Quelle: Universität Bielefeld 14. Juli 2022.

14. Juli 2022 – Der 20. Juli ist internationaler Tag der Weltraumforschung. Forschende der Universität Bielefeld befassen sich aktuell mit der Frage, ob sich der Kreislauf von Astronaut*innen unaufdringlich überwachen lässt. Sie setzen ein Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS) um und erforschen eine Methode zur Messung der Herz-Kreislauf-Funktion: In ein T-Shirt eingenähte smarte Sensoren messen minimale Bewegungen des Brustkorbs, die durch den Herzschlag entstehen, und senden diese Information über ein Drahtlos-Netzwerk zur Erde. „Unser Experiment verläuft sehr erfolgreich“, sagt Professor Dr. med. Dr. Urs-Vito Albrecht von der Medizinischen Fakultät OWL der Universität Bielefeld. „Die Daten sind vielversprechend und wir sind sehr zufrieden.“ Für die Studie kooperiert die Universität Bielefeld mit der Technischen Universität Hamburg, dem Bremer Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, der Firma Hohenstein Laboratories und dem Raumfahrtunternehmen DSI Aerospace Technologie.

Weltraumspaziergänge sind enorm gefährlich und sehr anstrengend. Nur ein Raumanzug trennt die Astronaut*innen vom lebensfeindlichen Weltall. Das stundenlange Arbeiten in den klobigen Anzügen ist kräftezehrend und belastet das Herz-Kreislauf-System enorm. „Ein Kollaps beim Außenbordeinsatz wäre fatal. Es ist daher sehr hilfreich, Herz und Kreislauf ständig im Blick zu haben“, sagt Professor Dr. med. Dr. Urs-Vito Albrecht von der Arbeitsgruppe Digitale Medizin in der Medizinischen Fakultät OWL. „Frühzeitig lässt sich so eine Überlastung erkennen und es kann entsprechend gegengesteuert werden“.

Albrecht ist am BEAT-Experiment beteiligt, an dem die Raumfahrenden Dr. Matthias Maurer und Samantha Cristoforetti mitwirken. Gemeinsam mit Kolleg*innen erforscht er die Ballistokardiografie als Methode, wie eine unaufdringliche Langzeitmessung der Herz-Kreislauf-Funktion bei geringem Ressourceneinsatz gelingen kann. Professor Dr. med. Sebastian Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe Digitale Medizin sagt: „Die Erkenntnisse sind auch für die zukünftige Gesundheitsversorgung auf der Erde bedeutsam“.

Im All gemessen, auf der Erde ausgewertet
BEAT steht für „Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions“ (Ballistokardiografie für extraterrestrische Anwendungen und Langzeitmissionen). Im Kern des Experiments werden mittels eines smarten T-Shirts kleinste herzkreislaufbedingte Beschleunigungen des Körpers der Astronaut*innen gemessen. Hieraus sollen Rückschlüsse auf die Funktionalität des Herzens getroffen werden. Die Ballistokardiografie-Methode erfährt durch die Sensorprozessortechnik eine Renaissance, nachdem sie fast in Vergessenheit geriet.

„Auf der ISS ist die Schwerkraft so gering, dass sie kaum Einfluss auf die Beschleunigungsmessungen hat“, erklärt Urs-Vito Albrecht, der in der Arbeitsgruppe Digitale Medizin das Experiment leitet. „Das erleichtert es, zu untersuchen, ob die Ballistokardiografie methodisch für längere und räumlich von der Erde entferntere Ziele geeignet ist“.

Das BEAT-Experiment ist ein Teil des Projekts „Wireless Compose 2“, das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Bremen geleitet wird. In dem Projekt wurden das smarte
T-Shirt und die darin genutzte Sensorik und Technik zum Signaltransfer auf die Erde entwickelt –von einem Konsortium der Universität Bielefeld, der Technischen Universität Hamburg, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt Bremen und den Unternehmen Hohenstein Laboratories und DSI Aerospace Technologie.

