Wehrmedizinische Monatsschrift

ÜBERSICHTSARBEIT

„Wearable Sensors“ zur Unterstützung
eines medizinischen Monitorings für militärische Zwecke

Analyse einer innovativen Technologie im Umfeld sanitätsdienstlicher Forschung

Support of Medical Monitoring for Military Reasons by Wearable Sensors
Analysis of an Innovative Technology in Military Medical Research

Lorenz Scheit a, Andreas Werner b, c

a Bundeswehrkrankenhaus Hamburg, Klinik I – Innere Medizin

b Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe, Fachgruppe I 1 – Flugphysiologische Diagnostik und Forschung, Königsbrück

c Universitätsmedizin Charité Berlin, Institut für Physiologie – Zentrum für Weltraummedizin und extreme Umwelten, Berlin

 

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Entwicklung und Einführung von tragbarer Sensortechnik (Wearable Sensors) zur Erfassung von physiologischen und Umweltdaten für militärische Zwecke wird weltweit vorangetrieben. In der Bundeswehr werden unterschiedliche Sensoren genutzt, weitere Sensorentitäten sollen eingeführt werden.

Methoden: Durch systematische und selektive Literaturrecherche wurde eine Übersicht über aktuell bestehende tragbare Sensorsysteme erstellt. In einer ergänzenden Befragung durch qualitative Experteninterviews wurden Optimierungsmöglichkeiten für die Implementierung von Wearable Sensors in die Bundeswehr eruiert.

Ergebnisse: Eine Vielzahl an Wearable Sensors erscheint für den militärischen Einsatz in der Bundeswehr grundsätzlich zur Erfassung von physiologischen, metabolischen und/oder biochemischen Parametern, zur Erfassung der mentalen Leistungsfähigkeit sowie von Umweltparametern geeignet. Im Experteninterview wurden die besonderen Herausforderungen für Erforschung und Einführung moderner Wearable Sensors sowohl auf technischer als auch auf rechtlicher Ebene herausgearbeitet.

Diskussion und Fazit: Die erfolgreiche Einführung von suffizienten Wearable Sensors ist ein iterativer Prozess, der in nahezu allen Bereichen die Beteiligung von medizinischer Forschung und wehrmedizinischer Expertise nahezu immer erfordert.

Schlüsselworte: Tragbare Sensortechnik, militärische Leistungsfähigkeit, Optimierung, menschliche Leistungsfähigkeit, Management, Monitoring.

Summary

Background: Development and introduction of wearable sensor technology to acquire physiological and environmental data for military purposes are being promoted worldwide. In the Bundeswehr, in particular for medical determinations, different sensors in use; other sensor entities should be introduced.

Methods: A survey of currently existing wearable sensor systems was compiled by systematic and selective literature research. In a supplementary survey by qualitative expert interviews, optimization possibilities for further utilization implementation of wearable sensors in the Bundeswehr were identified.

Results: A great number of wearable sensors appear to be suitable for military use in the Bundeswehr, in order to collect physiological, metabolic and/or biochemical parameters or to detect the status of mental fitness as well as environmental data. The expert survey showed a broad spectrum of technological as well as legal challenges.

Discussion and Conclusions: Development und utilization of wearable sensor systems in the Bundeswehr will take place in an iterative process. Nevertheless, in this process participation of medical research and expertise from military medicine will be obvious.

Keywords: Wearable sensors, military performance, optimization, human performance, management, monitoring.

Einleitung

Die zunehmende Polarisierung moderner Streitkräfte in geopolitischen Auseinandersetzungen führt zu intensiver Erforschung und Entwicklung von innovativen und disruptiven Technologien für militärische Zwecke. Neben der Förderung von künstlich intelligenten Systemen (KI), Deep-Learning-Methoden, Digital Twin, Robotik, autonomen oder teilautonomen Waffensystemen, Stealth Technik, Hyperschall- und Strahlenwaffen (Directed Energy Weapons), Cyber Warfare, Drohnen- und Schwarm­technik rückt auch die Verwendung von mittels Wearable Sensors gewonnenen Biodaten – sowohl für militärische als auch für medizinische Zwecke – in den Fokus. Als Bestandteil von Military Performance Optimization (MPO) eignen sich tragbare Sensor-Systeme, sogenannte „Wearables“, in Verbindung mit „Smart Textiles“ (ST) hervorragend für das Monitoring der Leistungs- und Einsatzfähigkeit durch die Erfassung von physiologischen und Biodaten. Sowohl in Trainings- und Übungssituationen als auch bei der notfallmäßigen und taktischen Verwundetenversorgung hat der Sanitätsdienst Berührungspunkte zu dieser Technologie. Im NATO Science and Technology Report 2020 werden Biosensoren unter „Biotechnology and Human Enhancement“ als relevante Bestandteile für die zukünftige militärische Entwicklung aufgeführt [30].

Abb. 1: Wearable Devices sind auch Bestandteil der Ausrüstung des Infanteristen der Zukunft

Unabhängig von den Möglichkeiten existiert aber auch eine Vielzahl von ungelösten Aufgaben bei der Entwicklung von einsatzfähigen Systemen für militärische Zwecke. Nahezu alle modernen Staaten arbeiten an der Entwicklung und Einführung von Wearable Sensors, insbesondere für Spezialkräfte oder zum Trainingsmonitoring. Auf dem zivilen Markt gibt es ein großes Angebot unterschiedlichster Systeme, welche die Möglichkeiten für eine militärische Nutzung aufzeigen. Maßgeschneiderte und einsatzfähige Sensorsysteme für das Militär sind jedoch noch nicht ausgereift, auch wenn laufende Forschungs- und Entwicklungsbestrebungen in der Bundeswehr seit einigen Jahren beachtliche Fortschritte zeigen [53].

