Die Smartphones: Ein Labor in Ihrer Tasche

04.11.2020

Heute speichert ein Smartphone nicht nur unsere Lieblingssongs, sondern auch einen wichtigen Teil unseres Lebens: Kontaktinformationen, Geburtstagsvideos, Urlaubsfotos, und es bietet auch Zugang zu unseren E-Mails und sozialen Netzwerken, Spielen und sogar Schulnotizen. Nun haben Wissenschaftler unsere Smartphones auch zu Forschungsinstrumenten gemacht; durch spezielle Anwendungen werden sie zu Instrumenten für die Sammlung wertvoller Daten.

Für junge Leute ist es schon lange her, für ältere Menschen ist es noch nicht so lange her, aber am 23. Oktober 2001 kündigte Steve Jobs die Einführung des iPod-Geräts mit dem Satz "tausend Lieder in der Tasche" an. Mit der Zeit wurden die Funktionen des iPod auf das iPhone und alle Mobiltelefone übertragen.

Jäger von Krankheiten

Stellen Sie sich vor, Sie erkranken an einer ansteckenden Krankheit. Das erste, was man sich fragen würde, ist, wie man es bekommen hat. Die zweite Sache wäre die Frage, wie man geheilt werden kann. Zwischen diesen beiden Fragen gibt es weitere Unbekannte: Wie kann man vermeiden, andere anzustecken, was kann man tun, um schneller geheilt zu werden und nicht wieder krank zu werden. Zur Beantwortung dieser Fragen benötigen Sie Daten, Daten und noch mehr Daten.

Mitte des 19. Jahrhunderts begann die Stadt London aufgrund der industriellen Revolution ungebremst zu wachsen. Zu dieser Zeit gab es große Choleraepidemien, die in sehr kurzer Zeit Tausende von Menschen töteten. Um weitere Todesfälle zu vermeiden, war es notwendig zu wissen, wie die Krankheit übertragen wird. Vor 1854 glaubte man, dass Cholera nur durch direkten Kontakt mit einer kranken Person übertragen werden könne und dass die Ansteckung auf die von dieser Person ausgehenden Miasmen (oder bösen Dämpfe) zurückzuführen sei. Aber ein junger Arzt namens John Snow, der eine dieser Epidemien aus nächster Nähe miterlebte, entwickelte eine andere Hypothese.

Während alle der Meinung waren, dass der direkte Kontakt mit Kranken verboten werden sollte, untersuchte John Snow das Wasser, das die Menschen in London tranken, weil er vermutete, dass dies der Erreger war, der die Ausbreitung der Cholera verursachte. Zum Glück für Snow tranken die Menschen in den betroffenen Bezirken Londons nur von zwei Firmen Wasser aus der Themse, so dass der junge Arzt, unterstützt von anderen Kollegen, von Tür zu Tür ging, um zu untersuchen, welche Firma jedes Haus in dem betroffenen Gebiet beliefert. In einem 1856 veröffentlichten Artikel bemerkte er, dass diese Unternehmen Reiche und Arme gleichermaßen mit Wasser versorgten, "so dass es eine Bevölkerung von 300.000 Menschen mit unterschiedlichen Bedingungen und Berufen gab, die innerhalb der Stadt kompliziert gemischt waren, aber durch ein einziges Merkmal in zwei Gruppen geteilt wurden: den Wasserverbrauch".

Von den Kunden des einen Unternehmens starben nur 313, während die Kunden des anderen Unternehmens 2.443 starben. Snow hat diesen Unterschied schnell mit der Herkunft des Wassers beider Unternehmen in Verbindung gebracht, die es an verschiedenen Stellen an der Themse sammelten. Das Wasser, das die meisten Todesopfer forderte, war durch Abfälle aus den Leitungen der Stadt, die den Fluss erreichten, verunreinigt. Die medizinische Gemeinschaft zweifelte an Snows Schlussfolgerungen. Im Laufe der Zeit trug seine Forschung jedoch dazu bei, Infektionen zu verhindern und Leben zu retten, so dass Snow heute als einer der Vorreiter der epidemiologischen Forschung gilt.

