Wearables 13. Okt 2023 Von Christoph Sackmann Lesezeit: ca. 7 Minuten

So genau messen Smartwatches Vitalfunktionen

Moderne Smartwatches sind kleine Gesundheitswunder: Sie messen nicht nur Puls und Blutdruck, sondern längst auch Atmung, Stresslevel und bei Frauen den Menstruationszyklus. Dabei haben sie nur am Handgelenk Kontakt mit dem Körper. Doch wie exakt sind die Ergebnisse?

Smartwatches wie die Scanwatch Horizon von Withings erlauben unter anderem die Durchführung eines schnellen EKGs.
Foto: Withings

Smartwatches versuchen sich gegenüber herkömmlichen Armbanduhren längst nicht mehr als Erweiterung des Smartphones zu etablieren, sondern mit eigenen Funktionen zu punkten. Fast alle Hersteller haben dabei die Überwachung der Gesundheit als eigenständige Fähigkeit ausgemacht. Obwohl die Uhren nur am Handgelenk mit dem Körper verbunden sind, können sie mittlerweile Puls, Blutdruck, Atmung, Körpertemperatur, Stresslevel, den Schlafrhythmus und bei Frauen sogar den Menstruationszyklus messen. Dabei gibt es durchaus Unterschiede. Wir erklären, wie das technisch geht, wie exakt die Messungen dabei sind und welchen Funktionen Sie mehr oder weniger vertrauen können.

So messen Smartwatches den Puls

Pulsmessungen am Handgelenk, das klingt zunächst trivial. Allerdings messen Smartwatches dabei nicht die Zuckungen der Pulsader von Trägerin oder Träger. Verantwortlich für die Pulsmessung ist stattdessen eine kleine, grün leuchtende LED an der Innenseite der Uhr. Dabei wird eine Methode namens Photoplethysmographie genutzt. Sie funktioniert sehr simpel: Das grüne Licht dringt in die Haut ein und wird von dort reflektiert. Der Trick: Da Grün und Rot auf den gegenüberliegenden Seiten des Farbspektrums stehen, absorbiert es die roten Blutkörperchen. An der Menge an grünem Licht, das reflektiert wird, kann ein Lichtsensor an der Unterseite der Uhr also in Echtzeit erkennen, wie viel Blut gerade durch die Adern fließt, und aus den Wellenbewegungen den Puls berechnen.

Selbstoptimierung wird zum Teil des Alltags

Mehrere Studien wurden in den vergangenen Jahren durchgeführt, um die Genauigkeit dieser Messungen zu bestimmen. Dabei zeigte sich, dass die Methode bei jedem Hauttyp funktioniert und zumindest bei normalen Pulsraten von unter 100 ziemlich genau ist. Ungenauer wurden die Messungen meist bei anstrengenden Aktivitäten oder bei solchen, bei denen die Uhr am Handgelenk oft verrutschte – etwa beim Tippen am Computer oder beim Laufen. Eine Studie von 2019, bei der unter anderem die damals aktuelle Apple Watch 3 getestet wurde, kommt auf eine durchschnittliche Abweichung von 10 % zum korrekten Puls. Das ist für Mediziner im akzeptablen Bereich und immer noch besser als gar keine Pulsmessung.

Auf der Apple Watch können Nutzer unter anderem Benachrichtigungen über hohe und niedrige Herzfrequenzen aktivieren. Foto: Apple

Blutdruckmessung: Für neuere Smartwatches kein Problem?

Einige neuere Uhren wie die Samsung Galaxy Watch 5 und die Huawei Watch D werben mit einer Funktion, bei der die Uhr den Blutdruck misst. Während die Hersteller mit akkuraten Messungen werben, gibt es aktuell jedoch keine unabhängigen Studien, die das bestätigen. Forschende sind aber skeptisch, ob Messungen am Handgelenk verlässlich sein können. Das liegt an der allgemeinen Schwierigkeit, den Blutdruck zu messen. Selbst die übliche Methode mit einem Band über dem Oberarm ist nur die beste Annäherung, die sich mit einer nicht invasiven Methode erzielen lässt. Die Blutdruckmessung am Oberarm funktioniert so: Das Band baut so lange Druck auf, bis der Blutfluss im Oberarm gestoppt wird. Früher musste ein Arzt das manuell abhören, heute können das Maschinen feststellen und gleichzeitig messen, bei welchem Druck das Blut danach wieder fließt.

Die Methode des Blutdruckmessens am Oberarm funktioniert am besten, weil es hier eine der größten Adern im Körper gibt und weil der Oberarm etwa auf Höhe des Herzens liegt. Beides trifft auf die Adern am Handgelenk nicht zu. Zudem schwankt der Blutdruck über den Tag. Trägerin oder Träger sollte also einzelnen Messungen der eigenen Smartwatch nicht allzu viel Gewicht beimessen. Die misst den Blutdruck ähnlich wie den Puls über die Veränderung des Volumens des Blutes in den Adern – also nicht direkt den Blutdruck.

