Projekt EU-TRAINS: Prof. Schumann und weitere TUM-Forschende entwickeln intelligente Sensortechnologien für eine einfachere Leistungs- und Gesundheitsdiagnostik

Wie leistungsfähig ist der eigene Körper – und lässt sich diese Frage künftig beantworten, ohne dafür extra ins Labor gehen zu müssen? Im europäischen Verbundprojekt „EU-TRAINS“ arbeiten Forschende des Lehrstuhls für Experimentelle Trainingswissenschaft, unter Leitung von Prof. Dr. Moritz Schumann sowie dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Lars Heinrich, gemeinsam mit internationalen Partnern an Sensor- und Wearable-Technologien, die physiologische und neuromuskuläre Daten erfassen und mithilfe künstlicher Intelligenz auswerten sollen. Ziel ist es, die körperliche Leistungsfähigkeit künftig einfacher und alltagstauglicher zu bestimmen. 

„Die Idee ist, dass künftig wenige tragbare Sensoren ausreichen, um aus den im Alltag erfassten Daten Rückschlüsse auf die individuelle Leistungsfähigkeit ziehen zu können“, erklärt Prof. Schumann.

EU-TRAINS wird mit einem Gesamtvolumen von rund 7,8 Millionen Euro von der Europäischen Kommission gefördert, wovon 350.000 Euro auf die TUM entfallen. Das Projekt soll die europäische Wertschöpfungskette für Sensoren zur Echtzeitüberwachung biomechanischer und kardiovaskulärer Parameter stärken und Anwendungen in den Bereichen Fitness und Gesundheit voranbringen. Dabei werden unter anderem intelligente Textilien, miniaturisierte Sensorsysteme und KI-basierte Verfahren zur Datenverarbeitung miteinander verbunden. „Wir müssen europäisch denken. Die Idee ist, dass man sich insgesamt in der Europäischen Union ein Stück weit unabhängig von globalen Partnern macht“, sagt Prof. Schumann.

Die genaue Bestimmung der körperlichen Leistungsfähigkeit erfordert heute meist aufwändige Untersuchungen im Labor. Zu den wichtigsten Kenngrößen gehört beispielsweise die maximale Sauerstoffaufnahme (VO₂max), die beschreibt, wie viel Sauerstoff der Körper unter hoher Belastung aufnehmen und verwerten kann. Auch sogenannte Belastungsschwellen sind wichtige Orientierungspunkte für die Trainingssteuerung und die Einschätzung der individuellen Leistungsfähigkeit. „Momentan kann ich die maximale Sauerstoffaufnahme und auch die Intensität an Schwellen nur im Labor testen“, erklärt Prof. Schumann. Ziel des Projekts ist es deshalb, ein KI-Modell zu entwickeln, das diese Werte künftig anhand von Daten verschiedener Sensoren und Wearables möglichst zuverlässig schätzen kann.

Dafür werden zunächst – zurück im Labor – genaue Referenzwerte erhoben. Probandinnen und Probanden absolvieren standardisierte Belastungstests auf dem Laufband, bei denen unter anderem Atemgase und Blutlaktat analysiert sowie Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität, Sauerstoffsättigung, Muskelaktivität und Bewegungsdaten erfasst werden. „Wir haben eine Hardware-Komponente und eine Software-Komponente. Die KI muss mit Daten gefüttert werden. Und genau für diesen Teil sind wir zuständig“, so Prof. Schumann. Die erhobenen Daten werden anschließend genutzt, um KI-Modelle zu entwickeln, zu validieren und herauszufinden, welche Variablen und Marker für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit tatsächlich relevant sind.

