Pulsklockan är något som för många idrottare blivit en solklar självklarhet. Det finns inte supermycket forskning på vare sig reliabilitet eller validitet för dessa enheter, eller ja, det finns en hel del men i och med den tekniska utvecklingen och justering av tillverkarnas algoritmer allt eftersom data samlas in så blir resultaten från en 5 år gammal studie på en ännu äldre klocka snabbt inaktuell.

Det finns tidigare forskning från 2013 som undersökt hur bra pulsklockor mäter distans när deltagare sprang 21km på antingen en raksträcka med klarblå himmel, i stadsmiljö eller i skogen och felmarginalerna där var 0,8%, 1,2% och 6,2%. Inte konstigt på något vis, ju mer saker som hus/träd som är i vägen desto större risk för störningar hos GPS-signalen och således osäker data.

Nyare forskning

 Men, nu har det kommit två nyare studier från 2020 som undersöker validiteten och reliabiliteten hos ett antal olika pulsklockor och aktivitetsarmband i olika miljöer och väder. Men innan vi går igenom dessa så tänkte jag lägga 1 en minut på att förklara skillnaden mellan validitet och reliabilitet då vi nämner dessa ord stup i kvarten. 

• Validitet undersöker om forskaren/instrumentet mäter vad det ska mäta. Dvs i detta fallet, är pulsklockan bra på att mäta distans eller är det en felfaktor i sig att den är dålig på just det. Validitet kan även översättas till Trovärdighet. 
• Reliabilitet berättar för oss om pulsklockan är bra på att mäta konstant, springer du samma sträcka 10ggr om så ska distansen vara densamma alla 10 gånger om det är bra reliabilitet, varierar siffrorna från gång till gång så är reliabiliteten låg. Reliabilitet kan också översättas till Tillförlitlighet.

Studie 1 – Distans

Första studien från 2020 som heter Accuracy of Distance Recordings in Eight Positioning-Enabled Sport Watches: Instrument Validation Study undersöker hur bra klockorna är på att mäta distans via GPS+GLONASS.

Forskarna testade 8 kommersiellt 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

De var alla inställda på högst känslighet (hämtade data varje sekund (1Hz), alla klockor hade GPS+GLONASS förutom Apple där man inte kan välja GPS-system och Polars V800 som bara har GPS.

Testet

Det var en och samma person (kvinna på 26 år, 53kg och 1,58m lång) som testade alla klockor på standardiserade sträckor. En och samma person säkerställer att det inte är några personliga variationer i armpendling eller liknande som kan påverka. Klockorna testades under löpning i stadsmiljö, i skogen, på 400m bana. Men även i gånghastighet samt på cykel i de olika miljöerna. Testerna gjordes även under olika väderförhållanden från strålande sol till moln och regn.

De testade 4 klockor i taget i randomiserad ordning och tillverkarnas instruktioner följs och senaste uppdateringen för respektive klocka var aktiverad. Testerna utfördes mellan april-juli med olika vind, temperatur, väder, tid på dagen etc vid de olika tillfällena.

Ett mäthjul användes för att få det exakta värdet på distanserna och mot detta värde jämfördes värdena från klockorna. Röda streck målades ut i vägen så att personen skulle springa/cykla exakt samma sträcka varje gång. Lite som en egen version av Göteborgsvarvets blå linje som motsvarar den exakta sträckan. Sträckorna som personen sprang/gick cyklade varierade mellan 400m och 4500 i alla miljöer. Detta så forskarna skulle få data som kunde berätta om felmarginalen varierar vid olika distanser.

Resultat

Samtliga klockor utom Polar V800 underestimerade distansen mot den uppmätta exakta distansen. Felmarginalen låg runt 5% för så gott som alla.

Stadsmiljö (6,3% felmarginal genom underestimering).

Bäst här var Polar V800 som överestimerade distansen med 89,4m (3,9%) och sämst var Garmin Forerunner 935 som underestimerade distansen med 189,3m (8,9%). Här var det endast Polar V800 som låg under 5% och då även överestimerade distansen, övriga klockor underestimerade mellan 5,1-8,9%.

Skogen (6,4% felmarginal genom underestimering).

Polar V800 vann här med med en underestimering på 81m (3,5%) och sämst var Coros Apex med en underestimering på 167,4m (8,5%). Övriga klockor underestimerade mellan 5,0-8,2%)

400m bana (2,3% felmarginal genom överestimering).

