Wie funktionieren Fitness-Armbänder und Fitness-Tracker?

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Man sieht sie inzwischen an fast jedem Handgelenk: Fitness-Tracker und Armbänder werden immer beliebter. Mit verschiedenen Sensoren und ausgefeilter Programmierung können Sie zahlreiche Messdaten aufzeichnen und protokollieren.

Illustration Sensoren im Fitness-Tracker © www.wearables-guide.de
Sensoren im Fitness-Tracker: Mit diesen Messungen tracken die Fitness-Armbänder. © www.wearables-guide.de

Sie zählen die täglichen Schritte, zurückgelegte Distanzen und sogar die Herzfrequenz. Sie berechnen Stresslevel und Schlafphasen. Aber wie funktioniert das überhaupt? Wie schaffen es Fitness-Armbänder bzw. Fitness-Tracker überhaupt die Messdaten alle zu erfassen und richtig zu interpretieren?

Das will ich mir in diesem Ratgeber genauer ansehen und stelle das Innenleben der Activity-Tracker genauer vor. Danach weißt Du, wie das ganze funktioniert und kannst beim Kauf vielleicht eine bessere Entscheidung treffen.

Sehr gute Fitness-Tracker können sogar von alleine erkennen, welche Aktivität und Sportart Du gerade machst. Und das alles mit einem kleinen Armband am Handgelenk. Schauen wir uns einmal, wie das genau bei den Geräte funktioniert.

Die Sensoren – vom Beschleunigungssensor bis zum Gyroskop

Fitness-Armband am Handgelenk
Ein Fitness-Armband habe ich (fast) immer dabei.

Um die verschiedenen Bewegungen erfassen zu können sind in Fitness-Trackern zahlreiche Sensoren eingebaut. Mithilfe dieser sogenannten MEMS-Bauteile (Mikroelektromechanische Systeme. Mehr dazu bei Wikipedia) können die Bewegungen des Trackers genau erfasst und gespeichert werden. Dafür sind in den verschiedenen Geräten unterschiedliche Sensoren eingebaut, die wir uns jetzt einmal zusammen anschauen.

 

Die Typen von Sensoren im Überblick:

  • Bewegungssensoren
    • Beschleunigungssensoren
    • Gyroskop-Sensor
  • Optische Sensoren
  • Barometrischer Höhenmesser
  • Bioelektrische Sensoren
  • GPS-Empfänger (kein Sensor, aber trotzdem zur Erfassung von Messdaten eingebaut)

Für was diese ganzen Sensoren?

All diese Sensoren zeichnen unterschiedliche Bewegungsmuster auf, die durch Algorithmen in der Software des Trackers interpretiert werden. Abhängig von der Qualität der Programmierung können so verschiedene Aktivitäten sehr genau erkannt werden. Darunter Sportarten, Bewegungen im Alltag, aber auch die Schlaferkennung und Überwachung.

Durch die Zusammenführung der verschiedenen Messdaten von unterschiedlichen Sensoren können die Software-Programme im Fitness-Tracker Rückschlüsse auf die gerade ausgeführten Bewegungen und Verhaltensweisen ziehen.

Programmierung der Tracker-Software ist entscheidend

Je besser die Programmierung ist, desto besser die Erkennung. Das ist auch einer der großen Unterschiede zwischen durchschnittlichen Geräten und den Besten. Die Sensoren selber sind meist die Gleichen. Natürlich haben günstige Fitness-Armbänder meist weniger Sensoren eingebaut und daher weniger Messdaten zur Verfügung.

Der barometrische Höhenmesser (wird auch für Etagen-Zählung verwendet) ist ein solches Beispiel, der nur bei etwas teureren Armbändern drin ist. Das ist ganz einfach eine Kostenfrage. GPS-Module sind dann auch nur bei Premium-Armbändern mit dabei.

Die Bewegungssensoren im Fitness-Tracker

Bewegungssensoren Fitness Tracker IlustrationDie absolute Basis und in jedem Fitness-Armband notwendig, sind die Bewegungssensoren. Diese Bauteile sind sehr klein und gehören zu den MEMS-Bauteilen der Elektronik.

Mit deren Hilfe können Bewegungen des Trackers genau erfasst werden. Zu den Bewegungssensoren bei Fitness-Armbändern gehören der Beschleunigungssensor und der Gyroskop-Sensor.

Beschleunigungssensor zur Messung von Bewegungen

Der Beschleunigungssensor dient der Erfassung der linearen Bewegungen im dreidimensionalen Raum. Dieses Messinstrument ist in der Lage Bewegungen in alle Richtungen zu erfassen und aufzuzeichnen.

Wie wird Beschleunigung erfasst?

