Wie funktionieren Smartwatches und ihre Sensoren?

Aber nur sehr wenige fragen sich, wie Smartwatches funktionieren bzw. wie die Sensoren von Smartwatches funktionieren. Ich habe mich selbst nie damit beschäftigt. Ich wusste, welche Sensoren normalerweise installiert sind und kannte eine grobe Theorie zu ihrer Funktionsweise, aber ich konnte nie die Motivation aufbringen, der Sache auf den Grund zu gehen.

Die Idee zu diesem Artikel kam mir, als ich im Flugzeug saß und mich fragte, warum meine Flugzeuguhr nicht die richtige Höhe anzeigte. Ein Journalistenkollege erklärte mir, dass es sich je nach Druck selbst reguliert. Und da der Druck in der Kabine auf eine Höhe von mehreren tausend Metern ausgelegt ist, war es für mich völlig verständlich, warum mir meine Smartwatch anzeigte, dass ich mich auf der Höhe von Šmarna gora befand.

Von da an begann ich mich zu fragen, wie die Uhr die Herzfrequenz misst, wie Schritte und Blutsauerstoffsättigung, wie Stress und all die anderen Daten. Da sich Wearables zu einer Multi-Milliarden-Dollar-Industrie entwickeln und die Entwicklung und Nutzung immer schneller voranschreitet, ist es sinnvoll zu verstehen, was sich hinter den Kulissen der Technologie abspielt, die uns von morgens bis abends – und oft bis in die Nacht – begleitet.

Welche Sensoren sind in Smartwatches verbaut?

Smartwatches sind äußerst vielseitige Geräte, in mancher Hinsicht sogar noch vielseitiger als Smartphones. Wir können sie verwenden, um Benachrichtigungen, Nachrichten, Anrufe zu überwachen, die körperliche Verfassung und den Fortschritt zu überwachen und sogar Spiele zu spielen, obwohl dies nicht gerade ein brillantes Erlebnis ist. Unser größtes Interesse gilt der Analyse des Körpers und der Leistung der Smartwatch während des Trainings und auch im Ruhezustand (Schlaf). All dies wird durch Sensoren ermöglicht.

• Ein Beschleunigungssensor misst Beschleunigung oder Kraft in drei Dimensionen: x, y und z. Es kann statische (Gravitation) und dynamische (Bewegung oder Vibration) Beschleunigungen erfassen.
• Im Gegensatz zu einem Beschleunigungsmesser misst ein Gyroskop ausschließlich Winkelbeschleunigungen.
• Der Herzfrequenzsensor übernimmt verständlicherweise die Herzfrequenzmessung während des Trainings und im Ruhezustand.
• GPS ist ein Sensor, der Satellitensignale nutzt, um den Standort des Benutzers zu bestimmen.
• Ein Barometer bzw. barometrischer Drucksensor misst den Luftdruck, der zur Bestimmung der Höhe genutzt werden kann.

Dies ist eine grobe Darstellung, welche Sensoren typischerweise in Smartwatches verbaut sind. Je nach Uhr kann sie auch ein EKG, einen Tiefensensor, einen Temperatursensor, ein Magnetometer und dergleichen enthalten. Schauen wir uns die Funktionsweise jedes einzelnen Sensors genauer an.

Wie zählen Smartwatches Schritte? Wie funktionieren Beschleunigungsmesser und Gyroskop?

10.000 Schritte ist die magische Zahl, die auf fast jeder Smartwatch oder ähnlichen Fitness-Wearables angegeben ist. Es tauchte bereits 1964 in Japan auf und gilt seitdem als De-facto-Nummer für die Erreichung optimaler Gesundheit. Ob es sich bei dieser Zahl wirklich um eine magische Grenze handelt, darauf gehen wir dieses Mal nicht näher ein. Einige Experten stimmen zu, während andere argumentieren, dass bereits eine geringere Anzahl von Schritten (rund 7.000) zu ähnlichen gesundheitlichen Auswirkungen führt.

Wie zählt eine Smartwatch überhaupt Schritte? Dabei helfen Beschleunigungssensor und Gyroskop.