Coros Apex vann här med med en överestimering på 18,7m (0,9%) och sämst var Apple Watch 4 med en överestimering på 91,1m (4,1%). Övriga klockor överestimerade mellan 1,3-3,0%)

Summeringen blev att Polar V800 var den klocka som var bäst med en systematisk felmätning på 3,2% och 80,6% av alla dess mätningar var inom 5% felmarginal. Medan för övriga klockor var felmätningarna runt 4-6% där mer än hälften av alla mätningar visade 5% fel eller mer.

Det gröna strecket är exakt rätt värde uppmätt med mäthjul. Inom de röda sträcken är 5% felmarginal upp eller ner. De blå staplarna är 50% av mätvärdena och det svarta strecket i den blå stapeln är medianvärdet för alla mätningar. I bästa av världar hade det blå strecket varit väldigt litet och centrerat runt den gröna linjen. 

Studie 2 – Puls och Energiförbrukning

Andra studien, även den från 2020 undersökte och validerade pulsklockornas visade energiförbrukning och puls (optisk mätning) vid allt från stillasittande upp till hård fysisk aktivitet. Valideringen skedde mot ett portabelt syre/gasmätningssystem (Metamax 3B Cortex) som används många gånger tidigare i forskning och visat hög reliabilitet för beräkning av energiförbrukning. Pulsen som mättes optiskt validerades mot ett Polar H7 bröstband som används flitigt i studier och är väl testat och pålitligt.

I denna studie jämfördes 4 pulsklockor:

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

Deltagarna var 25st  (11 män, 14 kvinnor) med en snittålder på 26år, 70kg och 174cm långa. Alla deltagare testade alla klockor i sittande, gående och springande i olika hastigheter på löpband, 2 åt gången vid två olika tillfällen med 3 dagars vila mellan. 

De gick i lugnt tempo och sprang i allt mellan 1,9m/s = 7km/h upp till 4,1m/s = drygt 17km/h. Medelpulsen på aktiviteten var allt från 69bpm vid stillasittande upp till 177bpm vid 17km/h.

Resultat

Felmarginalerna för klockornas pulsmätning var enligt följande:

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

Detta var snitt för alla aktiviteter. Inom spannet löpning (dvs exkluderat sprinterna och sittandet) så presterade Garmin Fenix5 sämst med en felmätning på i snitt 11bpm.

Felmarginalerna för energiförbrukning var höga för alla och forskarna pekar mot att en pulsklocka inte bör användas för att beräkna energiförbrukning. Alla klockorna mätte fel med ca 110-130kcal/h vilket är i linje med tidigare forskning som jämfört Apple Watch och Fitbit som hade ett felspann på 15-30% på denna typ av klockor. Tidigare forskning, däribland denna översiktsartikel från 2015 som då exempelvis inkluderade ovan studie kom fram till samma sak.

Diskussion

Att klockor mäter fel är inget nytt och de flesta av oss är medvetna om att det finns ett felspann på några procent. En bra grundregel kan ju vara att utgå från att resultaten diffar ca 5% mot verkligheten och ju mer träd/hus du har runt dig, desto större felmarginal på distansen. Löpning var den aktivitet som visade mest fel, medan gång och cykling var mer korrekta när det kommer till distans. För energiförbrukning så är felmarginalerna i spannet runt 20%.

Det är visat sedan tidigare att felmarginalen för en löparklocka är högre när den sitter där en klocka ska sitta, dvs på handleden. I en studie där man jämförde klockan på handleden vs att ha den i löparbältet runt höften så var mätfelen vad gäller höjdmeter alltid lägre om klockan låg stilla runt höften. Så att mätfelen är högre när personen sprang/cyklade i skogen med fler höjdmeter kan delvis förklaras av det. Samt att löpningen fick mer mätfel eftersom klockan är mer i rörelse/svingas då jämfört med cykling.

Avslutningsvis vill jag påpeka att det är validitet dessa studier undersöker, dvs om klockan mäter korrekt och det kan vi säga att de inte gör, de har ett felspann på ca 5% på distans och 20% på energiförbrukningen. 

Studierna mäter inte reliabilitet, dvs om klockan mäter lika fel från gång till gång. Har du samma klocka på alla dina pass (vilket de flesta av oss har) så blir ju värdet fel varje gång, men blir det lika mycket fel och du kan lita på det, dvs reliabiliteten är hög, så kan du ju ändå se en skillnad från pass till pass och för många av oss är det den viktiga faktorn, inte om själva värdet i sig stämmer mot ett verkligt värde som de flesta av oss ändå aldrig får reda på om vi inte hoppar in i en studie och gör ett test för att mäta ut exakt maxpuls (ett värde som för den sakens skull även det kan variera från dag till dag).

Fördjupning för ökad förståelse för GPS/Satelliter.

Bjuder på ett inklipp från en av studierna om du vill veta lite mer om sattelitsystem 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.”