Eine Beschleunigung tritt aus physikalischer Sicht immer dann auf, wenn der Körper – bzw. der Tracker – die Richtung verändert oder die Geschwindigkeit sich ändert. Nach dem 1. und dem 2. Newtonschen Gesetz (mehr Info über de Theorie) muss eine Kraft auf den Körper einwirken, damit sich dieser bewegt.

Wie funktioniert die Messung im Armband?

Die Geräte nutzen also Bewegungssensoren, um die Krafteinwirkung und damit die Beschleunigung zu messen. Hierfür nutzen Fitnessarmbänder kapazitive Sensoren. Um die Bewegung in drei Dimensionen zu erfassen werden drei Sensoren eingebaut. Also alles gar nicht so einfach.

Gyroskop-Sensor zum Messen von Rotationen

Ein Gyroskop
So sehen Gyroskop Sensoren natürlich nicht aus, aber das Prinzip ist das Gleiche.

Der Gyroskop-Sensor wird genutzt, um Rotation zu messen. Rotationsbewegungen sind beispielsweise Drehungen des Handgelenks. Auch dieser Tracker kann im dreidimensionalen Raum Messdaten aufzeichnen. Die Drehbewegungen werden exakt gemessen.

Auch hierfür ist eine Krafteinwirkung auf den Körper notwendig. Diese Kraft wird in der Physik Corioliskraft genannt. Der Gyroskop-Sensor kann diese Corioliskraft messen und analysiert die Drehgeschwindigkeit der Bewegung.

Zusammen sind beide Sensoren ein starkes Team und geben genaue Messdaten für alle Bewegungen, die wir machen, während wir den Tracker am Armband haben.

Hinweis: Das Problem für die Hersteller ist nicht der Einbau der Sensoren. Ich bin mir ziemlich sicher das sowohl in sehr günstigen, als auch in teuren Fitness-Trackern oft die gleichen Sensoren verbaut sind. Das Geheimnis eines guten Modells ist die Software, welche die Daten interpretiert. Das ist das eigentlich teure an guten Fitness-Trackern an. Dazu kommt eine aufwendige App mit entsprechendem Programmieraufwand. Hier sparen die Anbieter von Billig-Armbändern.

Schauen wir uns einmal die Interpretation dieser Messwerte an.

Die Interpretation der Messdaten

Betrachtet man es aus Algorithmischer Sicht, dann sind die aufgezeichneten Daten in folgendem Schema darzustellen. Es handelt sich hier um eine zweidimensionale Kurve mit zwei Messdaten. Der Beschleunigung und der Dauer der Beschleunigung.

Schema der Messwerte beim normalen Laufen (Spazierengehen)

Schema der Messdaten beim normalen Gehen (Beschleunigungen sind nicht sehr hoch)

Schema der Messwerte beim schnellen Laufen (Joggen)

Schema der Messdaten beim schnellen Laufen (Beschleunigungen sind hoch)

Aus solchen Messdaten versucht nun die Software des Fitness-Trackers Rückschlüsse auf die Aktivität zu ziehen. Hier könnte man interpretieren, dass die Beschleunigung nicht sehr hoch ist und auch nicht lange andauert. Es könnte sich hier um ein normales und ruhiges Laufen handeln.

Sind die Ausschläge bei der Beschleunigung höher und, dann könnte es sich um Joggen handeln. Aber vielleicht haben wir auch nur während des Autofahrens telefoniert? Die Software muss also sehr differenziert die Messdaten interpretieren können.

So ist die Programmierung der Tracker-Software eines der wichtigsten Betriebsgeheimnisse der Hersteller. Je besser die Algorithmen hier sind, desto besser die Ergebnisse. Mustererkennung ist hier ein Schlüsselwort.

Der barometrische Höhenmesser für die Etagen

Dieser Sensor ist nur in teuren Fitness-Armbändern eingebaut. Um zurückgelegte Etagen zu zählen ist er notwendig. Denn er kann die Höhe messen. Diese Messung erfolgt über den Luftdruck. Je niedriger der Luftdruck, desto höher ist man. Das funktioniert ziemlich genau. So kann ein guter Fitness-Tracker, in Verbindung mit den Bewegungssensoren, zurückgelegte Etagen ermitteln. Denn schließlich darf er nicht mitzählen, wenn man beispielsweise mit dem Aufzug in den 10. Stock fährt.

Illustration Etagenmessung beim Fitness Tracker
Die Etagen beim Fitness-Tracker werden über den barometrischen Höhenmesser getrackt

Optische Sensoren für die Herzfrequenzmessung

optischer Sensor Pulsmessung IllustrationViele Modelle können durch optische Sensoren an der Unterseite des Trackers den Puls des Nutzers messen. Die Herzfrequenzmessung ist eine beliebte Funktion für Selbstoptimierung und Sportler. Aber auch im Alltag gibt der Puls viele Informationen über den Stresslevel und die Aktivität.