Körperschwingungen lassen auf die Herzfunktion schließen
Die Ballistokardiografie macht sich zunutze, dass die Kraft des schlagenden Herzens und der Rückstoß des Blutflusses in die Gefäße zu charakteristischen Schwingungen führen, die an der Körperoberfläche gemessen werden können. Diese Vibrationsmuster stehen in einer Wechselbeziehung zur Herz-Kreislauf-Funktion. Die Methode wurde bereits 1877 beschrieben, aber erst die heutige smarte Technologie ermöglicht eine verbreitete Nutzung. Aktuell können mit der Ballistokardiografie insbesondere Herzfrequenz, Herzrhythmus und relativer Blutdruck bestimmt werden. „Mit überlegtem Einsatz der Technologie und der richtigen Methodik steht zukünftig ein weiteres Instrument zu kontinuierlicher Herz-Kreislauf-Überwachung zur Verfügung,“ sagt Albrecht.

Ballistokardiografie als ergänzende Diagnostik
Eine heute übliche Methoden ist die Echokardiografie (Herzultraschalluntersuchung). Sie wird eingesetzt, um die Herzfunktion zu beurteilen: Ärzt*innen halten für die Messung einen Ultraschallkopf an den Brustkorb oder bewegen eine Ultraschallsonde bis auf Herzhöhe in die Speiseröhre. Die Schallwellen werden vom Herzgewebe und den Herzkammern zurückgeworfen. Eine Software wertet die Daten aus und stellt sie auf dem Bildschirm des Echogeräts dar. „Hierdurch bekommen wir wertvolle Informationen über das Herz“, erklärt Albrecht. „Für kontinuierliche Messungen ist die Echokardiographie allerdings nicht gedacht. Für den Weltraumeinsatz ist sie auch eher ungeeignet, da keine parallelen Aktivitäten durchgeführt werden können, ganz zu schweigen von Außenbordeinsätzen.“ Die Ballistokardiografie kann theoretisch ähnliche Information wie die Echokardiografie liefern. Albrecht und seine Kolleg*innen erforschen, ob und welchen Mehrwert die Methode bietet, um zukünftig eine kontinuierliche Herz-Kreislauf-Diagnostik zu unterstützen.

Über die Brustkorbbewegung Herzklappenereignisse bestimmen
„In unserem Experiment untersuchen wir auch, wie gut wir mit der Ballistokardiografie die Öffnungs- und Schlusszeiten der Herzklappen feststellen können.“ Um die Herzbewegung zu registrieren, hat Juniorprofessor Dr.-Ing. Ulf Kulau von der Technischen Universität Hamburg Sensoren für ein smartes T-Shirt entwickelt, das die durch den Herzschlag bedingte Brustkorbbewegung misst. In dem T-Shirt namens SmartTex sind zwei dieser Sensoren eingearbeitet. Das T-Shirt wurde von der Firma Hohenstein Laboratories entwickelt. Zieht eine Astronautin oder ein Astronaut es an, legen sich die Sensoren auf die Haut über der Halsschlagader und über der Herzspitze an.

Astronaut Matthias Maurer und Astronautin Samantha Cristoforetti nehmen an Studie teil
Für das Experiment konnten der deutsche Astronaut Dr. Matthias Maurer und die italienische Astronautin Samantha Cristoforetti gewonnen werden. Das BEAT-Forschungsteam möchte klären, ob die Methode bei Männern wie auch Frauen gleichermaßen eingesetzt werden kann. Gemäß dem Studienplan tragen Maurer und Cristoforetti ihre speziellen T-Shirts auf der ISS jeweils bis zu sechs Mal im Abstand von zwei Wochen – Maurer während seines Aufenthalts zwischen November und Mai, Cristoforetti während ihres aktuellen Aufenthalts, zu dem sie im April aufgebrochen ist.

Die Sensorik in den T-Shirts nimmt die Daten der Astronaut*innen auf, die dann über ein drahtloses Netzwerk zur Erde geschickt werden. Die detaillierte Auswertung erfolgt, wenn die letzten Daten im Herbst auf der Erde eingegangen sind. „Jetzt lässt sich bereits sagen, dass der Herzschlag und Herzfrequenz sehr gut zu bestimmen sind“, berichtet Urs-Vito Albrecht. „Veränderungen im zeitlichen Verlauf lassen sich bereits erkennen.“ Es wird zu klären sein, ob und wie diese Daten mit den Langzeitaufenthalten in der Schwerelosigkeit und den damit verbundenen körperlichen Veränderungen in Zusammenhang stehen.