Die Sauerstoffsättigung zu messen ist für Smartwatches noch problematisch

Eine Smartwatch schickt nicht nur grünes Licht in den Arm, sondern auch unsichtbare Infrarotstrahlen. Die absorbieren die Reflexion der roten Blutkörperchen. Umso mehr Licht zurückkommt, umso „heller“ das Blut also ist, desto höher ist die Sauerstoffkonzentration. Ein Sensor in der Uhr misst das reflektierte Licht und errechnet daraus Ihre Sauerstoffsättigung, die idealerweise zwischen 95 % und 100 % liegen sollte. Bei weniger als 90 % besteht eine hohe Gefahr für die Organe.

Wie gut Smartwatches messen können, testeten Forschende der Duke University in North Carolina in den USA erst dieses Jahr. Sie verglichen die Messungen verschiedener Smartwatches mit einem anerkannten medizinischen Gerät. Das Resultat war ernüchternd. Als bester Smartwatch gelang es der Apple Watch 7, gerade einmal 58 % der Messungen so akkurat durchzuführen, dass sie im annehmbaren Fehlerbereich des Vergleichsgeräts lagen. Oder anders ausgedrückt: 42 % der Messungen wichen so weit ab, dass sie medizinisch nicht verwertbar waren. Die anderen Uhren hatten eine Genauigkeit von 17 % bis 42 %.

Körpertemperatur messen: Nur auf den ersten Blick für Smartwatches eine einfache Aufgabe

Seit diesem Jahr bieten einige Uhren wie die Samsung Galaxy Watch und die Huawei GT 4 die Funktion an, die Hauttemperatur zu messen. Auf den ersten Blick scheint das trivial, schließlich liegt die Uhr sowieso an der Haut an, und ein einfacher Temperatursensor sollte genügen. Doch so trivial ist es nicht. Thermometer haben im Allgemeinen die Angewohnheit, dass sie nicht die Temperatur der Umgebung messen, sondern ihre eigene Temperatur. Nun würden Sensoren an der Uhr von der Smartwatch selbst aber stärker aufgeheizt werden als von der Haut und so immer nur die Temperatur der Uhr anzeigen. Deswegen nutzen Smartwatch-Hersteller eine andere Methode. Sie messen die Hauttemperatur in einer Ruhephase, meistens, wenn Träger oder Trägerin schläft. Bei einigen Modellen kann es mehrere Nächte dauern, bis die Uhr daraus die Basistemperatur des Nutzers ermittelt. Über den Tag werden dann nur Veränderungen dieser Temperatur gemessen und angezeigt.

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Das ist – aus medizinischer Sicht – wenig hilfreich. Erstens sehen Träger nur Veränderungen ihrer Hauttemperatur. Die schwankt aber schon, wenn man sich in die Sonne setzt, anstatt im Haus zu bleiben. Sie lässt wenig Rückschlüsse auf die Körpertemperatur zu, kann also nicht etwa Fieber anzeigen. Dafür sind Messungen im Körper oder per Laser erforderlich, doch für Letzteres müsste die Uhr mehr Abstand zur Haut haben. Die Temperaturanzeigen sollten Smartwatch-Nutzer deshalb vorerst ignorieren.

Atmung mit der Smartwatch tracken

In einem Schlaflabor würde die Atmung des Probanden über einen Bauchgurt gemessen werden, der das Heben und Senken der Bauchdecke überwacht. Smartwatches hingegen nutzen die oben erwähnte Photoplethysmographie. Die Volumenänderungen der Adern, an denen sich auch der Puls ablesen lässt, folgen einem Muster, aus dem sich auch die Atmung ablesen und errechnen lässt. Das geschieht ziemlich genau. Forschende der Purdue University in den USA fanden schon 2018 heraus, dass die damals erhältlichen Geräte im Schnitt nur um drei bis vier Atemzüge pro Minute abweichen, was im akzeptablen Rahmen liegt. Die Atemanalyse der Smartwatch allein hat aber kaum eine medizinische Bedeutung. Sie wird bei Smartwatches nur als Hilfsmittel für die Messung von Schlafrhythmus und Stresslevel benutzt.