Sagen Sie mir, was Sie tun, und ich sage Ihnen, woran Sie leiden

Snow's Forschung unterstreicht die Bedeutung der Sammlung epidemiologischer Daten. Doch um die Ursachen anderer, komplexerer Krankheiten zu entdecken, mussten die Wissenschaftler ihre Strategien zur Informationsbeschaffung verfeinern. Die heutige epidemiologische Forschung befasst sich mit einer großen Zahl von Menschen und untersucht ihre Ess- und Gesundheitsgewohnheiten sowie ihre körperliche Aktivität. Indem man durch Befragungen tägliche Aufzeichnungen sowie alle paar Monate oder Jahre Labortests anfordert, können Forscher mögliche Ursachen für einige Krankheiten finden.

1948 versammelte ein Forschungsteam 5.000 Menschen aus Framingham, Massachusetts. Die Teilnehmer wurden einer körperlichen Untersuchung und einem Lebensstil-Interview unterzogen. Alle zwei Jahre kehrten die Teilnehmer zurück, um ihre Krankengeschichte zu vervollständigen und sich einer körperlichen Untersuchung und Laboruntersuchungen zu unterziehen. Im Jahr 1974 schlossen sich weitere 5.000 Personen, Kinder und Ehefrauen der ersten Teilnehmer, der Studie an, so dass bis 2003 mehrere Generationen hinzukamen. Die jahrzehntelange Überwachung der Framingham-Freiwilligen führte zu der Entdeckung, dass die Menschen, die am häufigsten an Herz-Kreislauf-Erkrankungen leiden, diejenigen mit hohem Blutdruck und Cholesterin waren, die rauchten, zunahmen, keinen Sport trieben und Diabetes hatten. Diese Charakteristika waren Risikofaktoren für diese Erkrankungen, etwas, das heute jeder kennt, das aber bis dahin nicht wissenschaftlich erwiesen war.

Dank der großen Zahl von Freiwilligen, die an der Studie teilgenommen haben, können die Ergebnisse für andere Bevölkerungsgruppen fast überall auf der Welt Gültigkeit haben. Darüber hinaus wird dadurch der Datenverlust kompensiert, der dadurch entsteht, dass während dieser ganzen Zeit viele Patienten sterben, in eine andere Stadt umziehen oder die Studie einfach abbrechen konnten. Da viele Freiwillige verloren gehen, ist es am besten, mit vielen Freiwilligen zu beginnen. Ein weiteres Problem ist, dass man sich auf ihr Gedächtnis und ihre Ehrlichkeit verlassen muss, wenn sie darauf reagieren, wie sie in den letzten Monaten für sich selbst gesorgt haben. Ich habe vergessen, was ich gestern gegessen habe. Daher kann es Fehler geben, die die Genauigkeit der Ergebnisse beeinträchtigen.

Wissenschaft am Telefon

Hier haben Smartphones ihren Einzug gehalten. Wissenschaftler machen sich die Fähigkeiten dieser Geräte für ihre Forschung zunutze. Die Freiwilligen können ihre Daten mit dem Handy an Forschungsinstitute schicken, anstatt Protokolle auszufüllen, was ihnen hilft, den Überblick zu behalten.

Die Telefone können mit Hilfe von Sensoren wie Beschleunigungsmessern, die die körperliche Aktivität messen können, sowie mit GPS-Positionierungssystemen, Herzfrequenzmessgeräten, Mikrofonen und Schallanalysegeräten hochpräzise Daten sammeln. Daten von Millionen von Freiwilligen auf der ganzen Welt können mit einem einzigen Klick über das Internet an Forschungszentren geschickt werden. Allein in Mexiko gibt es heute 77 Millionen Smartphones, und man schätzt, dass es bis 2025 weltweit mehr als 5 Milliarden Telefone mit fortschrittlichen Sensoren geben wird, die noch viel mehr messen können.

