Das Herz messen – Wie funktionieren EKG und PPG?

Von allen menschlichen Organen ist das Herz eines der beeindruckendsten. Es muss ein Leben lang ununterbrochen und zuverlässig Blut durch den Körper pumpen. Bei einer durchschnittlichen Lebenserwartung von 79 Jahren entspricht dies etwa 3 Milliarden Herzschlägen, die sich in einem komplexen Wechselspiel aus Kontraktion und Entspannung vollziehen.

Zur Messung des Herzzyklus und zur Ermittlung der Herzfrequenz stehen verschiedene sensorbasierte Verfahren zur Verfügung. Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden sind die Elektrokardiographie (EKG) und die Photoplethysmographie (PPG). iMotions unterstützt zwar beide Verfahren, doch hat jeder Ansatz Vor- und Nachteile, die je nach Art der durchgeführten Forschung berücksichtigt werden sollten.

EKG

Bei der Elektrokardiographie wird die elektrische Aktivität des Herzens mithilfe von Elektroden gemessen, die auf der Haut angebracht werden. Damit sich das Herz zusammenziehen und Blut pumpen kann, sendet das autonome Nervensystem eine Reihe koordinierter elektrischer Signale an das Herz.

Obwohl diese Signale tief im Körperinneren entstehen, lassen sie sich an der Hautoberfläche mithilfe von zwei oder mehr Elektroden, die an verschiedenen Stellen auf Brust und Gliedmaßen angebracht werden, recht gut messen. Das Ergebnis ist ein äußerst aussagekräftiges Muster elektrischer Aktivität, das als EKG-Kurve bezeichnet wird.

Obwohl viele Aspekte dieses Signals quantifiziert werden können, ist das auffälligste Merkmal der sogenannte QRS-Komplex, der die wichtigsten Pumpkontraktionen des Herzens anzeigt. Dieses Merkmal ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Der QRS-Komplex. Jeder Buchstabe steht für einen anderen Ort des Signals und damit für eine andere Herzaktivität. Die R-Welle stellt die größte elektrische Aktivität des Herzens dar und wird üblicherweise zur Messung der Herzfrequenz herangezogen.

Innerhalb des QRS-Komplexes ist auch die R-Welle zu erkennen – die markanteste Komponente der EKG-Kurve. Anhand dieser Welle messen Herzfrequenzalgorithmen die Zeitdauer zwischen den einzelnen Herzschlägen.

Da elektrische Signale nahezu augenblicklich übertragen werden, sind EKG-basierte Messungen in der Regel auf wenige Millisekunden genau, was sie zu einer äußerst zuverlässigen Methode zur Herzfrequenzmessung macht.

PPG

Die Photoplethysmographie misst die Volumenveränderung des Herzens, indem sie die Lichtdurchlässigkeit oder -reflexion erfasst. Wenn sich das Herz zusammenzieht, steigt der Blutdruck im linken Ventrikel – der Hauptpumpkammer – an.

Dieser Anstieg drückt einen unter Druck stehenden „Blutstoß“ in die Arterien des Körpers, wodurch diese sich leicht ausdehnen, bevor sie wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren.

Wenn man einfach mit einer LED-Lichtquelle auf eine Hautstelle leuchtet, bewirkt der erhöhte Pulsdruck einen messbaren Unterschied in der Lichtmenge, die auf einen Lichtsensor zurückreflektiert oder durch diesen hindurchgelassen wird. Die LED-Lichtquelle sollte an einer Stelle platziert werden, an der die Arterien nahe an der Hautoberfläche liegen, beispielsweise an einer Fingerspitze oder am Ohrläppchen.

Die Amplitude dieses Signals ist direkt proportional zum Pulsdruck – je höher die Spitze, desto stärker der Puls. Auch wenn das Signal weniger deutlich zu erkennen ist, wenn es an einer vom Herzen weit entfernten Stelle auf der Haut gemessen wird (etwa an einer Zehe), reicht die Druckänderung dennoch aus, um diese Arterien in einem messbaren Ausmaß zu erweitern.

Jede Spitze im resultierenden Signal kann durch einen speziellen Herzfrequenzalgorithmus identifiziert werden, der letztlich die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen ermittelt – und so einen weiteren Maßstab für die Herzfrequenz liefert.

Ein Beispiel für ein typisches PPG-Signal, das den Unterschied in der Stärke des Blutflusses zeigt.

Da es sich bei PPG um eine indirekte Messmethode handelt (die nicht die tatsächliche Herzaktivität an der Quelle erfasst), ist sie zwar nicht immer auf die Millisekunde genau, stellt jedoch eine einfach anzuwendende Methode zur Messung der Herzfrequenz einer Person dar.

Fazit

Sowohl EKG als auch PPG liefern Messwerte zur Herzfrequenz und können daher Aufschluss über den Grad der physiologischen Erregung geben, den eine Person gerade erlebt. Anhand dieser Informationen kann die Forschung ein Bild davon erstellen, wie sich bestimmte Reize auf eine Person auswirken (steigt beispielsweise die Herzfrequenz, wenn ihr ein Bild einer Schlange oder einer Spinne gezeigt wird? Wie sieht es mit einem Produkt aus, das sie mögen?).

Wenn der Reiz die Herzfrequenz und damit die Erregung erhöht, kann man sagen, dass das Bild eine Wirkung auf die Person hat – dies gibt Aufschluss darüber, wie stark diese Wirkung ist, sagt aber nichts darüber aus, wie sich die Person genau fühlt. Durch die Kombination dieser Erregungsmessungen mit Messungen der emotionalen Valenz lässt sich die Aussagekraft dieser Ergebnisse vervielfachen und genau feststellen, welche Gefühle bei der Person hervorgerufen wurden und wie stark diese waren.

Durch die Kombination von Gesichtsausdrucksanalyse mit EKG oder PPG lässt sich der emotionale Zustand eines Teilnehmers sowie die Stärke seiner physiologischen Reaktionen erfassen. In Verbindung mit Eye-Tracking lässt sich zudem genau feststellen, worauf jemand blickt, sowie dessen Erregungsgrad und die positive oder negative Bewertung der Situation.

Die parallele Nutzung dieser Messdaten ermöglicht ein wahrhaft mehrdimensionales Verständnis des menschlichen Verhaltens und liefert Erkenntnisse, wie es sie bisher noch nicht gab. Das allein sollte schon ausreichen, um Ihr Herz höher schlagen zu lassen.

Wir hoffen, es hat Ihnen Spaß gemacht, mehr über die Mechanismen hinter EKG und PPG zu erfahren und darüber, wie Sie diese in Ihrer Forschung einsetzen können. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Sie spannende Forschungen zum menschlichen Verhalten durchführen können, laden Sie sich unten unseren kostenlosen Leitfaden herunter.