Hur exakta är pulsklockor?

Ta pulsen på artikeln innan du läser hela: Pulsklockor används dagligen av idrottare för att följa distans, puls och energiförbrukning, men hur tillförlitliga är siffrorna egentligen? I den här artikeln går vi igenom vad modern forskning säger om pulsklockors validitet och reliabilitet i olika miljöer. Fokus ligger på hur väl klockorna mäter distans, puls och kaloriförbrukning – och vad du som tränande faktiskt kan lita på. Slutsatsen är tydlig: pulsklockor är utmärkta verktyg för att följa trender och förändringar över tid, men de absoluta värdena innehåller ofta systematiska fel. Förstår du begränsningarna kan klockan ändå vara ett mycket användbart stöd i träningen.

Pulsklocka och mätprecision 

Pulsklockan är för många idrottare en självklar följeslagare. Det finns en hel del forskning om reliabilitet och validitet för dessa enheter, men eftersom tekniken och tillverkarnas algoritmer ständigt uppdateras blir resultat från en fem år gammal studie snabbt inaktuella. Kort sagt: en gammal studie på en ännu äldre klockmodell säger väldigt lite om hur din nya leksak presterar. 

Redan 2013 undersöktes hur bra pulsklockor mäter distans när deltagare sprang 21 km på olika underlag. Felmarginalerna var då 0,8% på raksträcka i öppet fält, 1,2% i stadsmiljö och 6,2% i skogsmiljö. Inte konstigt — ju fler hus och träd mellan dig och satelliterna, desto större chans för GPS-störningar och osäkrare data.

Nyare forskning om pulsklockor

Nu har det kommit två studier från 2020 som tittar på validitet och reliabilitet hos flera olika pulsklockor och aktivitetsarmband i varierande miljöer och väder. 

• Validitet undersöker om instrumentet mäter vad det ska mäta. I det här fallet: mäter pulsklockan distans korrekt?
• Reliabilitet berättar om mätningarna är konsekventa. Spring samma sträcka tio gånger — får du samma distansvärde varje gång?

Studie 1 – Distansmätning via satelit

Den första studien, Accuracy of Distance Recordings in Eight Positioning-Enabled Sport Watches: Instrument Validation Study (2020), undersöker hur bra klockorna är på att mäta distans via Global Positioning System (GPS) och Global Navigation Satellite System (GLONASS). 

Forskarna testade åtta vanliga pulsklockor/aktivitetsarmband:

• Garmin Fenix 5X Plus
• Garmin Forerunner 935
• Polar Vantage M
• Polar Vantage V
• Polar V800
• Suunto 9 Baro
• Coros Apex 46mm
• Apple Watch 4

Klockorna var inställda på högsta känslighet (1 Hz, data varje sekund). Alla enheter hade GPS+GLONASS utom Apple där man inte kan välja system, och Polars V800 som bara har GPS.

Testupplägg

En och samma testperson (kvinna, 26 år, 53 kg, 1,58 m) testade alla klockor på standardiserade sträckor. Att använda en testperson minskar variation av individuella skillnader i armrörelser och löpteknik. Klockorna testades i stadsmiljö, i skogen och på 400 m bana, samt i gång och cykling. Tester utfördes under varierande väder: sol, moln och regn.

Fyra klockor testades åt gången i randomiserad ordning. Tillverkarnas instruktioner följdes och senaste uppdatering var aktiverad. Testerna gjordes mellan april och juli vid olika tider på dygnet, med varierande vind och temperatur.

Ett mäthjul användes för att få exakt distans som referens. Röda markeringar målades ut så personen sprang exakt samma sträcka varje gång — lite som en egen variant av Göteborgsvarvets blå linje. Sträckorna varierade mellan 400 m och 4 500 m för att undersöka om felmarginalen förändrades med distansen.

Resultat

Samtliga klockor utom Polar V800 underestimerade distansen jämfört med den uppmätta exakta distansen. Generellt låg felmarginalen runt 5% för de flesta klockor.

• Stadsmiljö (6,3% felmarginal genom underestimering).
  Bäst: Polar V800 (överestimerade med 89,4 m = 3,9%). Sämst: Garmin Forerunner 935 (underestimerade med 189,3 m = 8,9%). Endast Polar V800 låg under 5%, övriga underestimerade mellan 5,1–8,9%.