Ein Beispiel sind die Anwendungen Dialbetics und Foodlog, die die Gesundheit und den Lebensstil von Diabetikern überwachen. Die Anwendung berechnet die Kalorien und den Prozentsatz der Kohlenhydrate, Proteine und Fette allein durch Fotografieren des Lebensmittels. Freiwillige, die an einer Studie mit diesen Anwendungen teilnahmen, erhielten ein digitales Blutzuckermessgerät, mit dem sie ihren Blutzucker am Morgen messen konnten. Die Beschleunigungsmesser (die Schritte und Sprünge des Telefonträgers erkennen) wurden zur Berechnung ihrer täglichen körperlichen Aktivität verwendet. All diese Informationen wurden gesammelt und den Forschern zur Analyse zugeschickt. Der Patient erhielt Ratschläge zu seiner Ernährung oder Glückwünsche zu seiner Behandlung. Die Studie zeigte, dass Menschen mit Diabetes, die die Apps benutzten, ihren Glukosespiegel besser unter Kontrolle hatten als diejenigen, die dies nicht taten. In ähnlicher Weise werden viele andere Forschungen am Menschen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen entwickelt.

Tausend Experimente in der Tasche

Angesichts dieser Gelegenheit hat Apple 2015 das ResearchKit-Paket auf den Markt gebracht, eine Plattform, die es jedem Wissenschaftler ermöglicht, iPhone-Anwendungen zu erstellen, die Menschen herunterladen können, um bequem von zu Hause aus an der wissenschaftlichen Forschung teilzunehmen. Jetzt bietet das Unternehmen, das vor 18 Jahren den iPod mit dem Versprechen auf den Markt brachte, uns tausend Songs in die Tasche zu stecken, den Wissenschaftlern ein leistungsfähiges Forschungsinstrument. In ein paar Jahren werden wir wahrscheinlich tausend laufende wissenschaftliche Studien in der Tasche haben.

Eine der Herausforderungen ist die Privatsphäre und der verantwortungsvolle Umgang mit Daten. Wir haben uns alle schon einmal ausspioniert gefühlt, wenn wir nach der Diskussion eines Themas in sozialen Netzwerken Werbung für Produkte zu diesem Thema erhalten, aber die Daten über unsere Gesundheitsgewohnheiten und -bedingungen sind noch sensiblere Informationen, und Forscher, die diese Apps nutzen, sind verpflichtet, die Vertraulichkeit der Teilnehmer zu schützen. In diesem Zusammenhang hat Apple erklärt, dass die Daten, die von den mit ResearchKit entwickelten Apps gesammelt werden, absolut vertraulich behandelt werden und nur Forschern zur Verfügung stehen. Um die Identität der Freiwilligen zu schützen, wird auch Apple selbst keinen Zugang zu diesen Informationen haben und sie nicht verwenden.

Anwendungen wie EpiWatch wurden bereits mit Hilfe von ResearchKit entwickelt, das epileptische Anfälle mit Hilfe von Beschleunigungsmessern aufzeichnet, um Daten für eine bessere Behandlung zu erhalten. Als ob das noch nicht genug wäre, sendet der Antrag eine Warnung an die Angehörigen des Transporteurs, wenn ein epileptischer Anfall beginnt.

Eine App namens Neuronen überwacht die Symptome von Patienten mit Multipler Sklerose. Schlafgesundheit ermöglicht es Ihnen, Ihre Schlafgewohnheiten aufzuzeichnen, um die Störungen zu untersuchen, die Sie betreffen. mPower wurde entwickelt, um das Fortschreiten der Parkinson-Krankheit mit Tests der Geschicklichkeit, des Gleichgewichts und des Gedächtnisses zu verstehen. Diese Krankheit beeinträchtigt die Bewegungskontrolle der Patienten, indem dopaminerge Neuronen zerstört werden. Die mPower-App misst die Fähigkeit eines Patienten, seine Bewegungen auf ähnliche Weise zu kontrollieren wie im Büro: Mit dem Telefon in der Tasche wird der Patient aufgefordert, in einer geraden Linie zu gehen.

Die Beschleunigungsmesser messen die Abweichungen und Wackelbewegungen des Patienten (Gleichgewicht). Bei einem anderen Test erscheinen zwei rote Kreise auf dem Telefonbildschirm, die der Patient abwechselnd mit dem Zeige- und Mittelfinger berühren muss, um seine Reaktionszeit zu messen. Schließlich fordert die App den Patienten auf, den Mund zum Mikrofon zu bewegen und 10 Sekunden lang "ah" zu sagen. Variationen der Klangeigenschaften sind ein indirektes Maß für die Fähigkeit des Patienten, die stimmproduzierenden Muskeln zu kontrollieren. All diese Daten werden analysiert, um den Gesundheitszustand des Parkinson-Patienten zu überwachen, und der Patient kann entscheiden, ob er sie mit den Forschern teilen möchte oder nicht.