Die vorliegende Arbeit gibt einen Teilaspekt der Ergebnisse einer Masterarbeit zum Thema „Optimierungsanalyse für die Einführung von Wearable Sensors für den militärischen Einsatz in der Bundeswehr“ aus dem Postgraduiertenstudiengang: „Führung in der Medizin“ an der Helmut-Schmidt-Universität der Bundeswehr wieder. Die Studie hatte es sich unter anderem zur Aufgabe gemacht, einen Überblick über bereits existierende Wearable Sensors zu geben, die für militärische Zwecke relevant sein könnten, und aufzuzeigen, welche Systeme für die Einführung in die Bundeswehr priorisiert werden und welche Herausforderungen dabei zu bewältigen sind. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde methodisch zum einen eine systematische und selektive Literaturrecherche angewendet, zum anderen eine Expertenbefragung mittels qualitativer Interviews durchgeführt. Die Untersuchung wurde als Sonderforschungsvorhaben SOFO 37K2-S-71 1920 durch den Direktor Wehrmedizinische Wissenschaft und Fähigkeitsentwicklung am 22. Oktober 2019 genehmigt [41].

Methode

Literaturrecherche

Ziel einer Recherche relevanter Primär- und Sekundärliteratur war, den aktuellen Stand der Technik von Wearable Sensors im Allgemeinen zu erfassen und zusätzlich die Wertigkeit im Kontext der militärischen Nutzung für die Bundeswehr zu bewerten. Die Erfassung der bereits verwendbaren oder in Entwicklung befindlichen Sensortechnologien war dabei inhaltliche Voraussetzung für die Experteninterviews in Bezug auf die Frage, welche Systeme für die Bundeswehr priorisiert werden und welche Herausforderungen sich hierbei ergeben.

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Sensorqualitäten ist eine einheitliche Kategorisierung nur schwer möglich. Für die vorliegende Arbeit wurde daher eine Kategorisierung nach qualitativen Kriterien vorgenommen. Hierbei wurden Wearable Sensors in Systeme zur Messung von physiologischen und biochemischen Parametern, der mentalen Leistungsfähigkeit und von Umgebungsparametern unterteilt.

Die Literaturrecherche wurde als systematische Recherche begonnen und durch eine selektive ergänzt. Die insgesamt mehr als 9 000 gefundenen Veröffentlichungen wurden einer selektiven Analyse unterzogen. Zusätzlich ergaben sich weitere Artikelfunde aus der Auswertung der jeweiligen Literaturverzeichnisse.

Systematische Literaturrecherche

Als Suchbegriffe wurden definiert:

1. „Wearable“ und „Sensor“ und „Bundeswehr“

2. „Wearable“ und „Sensor“ und „Military“

Die Suchbegriffe wurden nach der Booleschen Methode verknüpft.

Aus der Recherche ergaben sich die in Tabelle 1 dargestellten Artikelfunde in den durchsuchten Datenbanken.

Tab. 1: Ergebnisse der systematischen Literaturrecherche

Bewertung und Literaturidentifikation der gesichteten Artikel erfolgten in einem ersten Schritt anhand der Überschrift und des Abstracts bzw. der Inhaltsangaben. Doppelte Suchtreffer für gleiche Artikel lagen nicht vor. Aus der systematischen Literaturrecherche ergaben sich 27 relevante Artikelfunde.

Aufgrund der zu geringen Anzahl an relevanten Artikeln zur vorliegenden Thematik wurde die Recherche durch eine selektive Literatursuche erweitert, die weitere verwendbare Artikel lieferte 1 .

Selektive Literaturrecherche

Es erfolgte eine stichprobenartige Suche mit spezifischen Suchparametern sowie eine Analyse von Querverweisen und Literaturverzeichnissen bereits erfasster Artikel. Zusätzliche Literatur wurde von den interviewten Fachexperten zur Verfügung gestellt.

Die selektive Literaturrecherche erwies sich aufgrund einer sehr hohen Flexibilität als zeitaufwendig, aber auch sehr ergiebig. Insgesamt wurden hier 64 Artikel gesichtet. Aus der Gesamtsichtung aller Artikel (27 systematisch und 64 selektiv) wurden letztendlich 44 Artikel für die vorliegende Arbeit verwendet. Alle verwendeten Quellen waren ohne Restriktionen frei zugänglich einsehbar.

Abb. 2: Systematik der durchgeführten Literaturrecherche

Qualitatives Experteninterview

Hierzu wurde die Methode des strukturierten qualitativen Experteninterviews gewählt, bei dem das spezifische Fachwissen der relevanten Experten genutzt wird [13]. Die Klärung hinsichtlich der Priorisierung von Wearable Sensors und die Herausforderungen bei der Einführung von Wearable Sensors in die militärischen Strukturen der Bundeswehr konnte mittels dieser Methode am besten beantwortet werden.

Nach einer durchgeführten Stakeholder-Analyse, bei der insgesamt 9 Institutionen innerhalb der Bundeswehr identifiziert wurden, gelang es, 6 Entscheidungsträger mit akademischer Qualifikation in jeweils führender Funktion für ein Experteninterview zu gewinnen (Tabelle 2). Die befragten Experten gehörten jeweils unterschied­lichen Institutionen an und waren bereits seit Jahren mit der Einführung von Wearable Sensors befasst.

Tab. 2: Einrichtungen der Bundeswehr, bei denen Expertise auf dem Gebiet „Wearable Sensors“ vorhanden ist.

Die Interviews beinhalteten mehrere wissenschaftliche Fragestellungen. Die für diesen Artikel ausgewerteten beiden Fragen waren:

1.) Welche tragbaren Biosensoren werden in der Bundeswehr aktuell priorisiert?

2.) Welche Herausforderungen ergeben sich bei der Einführung und Anwendung von physiologischen Monitoringsystemen oder Biosensoren in der Bundeswehr?