Gesundheitsassistenzsysteme für Astronaut*innen
Urs-Vito Albrecht sieht smarte Sensorik als einen potenziellen Baustein für die künftige Gesundheitsüberwachung der Astronaut*innen. Er hält es wie sein Hamburger Kollege Ulf Kulau für sinnvoll, alle Astronaut*innen mit Sensoren auszustatten, insbesondere im Hinblick auf die anstehende Artemis-Mission zum Mond, die noch in diesem Jahrzehnt die Einrichtung einer Mondstation vorsieht. Beide sind sich einig, dass mit zunehmender Distanz zwischen Raumfahrenden und Bodencrew eine Kombination von smarten Sensoren und Künstlicher Intelligenz notwendig wird. „Solche Assistenzsysteme könnten die Astronaut*innen dann mit Diagnosen und Gesundheitsempfehlungen unterstützen“, meint Albrecht. Kulau ergänzt, dass „smarte und energieeffiziente Sensor-Systeme Schlüsseltechnologien darstellen – im Weltraum wie auf der Erde.“

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Quelle: TUHH.

10. November 2021 – Der deutsche Astronaut Matthias Maurer ist nach langem Warten mit der Weltraummission Cosmic Kiss zur ISS aufgebrochen. An einem der Experimente vor Ort ist auch Junior Professor Ulf Kulau der Technischen Universität Hamburg beteiligt. Er hat Sensoren für ein smartes Shirt des Astronauten entwickelt, das minimale, durch den Herzschlag bedingte, Brustkorbbewegungen misst. Matthias Maurer wird das Shirt während seines Aufenthalts im All tragen und die daraus gewonnenen Daten anschließend zur Erde schicken. An der TU Hamburg werden diese dann von Kulau und dem gesamten Team (DSI Aerospace Technologie GmbH, DLR Bremen, Uni Bielefeld) ausgewertet und analysiert. Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist es herauszufinden, ob die Methode geeignet ist, Maurers Herz während dessen sechsmonatigen Aufenthalts auf der ISS zu beobachten und wie die Signalverarbeitung auch unter Raumfahrtbedingungen noch weiter in den Sensor integriert werden kann.

Die Bewegung des Herzens messen
Das Smart Shirt ist mit zwei daumengroßen Sensoren ausgestattet, die am Herzen und an der Halsschlagader von Astronautinnen und Astronauten kleinste Bewegungen wahrnehmen können. Aus diesen sollen wichtige Herzparameter wie der relative Blutdruck, ebenso wie die Öffnungs- und Schließzeiten der Herzklappen berechnet werden können. „Mit dieser Methode könnten wir zukünftig mit kleinster Technologie tiefere Einblicke in die Physiologie eines Astronauten bekommen, und so zum Beispiel die Folgen des Muskelabbaus in der Schwerelosigkeit beobachten“, erklärt Kulau. Um Erfahrungen mit der Methode auch am Körper einer Frau zu erlangen, findet das Experiment anschließend mit der italienischen Astronautin Samantha Cristoforetti statt, die im Frühjahr 2022 die nächste Mission auf der ISS leitet.

Frühwarnsystem für Astronauten
Die Ergebnisse des Experiments sind vor allem mit Blick auf zukünftige Gesundheitsüberwachungssysteme im Weltraum interessant. Kulaus Vision geht aber darüber hinaus. Künftig könne er sich vorstellen, dass alle Astronautinnen und Astronauten mit Sensoren ausgestattet würden, um eine Art Frühwarnsystem zu entwickeln. „Vor allem bei Außeneinsätzen stehen Astronauten unter enormen Stress und erkennen im Notfall ihre eigenen körperlichen Grenzen nicht. Die Sensoren könnten Veränderungen im Herzschlag frühzeitig feststellen und dem Astronauten signalisieren ‚Mach mal eine Pause’.“