Der Beschleunigungsmesser erfasst verschiedene Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, die dann für verschiedene Zwecke verwendet werden können, beispielsweise zur Berechnung der zurückgelegten Strecke (mit GPS), der durchschnittlichen Geschwindigkeit, der Schrittlänge und dergleichen. Der Beschleunigungssensor kann auch zur Überwachung von Schlafmustern verwendet werden, was dabei helfen kann, epileptische Anfälle zu erkennen. Obwohl die meisten Smartwatches nicht über diese Funktion verfügen, werden diese Art von Sensoren dennoch in bestimmten medizinischen Geräten verwendet.

Die größte Einschränkung von Beschleunigungssensoren ist die Grenze, bis zu der sie die Beschleunigung genau messen können. Außerdem kann die Uhr Schwierigkeiten haben, bestimmte Aktivitäten oder Gesten zu unterscheiden, sodass sie beim Zählen von Schritten ungenau werden kann. Wenn Sie beispielsweise mit den Händen auf der Stelle winken, erkennen einige Sensoren dies als einen Schritt.

Es gibt zwei Arten von Sensoren:

• Piezoelektrisch, bei dem kleine Kristalle zur Durchführung von Messungen verwendet werden. Wenn diese Kristalle eine Kraft spüren, verändern sie sich und erzeugen ein elektrisches Signal, das mitteilt, wie stark die Kraft war.
• Kapazitive Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Änderung der elektrischen Kapazität. Sie verfügen über zwei Mikrostrukturen, die sich beim Beschleunigen aufeinander zubewegen. Dadurch ändert sich die elektrische Kapazität zwischen ihnen und der Sensor erkennt diese Änderung.

Aufgrund dieser Funktionen und ihrer geringen Größe sind Sensoren heutzutage fast immer in Smartwatches und sogar Telefonen vorhanden. Kurz gesagt, sie helfen Smartwatches und anderen Geräten dabei, zu verstehen, wie sich der Benutzer bewegt (Laufen, Gehen, Ruhen, Springen ...).

Wie messen Smartwatches die Herzfrequenz? Wie funktioniert der optische Herzfrequenzsensor?

Abschließend erhalten Sie eine Erklärung, warum das grüne Licht unter der Uhr immer blinkt. Smartwatches verfügen meist über einen optischen Sensor auf der Unterseite, der mit Hilfe von grünem Licht versucht, die Herzfrequenz des Nutzers zu messen. Warum grünes Licht? Spektroskopie ist eine Disziplin, die sich mit der Analyse der Emission von Licht und anderer Strahlung beim Kontakt mit einer bestimmten Substanz befasst. Abgesehen von der trockenen Erklärung ist wichtig, dass die Spektroskopie uns sagt, dass Blut grünes Licht leichter absorbiert, weil rote und grüne Farben auf der entgegengesetzten Seite des Farbspektrums liegen.

Ein optischer Sensor auf der Rückseite der Smartwatch erfasst das reflektierte Licht, das einem Spektrometer sehr ähnlich ist. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei Uhren Lichtquelle und Detektor auf derselben Seite platziert sind, während sie sich bei Spektrometern gegenüberliegen. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Herzfrequenzmessung mit Uhren möglicherweise weniger genau ist.

Die Messung der Herzfrequenz mittels Licht wird Photoplethysmographie genannt. Das Gerät misst die Veränderung der Konzentration roter Blutkörperchen, wenn sich die Blutgefäße ausdehnen und zusammenziehen – erweiterte Blutgefäße absorbieren mehr grünes Licht und verengte Blutgefäße absorbieren weniger grünes Licht. Der Detektor misst das reflektierte Licht und der Softwarealgorithmus rechnet die Änderungen der Lichtintensität in Ihre Blinzelfrequenz um.

Neben Sensoren verfügen die neuesten Smartwatches auch über eine fortschrittliche Software, die es ihnen ermöglicht, potenzielle Probleme wie Vorhofflimmern (unregelmäßiger Herzschlag) ziemlich genau und frühzeitig zu erkennen. Natürlich gibt es Abweichungen, da die Messungen durch mehrere Faktoren beeinflusst werden können. Auch unterschiedliche Hautpigmentierungen können zu geringfügigen Abweichungen führen.