Dabei betrachten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur einzelne Messwerte, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der sich verschiedene physiologische Systeme an eine veränderte Belastung anpassen. „Wenn man die Laufgeschwindigkeit verändert, also zum Beispiel langsamer oder schneller geht, passen sich alle physiologischen Systeme an. Die Frage ist: Wie schnell passen sie sich an? Und genau diese Geschwindigkeit der Anpassung gibt eine Aussage darüber, wie gut die Leistungsfähigkeit ist“, erklärt Prof. Schumann. Diese sogenannten Kinetiken könnten zusätzliche Informationen über den individuellen Fitnesszustand liefern.

Im weiteren Projektverlauf sollen die Laborverfahren schrittweise durch tragbare Sensorsysteme ersetzt werden. Die Forschenden prüfen, ob die entwickelten Algorithmen auch dann zuverlässige Ergebnisse liefern, wenn die Daten unter weniger kontrollierten Bedingungen mit Wearables erhoben werden. „Zunächst werden die Verfahren unter kontrollierten Laborbedingungen entwickelt und validiert. Im weiteren Projektverlauf sollen die Labormessungen schrittweise durch die im Projekt entwickelten Wearable-Technologien ersetzt werden“, so der Trainingswissenschaftler.

Neben dem zentralen Gesundheits- und Leistungsbereich beschäftigt sich EU-TRAINS auch mit weiteren Anwendungen. Dazu gehören Schweißsensorik, die zunächst unter realen Bedingungen am Menschen getestet wird, sowie sensorbasierte Anwendungen im Schwimmsport. Hier arbeiten die Projektpartner unter anderem an der Kommunikation von Sensoren unter Wasser. Perspektivisch könnten die Systeme beispielsweise Informationen über die Schwimmtechnik liefern und den Athletinnen und Athleten direktes Feedback geben.

Langfristig sollen die im Projekt entwickelten Technologien über den Leistungssport hinaus ebenfalls Anwendung finden. Da die maximale Sauerstoffaufnahme (VO₂max) als wichtiger Indikator der allgemeinen Gesundheit gilt, könnten tragbare Sensorsysteme künftig auch dabei helfen, die körperliche Fitness einfacher und regelmäßiger zu erfassen und damit Aussagen über den Gesundheitszustand treffen. „Die grundlegende Idee ist, dass man aufwändige Labordiagnostik weglassen und Diagnostik für jedermann entwickeln kann“, sagt Prof. Schumann.

Ein wichtiger Bestandteil der aktuellen Forschungsarbeiten ist die Datenerhebung mit Probandinnen und Probanden, die im Rahmen von EU-TRAINS mittlerweile angelaufen ist. Die Teilnehmenden absolvieren standardisierte Belastungstests, bei denen genaue Laborwerte erhoben und gleichzeitig Daten verschiedener Sensorsysteme und Wearables aufgezeichnet werden. Mit diesen Daten soll das KI-Modell zur Schätzung der VO₂max und der Belastungsschwellen entwickelt und validiert werden. 

Durch die Zusammenarbeit internationaler Forschungseinrichtungen und Unternehmen bündelt EU-TRAINS Kompetenzen entlang der gesamten technologischen Wertschöpfungskette – von der Entwicklung von Sensoren und Mikrosystemen über die Integration in intelligente Textilien bis hin zur Datenverarbeitung und KI. „Wir brauchen Partner aus unterschiedlichen Ländern, die unterschiedliche Systeme entwickelt haben und auch unterschiedliche Erfahrungen mit diesen Systemen besitzen“, erklärt Prof. Schumann. Langfristig soll so eine möglichst vollständige Wertschöpfungskette für innovative Sensor- und Wearable-Technologien innerhalb Europas geschaffen werden.

Zur Homepage der Lehrstuhls für für Experimentelle Trainingswissenschaften
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Kontakt

Prof. Dr. Moritz Schumann
Professur für Experimentelle Trainingswissenschaften
TUM Campus im Olympiapark
Am Olympiacampus 11
80809 München

Tel: +49 (89) 289 – 24504
E-Mail: moritz.schumann(at)tum.de

Text: Bastian Daneyko
Foto: Privat