Die Experten wurden in ihren Institutionen befragt. Das Interview wurde anonymisiert, transkribiert und analysiert. Der Datenschutz der erhobenen Daten wird gemäß Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) in der jeweils gültigen Fassung (Verordnung (EU) 2016/679 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 27. April 2016) durch den Interviewer gewährleistet [12].

Ergebnisse der Literaturrecherche

Die Analyse bereits entwickelter Sensoren aus den Erkenntnissen durch Teilnahme an Kongressen, Literaturrecherche und Experteninterviews zeigt, dass sich bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren auf dem Markt befindet. Zusätzlich werden an weiterer Sensortechnik geforscht sowie einsatzreife Systeme für den kommerziellen und militärischen Bedarf entwickelt. Eine Übersicht über bisher verfügbare Wearable Sensors soll einen Einblick in die aktuell vorhandenen Systeme bieten.

Tragbare Sensoren zur Erfassung von physiologischen Parametern

Die Analyse fokussiert sich auf Qualität der Messung, Einsatzreife, militärische Relevanz und Quellangaben.

Herzfrequenz

Puls-Sensoren, welche mittlerweile in Smart Watches oder Armbänder integriert sind, messen die Herzfrequenz (HF) mit einer ziemlich hohen Genauigkeit. Zumeist sind die angezeigten Werte über einen definierten Zeitraum gemittelt, sodass ein Verlauf gut angezeigt werden kann. Diese Systeme haben einen hohen Stellenwert für viele Faktoren wie Leistungsanalyse, sportliches Training, Dead-Life-Detektion, die medizinische Versorgung von beeinträchtigten Soldaten, usw. Der militärische Nutzen ist gegeben, die Sensoren sind etabliert und einsatzfähig [31]. HF-Sensoren werden von nahezu allen größeren Anbietern (z. B. Polar, Garmin, Fitbit, Apple, Samsung, Xiaomi, usw.) angeboten und sind sehr weit verbreitet.

Herzratenvariabilität

Durch Analyse der Herzratenvariabilität (HRV) kann über die Messung veränderter Herzfrequenzmuster eine Aussage zum vegetativen Nervensystem getroffen werden. Die HRV erlaubt u. a. Rückschlüsse auf Stressbelastung und Trainingszustand des Individuums. Valide Sensoren werden u. a. in der Apple Watch® oder im Polar H7®-Band auch für wissenschaftliche Auswertungen verwendet [21]. Hierbei muss allerdings gewährleistet sein, dass eine Beat-to-Beat-Analyse vorhanden ist, somit dürfen die Werte nicht gemittelt werden.

Blutdruck

Die Messung des systemischen Blutdrucks als einem der wichtigsten Vitalparameter zur Organperfusion erlaubt vor allem in der medizinischen Versorgung eine Aussage über den Gesundheitszustand des Individuums. Sowohl Dehydratation, Stressniveau, verletzungsbedingter Blutverlust oder Schockzustände gehen mit einer relevanten Veränderung des Blutdrucks einher. Seit kurzem werden erste valide messende Systeme in Smart Watches beschrieben, welche über das Messverfahren der Photoplethysmographie (PPG) valide Parameter erheben können [26]. Mehrere Sensoren sind bereits auf dem kommerziellen Markt verfügbar. Das Ohrsensorsystem, welches im Rahmen der laufenden Forschungsarbeiten an das mobPhysioLab angebunden wurde, ermöglicht ebenfalls die Erfassung des Blutdruckverlaufs, relativ zu einem zuvor bestimmten Referenzwert [34][35]. Hierfür wird kein zusätzlicher Sensor, wie üblicherweise EKG oder ein weiterer PPG-Sensor, an einer anderen Stelle des Körpers benötigt. Zudem basieren die Algorithmen auf einem physiologischen Modell – im Gegensatz zu den häufig genutzten Ansätzen auf der Grundlage von Machine Learning und künstlicher Intelligenz. Der neu entwickelten Methodik liegt eine Pulsformanalyse der vorverarbeiteten Rohdaten des PPGs zugrunde. Der daraus gewonnene Zeitparameter korreliert mit dem Blutdruck und lässt sich über das Modell in Blutdruckwerte umrechnen. Diese Sensorik hat eine hohe militärische Relevanz, vor allem in der sanitätsdienstlichen Verwundetenversorgung. Dennoch handelt es sich noch nicht um ein validiertes und als Medizinprodukt zugelassenes Messsystem und eignet sich noch nicht zur Diagnostik.

Sauerstoffsättigung

Die Sauerstoffsättigung (SaO2) im Blut, gemessen mittels Pulsoxymetrie, ist ein hoch relevanter Vitalparameter in der medizinischen Versorgung. Sowohl bei Einsätzen in Höhen, wie sie bei militärischen Einsätzen im Gebirge oder im Flugdienst vorkommen, als auch bei der Beurteilung von Erkrankten oder Verletzten ist dieser Parameter essenziell. Tragbare Pulsoxymeter sind bereits seit langem etabliert. Neueste Publikationen beschreiben Wearable Oxymetrie Patches, welche die Sauerstoffsättigung mit hoher Energieeffizienz messen können [23]. Zudem bietet das Ohr, insbesondere Teile der Hörmuschel sowie der äußere Hörkanal, eine äußerst vielversprechende Messposition. Das Gewebe in diesem Bereich wird stabil durchblutet und ist, aus Gefäßsicht, nur wenige Verzweigungen vom Herzen entfernt. Daher können Änderungen in der Blutsauerstoffsättigung sehr viel früher detektiert werden als beispielsweise an den Extremitäten. Ein photoplethysmografischer (PPG) Sensor, der mittels einer Otoplastik an der Innenseite des Tragus befestigt wird (vgl. Abbildung 3), wurde kürzlich in das mobPhysioLab® integriert. Neben der Blutsauerstoffsättigung können mit dem System auch weitere Vitalparameter, wie die Herzrate und ihre Variabilität, erfasst werden.

