeigen, wie weit dasselbe Rauschen jeden Punkt zeitlich verschiebt. 3, Laufzeit: EKG-Zacken über Pulswellen; die Verzögerung von jeder Zacke bis zu ihrem Puls ist bei jedem Schlag ein wenig anders. 4, Bewegung: ein ruhiger Abschnitt mit kleinen Pulsen, dann Ausschläge, die viel größer sind als der Puls. 5, Ein schwacher Puls: ein kleiner, verrauschter Puls unter dem gestrichelten Umriss eines starken, mit einer breiteren Streuung dafür, wo jeder Schlag zeitlich bestimmt wird. 6, Verpasste und zusätzliche Schläge: Markierungen über erkannten Pulsen; bei einem kleinen Puls fehlt die Markierung, und ein Zucken zwischen zwei Schlägen bekommt eine zusätzliche.

Jeder Schritt oben fügt seinen eigenen Fehler hinzu. Nach Ursache gruppiert:

1. Abtastung. Jeder Puls wird auf den nächsten Takt gerundet, um bis zu einen halben Taktabstand. Eine Pilotstudie, die ein mit 10.000 Abtastungen pro Sekunde aufgezeichnetes PPG herunterrechnete, ergab, dass sich oberhalb von 25 Hz keine Messgröße signifikant von der EKG-HRV unterschied. Darunter brach zuerst der pNN50 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 ein (bei 20 Hz und darunter), dann der RMSSD 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 (bei 15 Hz und darunter), während mittleres Intervall, VLF- und LF-Leistung LF-Leistung LF-Leistung Varianz der Herzschlagabstände im Band 0,04 bis 0,15 Hz, in ms²: Rhythmen, die sich alle 7 bis 25 Sekunden wiederholen. Früher als Sympathikus-Maß gedeutet, heute umstritten. Mehr zu LF-Leistung bei jeder getesteten Rate stabil blieben (Choi und Shin, 2017). Eine Studie mit 57 Fünf-Minuten-Aufzeichnungen setzte eine strengere Grenze: Der RMSSD blieb ohne Interpolation bis hinunter zu 50 Abtastungen pro Sekunde und mit Interpolation bis 20 innerhalb von 5 % des Werts bei 1.000 Hz; die mittlere Pulsfrequenz blieb bei 5 Abtastungen pro Sekunde innerhalb von 0,05 % (Béres und Hejjel, 2021).
2. Der Orientierungspunkt. Ein breiter, flacher Gipfel lässt sich durch Rauschen leicht verschieben, ein steiler Anstieg nicht (Peralta u. a., 2019).
3. Laufzeit. Atmung, Blutdruck und Körperhaltung verändern die Verzögerung vom Herzen zum Sensor von Schlag zu Schlag (Drinnan u. a., 2001; Mukkamala u. a., 2015). Das fügt Variabilität hinzu, die von den Gefäßen stammt. Manche Forschende sehen darin einen Mangel der PRV, andere zusätzliche Information über den Kreislauf (Mejía-Mejía u. a., 2020).
4. Bewegung. Bewegungen von Arm und Handgelenk verschieben den Sensor und verschieben Blut, was Ausschläge erzeugt, die viel größer sind als der Puls. In einer Studie an handelsüblichen Wearables und Forschungsgeräten war der Herzfrequenzfehler bei Aktivität im Mittel 30 % höher als in Ruhe (Bent u. a., 2020), und die HRV, die jeden Schlag braucht, leidet viel stärker als die Herzfrequenz.
5. Ein schwacher Puls. Kalte Hände, ein lockerer Sitz oder geringe Hautdurchblutung lassen den Puls schrumpfen, während das Rauschen des Sensors gleich bleibt. Jeder Orientierungspunkt zittert dann stärker. In einer Studie zur Kälteexposition wich die Reaktion der PRV von Finger und Zeh von der EKG-HRV ab, und zwar stärker als die der PRV vom Ohr (Mejía-Mejía u. a., Frontiers in Physiology, 2020).
6. Verpasste und zusätzliche Schläge. Jeder erzwingt eine Reparatur, und jede Reparatur ist eine Schätzung (Peltola, 2012; Hernando u. a., 2018).