An der Unterseite des Trackers sind optische Sensoren, die über Lichtimpulse die durchlaufende Blutmenge unter der Haut messen. Aufgrund dieser Messdaten wird der Puls ermittelt und die Herzfrequenz berechnet.

Im Video: Demo der Lichtmessung am Fitness-Armband

Optoelektronische Sensoren und die Pulsmessung

Fitness-Armband optischer Pulsmesser
Puls und damit die Herzfrequenz wird über Lichtimpulse mit Photoplethysmographie (PPG) gemessen.

Die dahinter stehende Technologie Photoplethysmographie (PPG) erlaubt eine Herzfrequenzmessung mit Licht. Vor Entwicklung dieser Technologie konnte die Herzfrequenz nur durch einen Brustgurt beim Sport gemessen werden. Durch die Entwicklung dieser Methode kann nun auch am Ohr, Finger oder Handgelenk der Puls gemessen werden.

Das funktioniert vereinfacht gesagt folgendermaßen:

  • Der auf der Haut aufliegende, untere Teil des Fitness-Tracker kann über winzige Lichtquellen genug Licht aussenden, um in die Haut einzudringen und die Blutgefäße in den oberen Hautschicht zu erreichen. Hier wird ein kleiner Teil des Lichts reflektiert und dann vom Sensor am Tracker, dem sogenannten Photodetektor, erfasst und ausgewertet.
  • Die Menge des reflektierten Lichts hängt von der Blutmenge und dem Blutfluss in den Blutgefäßen ab. Außerdem ändert sich der Gefäßdurchmesser.
  • Durch den Photodetektor wird gemessen, wie viel Blut durch die Gefäße fließt. Das kann an der Menge des absorbierten Lichts aus dem Farbspektrum analysiert werden. So wird bestimmt wann die Systole ( Zusammenziehen des Herzmuskels) und die Diastole (Entspannen des Herzmuskels) stattfindet. Der Tracker bestimmt dann die Zeitspanne zwischen den beiden Herzzyklen. Damit kann der Puls bestimmt werden.
Mein Hinweis: die Herzfrequenzmessung über optische Sensoren am Handgelenk ist zum heutigen Stand nicht in der Lage 100% genaue Werte zu liefern. Die Messung mit einem Brustgurt ist deshalb für ambitionierte Hobbysportler und Profisportler absolute Pflicht. Im Alltag und für sportlich Aktive reicht aber die Herzfrequenzmessung über optische Sensoren am Handgelenk völlig aus.

Bioelektrische Sensoren

Über Bioelektrische Sensoren, die zum Beispiel auch in Körper-Fettwaagen eingebaut sind, kann auf den Zustand der Zusammensetzung des Körpers geschlossen werden. Hierfür wird ein schwacher Strom durch die Haut geleitet und der Widerstand gemessen. Daraus kann der Fitness-Tracker Rückschlüsse auf die Struktur der Körpermasse ziehen. Denn Fett ist zum Beispiel ein schlechter Leiter von Strom und leistet deutlich mehr Widerstand. Muskelgewebe leitet Strom deutlich besser.

Allerdings sind Bioelektrische Sensoren in Fitnessarmbändern relativ selten. Man findet sie eher in Körperfett-Messgeräten und Körperfettwaagen. Mit ihnen wird versucht die Anteile an Körperfett, Muskulatur und Wasser zu bestimmen. Diese drei haben spezifische Widerstände und auch ein schwacher Strom ermöglicht die Messung.

Allerdings ist diese Messung am Handgelenk sehr ungenau. Die dahinter steckende Technologie wird Elektrische Impedanzanalyse genannt.

Schwächen der Messung der Körperzusammensetzung

Der große Schwachpunkt an diesen Messungen ist die unterschiedliche Verteilung von Körperfett an verschiedenen Körperteilen von individuellen Personen. Diese ist genetisch bedingt und kann nicht vorherbestimmt werden. Gerade Männer und Frauen sind hier sehr unterschiedlich.

GPS-Empfänger – wenn die Daten besonders genau sein sollen

Bessere Fitnessarmbänder haben einen GPS-Empfänger eingebaut. Genauso ist es bei hochwertigen Sportuhren. Mit eingebautem GPS-Modul kann der Fitness-Tracker genau aufzeichnen, wo man sich bewegt und wie schnell.

Auch die Streckenmessung kann damit sehr genau erfolgen. Daraus berechnen kann man die benötigte Zeit für eine Strecke und die sehr genaue Geschwindigkeit. Zusammen mit den anderen Sensoren lassen sich so sehr viel genauere Messdaten ermitteln

Genauere Messungen bei Distanzen

Gerade bei Sportarten wie Laufen, Fahrradfahren und Walken ist das hilfreich. Denn Schrittzähler sind einfach nicht genau und können mit GPS-Daten aufgewertet sehr viel exaktere Messwerte liefern. Ohne GPS-Modul wird einfach nur aus einer theoretischen Schrittlänge und der Anzahl der Schritte die zurückgelegte Distanz berechnet. Das kann natürlich nie 100 % genau sein, da jeder Mensch unterschiedliche Schritte macht.

