Wearables bezeichnen Geräte mit den darin integrierten (nicht-invasiven) Sensoren. Diese können aufgrund ihrer Miniaturisierung direkt am Körper oder in der Kleidung getragen werden. Zur Speicherung und Auswertung der Daten im Längs- und/oder Querschnitt findet meistens eine Übertragung zu Smart-Phones, Tablets oder Computern statt. Das übergeordnete Ziel besteht darin, den Nutzern objektives (Echtzeit-) Feedback aus unterschiedlichen Settings zur Individualisierung und damit Optimierung von Anpassungsprozessen zu liefern (Abb. 1) – z.B. bezüglich des Trainings, der Alltagsaktivitäten oder des Schlafverhaltens. Auch im Jahr 2025 wurden Wearables wiederholt zum weltweit größten Fitnesstrend gewählt und die zu erwartenden, jährlichen Umsätze belaufen sich auf mehr als 100 Milliarden USD. Bemerkenswert ist ferner, dass zahlreiche Spitzensportverbände den Einsatz von Wearables mittlerweile unter bestimmten Voraussetzungen während offizieller Wettkämpfe erlauben. Dies ermöglicht neue Einblicke in die jeweiligen Wettkampfanforderungen und könnte somit zu einer verbesserten Trainingssteuerung und Prävention beitragen.

 

Abb.1 Einsatz von Wearables zur Individualisierung und damit Optimierung von Anpassungsprozessen (Düking et al., 2018).

Zu den bekanntesten Wearables überhaupt gehören sogenannte Smart-Watches und -Phones sowie Activity-Tracker. Diese nutzen messtechnisch schwerpunktmäßig die Inertialsensorik, das Global Positioning System und die Pulsoxymetrie. Auf Grundlage dieser Messtechnologien können Variablen zur Bezifferung der sportlichen Belastung (z.B. Laufstrecke und -geschwindigkeit), der physiologischen Beanspruchung (z.B. Herzfrequenz) sowie der Alltagsaktivitäten (z.B. Schrittanzahl) und dem Schlafverhalten (z.B. Schlafdauer) generiert werden. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die zugrundeliegenden Algorithmen der kommerziell verfügbaren Wearables weitestgehend unbekannt sind, was Forschungs- und Entwicklungsprozesse einschränkt. Interessant – speziell für die orthopädisch-traumatologische Sportmedizin – sind darüber hinaus primär mit Drucksensoren ausgestattete Einlegesohlen sowie Orthesen, die mit Inertialsensoren versehen sind. Diese erlauben eine Quantifizierung der plantaren Druckbelastungen und -verteilungen bzw. des Bewegungsausmaßes (z.B. des Kniegelenkes), was vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Kontext der orthopädisch-traumatologischen Versorgungsforschung sowie präventiven und rehabilitativen Sportmedizin bietet.

Gegenwärtig ist keine technologische Machbarkeitsgrenze von Wearables in Sicht. Antizipiert werden kann dennoch, dass zukünftig vermehrt Forschung und Entwicklung von Biosensoren und -signalverarbeitung betrieben werden wird. Ausdruck dieser technologischen Stoßrichtung sind bereits am Markt verfügbare Pflaster zum nicht-invasiven 24-Stunden-Monitoring der Blutglukosekonzentration, Fingerringe mit integrierter Pulsoxymetrie zur Erfassung der Herzfrequenz und -variabilität sowie Algorithmen zur Quantifizierung des zentral-aortalen Blutdrucks mittels Pulswellenanalyse. Zu nennen sind auch Biosensoren, welche in Kontaktlinsen, Zahnschutz-Mundstücken und Textilien integriert oder invasiv unter der Haut implantiert sind und eine Echtzeitmessung metabolischer und hormoneller Parameter ermöglichen.

Bei aller technologischen Begeisterung ist jedoch vor einer routinemäßigen Anwendung von Wearables zwingend deren Validität und Reliabilität zu hinterfragen. Während der letzten Jahre manifestierte sich der Eindruck, dass Wearables in der Sportwissenschaft und -medizin vermehrt nicht mehr zur konkreten Problemlösung, sondern eher „der Wearable-Technologie halber“ angewandt wurden. Aus forschungsmethodischer Perspektive ist ein solches Vorgehen kritisch, da am Anfang weiterhin eine tiefgründige Aufarbeitung des vorliegenden Problems unter Berücksichtigung des aktuellen Forschungsstandes stehen sollte. Danach sollte kritisch, aber offen hinterfragt werden, ob und, wenn ja, welche Wearables sich besser als „tradierte Technologien“ zur Problemlösung eignen. Wird eine scheinbar überlegene Wearable-Technologie identifiziert, ist zunächst eine durch mehrere Institutionen vorgenommene, herstellerunabhängige Bezifferung der Validität und Reliabilität unabdingbar. Im Anschluss sollte dann eine exemplarische Erprobung (Pilotierung) im jeweiligen Setting durchgeführt werden. Erst wenn diese erfolgreich abgeschlossen ist, sollten Wearables im größeren wissenschaftlichen oder praktisch-klinischen Kontext zur Anwendung kommen. Abschließend gilt es zu reflektiert, ob die Technologie zur Problemlösung beigetragen hat oder nicht (Abb. 2).

 

Abb.2 Problemlösender Ansatz zum Einsatz von Wearables in der Sportwissenschaft und -medizin (modifiziert nach Hoppe & Krug, 2022).