Ausprobieren: ein Herzschlag, zwei Sensoren

Das Werkzeug unten bildet diese Schritte als Lehrmodell nach. Fünf Minuten synthetischer Ruheschläge werden zweimal zeitlich bestimmt: durch ein EKG und durch einen simulierten Sensor am Handgelenk, der eine Pulswelle etwa 200 ms später sieht, sie abtastet, glättet, auf jedem Puls einen Punkt findet und die Folge bereinigt. Aus beiden wird dann jeder HRV-Parameter berechnet, mit demselben Code wie im HRV-Rechner dieser Seite.

EKG und PPG, Schlag für Schlag

Synthetische Schläge, keine Aufzeichnung

Brustgurt (EKG) oben, Uhr (PPG) unten R-Zacke Messpunkt Aufgefüllt

ECG PPG

0 s 5 s

Verzögerung, R-Zacke bis Messpunkt

327 ms

Spanne der Verzögerung in 5 min

28 ms

Zeitschritt

±7,8 ms

Korrigierte Schläge

0

Bei 64 Hz und Zeitbestimmung am Gipfel weicht jedes Pulsintervall um 7,8 ms (SD) von seinem EKG-Intervall ab. Beim RMSSD beträgt die Abweichung +11,4%, bei der HF-Leistung +20,7%, bei der mittleren Herzfrequenz dagegen 0,0%.

Abtastrate 64 Hz, ein Abtastwert alle 15,6 ms 255064100128250500

An jedem Puls bestimmter Punkt

Fußpunkt Steilster Anstieg Gipfel

Einfluss der Atmung auf die Laufzeit

Aus Typisch Stark

Bewegung

Keine Leicht Gehen

Pulsstärke

Normal Schwach (kalte Hände)

Zwischen den Abtastwerten interpolieren

Die ersten fünf Schläge

Schlag	EKG-RR ms	PPG-PP ms	Differenz ms
1	859	859	0
2	863	875	12
3	840	828	−12
4	799	813	14
5	822	813	−9

Fünf Minuten, PPG im Vergleich zum EKG

Parameter	ECG	PPG	Differenz
Mittlere Herzfrequenz S/min	68,1	68,1	0,0%
SDNN ms	35,6	36,9	+3,7%
RMSSD ms	30,0	33,4	+11,4%
pNN50 %	9,4	9,1	−3,1%
SD1 ms	21,2	23,6	+11,4%
SD2 ms	45,6	46,5	+1,9%
LF ms²	422	427	+1,1%
HF ms²	334	403	+20,7%
LF/HF	1,26	1,06	−16,2%
DFA α1	0,91	0,87	−4,6%
SampEn	1,97	1,93	−1,7%

Die Balken gehen von der Mitte aus und enden bei ±50 %. Orange bedeutet, dass die Uhr höhere Werte liefert als das EKG, Grün niedrigere. Orange markierte Zeilen in der Schlagtabelle hat das Bereinigungsverfahren aufgefüllt oder neu zeitlich bestimmt.

Die Bedienelemente funktionieren, wenn JavaScript aktiviert ist.