Mit der Samsung Galaxy Watch lassen sich zahlreiche Werte messen, neben Funktionen zur EKG- und Blutdruck-Messung sind unter anderem eine Schlafwertanalyse und ein Menstruationszyklus-Tracking möglich. Foto: Samsung

So beeinflusst die Smartwatch-Meldung zum Schlafrhythmus den Tag

Wer seine Smartwatch im Schlaf trägt, bekommt am nächsten Morgen einen Bericht zur Schlafqualität. Aufgelistet wird zum Beispiel, wann der Schlaf leicht und wann er tief war und wie oft es Aufwachphasen gab. Über den Atemmonitor können die Uhren theoretisch auch Atempausen aufzeichnen. Die Uhren kombinieren dafür viele Sensordaten wie Puls, Atmung, die Bewegungssensoren und Hauttemperatur, um die passenden Schlafphasen zu ermitteln. Die Genauigkeit dabei ist bescheiden.

Eine Studie in der Fachzeitschrift „Nature & Science of Sleep“ aus den USA attestierte den Uhren, mit 90%iger bis 95%iger Genauigkeit zu erkennen, dass Sie gerade schlafen. Aber: Wenn man im Bett liegt, aber noch wach ist, erkennen die Uhren das nur mit einer Trefferquote von 60 % bis 75 %. Die Trefferquote für die verschiedenen Schlafphasen ist noch geringer, sie lag nur bei rund 50 % – also so gut wie ein Münzwurf. Das hat psychologische Auswirkungen: Eine Studie der University of Oxford fand 2018 heraus, dass Probandinnen und Probanden, deren Uhr ihnen am Morgen einen schlechten Schlaf attestierte, sich müder fühlten und schlechter gelaunt waren als solche mit positiven Rückmeldungen. Wie gut ihr Schlaf zuvor tatsächlich war, spielte dabei keine Rolle.

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Stresslevel: Jede Smartwatch misst anders

Wie gestresst Nutzer gerade sind, messen unter anderem neuere Smartwatches wie die Google Pixel Watch 2, die Fitbit Sense 2 und die Huawei GT 4. Sie nutzen dafür einen Indikator namens „Heart Rate Variability“, der anzeigt, wie stark die Zeit zwischen den Herzschlägen schwankt. Diese Variabilität wird unter anderem von der Atmung beeinflusst. Es geht dabei um Abweichungen im Bereich von weniger als 0,12 s. Umso höher diese Variabilität, desto mehr steht man unter Stress. Andere Daten wie eine schnellere Atmung oder ein erhöhter Puls unterstützen die Stressmessung. Tatsächlich ist diese zu mindestens 70 % korrekt, was im medizinischen Sinne ausreichend ist. Allerdings geben Uhren dieses Stresslevel meist auf einer willkürlichen Skala von 1 bis 100 an, die je nach Hersteller anders geeicht ist. Das gleiche Level auf verschiedenen Uhren bedeutet also nicht dieselbe Stresserfahrung – und wird deswegen einem Arzt für Diagnosen nicht weiterhelfen.

Herzrhythmusmessung mit der Smartwatch: eine sinnvolle Sache

Da Smartwatches sowieso die Aktivität des Herzens über die Adern messen, lassen sich mit manchen Modellen auch Elektrokardiogramme (EKGs) erstellen. Zu denen mit dieser Funktion gehören etwa die Samsung Galaxy Watches ab Version 4, die Fitbit Sense, die Huawei Watch Ultimate und die Withings Scanwatch. Im Gegensatz zu anderen Funktionen wird das EKG dabei nicht passiv gemessen, sondern Nutzende müssen die Messung aktiv starten. Das liegt daran, dass sie vor der Messung etwa mehrere Minuten ruhig bleiben und eine bestimmte Körperpose einnehmen müssen.

Tatsächlich sind die Messungen – wenn korrekt durchgeführt – dann äußerst genau. Eine Studie der Harvard University fand vergangenes Jahr heraus, dass Herzrhythmusstörungen mit den Uhren sogar bis zu 95 % genau erkannt werden können, wenn die Uhr bei der Messung an acht verschiedene Körperstellen gehalten wird. Zwar sollte eine von einer Smartwatch diagnostizierte Rhythmusstörung Sie deswegen noch nicht in Panik versetzen, aber es könnte ein Indikator sein, einmal zum Arzt zu gehen.

Menstruationszyklus erfassen ist (noch) Handarbeit

Zwar ist das Aufzeichnen des Menstruationszyklus schon seit Jahren ein Feature von Smartwatches, aber bisher funktioniert das meist noch manuell. Nutzerinnen müssen ihre selbst beobachteten Daten in die Uhr eintragen, die dann daraus die normale Zyklusdauer errechnen und entsprechende Benachrichtigungen geben kann. Das ist mehr ein digitaler Kalender als eine proaktive App. Samsung, Apple und Huawei versuchen in ihren aktuellen Modellen nun, diese manuellen Aufzeichnungen mit Messungen zu unterstützen. Meist nutzen sie dafür Änderungen der Hauttemperatur im Schlaf. Medizinisch zertifiziert ist aber noch keines dieser Features und sollte daher auf keinen Fall zur Verhütung eingesetzt werden.

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