Wie Smartwatches die Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO) messen₂)?

SpO₂ oder Sauerstoffsättigung ist der Prozentsatz des Hämoglobins im Blut, der an Sauerstoff gebunden ist. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Messung, die Aufschluss darüber gibt, wie viel Sauerstoff durch das Blut transportiert wird. Dies ist eine der neueren Messgrößen, die auf Smartwatches und anderen Wearables zu finden sind. Es ist außerdem sehr energieeffizient und beeinträchtigt die Autonomie der Batterien solcher Geräte nicht wesentlich.

Erst richtig zum Leben erwachte es während der Coronavirus-Pandemie, als es zeigen konnte, ob der Sauerstoffgehalt unter die empfohlenen Werte gesunken war (95-100 % ist optimal; unter 70 % ist lebensbedrohlich). Die genaueste Messung von SpO₂ erfolgt durch Blutentnahme, am häufigsten nutzen Gesundheitsexperten jedoch die Pulsoximetrie. Am Finger oder Ohrläppchen wird ein optisches Gerät angebracht, das ähnlich wie bei der Herzfrequenzmessung Licht durch die Haut zum Detektor leitet.

Zur Messung des Pulses wird ein grünes Licht verwendet, während der SpO gemessen wird₂ und Rot und Infrarot. Mit Sauerstoff angereichertes Hämoglobin (gesättigt mit Sauerstoff) absorbiert IR-Licht und lässt rotes Licht durch, während sauerstoffarmes Hämoglobin IR-Licht durchlässt und rotes Licht absorbiert. Smartwatches messen SpO₂ durch Pulsoximetrie durch Berechnung der Differenz zwischen IR-Absorption und rotem Licht. So können Sie beispielsweise herausfinden, ob Sie an Schlafapnoe leiden.

Wie funktioniert das EKG auf einer Smartwatch?

Eine Smartwatch mit EKG-Funktion (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4...) nutzt einen Einzelelektrodensensor zur Messung der elektrischen Aktivität des Herzens, der sich an der Unterseite der Uhr befindet. Diese Art von EKG kann einen unregelmäßigen Herzrhythmus erkennen, aber beispielsweise keine linksventrikuläre Hypertrophie, die nur ein 12-Kanal-EKG erkennen kann. Obwohl das EKG auf einer Smartwatch nicht so genau und aussagekräftig sein kann wie ein 12-Kanal-EKG, ist es dennoch praktisch für den sofortigen Zugriff auf Herzgesundheitsdaten.

Wie funktioniert ein Magnetometer?

Ein Magnetometer ist ein Gerät, das magnetische Kräfte misst. Es wird zusammen mit Beschleunigungsmessern und Gyroskopen in einem Gerät namens Inertial Measurement Unit (IMU) verwendet. Diese Kombination von Sensoren hilft dem Gerät zu verstehen, wie es sich bewegt und wie es im Raum ausgerichtet ist.

Ein Magnetometer misst, wie sich das Erdmagnetfeld auf das Gerät auswirkt. Dies ähnelt der Funktion eines Kompasses. Hierbei wird das Prinzip des Hall-Effekts genutzt, wonach, wenn ein stromdurchflossener Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird, an dem Leiter eine Spannung senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld entsteht. Die Elektroden im Leiter kollabieren (ihre Dichte ändert sich) aufgrund des Magnetfelds, was zu einer Spannungsmessung führt. Wenn sich die ausgeübten Kräfte ändern, ändert sich der Spannungswert proportional und gibt den Wert und die Richtung des Magnetfelds an.

Durch die Nutzung aller drei Sensoren können Smartwatches die Bewegungen des Trägers besser verfolgen und interpretieren. Das Magnetometer fügt eine zusätzliche Schicht an Richtungsinformationen hinzu, die für eine genauere Bewegungsverfolgung nützlich sind.

Wie nutzen Smartwatches GPS?

