Was taugen die Messdaten von
Sportuhren und Fitness-Trackern? Teil 1

Januar . 2021

Sportuhren und Fitness-Tracker bieten immer mehr Analysen, Daten und Funktionen. Aber was taugen die Messdaten wirklich? Wie genau, zuverlässig und aussagekräftig sind die Werte? Wir sagen es Dir. 

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Wer regelmäßig Sport macht und seine Leistungen, seine Erfolge und Entwicklungen überprüfen möchte, hat wahrscheinlich eine Sportuhr oder einen Fitness-Tracker. Die preisliche Spanne reicht bei diesen Geräten von knapp über 100 Euro bis weit über 1.000 Euro. Im Netz gibt es unzählige Vergleiche und Testergebnisse zu den einzelnen Produkten. Aber was taugen die Messergebnisse und Daten denn tatsächlich? Wie genau sind die Werte und welche Aussagekraft besitzen sie? Welche Unterschiede gibt es und sind die Daten auch für medizinische Zwecke nutzbar? Antworten auf diese Fragen möchten wir Dir hier geben.

Die Anzahl der möglichen Messdaten ist für alle Geräte begrenzt!

Zunächst einmal: Die Anzahl an möglichen Messungen ist für alle Sportuhren und Fitnesstracker begrenzt. Auch wenn die unterschiedlichen Modelle sich in den Funktionalitäten stark unterscheiden und generell gesagt werden kann, dass mit der Anzahl der Funktionen der Preis steigt, so beziehen sich diese Funktionen doch immer auf ein recht begrenztes Datenmaterial. Hieraus werden dann lediglich unterschiedliche Funktionen abgeleitet. Ein Großteil der vielen verschiedenen Modi, Auswertungen und Analysen beruhen letztlich immer auf begrenzten Datenressourcen, die dann anhand von Modellen und Algorithmen zu immer neuen, komplizierten und differenzierten Anwendungen verknüpft werden. Wir stellen Dir jetzt einige unterschiedlichen Messungen vor und untersuchen, welche Messverfahren es dafür gibt und welche Aussagekraft diese besitzen. Viel Spaß.

Herzfrequenz

Die Herzfrequenz wird von den meisten Uhren gemessen. Die Herzfrequenz ist ein maßgeblicher Wert, der vielen Auswertungen zu Grunde liegt. Veränderungen in der Fitness, Schlafqualität oder Stresslevel lassen sich ohne diesen Wert nicht bestimmen. Hier offenbart sich auch schon das erste Problem. Die Messung der Herzfrequenz ist praktisch ein „Basiswert“. Ist diese Messung ungenau, sind auch die daraus abgeleiteten Analysen und Empfehlungen ungenau. Die Herzfrequenz kann auf zwei Arten gemessen werden

Optischer Sensor - Sportuhren

Die Messung der Herzfrequenz/des Puls mit einem optischen Sensor kann ganz leicht am Handgelenk erfolgen. Bei dieser Messmethode werden mittels LED-Licht die Blutgefäße durchleuchtet. Je nach Blutvolumen werden die LED-Lichtstrahlen entweder reflektiert oder absorbiert. So wird das Ergebnis ermittelt. Gegenüber einem Brustgurt ist diese Messmethode vor allem bei Frauen beliebt, da der BH nicht mit dem Brustgurt kollidiert. Das Problem dabei: Die Herzfrequenzmessung mittels optischem Sensor ist ziemlich ungenau. Eine ganze Reihe an äußeren Faktoren können die Messung beeinflussen. Dazu gehören die Hautfarbe, die Körperbehaarung oder die Passform des Gerätes. Eine Studie mit 50 Probanden hat darüber hinaus festgestellt, dass die optischen Sensoren umso ungenauer wurden, je höher die Belastung war. Zurückzuführen war dies vor allem auf erhöhte Schweißabsonderung, die dazu führte, dass die Uhren nicht mehr fest am Handgelenk saßen und verrutschten.

Abbildung 1
Abbildung 2

Elektrodenmessung – Brustgurt

Brustgurte messen die Herzfrequenz über zwei Elektroden. Diese zeichnen die unterschiedlichen Impulse auf, die vom Herz ausgehen. Mithilfe der Spannungsunterschiede zwischen rechter und linker Körperseite wird dann die Herzfrequenz berechnet. Bei der Studie, die wir bereits angesprochen haben, waren die Brustgurte den Messungen mit optischem Sensor weit überlegen. Bei allen Belastungsstufen zeigten die Brustgurte keine maßgeblichen Abweichungen von EKG-Werten, also dem exaktesten, medizinischen Messverfahren.

Fazit

In Ruhe oder bei mäßiger Belastung sind die Werte, die mit optischen Sensoren ermittelt werden, einigermaßen genau. Sie sind generell ungenauer als die Messwerte mit Brustgurt, haben aber eine wenngleich eingeschränkte, so doch brauchbare Aussagekraft. Für die Analyse der Schlafqualität, des Stresslevels oder anderer Werte, die in der Regel nicht unter körperlicher Belastung ermittelt werden, sind sie genau genug. Wenn Du aber Dein Training überwachen, Deinen Fitnesszustand analysieren oder Deine Leistungsveränderungen dokumentieren möchtest, kommst Du an der Messung mittels eines Brustgurtes nicht herum.