Zwei Kurven über die ersten 5 Sekunden: ein EKG mit einer hohen, schmalen R-Zacke pro Schlag und darunter ein PPG-Signal mit einem runden Puls pro Schlag, der etwa 200 Millisekunden nach jeder R-Zacke beginnt. Von jeder R-Zacke führt eine gestrichelte Linie nach unten, und kurze Markierungen zeigen den Punkt, der an jedem Puls zeitlich bestimmt wurde. Anzeigen nennen die mittlere Verzögerung von der R-Zacke bis zu diesem Punkt, wie stark die Verzögerung schwankt, den Zeitschritt des Sensors und wie viele Schläge das Bereinigungsverfahren korrigiert hat. Eine Tabelle listet die ersten fünf Intervalle von Schlag zu Schlag aus EKG und PPG und ihre Differenz in Millisekunden auf. Eine zweite Tabelle listet elf HRV-Parameter aus fünf Minuten beider Aufzeichnungen auf, mit der Differenz der PPG in Prozent und einem kleinen Balken. Mit den Startwerten (64 Hz, Gipfel, keine Interpolation, typische Atmung, keine Bewegung) lauten die Differenzen: Mittlere Herzfrequenz: 68,1 im EKG, 68,1 per PPG, 0,0%; SDNN: 35,6 im EKG, 36,9 per PPG, +3,7%; RMSSD: 30,0 im EKG, 33,4 per PPG, +11,4%; pNN50: 9,4 im EKG, 9,1 per PPG, −3,1%; SD1: 21,2 im EKG, 23,6 per PPG, +11,4%; SD2: 45,6 im EKG, 46,5 per PPG, +1,9%; LF: 422 im EKG, 427 per PPG, +1,1%; HF: 334 im EKG, 403 per PPG, +20,7%; LF/HF: 1,26 im EKG, 1,06 per PPG, −16,2%; DFA α1: 0,91 im EKG, 0,87 per PPG, −4,6%; SampEn: 1,97 im EKG, 1,93 per PPG, −1,7%. Ein Regler stellt die Abtastrate von 25 bis 500 Hz ein. Optionsfelder bestimmen den an jedem Puls zeitlich bestimmten Punkt, den Einfluss der Atmung auf die Laufzeit, Bewegung und Pulsstärke, und ein Kontrollkästchen schaltet die Interpolation zwischen den Abtastwerten ein.

Das können Sie ausprobieren:

• Beginnen Sie mit 64 Hz und dem Gipfel als Orientierungspunkt. RMSSD und HF liegen etwa ein Zehntel bis ein Fünftel zu hoch; die mittlere Herzfrequenz 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 bewegt sich nicht.
• Gehen Sie auf 25 Hz herunter. Der RMSSD springt um ein Drittel oder mehr, pNN50 und HF folgen, und DFA α1 DFA α1 DFA α1 Der kurzfristige Skalierungsexponent der trendbereinigten Fluktuationsanalyse. Nahe 1 haben die Schläge auf jeder Skala ein Gedächtnis; nahe 0,5 verhalten sie sich wie Rauschen. α2 ist dieselbe Steigung über längere Abschnitte. Mehr zu DFA α1 fällt. Schalten Sie nun die Interpolation ein und sehen Sie, wie der größte Teil der Abweichung verschwindet.
• Wechseln Sie bei 250 Hz vom Gipfel zum steilsten Anstieg oder zum Fußpunkt. Der Intervallfehler schrumpft.
• Stellen Sie die Atmung auf stark, bei sonst idealen Bedingungen. Die Laufzeitschwankung allein bläht RMSSD und HF auf, während LF gleich bleibt.
• Wählen Sie Gehen. Die Firmware verpasst und erfindet Schläge, die Bereinigung muss raten, und jede Schlag-zu-Schlag-Messgröße bricht zusammen, während die mittlere Herzfrequenz innerhalb weniger Zehntel Prozent bleibt.

Das Modell ist eine Vereinfachung. Echte Sensoren filtern anders, die echte Laufzeit schwankt auf kompliziertere Weise, und die echten Bereinigungsregeln sind nicht öffentlich. Seine Zahlen zeigen Richtungen und grobe Größenordnungen, keine Prognose für Ihr Gerät.

Welche HRV-Parameter leiden, und warum

Die Grafik unten fasst die Tabelle weiter unten in diesem Abschnitt zusammen: Je mehr gefüllte Segmente, desto stärker verändert der PPG-Zeitfehler diese Messgröße.