Abb. 3: Beispiel eines in eine Otoplastik integrierten PPG-Sensors:
oben links: komplette Otoplastik in situ mit herausgeführten Flexband
oben rechts: in die Otoplastik integrierter Sensor (im roten Kreis)
unten links: Detailabbildung des Sensors aus der Otoplastik mit den am unteren Rand in der Kavität sichtbaren Sensoren
unten rechts: rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kavität des Sensors mit 3 montierten LED
(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der CiS – Gesellschaft für Mikroelektronik GmbH, Erfurt)

Atemfrequenz

Die Messung der Atemfrequenz (AF) als ein wichtiger Vitalparameter erlaubt u. a. Rückschlüsse auf das Stressniveau, den körperlichen Belastungszustand, aber auch auf den Gesundheitszustand des Individuums [32]. Bisher etablierte Messverfahren nutzen eine Weste oder ein Brustband. Aktuelle Publikationen beschreiben einen Wearable Sensor der Firma Philips mit ausreichend validen Messergebnissen [50][42]. Die AF hat militärische Relevanz und wird aktuell in der Bundeswehr in das mobPhysioLab® integriert [41].

Anaerobe Trainingsschwelle

Die Bestimmung der aeroben Trainingsschwelle erlaubt es, die sportliche Trainingseffizienz eines Individuums durch Biofeedback besser zu steuern. Hierbei wird die Sauerstoffaufnahmekapazität über einen Algorithmus unter Einbeziehung der Optical Heart Rate (OHR) errechnet. Wearable Sensors können diesen Wert valide berechnen [37]. Dieser Parameter hat mehr militärische Relevanz im Rahmen des körperlichen Trainings und der Fitnessverbesserung als für den Einsatz.

Körperkerntemperatur

Durch die Messung der Körperkerntemperatur (KKT) kann ein Individuum rechtzeitig vor einer Hyperthermie (Überhitzung) mit möglichen lebensbedrohlichen Konsequenzen bewahrt werden; unterschiedliche Sensortechniken werden hierzu angewendet. Die KKT hat eine sehr hohe militärische Relevanz für Training und Einsatz bei erhöhten Temperaturen, insbesondere für die ABC-Abwehrtruppe. Untersuchungen an Algorithmen und Bewertungen der Hitzebelastung durch Thermal Work Strain werden u. a. in der Bundeswehr und in den US-amerikanischen Streitkräften durchgeführt [7]. Bereits 2017 wurde ein mittels 3D-Druck hergestellter Temperatursensor von der University of California entwickelt, welcher über eine Infrarotschnittstelle im Ohr (Earable) gemessene Daten valide auf ein Smartphone überträgt [22]. Jedoch ist eine Messung im Ohr mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Beim längeren Tragen eines okkludierenden Sensors im Ohr können Entzündungen entstehen, zudem stört es bei den essenziell wichtigen über das Ohr vermittelten Informationen. Eine weitere innovative Entwicklung, der Tcore®-Sensor (Fa. Draeger, Lübeck, Germany) ermöglicht mittels eines Algorithmus die Messung der Körperkerntemperatur am Kopf mit der Heat-Flux-Methode [18]. In mehreren Studien kam dieser Sensor zum Einsatz [19][20]; er ist in der Bundeswehr bereits etabliert [49]. Weitere Messmethoden, wie die TempPill®,haben sich nur bedingt durchsetzen können [36], sei es aus hygienischen oder Anwendungsgründen; auch der Preis spielt hier eine erhebliche Rolle.

Elektrokardiogramm (EKG)

Die Ableitung des EKG mittels Wearable oder Implantable Sensors ist bereits seit Jahren etabliert; diese Systeme eignen sich zur Detektion von Herzrhythmusstörungen und werden häufig bei Patienten in der kardiologischen Diagnostik eingesetzt. Der Einsatz der EKG-Detektion für militärische Zwecke erscheint von untergeordneter Bedeutung, da hier in der Regel gesunde Menschen zum Einsatz kommen und die Aussagekraft einer differenzierten EKG-Messung, im Gegensatz zur Herzfrequenzmessung, eher von untergeordneter Bedeutung ist. Das EKG kann auch genutzt werden, um die HRV zu berechnen. Da jedoch eine Beat-to-Beat-Analyse durch eine HF-Messung möglich ist, kann zu diesem Zweck auf ein sehr störanfälliges EKG prinzipiell verzichtet werden. Das spanische Militär setzt in Studien die EKG-Messung zur Beurteilung von mentalem Stress ein [46].

Triaxiale Beschleunigung

Tragbare Sensoren, welche die Beschleunigung in allen drei Bewegungsrichtungen detektieren können, dienen der frühzeitigen Detektion von traumatischen Schädel-Hirnverletzungen, z. B. bei Risikosportarten oder im militärischen Einsatz im Falle von Explosionsfolgen. Eine zusätzliche Anwendung erfolgt in den Helmen von Cockpitbesatzungen militärischer Kampfjets, um die G-Belastung auf den Piloten zu ermitteln [44]. Auch werden Beschleunigungssensoren bei Forstarbeitern zur Detektion von Unfällen genutzt, indem beim Sturz eines Arbeiters ein Alarm ausgelöst wird. Im militärischen Kontext ist ein solcher Einsatz sehr schwierig, weil der Sturz eines Soldaten mehrere Ursachen haben kann; eine Unterscheidung zwischen einem Trauma oder einem durch Beschuss erforderlichen „In-Deckung-Gehen“ ist nur sehr schwer möglich.

Gewichtsbelastung

Die Detektion der Gewichtsbelastung durch Druckmessung in smarten Stiefelsohlen oder intelligenten Kampfstiefeln ist auf dem kommerziellen Markt bereits verfügbar. Im militärischen Kontext wird der Einsatz bei den US-Streitkräften beschrieben [14].

