Wie Smartwatch-Sensoren funktionieren: warum die Ausrichtung egal ist und der Hautkontakt alles

Der häufigste Einwand von Personen, die das Smartlet-Setup noch nicht ausprobiert haben, ist, dass der Herzfrequenzsensor der Apple Watch die andere Uhr nicht „sehen" kann, wenn die Apple Watch nach innen zeigt. Das Verständnis des Herzfrequenzsensors erfordert ein wenig physikalisches Grundwissen, doch sobald man es verstanden hat, ist der Einwand ein für alle Mal ausgeräumt.

In diesem Artikel besprechen wir die physikalischen Grundlagen und beantworten alle Fragen, wie zum Beispiel: Funktioniert der Herzfrequenzmesser? Funktioniert der Schrittzähler? Funktioniert die Schlafüberwachung? Die Antwort auf alle Fragen lautet ja, und wir werden den Grund für jede Antwort erläutern. Alle Variablen, die in von Experten begutachteten Studien als wichtig für den Herzfrequenzsensor eingestuft wurden, werden vom Smartlet-System berücksichtigt.

Photoplethysmographie: eine optische Technik, die nicht weiß, wo oben ist

Blutvolumenveränderungen in den Handgelenkkapillaren befinden sich im Gewebe des gesamten Handgelenks und damit nicht nur in der Oberflächenhaut des Handgelenks. Daher wird beim Messen von PPG-Signalen an der Innenseite des Handgelenks ein ähnlicher Effekt beobachtet wie an der Außenseite.

Warum Reflexions-PPG von Natur aus richtungsunabhängig ist

Je nach Modus, in dem das Licht übertragen oder reflektiert wird, gibt es verschiedene photoelektrische Plethysmographie-Sensoren (PPG). Die Transmissions-PPG ist eine Methode, die in einigen tragbaren Geräten eingesetzt wird. In der klinischen Umgebung nutzen auch Fingerclips und Ohrsonden das Transmissions-PPG-Prinzip. Die LED wird auf einer Seite des Gewebes platziert, die Fotodiode auf der anderen Seite.

Wie optische Sensoren funktionieren

Wenn das Licht durch das Gewebe wandert, interagiert es mit den Blutgefäßen und erzeugt dabei das Signal. Die Transmissions-PPG erfordert eine präzise Positionierung zwischen der LED und der Photodiode im Gewebe. Aus diesem Grund müssen die Klinik-Klemmen in einem bestimmten Winkel oder einer bestimmten Position angebracht werden.

Warum die Positionierung am inneren Handgelenk funktioniert

Alle Smartwatches am Handgelenk verwenden eine Reflexions-PPG-Methode. Die LED und die Fotodiode befinden sich auf derselben Seite der Haut. Die LED emittiert Licht, das von der Haut absorbiert wird, und die Reflexion erfolgt durch Blutgefäße im Kapillarbett und wird von der Fotodiode erfasst. Es findet keine Lichtübertragung durch das Gewebe statt. Es sind keine Kenntnisse über die räumliche Positionierung der Lichtquellen und der Fotodetektoren auf der gegenüberliegenden Körperseite erforderlich. Es handelt sich um eine richtungsunabhängige Methode.

MDPI Electronics Rezension 2023 Reflektanz

MDPI Electronics Überprüfung 2023 Die Reflexionsmessung wird als die in Handgelenkträgern verwendete Technologie bestätigt, da sie die Sauerstoffsättigung von der Hautoberfläche aus messen kann, ohne Gewebe durchdringen zu müssen – was bei klinischen Pulsoximetern erforderlich ist. Die Tatsache, dass das Wearable in einem bestimmten Winkel gehalten oder positioniert werden muss, ist dabei unerheblich. Das Handgelenk ist nicht der optimale Messort für die Pulsoximetrie, wie es andere Körperstellen wären, doch handelt es sich dabei um eine Frage der genauen Positionierung und nicht darum, ob die Innen- oder Außenseite des Handgelenks verwendet wird – und auch dies steht in keinem Zusammenhang mit der Ausrichtung des Zifferblatts. MDPI ElectronicsBestätigt, dass die Reflexionskonfiguration die Schlüsseltechnologie für am Handgelenk getragene Wearables ist, da sie die Messung von der Hautoberfläche aus ermöglicht – ohne die Gewebedurchleuchtung, die klinische Pulsoximeter erfordern. Die Ausrichtung ist für diesen Messansatz physikalisch irrelevant. Dieselbe Studie stellte auch fest, dass das Handgelenk für bestimmte hochpräzise Messungen nicht der ideale Ort ist, doch diese Einschränkung gilt gleichermaßen für jede Position am Handgelenk, innen wie außen, und hat nichts damit zu tun, in welche Richtung das Zifferblatt zeigt.