Kennwert Sehr gering Hoch

Zeitbereich

• Mittlere Herzfrequenz : Sehr gering
• SDNN (5 Minuten oder länger) : Gering bis mäßig (Mechanismus)
• RMSSD : Hoch (Mechanismus)
• pNN50 : Hoch und unberechenbar (Mechanismus)

Poincaré-Plot

• SD1 : Hoch (Mechanismus)
• SD2 : Gering (Mechanismus)

Frequenzbereich

• HF-Leistung : Hoch
• LF-Leistung : Gering durch Zittern, mäßig durch Lücken (Mechanismus)
• LF/HF : Mäßig bis hoch (Mechanismus)

Nichtlinear

• DFA α1 : Mäßig (Mechanismus)
• Sample Entropy und Approximate Entropy : Mäßig, Richtung wechselnd (Mechanismus)

Empfindlichkeit Oberes Ende einer Spanne Nicht erreicht

Ein Diagramm mit einer Zeile pro HRV-Kennwert, gruppiert in Zeitbereich, Poincaré-Plot, Frequenzbereich und nichtlineare Kennwerte. Jede Zeile hat einen Balken aus vier Segmenten, von sehr geringer bis hoher Empfindlichkeit, und die Angabe der Tabelle für diese Zeile.

Zwei Überlegungen erklären den größten Teil der Tabelle unten.

Die erste: Der Zeitfehler ist von Puls zu Puls größtenteils zufällig. Ein etwas zu spät bestimmter Puls macht ein Intervall länger und das nächste kürzer, der Fehler landet also genau auf den Schlag-zu-Schlag-Unterschieden. Weicht jeder Pulszeitpunkt um einen zufälligen Betrag mit der Standardabweichung σ ab, trägt jede Differenz aufeinanderfolgender Intervalle einen Fehler mit der Varianz 6σ², und der RMSSD wächst ungefähr so:

$$\text{RMSSD}_{\text{PPG}}^2 \approx \text{RMSSD}_{\text{ECG}}^2 + 6\sigma^2$$

Das heißt: Das quadrierte Zeitrauschen addiert sich zum quadrierten RMSSD. Bei σ = 5 ms ist 6σ² gleich 150 ms². Ein wahrer RMSSD von 30 ms erscheint dann als etwa 32 ms, 8 % zu hoch; ein wahrer RMSSD von 15 ms als etwa 19 ms, fast 30 % zu hoch. Derselbe Zeitfehler fällt bei Menschen mit niedriger HRV stärker ins Gewicht. Diese Formel ist unsere Herleitung aus der Definition des RMSSD unter der Annahme unabhängiger Fehler und beschreibt einen Mechanismus, kein veröffentlichtes Ergebnis.

Die zweite Überlegung betrifft die Frequenz. Zufällige Fehler in den Pulszeiten werden in den Intervallen zu schnellen Zickzackfehlern, die im Spektrum überwiegend im HF-Band liegen, wo auch die atmungsabhängige Variation zu finden ist. Langsame Rhythmen wie das LF-Band und langsame Drifts bekommen davon kaum etwas ab.

„Mechanismus“ kennzeichnet eine Überlegung, die sich aus dem Aufbau der Messgröße ergibt, kein gemessenes Ergebnis. In der Praxis zählen die Bereinigung durch die Firmware und die Wahl des Fensters oft ebenso viel wie der Sensor; ein Gerät kann also schlechter oder besser abschneiden, als diese Tabelle vorhersagt.

Was die Belege sagen

Übereinstimmungsmaße in einfachen Worten

Validierungsstudien vergleichen ein Gerät mit einer Referenz, meist einem EKG, bei denselben Personen zur selben Zeit. Die Korrelation allein führt in die Irre, denn zwei Methoden können gemeinsam steigen und fallen und trotzdem stark voneinander abweichen (Bland und Altman, 1986). Üblich ist die Zusammenfassung durch eine Bland-Altman-Analyse:

• Der mittlere Bias ist der durchschnittliche Unterschied zwischen Gerät und Referenz. Ein Bias von +3 ms bedeutet, dass das Gerät im Mittel 3 ms zu hoch misst.
• Die Übereinstimmungsgrenzen (Limits of Agreement) sind der Bereich, in den 95 % der einzelnen Unterschiede fallen, der Bias plus oder minus etwa zwei Standardabweichungen. Weite Grenzen bedeuten, dass selbst ohne mittleren Bias jede einzelne Messung weit danebenliegen kann.