Diese Vorteile werden die Zahl der Teilnehmer an wissenschaftlichen Studien dramatisch erhöhen und eine Fülle von Daten liefern, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet. Darüber hinaus werden die Experimente unter Bedingungen durchgeführt, die für den Teilnehmer normaler sind, wie z.B. zu Hause und nicht in einem Labor. Die Daten werden aus verschiedenen Regionen stammen, so dass die Auswirkungen von Variablen wie Klima, Höhenlage und den Lebensmittelprodukten des Landes gemessen werden können, um so geografische, ernährungsbedingte und Auswirkungen auf die körperliche Aktivität zu ermitteln. Zusätzliche Informationen, wie Alter, Geschlecht, Beruf, Arbeits- und Schlafzeiten, werden es ermöglichen, Untergruppen zu analysieren und die Auswirkungen von Krankheiten oder Behandlungen auf Männer und Frauen, Kinder und Erwachsene und andere zu unterscheiden.

Die Forschung mit Mobiltelefonanwendungen analysierte 4 000 Teilnehmer in nur vier Monaten. Die Beschaffung dieser Datenmenge mit traditionellen Forschungsmethoden hätte mehr als drei Jahre (achtmal länger) gedauert. Es gibt bereits Hunderte von Experimenten, die in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht wurden, und ihre Autoren behaupten, dass die Ergebnisse auffallend ähnlich denen von Studien sind, die unter kontrollierten Bedingungen in Forschungsinstituten durchgeführt wurden.

Smartphones entwickeln sich zu einem leistungsfähigen Werkzeug für die Erforschung aller Phänomene, die mit dem menschlichen Verhalten und der Gesundheit zusammenhängen. Sie ermöglichen es, Millionen von Menschen auf der ganzen Welt gleichzeitig zu studieren, was zu großen Fortschritten in der wissenschaftlichen Erkenntnis führt. Wenn Sie also jemals eine Einladung zur Teilnahme an der Forschung über Ihr Smartphone erhalten, überprüfen Sie, ob die ethischen Aspekte in Ordnung sind, und ermutigen Sie sich, mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft zusammenzuarbeiten, um mehr Wissen zu generieren. Es wird nicht lange dauern, und Sie könnten im Gegenzug einen großen Unterschied für die Wissenschaft machen.

Große Daten

Ein bürgerwissenschaftliches Experiment mit Smartphones kann mehr Daten erzeugen, als ein Forscherteam in vielen Jahren mit herkömmlichen Computern in einem Labor verarbeiten könnte. Die Daten sind nicht nur umfangreich, sondern auch vielfältig: Viele Variablen können jetzt gleichzeitig gemessen werden, was die weitere Analyse zusätzlich erschwert.

Smartphones sind unverzichtbare Werkzeuge im Zeitalter massiver Daten oder großer Datenmengen. Die Unternehmen Google, Amazon und Microsoft bieten Speicher- und Analysedienste für diese massiven Daten in der Wolke an. Das ist eine gute Nachricht für Wissenschaftler: Sie brauchen heute weder langwierige Datenerhebungskampagnen, die sich über Jahre erstrecken, noch eigene Supercomputer, die Millionen von Dollar kosten können.

Erschütterungen

An der Universität von Kalifornien, Campus Berkeley, wurde eine App entwickelt, um Tremor mit dem Mobiltelefon zu erkennen und zu messen. Es wird MyShake genannt und kann zwischen Erdbebenzittern und normalen Bewegungen des Benutzers unterscheiden. Eine weit verbreitete Seismologie-App kann helfen, die Stärke eines Erdbebens und die von ihm verursachten Schäden in sehr kurzer Zeit zu kartieren.

Alles in einem

Ein Sensor ist ein Gerät, das irgendeine Form von Energie (z.B. Temperatur) misst und in ein Signal umwandelt, das dann von einem elektronischen Instrument abgelesen werden kann. Die heutigen Smartphones sind mit immer genaueren Sensoren ausgestattet.