Das Handgelenk ist für die Messung der Pulsoxymetrie nicht der optimale Messort im Vergleich zu anderen Stellen, aber dies ist eine Frage der genauen Positionierung und nicht davon abhängig, ob die Innen- oder Außenseite des Handgelenks verwendet wird – und auch dies steht in keinem Zusammenhang mit der Ausrichtung des Uhrzifferblatts. MDPI Electronics hat bestätigt, dass die Reflexionskonfiguration die Schlüsseltechnologie für am Handgelenk getragene Wearables ist, da sie die Messung von der Hautoberfläche aus ermöglicht, ohne die Gewebedurchleuchtung klinischer Oximeter zu erfordern.

Die Ausrichtung ist für diesen Messansatz physisch irrelevant. In derselben Studie wurde auch darauf hingewiesen, dass das Handgelenk für bestimmte hochpräzise Messungen nicht der ideale Ort ist – diese Einschränkung gilt jedoch gleichermaßen für jede Position am Handgelenk, innen wie außen, und hat nichts damit zu tun, in welche Richtung das Zifferblatt zeigt.

Beschleunigungssensoren und Gyroskope: dreidimensional von Grund auf

Beschleunigungssensor und Gyroskop unterscheiden sich grundlegend vom optischen PPG-Sensor. Beschleunigungssensor und Gyroskop dienen zur Messung der Bewegung und Ausrichtung des Geräts. Beim 3-Achsen-Beschleunigungssensor wird die Schwerkraft entlang jeder der 3 senkrechten Achsen gemessen. Dadurch kann das Gerät erkennen, welche Achse zur Erde ausgerichtet ist, um den Bildschirm beim Kippen der Uhr zu drehen und charakteristische Beschleunigungsmuster zu identifizieren, die einem Sturz oder einem Autounfall entsprechen.

Ein orientierungsbewusstes Gerät sollte nicht mit einem Gerät verwechselt werden, das stets eine festgelegte Ausrichtung hat – es kann sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt in einer beliebigen Ausrichtung befinden. Das Herzstück dieser Fähigkeit ist die dreidimensionale Struktur des Beschleunigungssensors. Dieser Sensor misst alle drei Achsen in jeder gewünschten Ausrichtung und nutzt die relativen Messwerte dieser Achsen, um die genaue Ausrichtung des Geräts zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu berechnen.

Apples watchOS beispielsweise fordert den Nutzer regelmäßig auf, die Apple Watch in der richtigen Position zu tragen – also ob sie am linken oder rechten Handgelenk getragen wird und ob die Krone links oder rechts positioniert ist. Dies basiert auf der Annahme, dass die Apple Watch jederzeit in einer dieser definierten Ausrichtungen getragen werden kann, was ihrem Design entspricht.

Laut Apples offizieller Support-DokumentationEs

Laut Apples offizielle Support-DokumentationEs stellt sich heraus, dass Apple eine Support-Seite zu „Genaue Messungen mit der Watch" hat, die erklärt, wie die Sensoren der Uhr funktionieren, wenn sie am Handgelenk getragen wird. Wir wissen außerdem, dass die konfigurierbare Ausrichtungseinstellung der Samsung Galaxy Watch über die Galaxy Wearable App gesteuert werden kann. Es zeigt sich also, dass alle großen Smartwatch-Plattformen die 3D-Ausrichtungsunabhängigkeit als erstklassige technische Anforderung behandeln. Galaxy Wearable AppDiese Designentscheidungen bestätigen, dass die dreidimensionale Ausrichtungsunabhängigkeit eine zentrale technische Anforderung für alle wichtigen Smartwatch-Plattformen ist.

