BEAT: Wireless Compose 2 - Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and Long-Term Missions

Project Period: 01.06.2020 - 01.02.2024

Gesundheit ist der Schlüssel für jede erfolgreiche bemannten Weltraummission. Insbesondere das Herz-Kreislaufsystem der Astronaut:innen ist bei Raumflügen besonders gefordert Raumfahrtbehörden suchen daher permanent nach zuverlässigen, langlebigen, vielseitigen und unkomplizierten Lösungen zur Gesundheitsüberwachung.

Hierfür wurde das BEAT-Experiment als Teil des Wireless Compose-2 (WICO2) Projekts unter der Federführung des DLR Bremen, Institut für Raumfahrtsysteme und Avionik durchgeführt. Ulf Kulau war dabei Principal Investigator (PI) für das BEAT Experiment. Die Experimente wurden auf der Internationalen Raumstation ISS durchgeführt, wobei die Astronauten Matthias Maurer und Samantha Cristoforetti im Rahmen ihrer Cosmic Kiss und Minerva Mission teilgenommen haben.

Die Kernentwicklung ist ein tragbares Sensorsystem der DSI Aerospace GmbH und der Technischen Universität Hamburg, welches sich durch ein geringes Gewicht und eine wartungsarme, aber dennoch komfortable und kontinuierliche Herz-Kreislauf-Überwachungauszeichnet. Medizinischer Partner im Konsortium war die Universität Bielefeld. Das Sensorsystem nutzt die Seismokardiographie (SCG) als Methode: SCG als Variante des jahrhundertealten BCG folgt dem Paradigma, dass die Kraft des schlagenden Herzens und der Rückstoß des Blutflusses in den Gefäßen zu charakteristischen Schwingungen führen, die an der Körperoberfläche nachgewiesen werden können. Diese Vibrationsmuster korrelieren mit der Herzfunktion und bestimmten Zuständen. Das Sensorsystem besteht aus Sensor-Patches die mit einer Pre-Processing Unit (PPU) verbunden sind. Die PPU liest die Sensordaten aus, führt die Signalverarbeitung durch und leitet die Daten an ein Kommunikationsmodul weiter. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Signalqualität, sind auf jedem Sensor-Patch zwei Kionix-122 Beschleunigungssensoren Beschleunigungssensoren in einer differentiellen Ausrichtung montiert. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht und die Zuverlässigkeit wird durch die inhärente Redundanz erhöht (relevant für Weltraumprojekte) Die Eignung der Sensoren für BCG wurde im Vorfeld ausführlich analysiert und getestet. Um die differentielle Abtastung zu ermöglichen und gleichzeitig eine hohe zeitliche Genauigkeit zu gewährleisten, wurde die PPU auf der Basis eines Ultra Low Power (ULP) Field Programmable Gate Array (FPGA) entwickelt (Lattice ICE40 UltraPlus). Die Ausgangsdatenrate (ODR) der Sensoren wurde auf 800Hz eingestellt, während die Gesamtabtastrate 1KHz betrug, was zu einer Überabtastung von 20 % führt, was wiederum eine Fehlertoleranzregelung ist, um das Risiko von Datenverlusten zu verringern. Die SCG-Sensorik mit Vorverarbeitungseinheit und Kommunikationsmodul ist in einem T-Shirt als Träger integriert (SmartTex der Firma Hohenstein GmbH). Auf der ISS wurden die Daten drahtlos über eine Ultra Wideband (UWB)-Verbindung an einen Senkenknoten übertragen, welche im Columbus-Modul installiert waren.

Insgesamt wurden mehr als 150min SCG und BCG Signale in der Schwerelosigkeit aufgenommen. Die gewonnen Messdaten und Erkenntnisse tragen in Zukunft für den möglichen Einsatz auf Langstreckenmissionen und helfen weitere Perspektiven für andere Anwendungszwecke zu erkunden

People

Publications

ISTS Conference
Wireless Compose-2: Experiment Results of an Ultra-Wideband Wireless Sensor Network with a Ballistocardiography Smart-Shirt for the ISS Columbus Laboratory

Andre Lübken, Urs-Vito Albrecht, Martin Drobczyk, Ulf Kulau, Christian StrowikISTS - International Symposium on Space Technology and Science2023.
[BibTex]

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BibTex Entry

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MIE Conference
On-Site Visualization of Ballistocardiography Data

Urs-Vito Albrecht, Ulf KulauCaring is Sharing–Exploiting the Value in Data for Health and Innovation, Proceedings of MIE 2023IOS Press2023.
10.3233/shti230339 [BibTex]

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DCOSS Conference
A Differential BCG Sensor System for Long Term Health Monitoring Experiment on the ISS

Ulf Kulau, Jochen Rust, Daniel Szafranski, Martin Drobczyk, Urs-Vito Albrecht2022 18th International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS)2022.
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RFID Journal
A Wireless Communication Network with a Ballistocardiography Experiment on the ISS: Scenario, Components and Pre-Flight Demonstration

Martin Drobczyk, Andre Lübken, Christian Strowik, Urs-Vito Albrecht, Jochen Rust, Jan Beringer, Ulf KulauIEEE Journal of Radio Frequency Identification2022.
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ICIMTH Conference
Beat to BEAT - Non-Invasive Investigation of Cardiac Function on the International Space Station

Urs-Vito Albrecht, Martin Drobczyk, Andre Lübken, Christian Strowik, Jochen Rust, Jan Beringer, Ulf KulauStudies in health technology and informatics2022.
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DCOSS Demo Abstract
Demo: BCG Measurement by differential Sensing in Real-Time

Ulf Kulau, Jochen Rust, Urs-Vito Albrecht2022 International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS)2022.
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@inproceedings{kulau2022demo,
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year = {2022},
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Links and Press Articles

• Pressemitteilung DLR: Smartes Shirt misst Vitaldaten von Astronauten
• Pressemitteilung Hohenstein: Forschung für kosmische Missionen: SmartTex liefert Daten über Vitalfunktionen
• Pressemitteilung TUHH
• Crew-4 Astronauts Head to Space Station to Conduct Microgravity Science
• Pressemitteilung Uni Bielefeld
• NASA Space2Ground Video
• Wenn Wissenschaft auf Kunst trifft

External Partners

Die Zusammenarbeit erfolgte mit den Partnern DLR Bremen, Institut für Raumfahrtsysteme, Abteilung Avionik, der DSI Aerospace GmbH, der Universitat Bielefeld, Medizinsiche Fakultat OWL, AG Digitale Medizin und Hohenstein Laboratories.