DIY-Tracker zählt verbrannte Kalorien besser als eine Smartwatch

dyi Gesundheitstracker 07 20

Ein System mit zwei kostengünstigen Sensoren ist genauer als Smartwatches, um den Kalorienverbrauch während der Aktivität zu verfolgen, berichten Forscher

Und die Anleitung zum Selbermachen des Systems steht kostenlos online zur Verfügung.

Während Smartwatches und Smartphones beim Zählen der während einer Aktivität verbrannten Kalorien um etwa 40 bis 80 % daneben liegen, weist dieses System einen durchschnittlichen Fehler von 13 % auf.

„Wir haben ein kompaktes System gebaut, das wir mit einer heterogenen Gruppe von Teilnehmern evaluiert haben, um die US-Bevölkerung zu repräsentieren, und festgestellt, dass es sehr gut abschneidet, mit etwa einem Drittel der Fehler von Smartwatches“, sagt Patrick Slade, ein Doktorand im Maschinenbau in Stanford Universität, die Hauptautorin einer Arbeit über die Arbeit in . ist Nature Communications.

Ein entscheidender Teil dieser Forschung war das Verständnis eines grundlegenden Mangels anderer Wearables, die Kalorien zählen: Sie hängen von der Bewegung des Handgelenks oder der Herzfrequenz ab, obwohl beides keinen besonderen Hinweis auf den Energieverbrauch gibt. (Überlegen Sie, wie eine Tasse Kaffee die Herzfrequenz erhöhen kann.) Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass die Beinbewegung aussagekräftiger wäre – und ihre Experimente bestätigten diese Idee.

dyi Gesundheitstracker 2 07 20 Dieses neue Messsystem verfügt über zwei Sensoren an Oberschenkel und Unterschenkel, die von einer Batterie gespeist und von einem Mikrocontroller gesteuert werden, der durch ein Smartphone ersetzt werden könnte. (Bildnachweis: Andrew Brodhead)

Es gibt Systeme in Laborqualität, die genau abschätzen können, wie viel Energie eine Person hat Verbrennungen während körperlicher Aktivität durch Messung der Austauschrate von Kohlendioxid und Sauerstoff in der Atemluft. Solche Setups werden verwendet, um Gesundheit und sportliche Leistung zu beurteilen, aber sie beinhalten sperrige, unbequeme Ausrüstung und können teuer sein.

Das neue tragbare System erfordert nur zwei kleine Sensoren am Bein, eine Batterie und einen tragbaren Mikrocontroller (einen kleinen Computer) und kostet etwa 100 US-Dollar. Die Liste der Komponenten und Code zur Herstellung des Systems stehen beide zur Verfügung.

„Das ist ein großer Fortschritt, denn bisher braucht man zwei bis sechs Minuten und eine Gasmaske, um genau abzuschätzen, wie viel Energie eine Person verbrennt“, sagt Co-Autor Scott Delp, Professor an der School of Engineering. „Mit Patricks neuem Tool können wir abschätzen, wie viel Energie bei jedem Schritt verbraucht wird, wenn ein olympischer Athlet in Richtung Ziellinie rennt, um ein Maß dafür zu bekommen, was seine Spitzenleistung antreibt. Wir können auch den Energieverbrauch eines Patienten berechnen, der sich von einer Herzoperation erholt, um sein Training besser zu managen.“

Beine, nicht Handgelenke

Wie Menschen Kalorien verbrennen, ist kompliziert, aber die Forscher ahnten, dass Sensoren an den Beinen eine einfache Möglichkeit sein würden, Einblick in diesen Prozess zu gewinnen.


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„Ein Problem bei herkömmlichen Smartwatches ist, dass sie nur Informationen über die Bewegung Ihres Handgelenks und die Herzfrequenz erhalten“, sagt Co-Autor Mykel Kochenderfer, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrt. „Die Tatsache, dass Patricks Gerät eine geringere Fehlerrate hat, ist sinnvoll, da es die Bewegung Ihrer Beine erkennt und die meiste Energie von Ihren Beinen verbraucht wird.“

Das System ist bewusst einfach gehalten. Es besteht aus zwei kleinen Sensoren – einer am Oberschenkel und einer am Unterschenkel –, die von einem Mikrocontroller an der Hüfte betrieben werden und leicht durch ein Smartphone ersetzt werden könnten. Diese Sensoren werden als „Trägheitsmesseinheiten“ bezeichnet und messen die Beschleunigung und Drehung des Beins, während es sich bewegt. Sie sind absichtlich leicht, tragbar und kostengünstig, sodass sie leicht in verschiedene Formen integriert werden können, einschließlich Kleidung, wie z schicke Hosen.