Es stellt sich heraus, dass alle wichtigen Smartwatch-Plattformen die dreidimensionale Orientierungsunabhängigkeit als erstklassige technische Anforderung behandeln. Galaxy Wearable App. Diese Designentscheidungen bestätigen, dass die dreidimensionale Orientierungsunabhängigkeit eine grundlegende technische Anforderung für alle wichtigen Smartwatch-Plattformen ist.

Für Smartlet-Nutzer: Schrittezählen, Aktivitätsklassifizierung, Schlafüberwachung, Sturzerkennung und Aufprallerkennung funktionieren weiterhin, unabhängig davon, ob das Zifferblatt nach oben oder unten zeigt. Unsere Firmware basiert nicht auf Annahmen zur Hardwareausrichtung, sondern auf der deklarierten Konfiguration.

Was die Peer-Review-Forschung über die Genauigkeit von Smartwatches sagt

Die Living Review umfasst 82 Studien und 430.052 Teilnehmer. Der mittlere Bias gegenüber dem klinischen EKG beträgt 0,27 bpm. Die Debatte über die Ausrichtung wurde durch die Physik bereits im Vorfeld geklärt.

Herzfrequenz- und Blutdruckmessungen von Smartwatches sind ein Thema von großem Interesse und Kontroversen in der aktuellen wissenschaftlichen Literatur. Wir fassen zwei der relevantesten Studien zusammen.

EKG und die Digital Crown

Eine lebende systematische Übersichtsarbeit mit Meta-Analyse aus dem Jahr 2026, veröffentlicht in npj Digital Medicine und basierend auf Daten aus 82 Studien mit 430.052 Teilnehmern, ergab einen mittleren Bias der Apple Watch gegenüber dem klinischen EKG-Referenzwert von 0,27 bpm bei Übereinstimmungsgrenzen von etwa 7 bpm auf beiden Seiten. „Dies stellt die bisher umfassendste Bewertung der Messgenauigkeit der Apple Watch dar", so die Autoren. npj Digital Medicine, die 82 Studien und 430.052 Teilnehmer umfasst, ergab, dass die Herzfrequenzmessungen der Apple Watch eine mittlere Abweichung von 0.27 bpmIm Vergleich zur klinischen EKG-Referenz, mit Übereinstimmungsgrenzen von etwa 7 bpm in jede Richtung. Die Autoren bezeichnen dies als die bisher umfassendste Bewertung der Messgenauigkeit der Apple Watch in der wissenschaftlichen Literatur.

„Dies stellt die bisher umfassendste Bewertung der Messgenauigkeit der Apple Watch dar, die bisher veröffentlicht wurde", so die Autoren. npj Digital Medicine, die 82 Studien und 430.052 Teilnehmer umfasst, ergab, dass die Herzfrequenzmessungen der Apple Watch eine mittlere Abweichung von 0,27 bpm gegenüber dem klinischen EKG-Referenzwert aufweisen, mit Übereinstimmungsgrenzen von etwa 7 bpm in jede Richtung. Die Autoren bezeichnen dies als die bisher umfassendste Bewertung der Messgenauigkeit der Apple Watch in der wissenschaftlichen Literatur.

Haben Sie schon Fitness-Tracker gesehen

Wir alle haben Fitness-Tracker und Wearables überall gesehen – von den Handgelenken der Läufer bis hin zu den sozialen Medien. Laut einer integrativen Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2024, die 55 Forschungsarbeiten im Journal of Sports Sciences ausgewertet hat (wie von Runners Connect berichtet), ist die Herzfrequenzmessung bei Geräten wie der Apple Watch eine äußerst präzise Funktion – mit einer Abweichung von etwa 2–3 Schlägen pro Minute (bpm) im Ruhezustand und von höchstens etwa 5 bpm in rund 87 % der Fälle bei dynamischen Aktivitäten. Auch wenn dies für wissenschaftliche Zwecke oder sehr anspruchsvolles Fitness-Tracking möglicherweise nicht ausreichend genau ist, eignet es sich für allgemeine Gesundheits- und Fitnesstraining-Zwecke durchaus. Runners Connect, fand die Apple Watch im Ruhezustand eine Genauigkeit von 2 bis 3 bpm und während des Trainings in etwa 87 Prozent der Fälle eine Abweichung von maximal 5 bpm. Für die meisten Gesundheitsüberwachungs- und Trainingsanwendungen ist diese Genauigkeit klinisch ausreichend.