Smarte Shirts auf dem Mars?
Neben dem Einsatz seiner Technologie auf der ISS hat Kulau auch schon Expeditionen in Richtung Mond und Mars im Kopf. Insbesondere bei Langzeitmissionen zu weiter entfernten Zielen ergebe sich die Herausforderung eine umfangreiche Gesundheitsüberwachung der Astronautinnen und Astronauten zu ermöglichen. Neben der langen Zeit in der Schwerelosigkeit wird eine Betreuung durch die Bodencrew auch aufgrund einer zeitlich verzögerten Kommunikation erschwert. Die Lösung könnten auch hier smarte Sensoren sein. Doch auch auf der Erde finden sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten der Technologie. Zum Beispiel um das Herz kranker Patientinnen und Patienten dauerhaft zu beobachten.

Innovation im All
Die internationale Raumstation ISS ist bereits seit 2001 im All und gilt als größtes Labor in der Schwerelosigkeit, in dem Forschung zu Astrophysik, Psychologie und Medizin stattfindet. Gleichzeitig ist die Raumstation ein Innovationsmotor für neue Technologien wie Laserkommunikation, Robotik oder Sensorik – wie das Smart Shirt. Matthias Maurer ist der vierte deutsche Astronaut, der zur ISS fliegt. Die Crew der Mission „Cosmic Kiss“ soll etwa sechs Monate lang auf der Raumstation bleiben, um dort Experimente durchzuführen und Außeneinsätze zu absolvieren.

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• SpaceX Crew-3 / USCV-3 (C210.1/Endurance) auf Falcon 9 (B1067.2)

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Quelle: DLR.

7. September 2021 – In rund acht Wochen ist es so weit: Der deutsche Astronaut Matthias Maurer wird an Bord einer SpaceX-Raumkapsel zur ISS fliegen. Seine erste ISS-Mission trägt den Namen „Cosmic Kiss“. 36 Experimente aus Deutschland sind für seine Mission vorgesehen. Eines davon ist Wireless Compose-2 (WICO2) geplant und vorbereitet vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie seinen Kooperationspartnern DSI Aerospace Technology, Hohenstein Laboratories und der Universität Bielefeld. Das drahtlose Netzwerk liest Sensordaten aus und kann die Position von Objekten im Raum durch Laufzeiten von Funkimpulsen bestimmen. Es steht zudem als Plattform für weitere Versuche zur Verfügung. Im Experiment BEAT (Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions) misst ein mit Sensoren ausgestattetes T-Shirt Ballistokardiografie-Daten wie Puls und Blutdruck von Astronautinnen und Astronauten. Dies liefert ein durchgängiges Bild ihres vitalen Zustands.

Smartes T-Shirt – mehr als Weltraummode

Matthias Maurer wird als erster Astronaut das smarte Shirt „SmartTex“ auf der ISS tragen. In dem Shirt sind Sensoren so integriert, dass sie an der richtigen Stelle sitzen, um die relevanten physiologischen Daten zu messen. Der Astronaut kann die Sensoren so bequem am Körper tragen. Sie messen Herzparameter wie den relativen Blutdruck sowie Details zur Kontraktionsrate und zu Öffnungs- und Schließzeiten der Herzklappen, die normalerweise nur über Sonographie oder Computertomographie zugänglich sind. Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das Herz-Kreislauf-System können so analysiert und bewertet werden.

Im Sommer 2021 haben Forschende die Sensoren aus dem SmartTex am Boden im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln in der Forschungsanlage :envihab kalibriert. Dass sich Muskeln unter Schwerelosigkeit zurückbilden, ist bekannt. „Das Herz ist auch ein Muskel. Interessant wird dann zu sehen, ob und wie sich das Herz unter Weltraumbedingungen verändert. Deswegen messen wir die ballistokardiografischen Daten bei Matthias Maurer vor, während und nach dem Aufenthalt auf der ISS.“, erklärt Martin Drobczyk, Projektleiter am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen. „Besonders relevant wird das für langfristige bemannte Weltraummissionen zu Mond und Mars“. Im April 2022 wird dann die italienische Astronautin Samantha Cristoforetti zur ISS fliegen und dort ebenfalls das T-Shirt für Messungen tragen. „Uns freut es sehr, dass sowohl eine männliche als auch eine weibliche Versuchsperson das SmartTex tragen wird. Ganz besonders interessant ist es für uns zu sehen, ob es Unterschiede bei den Messdaten eines Astronauten und einer Astronautin geben wird“, ergänzt Drobczyk.