Sauerstoffsättigung (Pulsoximetrie)

Die Sauerstoffsättigung ist der zweite wesentliche Fitnesswert. Vielleicht hast Du Dich schon einmal gefragt, weshalb Sportuhren in der Regel keine Dauermessung anbieten. Das liegt daran, dass das dafür verwendete Messprinzip sehr energieintensiv ist und der Akku bei einer Langzeitmessung sehr schnell leer wäre. Daher messen Sportuhren und Fitness-Tracker die Sauerstoffsättigung meist als Einzelwert, in Intervallen oder über eine kurze Zeitspanne hinweg. Es kommen zwei Messverfahren zum Einsatz.

Pulsoximetrie mittels Durchleuchtung

Vielleicht hat ein Arzt bei Dir schon einmal die Sauerstoffsättigung gemessen. Das geschieht in der Regel am Ohrläppchen oder am Finger. Also an Stellen, an denen die Haut sehr dünn ist. Das muss auch so sein. Denn bei diesem Verfahren wird Licht durch das Gewebe geschickt. Gemessen wird, wieviel Licht welcher Wellenlänge absorbiert wird, wieviel des ausgesandten Lichtes also am anderen Ende des Fingers oder Ohres ankommt. Wenn Hämoglobin im Blut viel Sauerstoff enthält, werden andere Wellenlängen des Lichtes absorbiert, als wenn das Blut wenig Sauerstoff enthält. Dieses Messverfahren ist sehr genau. Aber wer möchte schon mit einem Clip am Ohr oder am Finger auf die Laufstrecke gehen? Um es für den Sportler angenehmer zu machen, basieren die Messungen von Fitnessuhren auf einem anderen Prinzip.

Pulsoximetrie mittels Reflektion

Das PPG-Verfahren (Photoplethysmographie) basiert nicht auf Absorption, sondern auf Reflektion. Hier wird das reflektierte Licht gemessen. Licht wird also am Handgelenk auf die darunter liegenden Gefäße geschickt und es wird gemessen, wieviel des Lichtes in welchem Spektrum zurückkommt. Dieses Messverfahren ist leider nicht sehr genau, die Fehlerquote ist insgesamt recht hoch. Für medizinische Zwecke kann dieses Verfahren keinesfalls herangezogen werden.

Fazit

Die Daten von Sportuhren sind in Ordnung, um einen generellen Anhaltspunkt über den aktuellen Zustand zu bekommen. Dafür sind sie ausreichend und nur dafür sind sie gedacht. Wer aber verlässliche Werte haben möchte, sollte auf ein Gerät mit Durchleuchtungstechnik zurückgreifen. Diese Geräte sind bereits für wenig Geld im Internet erhältlich. Es sollte an dieser Stelle aber darauf hingewiesen werden, dass sich Messungenauigkeiten von unterschiedlichen Messverfahren aufaddieren. Weist also die Herzfrequenzmessung geringe Abweichungen auf und diese Werte werden mit fehlerhaften Messungen der Sauerstoffsättigung verknüpft, wird das Endergebnis insgesamt noch ungenauer, als die Ungenauigkeit der Einzelwerte.

Zwischenergebnis – Je detaillierter, desto ungenauer

Aus diesem Grund kann als Zwischenergebnis festgehalten werden: Je detaillierter die Auswertungen und Analysen, die Empfehlungen und Vorhersagen, desto ungenauer werden sie. Denn je mehr die unterschiedlichen Funktionen der Sportuhren ins Detail gehen, desto mehr Messwerte werden in der Regel kombiniert. Und diese sind generell nicht so zuverlässig und belastbar, wie bei medizinischen Messverfahren. Die Sportuhren erfüllen ihren Zweck, um dem Nutzer wertvolle und nützliche Hinweise zu geben und einen Überblick über die Fitness-Situation und andere Parameter zu liefern. Sie sind jedoch immer unter dem Gesichtspunkt zu betrachten, dass die Daten eine nicht unerhebliche Verzerrung aufweisen können. Da diese Verzerrungen aber immer ähnlich stattfinden, kann ein Verlauf z. B. in der Entwicklung der Fitness trotzdem recht aussagekräftig dargestellt werden. Wer aber seinen Trainingszustand oder seine Schlafqualität wirklich genau messen möchte, der kommt an anderen Messverfahren oder der Kombination von Sportuhr und z. B. Brustgurt nicht vorbei.