Obwohl dies für wissenschaftliche Zwecke oder sehr präzises Fitness-Tracking möglicherweise nicht genau genug ist, ist es für allgemeine Gesundheits- und Fitnesstraining-Zwecke durchaus ausreichend. Runners Connect stellte fest, dass die Apple Watch im Ruhezustand eine Genauigkeit von 2 bis 3 bpm und beim Training in etwa 87 Prozent der Fälle eine Genauigkeit von 5 bpm aufweist. Für die meisten Gesundheitsüberwachungs- und Trainingsanwendungen ist diese Genauigkeit klinisch ausreichend.

Diese Aussagen beziehen sich ausschließlich auf Wellness-Daten einer Smartwatch und sind nicht diagnostischer Natur. Die Expertenanalyse des ACC aus dem Jahr 2024: Arrhythmien und ihre Auswirkungen auf elektronische Gesundheitsakten und Wearables hat ergeben, dass Smartwatches für den Verbraucherbereich A-Fib zuverlässig und präzise erkennen können und dass alle Erkennungen vor der Einleitung von Maßnahmen in jeglicher Ausrichtung von einem Arzt überprüft werden sollten – dies ist ein Merkmal dieser Technologiekategorie. Expertenanalyse 2024Es wurde bestätigt, dass Consumer-Smartwatches eine hohe Genauigkeit beim Screening auf Vorhofflimmern erreichen, die Ergebnisse jedoch vor einer klinischen Maßnahme durch einen Arzt bestätigt werden müssen. Dies gilt unabhängig von der Trageposition und ist eine Eigenschaft dieser Technologiekategorie.

ACC's Expertenanalyse 2024 Arrhythmien

Die Expertenanalyse 2024 des ACC: Arrhythmien und Implikationen für elektronische Gesundheitsakten und Wearables ergab, dass Smartwatches für Verbraucher in der Lage sind, Vorhofflimmern zuverlässig und präzise zu erkennen, und dass alle Erkennungen vor der Einleitung von Maßnahmen in jeder Ausrichtung von einem Arzt überprüft werden sollten und ein Merkmal der Technologiekategorie ist.Expertenanalyse 2024Bestätigt, dass Verbraucher-Smartwatches eine hohe Genauigkeit beim Screening auf Vorhofflimmern erreichen, die Befunde jedoch vor einer klinischen Maßnahme einer ärztlichen Bestätigung bedürfen.

Dies gilt bei jeder Trageposition und ist eine Eigenschaft der Technologiekategorie.

Die eine Variable, auf die es wirklich ankommt

Die Ausrichtung des Sensors scheint keinen Einfluss auf die Genauigkeit der PPG-Messwerte zu haben (und sie hat auch keinen Einfluss auf den Zustand der Beschleunigungssensoren, die immer aktiv sind und Daten erfassen, unabhängig davon, wie der Sensor getragen wird). Wenn wir uns also die Faktoren ansehen, die das Aktivitätstracking bei Wearables tatsächlich beeinflussen, was bleibt dann noch übrig? Die Antwort ist eigentlich dieselbe wie eh und je: der Hautkontakt. Und die groß angelegten Studien stimmen in diesem Punkt überein, genau wie bei jeder anderen Gelegenheit zuvor. Hautkontakt.

Eine veröffentlichte Studie in PMCVeröffentlichung auf BioRxiv Wir haben unsere Studie kürzlich auf PMC veröffentlicht. Hier ist die Zusammenfassung: In dieser Arbeit haben wir den Einfluss der Signale eines kommerziellen Smartwatch-Fotosensors (PPG) über einen vollständigen Zeitraum von 24 Stunden im Alltag untersucht. Von besonderem Interesse war die Frage, warum das PPG-Signal gelegentlich den „Lock" verliert und welche Auswirkungen dies auf die Datenqualität hat. Durch die Analyse sowohl der Bewegungsdaten als auch der Hautbewegung relativ zum Sensor stellten wir fest, dass die Hauptursache für die Verschlechterung des von einer am Handgelenk getragenen Smartwatch gemessenen Signals die Relativbewegung des Sensors zur Hautoberfläche ist – beispielsweise bei größeren Bewegungen, die dazu führen, dass der Sensor auf der Haut verrutscht. Dies verursacht ein „Reiben" der Haut, das die Reflexion von der Epidermis erhöht, während die Reflexion aus dem darunterliegenden Gewebe abnimmt, wodurch die Spitze-zu-Spitze-Amplitude des Signals reduziert und damit die Qualität der EKG-Messung verringert wird. Wir stellen fest, dass ein fest angelegtes Armband eine bessere Messqualität liefert als ein zu locker sitzendes. Außerdem haben wir festgestellt, dass die genaue Position am Handgelenk aufgrund der geringen Bewegungsunterschiede einen weniger bedeutenden Einfluss hat, solange das Armband ausreichend fest sitzt, um einen optimalen Sensor-Haut-Kontakt zu gewährleisten.