Viele Wearable-Studien geben außerdem den mittleren absoluten prozentualen Fehler (MAPE) und einen Konkordanzkoeffizienten (CCC) an; HRV nach Gerät erklärt beides.

In Ruhe und im Schlaf

Bei ruhigem Körper sind die Ergebnisse am besten.

• Eine Übersichtsarbeit zu Studien, die PRV und HRV verglichen, kam zu dem Schluss, dass die PRV in Ruhe genau genug ist, auch wenn viele Studien die kurzfristige Variabilität etwas überschätzten, was die Autoren auf die Wirkung der Atmung auf den Kreislauf zurückführten (Schäfer und Vagedes, 2013).
• Bei 17 jungen Menschen auf einem Kipptisch unterschieden sich PRV- und HRV-Messgrößen nicht signifikant und korrelierten mit über 0,97; die verbleibenden Unterschiede lagen vor allem im HF-Band (Gil u. a., 2010).
• Die PRV funktionierte bei gesunden Menschen in Ruhe gut als Ersatz für die HRV, mit Korrelationen über 82 %, aber weniger gut nach Belastung und bei Menschen mit Herzerkrankungen, besonders bei Frequenzmaßen (Pinheiro u. a., 2016).
• Nachts im Vergleich zu einem Brustgurt-EKG, bei 13 gesunden Erwachsenen über 536 Nächte: Der Oura Ring Gen 4 hatte für den RMSSD einen CCC von 0,99 und einen MAPE von 5,96 %, Oura Gen 3 0,97 und 7,15 %, WHOOP 4.0 0,94 und 8,17 %, Garmin Fenix 6 0,87 und 10,52 % sowie Polar Grit X Pro 0,82 und 16,32 % (Dial u. a., 2025).
• Bei 35 gesunden Erwachsenen zu Hause maß ein Oura-Ring die nächtliche Herzfrequenz und den RMSSD nach Einschätzung der Autoren sowohl in 5-Minuten-Fenstern als auch als Nachtdurchschnitt genau, auch wenn sein RMSSD im Mittel etwa 15 ms unter dem des EKGs lag. SDNN, pNN50 und HF waren nur als Nachtdurchschnitte akzeptabel, und LF und LF/HF hatten in beiden Fällen einen hohen Fehler (Cao u. a., 2022).
• Bei 53 Erwachsenen in einem Schlaflabor stimmte WHOOP 3.0, dessen Hersteller die rohen Schlagabstände lieferte, fast perfekt mit dem EKG überein (Intraklassenkorrelation 0,99, mittlere Unterschätzung 4,5 ms). Apple Watch, Polar und Oura mit eigener Verarbeitung zeigten eine gute Übereinstimmung (0,63 bis 0,67), und ein Garmin-3-Minuten-Test im Wachzustand hatte eine schlechte (0,24). Mehrere Geräte überschätzten niedrige HRV-Werte und unterschätzten hohe (Miller u. a., 2022).

Gurt, Ring, Handgelenk und Kamera im Vergleich

In einer Studie mit fünf jungen Erwachsenen mit 148 Ruhemessungen im Vergleich zu einem Mehrkanal-EKG ergab dieselbe App einen mittleren RMSSD-Fehler von 4,10 % mit einem Polar-H10-Brustgurt und 9,43 % mit der Smartphone-Kamera. Ein Oura-Ring hatte 6,84 %, und ein anderes Brustgurtsystem mit einem Drei-Minuten-Test 11,27 % (Stone u. a., 2021). Bei 29 gesunden Menschen in Ruhe stimmten Smartphone-PPG und ein Brustgurt beim RMSSD beide akzeptabel mit einem EKG überein (Plews u. a., 2017). Der Sensor ist ein Faktor unter mehreren; auch Aufzeichnungsdauer und Verarbeitung zählen. HRV an der Fingerkuppe behandelt Smartphone-Kameras, Fingerclips und Ringe genauer.

