Wie funktioniert ein Pulsmesser?

Lernziele

• Sie verstehen das Prinzip der Photoplethysmographie (PPG)
• Sie können erklären, warum grünes/rotes Licht verwendet wird
• Sie kennen Limitationen von Consumer-Geräten

Das Prinzip der Photoplethysmographie (PPG)

Moderne Smartwatches und Fitness-Tracker messen den Puls nicht mechanisch, sondern mit Licht. Dieses Verfahren heisst Photoplethysmographie (PPG) – ein komplizierter Name für ein elegantes Prinzip.

Grundaufbau eines PPG-Sensors

Der Aufbau ist überraschend einfach:

• LED: Strahlt Licht ins Gewebe
• Photodiode: Misst das reflektierte Licht
• Mikroprozessor: Wertet die Signale aus

Die Physik dahinter

Warum funktioniert das?

Das Geheimnis liegt in den optischen Eigenschaften von Blut:

1. Hämoglobin absorbiert Licht: Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin absorbiert bestimmte Lichtwellenlängen stark
2. Grünes Licht wird stark absorbiert: Hämoglobin absorbiert grünes Licht (~530nm) besonders gut
3. Rotes Licht wird weniger absorbiert: Deshalb erscheint Blut rot – es reflektiert rotes Licht

Der Herzschlag macht den Unterschied

Bei jedem Herzschlag passiert folgendes:

Herzschlag → Mehr Blut im Gewebe → Mehr Lichtabsorption → Weniger reflektiertes Licht

Die Photodiode misst diese periodischen Änderungen der Lichtstärke – und das ist unser Pulssignal!

Analogie

Stellen Sie sich vor, Sie leuchten mit einer Taschenlampe durch ein Glas Wasser. Wenn Sie rote Tinte hineintropfen, wird das durchkommende Licht schwächer. Bei PPG ist das "rote Tinte" das pulsierende Blut in den Kapillaren.

Aufbau moderner Consumer-Geräte

Apple Watch & Co.

Moderne Smartwatches wie die Apple Watch oder Garmin-Geräte verwenden:

• Grüne LEDs: Blinken mit ~100 Hz (100-mal pro Sekunde)
• Mehrere Sensoren: 2-4 LEDs und Photodioden für bessere Abdeckung
• Algorithmen: Intelligente Software filtert Störungen heraus

Warum rotes oder grünes Licht?

Blut reflektiert also rot und absorbiert grün - folglich erzeugen beide Farben ein Signal, das man auswerten kann.

Grünes Licht hat mehrere Vorteile:

• Starke Absorption durch Hämoglobin
• Gute Eindringtiefe in die Haut
• Weniger störend für das Auge als blaues Licht

Störfaktoren und Limitationen

Was kann die Messung beeinträchtigen?

Störfaktor	Auswirkung	Warum?
Bewegung	Grosse Ungenauigkeit	Sensor rutscht, Artefakte
Kälte	Schlechtes Signal	Durchblutung reduziert
Hautfarbe	Unterschiedliche Genauigkeit	Melanin absorbiert Licht
Tattoos	Signal schwach/unmöglich	Tinte blockiert Licht
Schweiss	Instabile Messung	Sensor rutscht

Genauigkeit in Zahlen

Typische Messgenauigkeit von Consumer-Geräten:

• Ruhepuls: ±5 bpm
• Beim Sport: ±20 bpm oder mehr
• Nicht klinisch validiert für medizinische Diagnosen

Vergleich: Brustgurt vs. Smartwatch

Ausblick

In den nächsten Lektionen programmieren wir unseren eigenen Pulsmesser und verstehen dabei, welche Herausforderungen bei der Signalverarbeitung auftreten!