Durch die Analyse sowohl von Bewegungsdaten als auch der Hautbewegung relativ zum Sensor haben wir festgestellt, dass die Hauptursache für die Verschlechterung des von einer am Handgelenk getragenen Smartwatch gemessenen Signals die Relativbewegung des Sensors zur Hautoberfläche ist, wie sie beispielsweise bei größeren Bewegungen auftritt, die dazu führen, dass sich der Sensor auf der Haut verschiebt.

Ergebnisse „reibende" Haut

Dies führt zu einem „Reiben" auf der Haut, das die Reflexion von der Epidermis erhöht, während die Reflexion aus dem darunterliegenden Gewebe verringert wird, wodurch die Spitze-zu-Spitze-Amplitude des Signals abnimmt und damit die Qualität der EKG-Messung sinkt.

Wir haben festgestellt, dass ein fest angelegtes Armband eine qualitativ bessere Messung liefert als ein zu locker sitzendes. Außerdem haben wir herausgefunden, dass die genaue Position am Handgelenk aufgrund der geringen Bewegungsunterschiede eine weniger bedeutende Rolle spielt, solange das Armband ausreichend fest sitzt, um einen optimalen Sensor-Haut-Kontakt zu gewährleisten.

Dieselben Regeln wie bei der Wahl eines guten Armbands. Scientific Data (Nature) hat dokumentiert, dass Veränderungen der Handgelenkshaltung – nicht die Ausrichtung, sondern Veränderungen des Kontaktdrucks beim Beugen des Handgelenks – messbare Schwankungen in der PPG-Signalqualität erzeugen. Die Empfehlung aus dieser Studie: Das Gerät eng genug tragen, um den Kontakt zu gewährleisten, ohne die Durchblutung zu beeinträchtigen. Dies ist dieselbe Trageempfehlung für jedes hochwertiges Armband.

Apples Support-DokumentationFür genaue Messungen muss die Apple Watch während des Trainings direkten Hautkontakt haben und eng am Körper anliegen. Das Smartlet wurde genau dafür entwickelt. Die Halterung umschließt die Apple Watch und sorgt dafür, dass sie dauerhaft mit der Haut auf der Innenseite des Handgelenks in Kontakt bleibt. Eine optimale Passform gewährleistet, dass das Sensorarray bei allen Bewegungsabläufen während des Trainings zuverlässig auf der Haut des Handgelenks aufliegt.

Der Smartlet-Pod hält die Smartwatch im Bereich der Innenseite des Handgelenks in kontinuierlichem Hautkontakt – die einzige Variable, die in der Fachliteratur als Einflussfaktor auf die Genauigkeit von PPG-Messungen genannt wird.

Smartlet- und Sensorleistung in der Praxis

Die praktische Zusammenfassung umfasst drei Bereiche.

Diese Frage höre ich oft. Viele Menschen glauben, dass das Display nach außen zeigen muss, um eine genaue Messung zu erhalten. Sie probieren es also nach außen und dann nach innen und stellen fest, dass die Schwankungen deutlich geringer sind, wenn das Display nach innen zeigt. Außerdem verhindert das äußere Zifferblatt, dass man das Handgelenk beim Beugen des Arms leicht anhebt – genau das misst jedoch das PPG.