Um das System gegen ähnliche Technologien zu testen, ließen die Forscher es von den Studienteilnehmern tragen, während sie auch zwei Smartwatches und einen Herzfrequenzmesser trugen. Mit all diesen Sensoren führten die Teilnehmer eine Vielzahl von Aktivitäten aus, darunter verschiedene Geschwindigkeiten beim Gehen, Laufen, Radfahren, Treppensteigen und beim Übergang zwischen Gehen und Laufen.

Als alle Wearables mit den Kalorienverbrauchsmessungen eines Laborsystems verglichen wurden, stellten die Forscher fest, dass ihr beinbasiertes System am genauesten war.

Durch weitere Tests des Systems an über einem Dutzend Teilnehmern unterschiedlicher Alters- und Gewichtsklassen sammelten die Forscher eine Fülle von Daten, die Slade zur weiteren Verfeinerung des maschinellen Lernmodells nutzte, das die Schätzungen des Kalorienverbrauchs berechnet.

Das Modell nimmt die Informationen über die Beinbewegungen von den Sensoren auf und berechnet – mit den Erkenntnissen aus früheren Daten –, wie viel Energie der Benutzer zu jedem Zeitpunkt verbrennt. Und während moderne Systeme etwa sechs Minuten Daten von einer Person benötigen, die in einer Laborumgebung an eine Maske angeschlossen ist, kann diese Freilandalternative mit nur Sekunden Aktivität funktionieren.

„Viele der Schritte, die Sie jeden Tag machen, passieren in kurzen Anläufen von 20 Sekunden oder weniger“, sagt Slade, der das Erledigen von Hausarbeiten als ein Beispiel für kurze Aktivitäten erwähnt, die oft übersehen werden. „Diese kurzen Aktivitäten oder dynamischen Wechsel zwischen Aktivitäten zu erfassen, ist eine echte Herausforderung, und das kann derzeit kein anderes System.“

Open Source Kalorienzählen

Einfachheit und Erschwinglichkeit waren diesem Team ebenso wichtig wie die offene Verfügbarkeit des Designs, da sie hoffen, dass diese Technologie den Menschen helfen kann, ihre Gesundheit zu verstehen und zu pflegen.

„Wir machen alles Open-Sourcing in der Hoffnung, dass die Leute es nehmen und damit arbeiten und Produkte herstellen, die das Leben der Öffentlichkeit verbessern können“, sagt Kochenderfer.

Sie glauben auch, dass die Einfachheit, Erschwinglichkeit und Portabilität dieses Systems eine bessere Gesundheitspolitik und neue Wege für die Erforschung der menschlichen Leistungsfähigkeit unterstützen könnte. Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Steve Collins, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und leitender Autor dieses Artikels, verwendet bereits ein ähnliches System, um den Energieverbrauch von tragbaren Robotersystemen zu untersuchen, die die Leistung verbessern.

„Eines der aufregendsten Dinge ist, dass wir sich dynamisch ändernde Aktivitäten verfolgen können, und diese präzisen Informationen werden es uns ermöglichen, bessere Richtlinien zu entwickeln, um Menschen zu empfehlen, wie sie trainieren oder ihr Gewicht kontrollieren sollten“, sagt Slade.

„Es eröffnet eine ganze Reihe neuer Forschungsstudien, die wir zur menschlichen Leistungsfähigkeit durchführen können“, sagt Delp, der auch Professor für Bioingenieurwesen und Maschinenbau ist. „Wie viel Energie Sie beim Gehen, beim Laufen, beim Radfahren verbrennen – all diese Dinge sind von grundlegender Bedeutung. Wenn wir ein neues Tool wie dieses haben, öffnet es eine neue Tür, um neue Dinge über die menschliche Leistung zu entdecken.“

Die National Science Foundation, die National Institutes of Health und ein Stanford Graduate Fellowship finanzierten die Arbeit.

Quelle: Stanford University

Über den Autor

Taylor Kubota, Stanford University

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Futurity

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