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

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]

🗙

BibTex Entry

@inproceedings{dlr197130,
author = {L{ü}bken, Andre and Albrecht, Urs-Vito and Drobczyk, Martin and Kulau, Ulf and Strowik, Christian},
booktitle = {ISTS - International Symposium on Space Technology and Science},
entrysubtype = {Conference},
month = {June},
title = {{Wireless Compose-2: Experiment Results of an Ultra-Wideband Wireless Sensor Network with a Ballistocardiography Smart-Shirt for the ISS Columbus Laboratory}},
url = {https://elib.dlr.de/197130/},
year = {2023},
}

Close

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]

🗙

BibTex Entry

@incollection{albrecht2023site,
author = {Albrecht, Urs-Vito and Kulau, Ulf},
booktitle = {Caring is Sharing–Exploiting the Value in Data for Health and Innovation, Proceedings of MIE 2023},
doi = {10.3233/shti230339},
entrysubtype = {Conference},
pages = {1031–1032},
publisher = {IOS Press},
title = {{On-Site Visualization of Ballistocardiography Data}},
year = {2023},
}

Close

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.
10.1109/DCOSS54816.2022.00028 [BibTex]

🗙

BibTex Entry

@inproceedings{kulau2022diff,
author = {Kulau, Ulf and Rust, Jochen and Szafranski, Daniel and Drobczyk, Martin and Albrecht, Urs-Vito},
booktitle = {2022 18th International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS)},
doi = {10.1109/DCOSS54816.2022.00028},
entrysubtype = {Conference},
number = {},
pages = {85–92},
title = {{A Differential BCG Sensor System for Long Term Health Monitoring Experiment on the ISS}},
volume = {},
year = {2022},
}

Close

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.
10.1109/JRFID.2022.3166026 [BibTex]

🗙

BibTex Entry

@article{kulau2022:JRFID,
author = {Drobczyk, Martin and Lübken, Andre and Strowik, Christian and Albrecht, Urs-Vito and Rust, Jochen and Beringer, Jan and Kulau, Ulf},
doi = {10.1109/JRFID.2022.3166026},
entrysubtype = {Journal},
journaltitle = {IEEE Journal of Radio Frequency Identification},
number = {},
pages = {1–1},
title = {{A Wireless Communication Network with a Ballistocardiography Experiment on the ISS: Scenario, Components and Pre-Flight Demonstration}},
volume = {},
year = {2022},
}

Close

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.
10.3233/SHTI220669 [BibTex]

🗙

BibTex Entry

@inproceedings{Albrecht2022-3,
abstract = {},
author = {Urs-Vito Albrecht and Martin Drobczyk and Andre {Lübken} and Christian Strowik and Jochen Rust and Jan Beringer and Ulf Kulau},
booktitle = {Studies in health technology and informatics},
doi = {10.3233/SHTI220669},
entrysubtype = {Conference},
language = {en},
pages = {95–99},
title = {{Beat to BEAT - Non-Invasive Investigation of Cardiac Function on the International Space Station}},
volume = {295},
year = {2022},
}

Close

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.
10.1109/DCOSS54816.2022.00025 [BibTex]

🗙

BibTex Entry

@inproceedings{kulau2022demo,
author = {Ulf Kulau and Jochen Rust and Urs-Vito Albrecht},
booktitle = {2022 International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS)},
doi = {10.1109/DCOSS54816.2022.00025},
entrysubtype = {Demo Abstract},
organization = {IEEE},
pages = {75-78},
title = {{Demo: BCG Measurement by differential Sensing in Real-Time}},
year = {2022},
}

Close

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.