• Skogen (6,4% felmarginal genom underestimering).
  Bäst: Polar V800 (underestimering 81 m = 3,5%). Sämst: Coros Apex (underestimering 167,4 m = 8,5%). Övriga underestimerade mellan 5,0–8,2%.

• 400 m bana (2,3% felmarginal genom överestimering).
  Bäst: Coros Apex (överestimering 18,7 m = 0,9%). Sämst: Apple Watch 4 (överestimering 91,1 m = 4,1%). Övriga överestimerade mellan 1,3–3,0%.

Summering: Polar V800 var den mest precisa med en systematisk felmätning på 3,2% och 80,6% av dess mätningar låg inom ±5% felmarginal. Övriga klockor visade ofta 4–6% fel, där mer än hälften av mätningarna hade ≥5% fel.

Studie 2 – Puls och energiförbrukning

Andra studien (2020) validerade pulsklockornas visade energiförbrukning och optisk pulsmätning vid aktiviteter från stillasittande till hård fysisk aktivitet. Validering skedde mot ett portabelt syre-/gasmätningssystem (Metamax 3B Cortex) för energiförbrukning och mot ett Polar H7 bröstband för pulsen.

Klockor som jämfördes:

• Apple Watch 4
• Polar Vantage
• Garmin Fenix 5
• Fitbit Versa

Deltagarna var 25 personer (11 män, 14 kvinnor) med medelålder 26 år, 70 kg och 174 cm. Alla testade alla klockor i sittande, gående och springande i olika hastigheter på löpband, två åt gången vid två tillfällen med tre dagars vila mellan.

Hastigheterna varierade från 1,9 m/s (ca 7 km/h) upp till 4,1 m/s (drygt 17 km/h). Medelpulsen sträckte sig från 69 bpm vid vila upp till 177 bpm vid 17 km/h.

Det gröna strecket är det exakta värdet uppmätt med mäthjul. Inom de röda strecken är ±5% felmarginal. De blå staplarna visar 50% av mätvärdena och det svarta strecket i de blå staplarna är medianen. I bästa av världar hade den blå stapeln varit mycket smal och centrerad kring den gröna linjen.

Resultat

Felmarginalerna för optisk pulsmätning var enligt följande:

• Apple Watch 4 – 0,9–4,3% – Medel 2,6% / cirka 4 bpm felmarginal
• Polar Vantage – 2,2–6,7% – Medel 4,5% / cirka 7 bpm felmarginal
• Garmin Fenix 5 – 2,9–9,2% – Medel 6,1% / cirka 10 bpm felmarginal
• Fitbit Versa – 4,1–19,1% – Medel 11,6% / cirka 11 bpm felmarginal

Detta är medel över alla aktiviteter. Vid löpning (exklusive sprint och stillasittande) presterade Garmin Fenix 5 sämst med i snitt 11 bpm fel.

När det gäller energiförbrukning var felmarginalerna höga för alla klockor. Forskarna avråder från att använda pulsklockor för beräkning av energiförbrukning. Alla klockor mätte fel med cirka 110–130 kcal/h, vilket stämmer med tidigare forskning som visat felspann på 15–30% för liknande enheter. En översiktsartikel från 2015 (inkluderande tidigare studier) kom fram till samma slutsats [se referens i originalstudien].

Diskussion

Att klockor mäter fel är inte sensationellt — de flesta vet att det finns ett felspann på några procent. En bra tumregel: utgå från att dina resultatsiffror kan skilja sig ungefär ±5% från verkligheten när det gäller distans. Ju fler träd och hus runt dig, desto större sannolikhet för större felmarginal.

Löpning gav mest fel i dessa studier, medan gång och cykling gav mer korrekta distansvärden. För energiförbrukning är felmarginalerna snarare i spannet runt 20%.

Det är visat tidigare att mätfel ökar när klockan sitter på handleden jämfört med om den ligger still i ett löparbälte runt höften. I en studie var höjdmeter-mätfelen alltid lägre när klockan låg still vid höften. Det gör att mätfelen i skogsmiljö, där det ofta är fler höjdmeter och mer rörelse, delvis kan förklaras av att klockan rör sig mer på handleden under löpning än exempelvis vid cykling.