Fehler im Tracking verhindern

Auch falsch aufgezeichnete Schritte durch Bewegungen, die täuschend ähnlich sind, können durch einen GPS-Empfänger herausgerechnet werden, da man sich nicht vom Fleck bewegt. Wenn Du einmal Deinen Fitness-Tracker testen willst, dann mache einmal einfach nur die leichte Tätigkeit Geschirrspülen. Du wirst Dich wundern wie viele Schritte gezählt werden bei den schlechten Armbändern.

Tracker-Software der Hersteller: Hier liegen die Unterschiede

Die Fitbit App ist mein Favorit bei den Fitness-Trackern

Auch identische Tracker mit den gleichen Sensoren werden niemals gleiche Ergebnisse liefern. Das liegt am wichtigsten Element eines guten Fitness-Tracker. Das ist die Software und die dahinter stehenden Algorithmen.

Denn die Analyse und Interpretation der Messwerte ist die eigentliche Herausforderung für die Hersteller. Jeder Hersteller hat hier seine eigene Software programmiert und diese ist entscheidend.

Mustererkennung durch (ausgefeilte) Algorithmen

Algorithmen der Mustererkennung werden genutzt die Messdaten in entsprechende Interpretationen umzuwandeln. Dafür sind aufwändige Tests bei den Herstellern notwendig. Ganz klar das 20 € Tracker hier nicht die gleichen Investitionen hatten, wie ein 300 € Premium-Tracker.

Bei meinen eigenen Testberichten bin ich trotzdem manchmal erstaunt wie gut günstige Geräte teilweise sind. Dazu zählt zum Beispiel das Xiaomi Mi Band 3 (zum Test). Kostet nicht viel mehr als 20 €, liefert aber ziemlich genaue Daten. GPS ist aber natürlich nicht drin.

Schlafüberwachung – wie geht das denn?

Schlafanalyse in der Fitbit App
Das Fitbit Charge 3 überwacht zahlreiche Messdaten im Schlaf. Dazu gehört auch die Schlaflänge und Schlafphasen.

Die meisten Fitness-Armbänder sind auch in der Lage den Schlaf aufzuzeichnen und zu analysieren. Die verschiedenen Schlafphasen werden erkannt und aufgezeichnet.

Aber wie funktioniert das eigentlich?

Das Prinzip beruht auf den Sensoren, die ich gerade vorgestellt haben. Vor allem die Bewegungssensoren, Beschleunigungssensoren und auch der Gyroskop-Sensor. Über diesen kann man zum Beispiel messen, wie oft man sich in der Nacht herumwälzt. Darauf kann man die Schlafphase schon mal vermuten.

Durch die Bewegungssensoren kann gemessen werden, wie unruhig wir im Bett liegen. Bewegen wir uns viel während des Schlafs oder liegen wir ganz ruhig da. Durch Tests in Schlaflabors können die Hersteller ermitteln, wie das Bewegungsverhalten in den verschiedenen Schlafphasen ist.

So kann ein Rückschluss auf die Tiefschlafphase und die Phase des leichten Schlafs gemacht werden. Durch die Aufzeichnung dieser Daten und die spätere Übertragung in die Smartphone App können so interessante Analysen erstellt werden. Dazu gehören beispielsweise:

  • Wie lange Du geschlafen hast
  • Wie lange die Tiefschlafphase war
  • Wie lange die Phase des leichten Schlafs war
  • Wie oft man nachts aufgestanden und auf die Toilette gegangen ist
  • Wie oft der Schlaf unterbrochen worden ist
  • und sogar wie oft wir uns nachts umgedreht haben

Ich persönlich schau mir gern in der App an, wie mein Schlaf die letzte Woche ausgesehen hat. Mir geht es gar nicht nur um die komplizierten Sachen und wie lange meine Tiefschlafphase ist. Vor allem geht es mir auch darum, mich ein wenig zu disziplinieren und früher ins Bett zu gehen. Denn 7 Stunden Schlaf pro Nacht sollten es eigentlich schon sein, um auf Dauer leistungsfähig zu bleiben (mehr dazu: Studie zur optimalen Schlafdauer).

Quellen und weiterführende Links

  • Über das 1. und 2. Newtonsche Gesetz: Zum Artikel
  • Info über Mikrosysteme in der Elektronik: zu Wikipedia
  • Wie die Optoelektronik in Fitnessarmbändern den Puls misst. Zum Artikel
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