Lage, Haltung, Fall- und Sturzdetektor

Sturzsensoren können schnelle Lagewechsel eines Individuums wahrnehmen und so einen Sturz detektieren. Durch die Verwendung von rekurrenten neuronalen Netzwerksystemen (RNN) ist es möglich, Sturzereignisse in Echtzeit zu erfassen [27]. Der Nutzen von Sturzdetektoren in der Betreuung von sturzgefährdeten Personen ist bereits gut nachvollziehbar; inwieweit der militärische Nutzen von größerem Interesse ist, lässt sich aktuell nicht sicher klären. Stürze können zu Verletzungen führen und bei frühzeitiger Detektion die rechtzeitige Versorgung von Verletzten begünstigen. Falldetektoren auf der Basis von Multisensoren unter Nutzung von Kamera, Gyroskop und Accelerometer (Beschleunigungssensor) sind Bestandteil aktueller Untersuchungen, jedoch noch nicht mit Einsatzreife für das Militär vorhanden [24].

Muskelermüdung

Die Ermüdung der Muskulatur durch Dauer- oder Überbeanspruchung ist häufig eine Ursache für Verletzungen in Training und Einsatz. Die Messung der muskulären Ermüdung kann präventiv das Sturz- oder Unfallrisiko vermindern. Durch Integration von Elektroden zur Elektromyografie (EMG-Messung) in nutzerfreundliche Bekleidungsstücke („Smart Textiles“) besteht die Möglichkeit zur Datenerfassung und -nutzung [9]. In Studien zeigte sich durch elektromyographische Messungen mittels „superficial Electromyography“ (sEMG) in Zusammenhang mit einem kommerziellen Armband die Möglichkeit zur Einschätzung der muskulären Ermüdbarkeit. Messsysteme zur Messung der muskulären Ermüdung werden – u. a. in kommerzielle Sportschuhe integriert – bereits seit 2017 angeboten [28].

Geschwindigkeit/Beschleunigung

Beschleunigungssensoren sind z. B. in handelsüblichen Smart Watches integriert. Durch moderne hochsensitive mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) ist es möglich, die auf eine Person wirkende Beschleunigung zu messen [42]. Ergänzend können Daten durch die ­Ankopplung zu GPS-Signalen verwendet werden. Der militärische Nutzen für Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssensoren wurde durch die schweizerischen, niederländischen und US-amerikanischen Streitkräfte untersucht. Untersuchungen zeigten, dass die Sensoren zur Beurteilung der Marschleistung von Soldaten valide und geeignet sind [51].

Distanzmessung und Route Tracking

Die Messung der zurückgelegten Entfernung kann bei Soldaten im Einsatz Auskunft über die physische Belastung und die Position des Betreffenden geben. Distanzmessungen können Wearables über GPS-Ortung durchführen; sie sind in kommerziellen Systemen etabliert und wurden bereits 2013 für den militärischen Gebrauch beschrieben [47].

Kalorienverbrauch

Der tägliche Kalorienverbrauch als Indikator für die energetische Versorgung eines Individuums kann über unterschiedliche Systeme, wie Puls oder accellerometrische Daten, kalkuliert werden [4]. Modernere Ansätze versuchen über Kinetic Energy Harvesting (KEH) den Kalorienverbrauch möglichst exakt einzuschätzen. Die Messung des Kalorienverbrauchs eignet sich auf militärischem Gebiet zur adäquaten Ergänzung nutritiver Reserven während des Trainings oder im Einsatz.

Schweißverlust

Die Messung des Schweißverlustes erlaubt Rückschlüsse auf körperliche, thermische und mentale Belastung sowie auf den zu erwartenden Flüssigkeitsverlust. Zur Vermeidung von Dehydratation während körperlicher Einsätze ergibt sich hieraus eine relevante Methodik zur Erhaltung der Kampfkraft von Soldaten. Kleine, günstig herzustellende, tragbare Patches auf Hydrogelbasis ermöglichen diese Messungen [58].

Hydratationszustand

Die Erfassung des Hydratationszustandes eines Individuums wird aktuell mittels sehr unterschiedlicher Ansätze untersucht. Zur Einschätzung des Flüssigkeitshaushaltes werden u. a. Nano-Elektroden auf der Haut verwendet, so auch Monitoringsysteme aus flüssigkeitsgefüllten Flaschen zur Trinkmengeneinschätzung oder nicht-invasive kolorimetrische Hautsensoren auf Basis einer Bestimmung der Flüssigkeitszusammensetzung im Schweiß [17][56][59].

Tragbare Sensoren zur Erhebung von metabolischen/biochemischen Parametern

Haut-pH-Messung

Die Messung des pH-Wertes auf der Haut erlaubt Rückschlüsse auf den Säure-Basen-Haushalt. Unterschiedliche Messverfahren sind in Entwicklung, so auch Tattoos mit dermal applizierten Bio-Sensoren, welche durch kolorimetrische Metabolitdetektion und Farbindikatoren den pH-Wert anzeigen. Der militärische Nutzen ist aktuell nicht erkennbar [57].

Blutzuckermessung

Die kontinuierliche Bestimmung der Blutglukose mittels einer Pflastersonde ist bereits mit unterschiedlichen Systemen möglich. Handelsübliche Systeme, wie z. B. das Freestyle libre® (Fa. Abbott) oder das Dexcom G6® sind validiert und auch für den militärischen Bereich bei an Diabetes erkrankten Soldaten zugelassen. Der militärische Nutzen erscheint bei metabolisch gesunden Soldaten von untergeordneter Bedeutung zu sein [6].

Laktatmessung

Laktat ist ein Stoffwechselprodukt, welches im Körper ansteigt, wenn der Energieverbrauch nicht mehr allein durch den aeroben Stoffwechsel bewerkstelligt werden kann; es ist ein wichtiger Parameter in der Leistungsphysiologie von Spitzensportlern. Laktatmessungen können bereits seit Jahren über die Schweißanalyse aus Stirnbändern oder Kapton Patches durchgeführt werden und könnten auch für die militärische Verwendung von Nutzen sein [11].

