HRV-Biofeedback: Resonanzfrequenz-Test und Echtzeit-FFT in Swift

Respivo ist eine native iOS-App für HRV-Biofeedback. BLE-Brustgurt anlegen, Resonanzfrequenz bestimmen, geführte Atemübungen machen, Session-Score erhalten. Die gesamte Signalverarbeitung – von rohen RR-Intervallen bis zur Lomb-Scargle-Spektralanalyse – läuft in Echtzeit auf dem iPhone. Kein Backend-Zwang, kein Account nötig.

Feature-Übersicht

• Onboarding: BLE-Brustgurt-Erklärung, Polar H10 empfohlen, Datenschutzhinweise
• Sensor-Pairing: BLE Scan, Geräteliste, Verbinden/Trennen, Live-Status (HR, RR, Signalqualität)
• Dashboard: Letzte Session, RMSSD, Streak, Schnellstart-Buttons, Wochenübersicht
• Resonanzfrequenz-Test: Automatischer Sweep bei 6.5, 6.0, 5.5, 5.0, 4.5 bpm – je 2 Min pro Rate
• Biofeedback-Session: Geführte Atmung auf persönlicher Resonanzfrequenz
• Session-Modi: 4:6 Ratio, 50:50, Freie Atmung – Dauer: 3, 5, 10, 20 Min
• Atemführung: Große Animation + optionale haptische Vibration + Audio
• Live-Metriken: HR, RMSSD, LF Power, Session-Score
• Session-Historie: Alle Sessions lokal gespeichert + Trend-Analyse

BLE: Vom Herzschlag zum RR-Intervall

Respivo nutzt CoreBluetooth mit dem Heart Rate Service (0x180D). Das Characteristic 0x2A37 liefert neben der Herzfrequenz die RR-Intervalle – die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen in Millisekunden. Die App ist optimiert für den Polar H10, funktioniert aber mit jedem BLE-HR-Sensor, der RR-Intervalle überträgt.

Signal-Pipeline: 4 Module

Die Signalverarbeitung ist modular aufgebaut (Ordner SignalProcessing/):

1. RRIntervalCleaner – Artefakt-Rejection: physiologisch unmögliche Werte (RR <300ms oder >2000ms) und ektopische Schläge werden entfernt
2. Interpolation – Kubische Interpolation auf ein gleichmäßiges Raster (4 Hz) für die Frequenzanalyse
3. LombScarglePeriodogram – Spektralanalyse für unregelmäßig getaktete Daten (keine klassische FFT nötig)
4. HRVMetricsCalculator – Berechnet RMSSD, SDNN, LF Power, HF Power aus den Spektraldaten

// Lomb-Scargle statt klassischer FFT:
// Funktioniert direkt mit unregelmäßig
// getakteten RR-Intervallen
func computeSpectrum(
    timestamps: [Double],
    values: [Double],
    frequencies: [Double]
) -> [Double] {
    let N = values.count
    let mean = values.reduce(0, +) / Double(N)
    let centered = values.map { $0 - mean }

    return frequencies.map { freq in
        let omega = 2.0 * .pi * freq
        // τ Offset für Phasenkorrektur
        let tau = computeTau(timestamps, omega)
        // Leistung bei dieser Frequenz
        return lombPower(centered,
                         timestamps, omega, tau)
    }
}

Der Resonanzfrequenz-Test

Jeder Mensch hat eine individuelle Resonanzfrequenz (4.5–6.5 bpm). Respivo testet automatisch fünf Raten: 6.5, 6.0, 5.5, 5.0 und 4.5 Atemzüge/Minute. Pro Rate 2 Minuten Messung + kurze Pause. Die Auswertungskriterien:

• Stärkster LF-Peak in der Nähe der Zielrate
• Größte Herzraten-Schwingungsamplitude
• Glatter sinusförmiger HR-Verlauf
• Wenig konkurrierende LF-Peaks

Die Frequenz mit dem besten Gesamtscore wird als persönliche Resonanzfrequenz gespeichert.

Architektur: Clean Architecture in Swift

Die App folgt einer 5-Schichten-Architektur:

• Presentation: SwiftUI Screens + ViewModels
• Domain: HRV Use Cases, Resonanz-Logik, Scoring
• Data: BLE Layer, Sensor-Adapter, Persistence
• SignalProcessing: RR-Cleaning, Interpolation, Lomb-Scargle, HRV-Metriken
• Services: BreathingPacerService, SensorHub, SettingsStore, NotificationManager

Einordnung

Respivo ist ein Atem- und Entspannungs-Trainingstool: Es visualisiert die Kopplung von Atmung und Herzrhythmus und macht sie übbar. Es trifft bewusst keine gesundheitlichen Aussagen und gibt keine Empfehlungen.

→ Projekt ansehen: Respivo – Projektdetails

Was HRV-Biofeedback-Atmung kann — und was offen ist

Langsame, rhythmische Atmung in einem individuell günstigen Frequenzbereich erhöht kurzfristig die Herzratenvariabilität und wird verbreitet als Entspannungs- und Selbstregulations-Technik eingesetzt. Wichtig zur Einordnung: Die akute physiologische Wirkung (HRV steigt während der Übung) ist gut beschrieben; weitergehende Aussagen zu langfristigen gesundheitlichen Effekten werden in der Forschung differenziert und nicht einheitlich bewertet. Dieser Beitrag macht daher bewusst keine darüber hinausgehenden Aussagen.

Praktisch ist Biofeedback vor allem ein Lern-Werkzeug: Es macht die sonst unbewusste Kopplung von Atmung und Herzrhythmus sichtbar und damit übbar. Der Nutzen entsteht aus regelmäßiger, ruhiger Anwendung — nicht aus einzelnen „Rekord"-Sessions.

Häufige Fragen

Hinweis: Allgemeine Information zu einer Atem-/Entspannungs-Übung. Keine fachliche Beratung; gesundheitliche Fragen gehören an entsprechende Fachpersonen.