Herzschlagsensor: Funktionsweise & praktische Anwendungen

Was ist ein Herzschlag?

Ein Herzschlag ist die rhythmische Kontraktion der Herzkammern, die Blut durch den Körper pumpt. Die Anzahl der Herzkontraktionen pro Minute ist die Herzfrequenz (BPM). Der tastbare Puls – in Arterien nahe der Haut fühlbar – ist der äußere Ausdruck dieser Rate.

Zwei Wege zur Herzschlagmessung

• Manuelle Methode: Puls am Handgelenk (radialer Puls) oder Hals (Karotispuls) zählen. Zeige- und Mittelfinger leicht an der gewählten Stelle platzieren, 30 Sekunden zählen, dann verdoppeln für BPM. Minimalen Druck ausüben und Finger verschieben, bis Puls gefühlt wird.
• Sensorbasierte Methode: Detektion von Lichtintensitätsänderungen durch Blutvolumenschwankungen bei jedem Schlag.

Prinzip des Herzschlagsensors

Herzschlagsensoren nutzen Photoplethysmographie (PPG). Sie messen Blutvolumenänderungen in Gewebe, die die Menge des transmittierten oder reflektierten Lichts verändern. Da Blut Licht absorbiert, entsprechen Variationen im reflektierten oder transmittierten Licht direkt den Herzpulsationen.

PPG wird auf zwei Hauptweisen durchgeführt:

Transmission: Licht durchdringt eine vaskuläre Region (z. B. Ohrläppchen) und wird auf der gegenüberliegenden Seite empfangen.

Reflexion: Licht wird von der Gewebeoberfläche reflektiert (z. B. Finger).

Funktionsweise eines Herzschlagsensors

Ein typischer Sensor besteht aus einer LED und einem Photodetektor – entweder einer Photodiode oder einem lichtabhängigen Widerstand. Wenn die LED Gewebe beleuchtet, wird ein Teil des Lichts vom Blut absorbiert, der Rest wird zum Detektor reflektiert oder transmittiert. Die elektrische Ausgabe des Detektors enthält eine DC-Komponente (Gewebeabsorption) und eine AC-Komponente, die mit jedem Puls synchronisiert ist.

Zur Isolierung der AC-Komponente wird der Detektorausgang durch einen zweistufigen Hochpass/Tiefpass-Filter geleitet, dann mittels Komparator oder ADC in einen digitalen Impulszug umgewandelt. Die Impulsfrequenz (f) wird an einen Mikrocontroller geführt, der BPM mit der Formel berechnet:

BPM = 60 × f

Praktische Herzschlagsensoren

Gängige Module umfassen den Herzfrequenzsensor (Produktnr. PC-3147), der eine Infrarot-LED und einen LDR in einer Klemme nutzt, die auf Ohrläppchen oder Finger sitzt.

Eine weitere beliebte Wahl ist der TCRT1000, ein 4-Pin-optischer Sensor. Pin 1 versorgt die LED, Pins 2 und 3 sind Masse, Pin 4 liefert den Ausgang. Wenn aktiviert, kann der Sensor an einem Handgelenk-Wearable montiert werden und Daten via Bluetooth für Fernüberwachung übertragen.

Einfaches Herzschlagsensor-System aufbauen

Ein Basissystem lässt sich mit einem LDR, einem Komparator-IC (LM358) und einem Mikrocontroller zusammenbauen. Das folgende Diagramm veranschaulicht den typischen Schaltplan.

Der LDR fungiert als Lichtdetektor: Steigt die Lichtintensität, fällt sein Widerstand; sinkt die Intensität, steigt der Widerstand. Der LM358 vergleicht die LDR-Spannung mit einem festen Schwellenwert, gesetzt durch einen Spannungsteiler. Wenn der Gewebepuls das Licht auf dem LDR reduziert, steigt dessen Widerstand, die Spannung übersteigt den Schwellenwert und erzeugt ein Logik-High. Der resultierende Impulszug wird an den Mikrocontroller geführt, der die Herzfrequenz berechnet und auf einem angeschlossenen Display anzeigt.

Video-Erklärung zum Herzschlagsensor-Schaltplan