Ja, das ist ein weit verbreitetes Missverständnis, das durchaus nachvollziehbar ist – leider ist es jedoch nicht korrekt. Die PPG-Technologie, die dem Smartlet zugrunde liegt, funktioniert einwandfrei, und es ist völlig unbedenklich, das Smartlet mit der Innenseite zum Handgelenk zu tragen. Der Kontakt zwischen der Haut und dem Smartlet ist sehr gut, sodass etwaige Vor- oder Nachteile beim Tragen mit der Innen- oder Außenseite vernachlässigbar sind.

Herzfrequenz und alle PPG-basierten Messwerte:Herzfrequenz und alle anderen PPG-basierten Messwerte Das Licht auf der Innenseite des Handgelenks folgt denselben Reflexionsprinzipien wie das Licht auf der Außenseite des Handgelenks. Die Blutvolumenpulsation in der Mikrovaskulatur ist an beiden Oberflächen vorhanden. Es geht lediglich um den Hautkontakt, nicht um die Ausrichtung.

Bewegungsbasierte Metriken: Beschleunigungssensor Gyroskop Bewegungsbasierte Metriken

Bewegungsbasierte Metriken:Beschleunigungsmesser und Gyroskop – bewegungsbasierte Metriken Der Beschleunigungsmesser und das Gyroskop sind dreidimensionale Sensoren und lageunabhängig, das heißt, sie funktionieren unabhängig von der Ausrichtung des Geräts. Funktionen wie Schrittzählung, Aktivitätserkennung, Schlaferkennung, Sturzerkennung und Aufprallerkennung arbeiten daher unabhängig davon, ob das Zifferblatt nach oben oder unten zeigt. WatchOS und Wear OS sowie Garmin Connect und andere führende Smartwatch-Plattformen sind ebenfalls alle lageunabhängig.

Datenqualität:Trotz des ungewöhnlichen Tragens der Smartwatch wird die Qualität der gesammelten Daten nicht beeinträchtigt. Die Daten umfassen weiterhin Trends, Risikobenachrichtigungen und Gesundheitsmessungen. Das Smartlet verwandelt die Smartwatch nicht in ein medizinisches Diagnosegerät – dies gilt auch dann, wenn die Smartwatch in einem ungewöhnlichen Winkel getragen wird, um mehr Daten zu erfassen.

Unübertroffen in der Bandbreite der erfassten Gesundheitssignale auf einem Smartlet-fähigen Wearable-Gerät: - Apple Watch Series 10 & Apple Watch Ultra 2 (Herzfrequenz & RR-Variabilität durch PPG-Signal (Photoplethysmographie), EKG-Signal (Elektrokardiogramm), SpO2 (Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut) durch Pulsoximetrie, Körpertemperatur, Sturzerkennung & Unfallerkennung) - Garmin Fenix 8 Pro (Herzfrequenz & RR-Variabilität durch PPG-Signal (Photoplethysmographie), SpO2 durch Pulsoximetrie, Herzfrequenz- & RR-Variabilitätsmessung) - Withings ScanWatch Nova (innovatives Hybrid-EKG-Dauersignal im analogen Uhrendesign, SpO2) Apple Watch Series 10 und Ultra 2 (PPG, EKG, SpO2, Temperatur, Sturzerkennung, Aufprallerkennung), Garmin Fenix 8 Pro (PPG, SpO2, Pulsoximetrie, HRV, Satellitenkommunikation) und Withings ScanWatch Nova (kontinuierliches EKG, SpO2, im Formfaktor einer hybriden Analoguhr).

Kompatible Konfigurationen erkunden

Die Komplettes Smartwatch-SortimentDen vollständigen Smartwatch-Index finden Sie hier. Für die Paarung mechanischer Uhren verweisen wir auf die Seiko-Markenseite, die Hamilton-Markenseite und die Tudor Black Bay-Modellseite. Dies gibt uns einen guten Überblick über die beliebtesten Sammler-Segmente in Europa, Asien und Nordamerika. Seiko Markenseite, the Hamilton Markenseite, und die Tudor Black Bay ModellseiteSind nützliche Referenzen für die beliebtesten Sammlersegmente in Europa, Asien und Nordamerika.

Reflektanz-PPG ist unabhängig von der Ausrichtung. Der einzige entscheidende Faktor ist der Hautkontakt. Smartlet hält den Sensor fest gegen das Handgelenk auf der Innenseite gedrückt – genau dort, wo er am besten funktioniert.