Cortisolmessung

Cortisol, ein körpereigenes Nebennierenrinde-Hormon, steigt im Blut u. a. bei Stress an. Die Detektion von Cortisol im Schweiß durch eine applizierbare biometrische polymere Nanoporenmembran liefert stabile und kontinuierliche Daten, die es ggf. erlauben, Rückschlüsse auf Stressbelastungen zu treffen [39].

Elektrolytmessung

Die Mineralzusammensetzung im Körper ist relevant für nahezu alle zellulären Stoffwechselvorgänge und unterliegt einem Gleichgewicht. Die Bestimmung der Elektrolyte (wie bspw. Natrium, Chlorid, Kalium, Magnesium, etc.) im Schweiß durch Wearable potentiometric ion sensors (WPIS) stellt eine Methode dar, um die Mineralzusammensetzung im Körper zu analysieren [3][38]. Mineralentgleisungen während des Trainings oder des militärischen Einsatzes können somit zeitnah erfasst werden. Erste Publikationen über Wearable Sensors zur potentiometrischen Elektrolytbestimmung wurden bereits im Jahr 2000 von DIAMONS et al. berichtet. Einsatzfähige Systeme für die Bundeswehr liegen noch nicht vor.

Flüssigkeitssensoren ( Blutdetektion)

Um verwundeten Soldaten auf dem Gefechtsfeld möglichst schnell medizinische Hilfe zukommen zu lassen, ist eine frühzeitige Erfassung von Verletzungen für das Sanitätspersonal hilfreich. In Textilien eingewobene Flüssigkeitssensoren, welche spezifisch zwischen Schweiß, Wasser, Urin und Blut anhand von elektrochemischen Elektrodenpotentialen differenzieren können, erfassen Verletzungen und senden die Daten wireless zum versorgenden Sanitätspersonal. Diese „TexBoFluS“ (Textile Body Fluid Sensor) sind technisch in Entwicklung und Bestandteil bundeswehreigener Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Rahmen eines 2018 durchgeführten Entwicklungsprojektes am WiWeB [53].

Abb. 4: Flüssigkeitssensor (TexBoFluS = Textile Body Fluid Sensor) zur Blutsensorik für Textilintegration, erprobt beim WiWeB Erding (Genehmigung des WiWeB Erding zur Veröffentlichung liegt vor)

Tragbare Sensoren zur Messung mentaler Leistungsfähigkeit

Elektroenzephalogramm (EEG )

Die Verwendung von tragbaren EEG-Sensoren wird seit Jahren untersucht. Durch die Verwendung von EEG-Elektroden, welche als Wearable in eine Kopfhaube integriert sind, konnten VOLF et al 2019 die mentalen Belastungsreaktionen von Kampfpiloten aufzeichnen, welche im Simulatortraining unter Stress erfasst wurden [45]. Versuche mit EEG-Messungen an Earables von ATHAVIPACH et al. 2019 zeigten eine Korrelation von spezifischen EEG-Mustern zum emotionellen Status von 53,72–78,7 %. Die ließ zwar keine ausreichende Zuordnung zu, dürfte jedoch vielversprechend für zukünftige Entwicklungen sein [2].

Wearable Sensor zur Schlafbeurteilung

Zur Beurteilung der Schlafdauer und -qualität gibt es unterschiedliche Ansätze. In einer Untersuchung zu Schlaf- und Wachphasen konnten RAZJOUYAN et al. 2017 bereits anhand eines Wearable Chest Sensors eine bessere Korrelation (85,8 % versus 79,8 %) im Vergleich zu Handgelenkssensoren (Wristworn) herausfinden [43]. In einer weiteren Untersuchung von BOE et al. konnte 2019 gezeigt werden, dass bei Verwendung von multimodalen Sensoren in einer kommerziellen Smart Watch (ActiWatch®) die Datenqualität und Messgenauigkeit hinsichtlich der Beurteilung der Schlafdauer deutlich verbessert werden konnte. Durch die Verwendung von ­Accelerationssensoren, EKG und Messungen der peripheren Hauttemperatur konnte die Korrelation zu Schlaf- und Wachphasen auf bis zu 90 % erhöht werden [5]. Nach einer der neuesten Studien von CHINOY et al. aus 2019 zeigen 2 von 5 getesteten Smart Watches eine gute Korrelation für die Schlafdetektion, jedoch Defizite in der Erkennung von Wachphasen, sodass eine ausreichende Schlafbeurteilung von Schlaftrackern nur eine ungefähre Aussage ermöglicht und erst durch zukünftige Verbesserungen mit präziseren Daten zu rechnen ist [8]. Es werden auch Apps, welche über Smartphones betrieben werden, genutzt, um die Schlafqualität zu beurteilen. Diese ersetzen sicher keine Polysomnographie, es wäre aber vorstellbar, solche vor allem nicht am Körper stattfindenden Messungen mit in die Beurteilung zu integrieren.

Sensoren zur Stressmessung

Generell kann Stress u. a. zur Erhöhung der Atemfrequenz, der Herzfrequenz, der Cortisol- und Katecholaminausschüttung, des Blutdrucks, der Stimmlage und Sprechfrequenz führen. Diese vielfältigen Faktoren machen sich Wearables zu Nutze, um eine Einschätzung der Stressintensität vorzunehmen. In einer sehr interessanten Untersuchung von SEOANE et al. wurde bereits 2014 unter Verwendung von multimodalen Wearable Sensors wie EKG, Sprachaufzeichnung, elektronischer Bioimpedanzmessung und Hauttemperatur versucht, eine Stressdetektion bei spanischen Soldaten vorzunehmen. Weitere Untersuchungen sollten folgen [21]. Aktuelle Untersuchungen von KYRAAKOU et al. 2019 zur Stressdetektion unter Verwendung spezieller Algorithmen in Verbindung mit der Messung von galvanischem Hautwiderstand und Hauttemperatur führten zu einer prognostischen Aussagekraft von 84 % unter „Real-World-Condition“, was zwar eine hohe Korrelation darstellt, aber auch keine Aussage über den Stressauslöser oder die Stressqualität (Eustress vs. Dysstress) zulässt [25].