Beschleunigungsmesser

Es ist der Sensor, der Bewegung, Position, Vibration und Beschleunigung misst. In Telefonen wird er häufig zur Erkennung von Bewegung, Neigung und Geschwindigkeit verwendet; er ist verantwortlich für die Drehung des Bildschirmbildes, wenn Sie das Telefon bewegen, für die Bestimmung Ihrer Geschwindigkeit und für die Aufzeichnung Ihrer körperlichen Aktivität, zum Beispiel Ihrer Schritte. Es wird für die Verwendung zur Überwachung der Körperhaltung oder zur Erkennung von Benutzerstürzen untersucht.

Gyroskop

Es wird verwendet, um die Drehgeschwindigkeit des Telefons in Bezug auf drei Achsen zu bestimmen. Es erkennt leichte Drehungen im Gerät sowie dessen Ausrichtung (es hilft dem Beschleunigungsmesser zu wissen, wie das Telefon ausgerichtet ist). Die Handykamera verlässt sich auf diesen Sensor, um unerwünschte Bewegungen zu korrigieren und zu verhindern, dass Ihre Fotos verwackelt werden. Mit einer Anwendung können Sie Menschen mit Parkinson oder epileptischen Anfällen überwachen.

Näherungssensor

Bestimmt die Nähe oder Position eines Objekts in Bezug auf den Bildschirm. Diesem Sensor ist es zu verdanken, dass die Tastatur deaktiviert wird und das Telefon Strom spart, zum Beispiel während eines Telefongesprächs, wenn sich das Gesicht in der Nähe des Displays befindet.

Umgebungslichtsensor

Dieser Sensor erkennt die An- oder Abwesenheit von Licht mit Hilfe von Fotozellen; er passt die Helligkeit des Bildschirms an und reduziert so den Energieverbrauch.

Magnetometer

Es ist der Kompass des Telefons und bestimmt den Winkel des Mobiltelefons in Bezug auf den Magnetpol der Erde. Dank dieses Sensors bestimmen unsere Telefone, in welche Richtung wir uns bewegen. Mit den Daten des Beschleunigungsmessers und des GPS kann es uns auf der Karte orten, und so werden unsere Telefone zu Navigationsinstrumenten.

GPS

Unterstützt durch Satelliten berechnet und zeigt sie unsere geographische Lage an. Ein modernes GPS kann sich auch auf Daten wie die Zellensignalstärke (Abstand zu einer Zellantenne) stützen, um uns eine genauere Position zu liefern.

Kamera

Es gibt Anwendungen für einfache ophthalmologische Tests, aber sie sind immer noch nicht sehr zuverlässig.

Mikrofon- und Schallanalysatoren

Sie liefern wichtige Informationen über das Umfeld, in dem sich der Einzelne bewegt. Mit Hilfe des Mikrofons des Mobiltelefons haben einige Forscher ein Spirometer entwickelt (ein Instrument, das den Fluss und das Volumen der durch die Lungen ein- und ausgeatmeten Luft misst).

Kosmische Strahlen

Ein Team von Teilchenphysikern an der Universität von Kalifornien, Campus Irvine, hat eine App namens CRAYFIS entwickelt, die erkennt, wenn ein elektrisch geladenes Teilchen durch Telefonschaltkreise gelangt und mit diesen in Wechselwirkung tritt. Dieses Phänomen tritt ständig auf und hat keine Folgen, aber durch die Integration der Informationen vieler Benutzer über die App ist es möglich, die Kaskaden von Elementarteilchen nachzuweisen, die entstehen, wenn eine kosmische Strahlung auf ein atmosphärisches Teilchen trifft. Aus der Verteilung der Signale lässt sich die Energie der ursprünglichen kosmischen Strahlung ableiten.

Die Autoren:

Jonathan Cueto Escobedo hat an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko in Psychologie promoviert. Derzeit ist er Forscher am Institut für Gesundheitswissenschaften an der Universidad Veracruzana.

María Gabriela Nachón García ist Forscherin und Direktorin des Instituts für Gesundheitswissenschaften an der Universidad Veracruzana. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Rolle von Emotionen und Stress bei Ängsten und Abhängigkeiten sowie auf die Auswirkungen bestimmter Krankheiten auf andere Zustände.

Quelle: Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), ¿Cómo ves?