Die Firma Hohenstein Laboratories hat das SmartTex entwickelt und zur Verfügung gestellt. Die Ballistokardiografie-Messung wird in Kooperation mit dem Raumfahrtunternehmen DSI Aerospace Technologie durchgeführt, von dem auch die Sensoren stammen. Medizinisch begleitet wird das Experiment durch die Medizinische Fakultät der Universität Bielefeld. Die ermittelten Daten werden innerhalb des Netzwerkes zwischengespeichert und in regelmäßigen Abständen vom Astronauten ausgelesen. Diese Datenpakete werden dann mittels der ISS-Verbindung zur Erde transferiert, wo das DLR-Forschungsteam diese dann auswertet.

Für die Zukunft ist ein Technologietransfer des SmartTex zu Anwendungen im Bereich Fitness und Telemedizin denkbar.

Drahtloses Netzwerk auf der ISS

Wireless Compose-2 (WICO2) ist die Fortsetzung des erfolgreichen ISS-Experiments Wireless Compose, einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk zum effizienten Auslesen von Sensoren und zur Lokalisation von Objekten innerhalb der ISS. Ziel ist die Bereitstellung einer flexiblen und anpassbaren drahtlosen Netzwerkinfrastruktur zur Durchführung von Experimenten mit geringem Stromverbrauch sowie Gewicht und drahtloser Datenübertragung. Die Hardware des WICO2-Netzwerks besteht aus lediglich fünf Modulen die zusammen gerade mal ein Kilogramm wiegen. Jedes einzelne Modul ist ungefähr so groß sind wie eine Zigarettenschachtel. Der Transport zur ISS ist mit dem Versorgungsflug SpaceX CRS-24 geplant, der voraussichtlich im Dezember 2021 startet.

Die Kommunikation innerhalb des Netzwerks basiert auf der Ultra-Breitband-Technologie. Diese ist besonders gut und wenig störanfällig in metallischen, reflektierenden Umgebungen, wie der ISS. Ein weiteres Feature ist die Ermittlung von Laufzeiten der ausgesendeten Pulse, um so eine Entfernungsmessung durchzuführen. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Position auf zehn Zentimeter genau von Astronautinnen und Astronauten sowie Gegenständen.

Aktuell bezieht das Netzwerk seinen Strom noch aus Batterien. Zukünftig soll es seine Energie durch sogenanntes Energy Harvesting aus dem Licht auf der ISS selbst gewinnen Christian Strowik vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme untersucht, welche Solarzellen am effizientesten Strom aus dem Kunstlicht der ISS erzeugen können: „Auf der ISS erfolgt die Beleuchtung größtenteils über handelsübliche Leuchtstoffröhren, diese verändern bei längerem Gebrauch ihr Lichtspektrum. Wir wollen nun validieren, welche Solarzellen am besten geeignet sind, um unser Netzwerk mit Strom zu versorgen.“ Unabhängig von den Solarzellen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Elektronik des gesamten Netzwerks effizienter machen. „Sobald wir passende Solarzellen gefunden haben, werden wir Speichermöglichkeiten untersuchen. Die Energie wollen wir möglichst lange sichern und die Aktivität im Netzwerk auch vom Ladezustand des Speichers abhängig machen“, ergänzt Strowik. Dies soll dazu beitragen die Wartungshäufigkeit noch weiter zu reduzieren.

Wireless Compose-2 ist ein update-fähiges und anpassungsfähiges Netzwerk und bietet damit eine Infrastruktur für zukünftige wissenschaftliche und bio-medizinische Experimente.

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