Tragbare Sensoren zur Messung von Umgebungsparametern/Meteorologie

Meteorologie

Grundsätzlich sind die Parameter Luftdruck, Lufttemperatur und Luftfeuchte wichtige Größen, welche sich auf den Menschen auswirken. Zudem sind z. B. Regen, Schnee usw. auf den Menschen erheblich einwirkende äußere Umstände. Zu unterscheiden sind makro-, mikro- und nanometeorologische Faktoren. Jeder Faktor für sich, aber vor allem mehrere in Kombination, beein­flussen die Performance der jeweiligen Person. Daher müssen diese meteorologischen Parameter in die Betrachtung mit einbezogen werden; für das Nanoklima gilt, dass es direkt an der Person gemessen werden sollte. Dies ist vor allem für Personen von Bedeutung, die ­Anzüge tragen müssen, die semi- oder impermeabel sind.

UV und UV-Dosimetrie

UVA- und UVB-Wellenexposition im Sonnenlicht können zu schädigenden Effekten wie Sonnenbrand und Hautkrebs führen. Wearable Devices in Armbandform können diese UV-Exposition messen und präventive Informationen bieten [16].

Position (GPS)

Wearable Sensors mit integrierter Positionsbestimmung über das Global Positioning System (GPS), sowie Bewegungsverfolgung (Route Tracking) sind bereits Bestandteil in vielen Smart Watches. Durch Lokalisation des Trägers ist es z. B. möglich, in medizinischen Notfällen einen Verletzten zu retten und gezielt medizinisch zu versorgen. Insbesondere für militärische „Combat Search and Rescue“-Missionen erscheint diese Option von hoher Relevanz [40].

Höhenposition

Sensoren zur Höhenmessung sind technisch etabliert und weit verbreitet in Smart Watches oder Armbändern. Der Nutzen für den militärischen Einsatz könnte bei Einsätzen über 2 500 m Höhe nicht nur für die Gebirgsjägertruppe von Relevanz sein, da ab dieser Höhe potenziell mit Symptomen der Höhenkrankheit zu rechnen ist und durch weltweite Einsatzszenarien eine Akklimatisation für die Person nicht immer gewährleistet werden kann [29].

Gas- und Kampfstoffdetektion

Das Aufspüren von gesundheitsgefährdenden Gasen ist in spezifischen Situationen eine relevante Schutzmaßnahme für militärisches Personal. Flexible tragbare Sensoren auf Nanobasis von graphen-basierten Materialien sind technisch in der Lage, u. a. nitrogene Dioxide (NO2), Ammoniak (NH3), Hydrogen (H2), Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlenmonoxid und Kohlendioxid (CO/CO2) zu detektieren [48]. Der medizinische ABC-Schutz des Sanitätsdienstes der Bundeswehr ist mit eigenen Forschungsvorhaben an der Kampfgasdetektion beteiligt [10].

Radioaktive Strahlendetektion (Neutronen-/Gammastrahlung)

Tragbare Sensorik zur Messung der radioaktiven Umgebungsstrahlung ist bereits für Gamma- und Röntgenstrahlung in Verbindung mit einem Smartphone kommerziell verfügbar. Militärisch relevante Aspekte ergeben sich bei Operationen in potenziell kontaminierten Regionen und im Rahmen der asymmetrischen Kriegsführung durch kontaminiertes Material in sogenannten „Dirty Bombs“ [33].

Ergebnisse aus den qualitativen Experteninterviews

Die Antworten auf die beiden Forschungsfragen sind in den Tabellen 3 und 4 zusammengefasst.

Tab. 3: Ergebnisse der Expertenfrage nach der aktuellen Priorisierung bei Forschung/Entwicklung tragbarer Biosensoren in der Bundeswehr

Tab. 4: Ergebnisse der Expertenfrage nach den Herausforderungen bei der Einführung und Anwendung von Wearable Sensors

Diskussion

Entwicklung und Einführung von Wearable Sensors für militärische Zwecke finden weltweit in allen modernen Streitkräften statt. Die Bundeswehr beteiligt sich seit Jahren mit unterschiedlichen Projekten an der Erforschung und Nutzung von tragbarer Sensortechnologie. Zur Ermittlung des Entwicklungsstandes und der Erfassung des aktuellen Status in der Entwicklung dieser Sensoren wurde eine breite Expertenbefragung an beteiligten Instituten in der Bundeswehr in 2019 und 2020 durchgeführt. Als Grundlage für diese Untersuchung wurde eine Übersicht über Wearable Sensors erstellt. Diese Erfassung stützt sich auf wissenschaftliche Publikationen aus 2017–2019, die unterschiedliche Sensorentitäten beschreiben, welche einen potenziellen Nutzen für militärische Zwecke haben können.

Die Ergebnisse der Literaturrecherche ergaben eine relevante Auswahl von 32 unterschiedlichen Sensor-Entitäten. Aus einzelnen Review-Arbeiten [1][15] ergaben sich unterschiedliche Kategorisierungen für Wearable Sensors. Für diese Arbeit erfolgte aus Gründen der Zweckmäßigkeit eine Einteilung in Sensoren zur Erfassung

  1. physiologischer Parameter,
  2. metabolischer und biochemischer Parameter,
  3. der mentalen Leistungsfähigkeit sowie von
  4. Umweltparametern.