Avslutningsvis: studierna undersöker validitet — alltså om klockan mäter korrekt — och svaret är att de inte gör det perfekt. För distans ligger felspannet runt 5% och för energiförbrukning kring 20%.

Studierna undersöker inte reliabilitet, det vill säga om klockan mäter lika fel varje gång. Har du samma klocka på alla pass (vilket de flesta av oss har) blir värdet fel varje gång. Men om felet är systematiskt och konsekvent (hög reliabilitet) kan du fortfarande följa förändringar mellan pass. För många av oss är det trendförändringen — inte det absoluta värdet — som är mest intressant. Dessutom: även ett “sant” maxpulsvärde kan variera mellan dagar, så mätningar är aldrig helt statiska.

Fördjupning för ökad förståelse för GPS/satelliter

Bjuder på ett inklipp från en av studierna om du vill veta mer om satellitsystem och dess signaler:

“Four main satellite implementations exist: GPS (United States), Global Navigation Satellite System (GLONASS, Russia), Galileo (European Union), and BeiDou (China). The number of satellites for GPS, GLONASS, Galileo, and BeiDou are 31, 27, 22, and 19, respectively, which circle the Earth twice a day in a precise orbit at an altitude of approximately 20,000 km [11-15]. Each satellite transmits a unique right-hand polarized signal and orbital parameters that allow GNSS-enabled devices to decode and compute the precise location of the satellite. The GNSS receiver measures the distance to each satellite by the amount of time it takes to receive a transmitted signal to exactly locate the user’s position on Earth [15].

Several factors affect the signal transmitted between the satellites and the GNSS receiver such as bad signal acquisition, number of satellites, signal multipath, satellite geometry, and GNSS receiver clock errors [1,15-17]. Bad signal acquisition can happen if the user of a GNSS-enabled device disregards any of the manufacturers’ main instructions to achieve a high GNSS signal: staying outside, regularly synchronizing the watch to the mobile app or computer to download the latest satellite data (= assisted GPS data), updating the watch’s GNSS setting for whatever activity, or choosing GPS + GLONASS or Galileo. The more satellites a GNSS receiver can detect, the better the accuracy.

To calculate one’s 2D position (latitude and longitude), a GNSS receiver must be locked on to the signal of at least three satellites. Therefore, the user should remain stationary with the watch facing up during signal acquisition. Furthermore, the signal multipath and satellite geometry affect the transmitted signal. A user may get position errors or no position readings at all when a signal is blocked. This can occur because a GNSS signal does not penetrate any solid constructions or water. In addition, the GNSS signal is reduced by dense vegetation or cloudy weather or near objects and buildings, as there are reflections that transform the right-hand polarization into left-hand polarization before it reaches the GNSS receiver. Generally, the satellite signals are more effective when the satellites are located at wide angles relative to one another. Therefore, during signal acquisition, the user should stay away from large buildings and dense vegetation and, ideally, remain in a flat open area.

Last, measurement quality can be hampered by timing errors the GNSS receiver might have because it is less accurate than the atomic clocks on GNSS satellites. The user, however, cannot change the clock errors in the GNSS receiver. In the northern hemisphere, the ground stations’ determined locations can vary due to the mentioned error sources. With GPS, GLONASS, and GPS + GLONASS, the determined horizontal (and vertical) location errors can be 8.0 (SD 17.1) m, 9.4 (SD 18.3) m, and 7.1 (SD 14.0) m, respectively, with a 95% confidence interval [18-20]. Overall, little to no information about positioning accuracy is provided by the most common manufacturers of GNSS-enabled sport watches.”

Vill du ha det i ett nötskal? Pulsklockor är superbra för att följa trender och progression, men lita inte blint på absoluta siffror. Håll koll på miljön runt dig, se till att klockan är uppdaterad och om du behöver exakt distans eller kaloriåtgång — boka in ett labbtest eller använd ett mäthjul nästa gång du ska kalibrera ditt ego mot verkligheten.