Bei Bewegung

Brustgurte halten stand. Gemessen an der rohen EKG-Aufzeichnung bestimmte ein Polar-H10-Gurt bei Aktivitäten von leicht bis hart 99,6 % der Schläge richtig und bei hochintensivem Training 99,4 % (Gilgen-Ammann u. a., 2019). Optische Sensoren nicht: Körperliche Aktivität und manche psychische Belastungen ließen PRV und HRV deutlich schlechter übereinstimmen, oft in nicht akzeptablem Maß (Schäfer und Vagedes, 2013). Das ist der Hauptgrund, warum die meisten Wearables die HRV im Schlaf messen.

Die Debatte im Netz, fair betrachtet

Zwei Lager streiten online über die HRV von Wearables.

„PRV ist nicht HRV.“ Dieses Lager hat physikalisch recht. Ein PPG-Gerät misst den Puls an der Haut, und dieses Signal trägt zusätzlich zum Rhythmus des Herzens Veränderungen der Laufzeit, des Gefäßtonus und der Pulsform. Übersichtsarbeiten folgern, dass die PRV nicht in jeder Situation als gültiger Ersatz für die HRV behandelt werden sollte (Mejía-Mejía u. a., 2020), und der Unterschied wächst bei Bewegung, Stress, Kälte, Belastung und Herzerkrankungen (Schäfer und Vagedes, 2013; Pinheiro u. a., 2016).

„In Ruhe nah genug.“ Dieses Lager hat praktisch recht. Bei einem ruhenden, gesunden Menschen, besonders über eine Nacht gemittelt, weichen die besten Geräte im Mittel nur wenige Millisekunden vom EKG ab (Dial u. a., 2025), und das ist wenig im Vergleich zu den Veränderungen von Nacht zu Nacht, die die meisten Menschen verfolgen.

Beides kann zugleich stimmen. Der Unterschied spielt eine Rolle, wenn:

• Sie Schlag-zu-Schlag-Genauigkeit brauchen, etwa bei einzelnen kurzen Messungen, pNN50, HF-Leistung oder DFA α1;
• Sie während oder direkt nach dem Training messen;
• Ihr Rhythmus unregelmäßig ist, mit häufigen Extrasystolen oder Vorhofflimmern, weil diese Schläge oft verpasst oder weggeglättet werden;
• Sie forschen oder Zahlen zwischen Geräten oder mit veröffentlichten Normwerten vergleichen.

Viel weniger spielt er eine Rolle, wenn Sie Ihren nächtlichen RMSSD mit demselben Gerät verfolgen, auf dieselbe Weise getragen, Nacht für Nacht. Ein Gerät, das jede Nacht 3 ms zu hoch misst, zeigt Ihnen trotzdem, in welche Richtung Sie sich bewegen.

Was Sie tun können

• Nutzen Sie ein Gerät und vergleichen Sie es nur mit sich selbst. Jede Marke hat ihren eigenen Sensor, Orientierungspunkt, ihre eigene Bereinigung und ihr eigenes Fenster; absolute Werte zweier Geräte sind also nicht austauschbar.
• Achten Sie auf Verläufe statt auf Einzelwerte. Nachtdurchschnitte sind vertrauenswürdiger als eine einzelne kurze Messung.
• Nehmen Sie für kurze Morgenmessungen, alles rund ums Training und für die Forschung einen Brustgurt. Er bestimmt den Zeitpunkt der elektrischen R-Zacke und hält bei Bewegung stand.
• Helfen Sie dem optischen Sensor. Tragen Sie das Gerät eng anliegend, halten Sie bei Einzelmessungen still und wärmen Sie kalte Hände vorher.
• Vorsicht bei empfindlichen Messgrößen vom Wearable. Betrachten Sie pNN50, HF, LF/HF und DFA α1 von einer Uhr nur als grobe Anhaltspunkte.
• Wenn sich Ihr Herzschlag unregelmäßig anfühlt, lassen Sie das ärztlich abklären. Keines der beiden Geräte ist ein diagnostisches EKG.

Die Belege in einfachen Worten stehen unter Ist die HRV am Handgelenk so genau wie am Brustgurt?, und was jede Marke ausgibt, unter HRV nach Gerät.