    Bei einer standardisierten Literaturrecherche wurden 32 Wearable Sensors gefunden, von denen 30 Systeme einen potenziellen Nutzen für militärische Zwecke haben oder haben könnten. Die erstellte Übersicht über unterschiedliche tragbare Sensorsysteme gibt einen orientierenden Überblick über die vorhandene Technik. Trotz der umfänglichen Darstellung ist es denkbar, dass es zwischenzeitlich Neuerungen und verbesserte Systeme aus diesem sich sehr schnell entwickelnden Forschungsfeld gibt.

    Die auf der Literaturrecherche aufbauende Beantwortung der Wissenschaftsfragen ergab insgesamt 4 Forschungsprojekte in der Bundeswehr, welche jedoch bisher noch nicht zur serienreifen Einführung der Sensortechnik geführt haben. So befassen sich die Projekte wie MobPhysioLab® mit in Smart Textile integrierten Sensoren zur Bestimmung der Herz- und Atemfrequenz sowie der Körpertemperatur, andere Projekte hingegen mit Sensorik zur Bestimmung von Stress und Müdigkeit, Messung der Sauerstoffsättigung bei Höhenfallschirmspringern sowie Sensoren zur Flüssigkeits- und Blutdetektion, ebenfalls in Bekleidung integriert. Betrachtet man die Vielfalt an verfügbaren unterschiedlichen und zum Teil schon einsatzreifen Wearable Sensors auf dem kommerziellen Markt, ergibt sich zusätzlich die Frage nach einer Erweiterung der Entwicklung von Wearable Sensors für militärische Zwecke in der Bundeswehr.

    Abb. 5: Mobiles physiologisches Labor (mobPhysioLab®): Das Aufzeichnungsgerät befindet sich in der Umhängetasche: hier können verschiedene Sensoren angeschlossen werden.

    Um Wearable Sensors einsatzreif in die Bundeswehr einzuführen, ist eine Vielzahl an Herausforderungen zu bewältigen. Die Expertenantworten aus Tabelle 4 ermöglichen es, eine wissenschaftliche Schwerpunktbildung und fokussierte Problemlösungsstrategien herzuleiten, um Wearable Sensors effektiv zu entwickeln. Auch wenn in dieser Analyse möglicherweise nicht alle Herausforderungen erfasst wurden, so bietet sie eine sehr breite Palette von Ansatzmöglichkeiten zur Optimierung.

    Neben den in der Analyse dargestellten Herausforderungen ist es wahrscheinlich, dass weitere relevante Herausforderungen bestehen, welche bisher noch keine Beachtung gefunden haben. Durch Erweiterung des Kreises der beteiligten Experten und Stakeholder könnte eine ganzheitlichere Optimierungsanalyse erarbeitet werden, welche die Einführung von Wearable Sensors in die Bundeswehr verbessert. Letztendlich scheint die Frage für die Einführung von tragbarer Sensortechnik nicht das „ob“ zu sein, sondern das „wie“ und vor allem „wie schnell“ und „wie effizient“.

    Fazit

    Eine Vielzahl an unterschiedlichen “Wearable Sensors” steht für den kommerziellen zivilen Gebrauch zur Verfügung. Der technische und wissenschaftliche Ausreifungsgrad dieser Systeme ist sehr unterschiedlich ausgeprägt. Für die Verwendung im militärischen Kontext scheinen sich mehrere Sensorentitäten zu eignen. Erste Wearable Sensors für die Bundeswehr sind bereits seit Jahren in der Entwicklung [54].

    Bis zur Einsatzreife für militärische Zwecke ist eine Vielzahl an Herausforderungen zu meistern, welche in dieser Arbeit erstmals durch ein bundeswehrinternes Expertengremium definiert wurden. Um im internationalen Vergleich auf dem Gebiet der innovativen Technologien wettbewerbsfähig zu bleiben, sind aus Sicht der Autoren deutlich größere Anstrengungen nötig, als bisher für die Erforschung und Einführung von Wearable Sensors in die Bundeswehr umgesetzt wurden.

    Die erfolgreiche Einführung suffizienter Wearable Sensors bedient sich Optimierungsmöglichkeiten, die sich für einen iterativen Prozess aus den aufgezeigten Herausforderungen ableiten lassen.

    Da die Interpretation und Nutzung von physiologischen und biologischen Individualdaten von hoher Relevanz ist, ist eine Beteiligung von medizinischer Forschung und wehrmedizinischer Expertise nahezu immer gegeben. In diesem Umfeld erscheint ein deutlicher Mehrbedarf an Forschung, Expertise und Engagement notwendig, will man die noch zu lösenden Aufgaben ganz und gar anderen Nationen oder Akteuren überlassen [45].

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Manuskriptdaten

Eingereicht: 9. Dezember 2020

Nach Überarbeitung angenommen: 18. März 2021

Zitierweise

Scheit L, Werner A: „Wearable Sensors“ zur Unterstützung eines medizinischen Monitorings für militärische Zwecke. WMM 2021; 65(6): 225-235.

Für die Verfasser

Oberfeldarzt Dr. Lorenz Scheit, M. Sc.

Bundeswehrkrankenhaus Hamburg

Klinik I – Innere Medizin

Lesserstr. 180, 22049 Hamburg

E-Mail: lorenzscheit@bundeswehr.org

Manuscript data

Submitted: December 9, 2020

After revision accepted: March 18, 2021

Citation

Scheit L, Werner A: Support of Medical Monitoring for Military Reasons by Wearable Sensors. WMM 2021; 65(6): 225-235.

For the authors

Lieutenant Colonel (MC) Dr. Lorenz Scheit, M. Sc.

Bundeswehr Hospital Hamburg

Department I – Internal Medicine

Lesserstr. 180, D-22049 Hamburg

E-Mail: lorenzscheit@bundeswehr.org


1 Die dieser Arbeit zugrundeliegende Suchabfrage erfolgte im Januar 2020; inzwischen lassen sich in verschiedenen Datenbanken deutlich mehr Einträge registrieren, die die rasche Entwicklung, das Interesse sowie die technischen Fortschritte in diesem Sektor aufzeigen.