Die aktuelle Fachliteratur liefert sowohl Hinweise zur Validität und Reliabilität als auch erste anwendungsorientierte Studien bzw. Pilotierungen zum Einsatz von Wearables in sportwissenschaftlich sowie für die orthopädisch-traumatologische Sportmedizin bedeutsamen Settings: Activity-Tracker zeigen eine gute Validität zur Quantifizierung von Alltagsaktivitäten bzw. der täglichen Schrittanzahl im Vergleich zu manuell oder per Video detektierten Schritten. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Validität während des Gehens schlechter als während des Laufens ist, was an der fehlenden Flugphase und der damit einhergehenden, anspruchsvolleren Schrittdetektion der Inertialsensoren liegt. Die Schrittdetektion wird auch maßgeblich von der Positionierung der Tracker am Körper beeinflusst. Zu empfehlen ist eine möglichst kaudale Positionierung (z.B. an den Schuhen). Erste anwendungsorientierte Studien bei Patienten nach einer Totalendoprothese des Hüft- und Kniegelenkes liefern Hinweise darauf, dass die präoperative tägliche Schrittanzahl durch die Bereitstellung von Tracker-Feedback eher erreicht wird als ohne Feedback, was als positives, klinisches Outcome gedeutet werden kann.

Auch drucksensitive Einlegesohlen zeigen im Vergleich zu mit Druckmessplatten ausgestatteten Laufbändern eine gute Validität und Reliabilität für ausgewählte Parameter der Gang- und Laufanalyse – insbesondere zur Bezifferung der Bodenkontaktzeiten, deren Messfehler nicht von der Laufgeschwindigkeit und -steigung sowie der Schrittfrequenz beeinflusst wird. In diesem Zusammenhang zeigte eine wegweisende Studie, dass mittels moderner Wearable-Technologie – bestehend ausdrucksensitiven Einlegesolen in Kombination mit Inertialsensoren – ausreichend genaue Daten für sogenannte invers-dynamische Ansätze liefert, um die an der Achillessehne wirkenden Kräfte zu simulieren, welche im Laufsport häufig von überlastungsbedingten Symptomen betroffen ist. In der Studie erhielten die Läufer Echtzeitfeedback zu den simulierten Achillessehnenkräften in Kombination mit ihrer Laufgeschwindigkeit während des Trainings. Es zeigte sich, dass die Läufer ihre Lauftechnik basierend auf diesem Feedback anpassten, was zu einer Reduktion der Verletzungen an der unteren Extremität führte.

Im Vergleich zu einer videokamerabasierten Bewegungsanalyse weisen auch mit Inertialsensoren ausgestattete Kniegelenksorthesen eine gute Validität und Reliabilität zur Bezifferung des Bewegungsausmaßes bzw. Knieflexionswinkels während der Rehabilitation nach einer operativen Versorgung des vorderen Kreuzbandes auf. Eine interessante Pilotstudie untersuchte in dem Kontext, ob die Bereitstellung des durch die Orthese erfassten Bewegungsausmaßes als Feedback an die Patienten im Rahmen einer digitalen Gesundheitsanwendung/ Physiotherapie, zu einem besseren Versorgungsergebnis führt. Während sich die subjektiv erfasste Kniegelenksfunktion (IKDC-Score) durch die Intervention statistisch signifikant verbesserte, zeigten sich keine objektiven Effekte bezüglich der Kraftfähigkeiten und der Laxität, weshalb weitere klärende Studien notwendig sind.

Trotz ihres Potentials im Bereich der Sportwissenschaft und -medizin bergen Wearables auch Risiken: Eine unreflektierte Anwendung, ein übermäßiges Vertrauen in die Technik und eine fehlende fachliche und/oder methodische Expertise können zu einer falschen Interpretation der Daten und damit auch zu einer Vernachlässigung der Eigenwahrnehmung führen. So kann die permanente Datenerfassung gerade bei Fitness- und Gesundheitssportlern ohne nötige Fachkenntnis, Erfahrung, Selbstregulation und Supervision möglicherweise sogar das Verletzungsrisiko erhöhen, worauf in ersten wissenschaftlichen Studien hingewiesen wird. Darüber hinaus müssen auch Aspekte des Datenschutzes und der -sicherheit als substantielle Probleme im Kontext der Wearable-Technologien genannt werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Wearables in der Sportwissenschaft und -medizin durch das Bereitstellen von (Echtzeit-) Feedback ein enormes Potential zur Verbesserung des Trainings sowie der Prävention und Rehabilitation aufweisen. Wichtig ist jedoch, dass zur Gewährleistung der Qualität und Sicherheit keine voreiligen Anwendungen stattfinden. Sondern zunächst eine umfassende und herstellerunabhängige Überprüfung der Validität und Reliabilität.

Literatur

Düking et al. (2018). Integrated Framework of Load Monitoring by a Combination of Smartphone Applications, Wearables and Point-of-Care Testing Provides Feedback that Allows Individual Responsive Adjustments to Activities of Daily Living. Sensors (Basel), 18(5):1632.

Hoppe MW, Krug J (2022). Wearables – Entwicklungen, Möglichkeiten und Grenzen tragbarer Minicomputer in der Sportwissenschaft. Leipziger Sportwissenschaftliche Beiträge; 63 (1), 7-12.

 

DIE AUTOREN

Prof. Dr. Matthias Wilhelm Hoppe und Theresa Toussaint,

Arbeitsbereich Trainingswissenschaft, Philipps-Universität Marburg