GPS ist eines der wichtigsten Elemente einer Smartwatch (und eines Telefons). Es dient logischerweise der Navigation. Die Daten werden an einen Satelliten gesendet, wo der genaue Ort und die genaue Zeit gemessen werden. Dieser fungiert dann als Sender und Empfänger, sendet Daten an den Sensor der Smartwatch zurück und zeichnet den Standort auf. So messen beispielsweise Smartwatches die zurückgelegte Strecke (mit Hilfe eines Beschleunigungssensors und eines Gyroskops). Im Fußball ist Ihnen auch schon aufgefallen, dass in Analysen häufig eine Karte verwendet wird, auf der dargestellt ist, wo ein bestimmter Spieler die meiste Zeit verbracht hat. Dies ist dem GPS zu verdanken, das den Akku des tragbaren Geräts stark belasten kann.

Wie funktionieren Drucksensoren?

Drucksensoren messen, wie stark Kräfte auf etwas wirken, beispielsweise auf ein Gerät oder ein Sportgerät. Es gibt mehrere unterschiedliche Drucksensoren, die meist auf der Basis von Dehnungsmessstreifen bzw. Dehnungsmessstreifen arbeiten.

In Smartwatches finden wir Luftdrucksensoren (Barometer), die die atmosphärische Luft in der Umgebung messen und so die Höhe bestimmen können. Sie können auch helfen, Wetteränderungen vorherzusagen, aber das ist nicht ihre Funktion in Smartwatches.

Es gibt auch Drucksensoren, die diese Wheatstone-Brücken verwenden, eine spezielle Art von Stromkreis zur Erkennung von Widerstandsänderungen. Sie werden in Sportgeräten eingesetzt, um die Kontaktkraft auf den Ball zu messen oder die Bewegung von Spielern zu überwachen. Sie können auch zur Analyse des Gangs verwendet werden, um beispielsweise die auf verschiedene Teile des Fußes ausgeübte Kraft zu messen, was dazu beitragen kann, die Beweglichkeit zu verbessern oder das Verletzungsrisiko zu verringern.

Wie messen Smartwatches Stress?

Heutzutage nutzen die meisten Smartwatches, wie beispielsweise die Samsung Galaxy Watch-Serie, die Herzfrequenzvariabilitätstechnologie (HRV) zur Stressbeurteilung. Letzterer misst den Abstand zwischen den Herzschlägen und ist für die Beurteilung des physiologischen Stresses ebenso wichtig wie die Anzahl der Schläge pro Minute. Die HRV wird von unserem autonomen Nervensystem gesteuert, dem Teil unseres Nervensystems, der als Reaktion auf äußere Stressfaktoren automatisch Herzfrequenz, Blutdruck und Atemfrequenz anpasst. Ist der HRV-Wert niedrig (also Unterschiede zwischen den Herzschlägen), kann das ein Hinweis darauf sein, dass sich unser Nervensystem in einem erhöhten Stresszustand befindet. Wenn die HRV hoch ist (die Intervalle zwischen den Schlägen sind unterschiedlicher), sind wir eher entspannt.

Einige Smartwatches (Fitbit Sense, Pixel Watch 2 usw.) verwenden nicht die HRV-Methode, sondern einen speziellen EDA-Sensor, also einen Sensor für elektrodermale Aktivität, der Muster von durch Schwitzen verursachten Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Haut analysiert. Dabei werden auch HRV, Herzfrequenz und Hauttemperatur berücksichtigt. Mithilfe von Algorithmen und dem EDA-Sensor suchen Smartwatches nach plötzlichen Veränderungen dieser Indikatoren, berechnen das Stressniveau und warnen Sie davor.

Dies sind die Hauptsensoren, die Sie auf einer Smartwatch oder einem anderen tragbaren Gerät finden. Jetzt wissen Sie, wie sie funktionieren und können besser verstehen, wann die Daten korrekt sind und warum es Abweichungen gibt. Wenn Sie tiefer in die Funktionsweise verschiedener Sensoren eintauchen möchten, habe ich unten einige Links zu Forschungsergebnissen und Artikeln aufgeführt, die sich mit der Funktionsweise von Sensoren und Wearables befassen.