Das Motto für diesen Valentinstag: „Listen to Your Heart“
Nein, das ist nicht nur eine Zeile aus dem treffend betitelten Stück der schwedischen Rockband Roxette, sondern ein wachsender Trend im Bereich Gesundheit und Wellness.
Soweit es um Gesundheit und Leistung geht, gibt es zwei Hauptkategorien von Daten, die übertragen werden müssen: Bewegungsabläufe (mit MEM-Sensoren) und physiologische Daten. Wenn es um physiologische Daten geht, ist das Herzfrequenz-Messgerät das häufigste, aber auch das konzeptionell anspruchsvollste.
Das Herzfrequenz-Messgerät basiert im Wesentlichen auf zwei Technologien: der Infrarotsensorik und der Elektrokardiographie. Die Elektrokardiographie registriert die elektrische Aktivität des Herzens über einen bestimmten Zeitraum. Dazu werden auf dem Körper des Patienten Elektroden platziert. Diese Elektroden weisen die winzigen elektrischen Ladungsverschiebungen auf der Haut nach, die durch die Polarisierung des Herzmuskels während der Herzmuskelkontraktion verursacht werden. Dieses Verfahren ist sehr genau und eignet sich zur Erkennung von Anomalien des Herzens. Andererseits ist die Anwendung für den kommerziellen Markt zu umständlich, da die Elektroden an der Haut befestigt werden müssen.
Eine zweite Lösung basiert auf der Photoplethysmographie. Dieses komplexe Wort beschreibt eine einfache Tatsache: Blut rot ist, weil es rotes Licht reflektiert und grünes Licht absorbiert. Die zyklische Kontraktion und Entspannung des Herzmuskels hält den Blutkreislauf in Gang. Dabei kommt es zu periodischen Schwankungen der Blutflussintensität in den Venen. Diese Änderungen der Flussintensität wiederum verändern die Lichtabsorptionseigenschaften des Blutes. Mit einer geeigneten elektronischen Schaltung können diese Veränderungen gemessen werden.
Innerhalb der Photoplethysmographie wiederum stehen zwei Methoden zur Verfügung: das Transmissionsverfahren und das Reflexionsverfahren. Das Transmissionsverfahren wird in der Medizintechnik eingesetzt. Dabei kommt ein kleiner Clip über die Fingerspitze. Ganz offensichtlich ist dies für ein Fitnessgerät nicht sehr praktisch. Die Lösung für Wearables ist das Reflexionsverfahren.
Es kann diskret mit einer speziellen Infrarot-LED oder einer grünen LED aufgebaut werden, einer Fotodiode, die das reflektierte Signal empfängt, einem Verstärker und einem A-D-Wandler sowie einem Mikrocontroller, der das Signal verarbeitet. Das empfangene Signal liegt im Bereich von einigen zehn Mikrovolt. Daher muss das Signal von einem Low-Power-Operationsverstärker wie dem TSU104 von STMicrolectronics auf übliche Pegel gebracht werden.
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Eine weitere Option ist eine integrierte Lösung. Silicon Labs bietet die Familie Si114x an. Der Si1147-M01 integriert ein optisches Sensormodul, das eine hochintegrierte optomechanische Lösung für Annäherung, Umgebungslicht, Herzfrequenz, UV-Index und alle Signalverarbeitungsfunktionen umfasst.
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Das Design zur Messung der Herzschlagfrequenz ist wegen der vielen Störsignalquellen eine Herausforderung. Dazu zählen Muskelkontraktionen, instabiler Körperkontakt, Hautfarbe, Tattoos, Körperbehaarung usw.
Sobald die Herzfrequenz bekannt ist, kann die Anzahl der verbrannten Kalorien berechnet werden. Tatsächlich hängt die Anzahl der während des Trainings verbrannten Kalorien von der durchschnittlichen Herzfrequenz und der Trainingsdauer ab. Die anderen Parameter, die in die Berechnung des Kalorienverbrauchs eingehen, sind konstant. Daher können Wearables die Menge der verbrannten Kalorien einfach berechnen und anzeigen.
Wenn Sie Ihren eigenen Fitness-Tracker bauen möchten, gibt es mehrere Gleichungen, die verbrannten Kalorien zu schätzen, die bei verschiedenen körperlichen Aktivitäten verbrannt werden. Zum Beispiel gelten für das Gewichtheben und das Cardio-Training unterschiedliche Formeln. Die Gleichung für das Cardio-Training, die mittlerweile zum Quasi-Standard geworden ist, stammt vom Journal of Sports Science und bietet für jedes Geschlecht eine eigene Formel:
Für Männer:
Kalorienverbrauch = [(Alter x 0,2017) + (Gewicht x 0,199) + (Herzfrequenz x 0,6309) – 55,0969] x Zeit / 4,184.
Für Frauen:
Kalorienverbrauch = [(Alter x 0,074) – (Gewicht x 0,126) + (Herzfrequenz x 0,4472) – 20,4022] x H / 4,184.