4 Euro WLAN-Chip misst Herzschlag genauso gut wie Apple Watch

Sensoren zur Herzfrequenzmessung sind nicht nur in klinischen Messgeräten verbaut, sondern auch in teuren Wearables, wie der Apple Watch. Die Geräte sind bereits sehr genau und stehen einem Elektrokardiogramm (EKG), bei dem die elektrischen Impulse des Herzens direkt aufzeichnet werden, fast in nichts nach.

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Aber bereits günstige WLAN-Chips ermöglichen heutzutage eine Herzfrequenzüberwachung auf klinischem Niveau - und das aus bis zu 3 Metern Entfernung. Ingenieure der University of California in Santa Cruz zeigen mit einem Prototyp, dass Pulsmesser in Zukunft vielleicht gar nicht mehr am Körper getragen werden müssen.

Pulsmessung über Funkwellen

WLAN-Geräte senden nämlich Funkwellen, die von einem Empfangsgerät - meist einem Computer, Laptop oder Telefon - empfangen werden. Gehen diese Wellen durch Objekte hindurch, wird ein Teil davon absorbiert, was man messen kann.

Bewegt sich das Objekt, wird ebenfalls eine Veränderung im Signal ausgelöst. Mit modernsten Signalverarbeitungs- und Machine-Learning-Algorithmen ist es den Forschern gelungen, so geringe Signalschwankungen zu erkennen, wie sie von einem menschlichen Herzschlag ausgelöst werden. 

Diese Technik machen sich auch Unternehmen zunutze, um etwa unwillkommene Eindringlinge zu erkennen. So können, ganz ohne Überwachungskameras und Bewegungsmelder, Alarme ausgelöst werden, wenn eine Bewegung in einem bestimmten Bereich detektiert wird.

Signal ist sehr empfindlich

Die Herausforderung ist dabei, die Signalschwankungen richtig zuzuordnen. "Das Signal reagiert sehr empfindlich auf die Umgebung, daher müssen wir die richtigen Filter auswählen, um alle unnötigen Störgeräusche zu entfernen", sagt der beteiligte Forscher Nayan Bhatia in einer Aussendung.

Das Team führte Experimente an 118 Teilnehmern durch und untersuchte 2 verschiedene Chips - einmal einen ESP32-Chip für rund 5 Dollar (4,26 Euro) und einmal einen Chip eines Raspberry Pi, der ca. 30 Dollar (25,55 Euro) kostet. Beide konnten den Herzschlag eines Menschen mindestens genauso gut detektieren wie eine Apple Watch. Nach einer Messung von 5 Sekunden lag das Ergebnis nur maximal einen halben Schlag pro Minute daneben.

Auch bei Positionsänderung

Auch wenn sich die Positionen der Geräte und der Person im Raum geändert hatte, konnten die Geräte immer noch zuverlässige Daten liefern. Das Team testete die Technik erfolgreich bei 17 verschiedenen Körperpositionen und bei Menschen in Bewegung.

Die Ergebnisse des Raspberry-Pi-Chips waren dabei genauer als jene des ESP32-Chips. Leistungsstärkere Chips, die in WLAN-Geräten zu finden sind, dürften noch bessere Ergebnisse liefern, schätzen die Forscher. Überraschend war, dass das System auch aus einer Entfernung von 3 Metern präzise funktionierte. Die Entfernung soll in zukünftigen Studien noch ausgeweitet werden.

"Wir haben festgestellt, dass aufgrund des maschinellen Lernmodells der Abstand im Grunde keinen Einfluss auf die Leistung hatte, was bei früheren Modellen ein großes Problem darstellte", so der Forscher Pranay Kocheta. 

Auch Atemfrequenz messbar

Die Forscher arbeiten an weiteren Methoden, etwa um neben der Herzfrequenz auch die Atemfrequenz zu erfassen. Das könnte etwa für die Erkennung von Schlafapnoe hilfreich sein, bei dem die Atmung während des Schlafs kurzzeitig aussetzt. 

Geschätzt 30 Prozent der Männer und 13 Prozent der Frauen sollen an Schlafapnoe leiden, vielen ist das allerdings nicht bewusst. Eine Messung über WLAN kann die Erkennung einer solchen Krankheit einfacher machen.