Barometrische Messung – Höhe und Wetter

Die Höhenmessung kann ohne barometrische Werte erfolgen. Hierbei wird das Höhenprofil auf der Karte mit der zurückgelegten Strecke abgeglichen. Dafür ist ein GPS-Tracking notwendig. Diese Messmethode ist sehr ungenau und wird auch nur selten als einzige Messmethode verwendet. Höhenmessungen erfolgen in der Regel als

Barometrische Messung - Höhe

Das Verfahren ist hierbei sehr einfach und basiert auf der Tatsache, dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt. Gemessen wird also der Druckunterschied bzw. der atmosphärische Druck an einem bestimmten Standort. Bei der Messung der zurückgelegten Höhenmeter über eine bestimmte Zeit werden dann die Daten der Höhenmessung auf einer Zeitachse dargestellt. Auch der Neigungsgrad (Hangneigung) über einen bestimmten Zeitraum lässt sich so darstellen, indem der zurückgelegte Weg (horizontal – also in der Weite) mit dem zurückgelegten Weg (vertikal – also in der Höhe) kombiniert werden. Das klingt jetzt alles recht theoretisch, ist aber im Prinzip ganz einfach.

Die Uhr weiß, dass auf Meereshöhe der Druck in der Regel 1013,25 hPa (Hektopascal) beträgt und in 1000 Meter Höhe bei 891,2 hPa liegt. Genau bei der Bezeichnung „in der Regel“ liegt das Problem. Um z. B. am 15. Juli auf der Zugspitze (2.962 m) auf dem Gerät die richtige Höhe angezeigt zu bekommen, sollte laut Modell der Druck am Gipfel bei 692,80 hPa liegen. Das tut er aber nicht immer. Liegt über der Zugspitze ein massives Hochdruckgebiet, so ist der Druck an diesem Tag höher als 692,80 hPa. Je höher der Druck, desto tiefer ist man. Das Gerät zeigt evtl. „nur“ 2.912 m an. Liegt über dem Gipfel an diesem Tag ein kräftiges Tiefdruckgebiet, so zeigt das Gerät evtl., dass der höchste deutsche Gipfel eben doch über 3.000 Meter hoch ist. Zumindest an diesem Tag. Um also tagesaktuell richtige Werte zu erhalten, muss das Gerät vor jedem Start kalibriert werden.

Für die Messung der zurückgelegten Höhenmeter ist das nicht notwendig, da sich der Messfehler durch den ganzen Tag Deiner Tour durchzieht. Größere Messfehler können aber auftreten, wenn sich im Tagesverlauf das Wetter stark ändert. Gehst Du also bei tollem Wetter los und im Tagesverlauf zieht ein kräftiges Tiefdruckgebiet auf, zeigt Dir die Uhr oder das GPS-Gerät am Tagesende deutlich mehr zurückgelegte Höhenmeter an, als es tatsächlich waren.

Barometrische Messung - Wetter

Die meisten Uhren und Geräte verfügen über Wetterdaten und Warnungsfunktionen. Während Wetterdaten und Vorhersagen sich in der Regel auf Daten aus dem Internet stützen, basieren Wetterwarnungen meist ebenfalls auf den barometrischen Druckdaten. Fällt der Druck beispielsweise über einen gewissen Zeitraum überdurchschnittlich stark ab, so kann das zwei Ursachen haben: Entweder Du bist in einer Höllengeschwindigkeit den Berg hinaufgelaufen. Oder aber der Druck hat sich verändert, weil ein Tiefdruckgebiet im Anmarsch ist. Das Gerät kann den Unterschied zunächst einmal nicht erkennen. Wenn aber die Daten mit GPS-Daten Deiner Tour abgeglichen werden, so kann das Gerät erkennen, dass der Druckverlust wohl kaum auf Deine Top Kondition zurückzuführen ist. In dem Fall warnen viele Geräte dann vor aufkommendem schlechtem Wetter. Vorsicht ist vor allem geboten, wenn Geräte den barometrischen Druck messen, aber nicht über ein GPS-Tracking verfügen. Derartige Wetterwarnungen sind dann in jedem Fall vor dem Hintergrund Deiner Aktivität zu bewerten.

Fazit

Die Messung der Höhe und der zurückgelegten Höhenmeter mit Hilfe der barometrischen Messung ist generell recht zuverlässig und genau. Für die meisten Anwendungen und Auswertungen sind Messfehler und Abweichungen, die sich z. B. durch Hoch- oder Tiefdruckgebiete oder aber eine Wetteränderung ergeben, zu vernachlässigen. Wer aber genaue Werte haben möchte, der sollte vor Beginn der Tour den aktuellen Luftdruck am Ort ermitteln und die Uhr kalibrieren. Messungenauigkeiten über den Tag sollten bei Auswertungen berücksichtigt werden.
Generell gilt, dass die Anzeige von Höhenwerten und -profilen deutlich genauer ist, als eine Wetterprognose oder -warnung allein anhand von Druckunterschieden.

Wie geht es weiter?

Im nächsten Teil des Blogs nehmen wir weitere Messverfahren, u. A. der Distanz, der zurückgelegten Schritte und des Körperfetts unter die Lupe. Außerdem betrachten wir, wie aussagekräftig errechnete Werte z. B. für die Schlafqualität oder den Kalorienverbrauch sind. Also nicht verpassen.