Infektionskrankheiten und Vigilanz – ein Aufruf zu multidisziplinärer militärmedizinischer Infektionsforschung

Infectious Diseases and Vigilance – A Call for Multidisciplinary Military Medical Infectious Disease Research

Lorenz Scheit^a, Reinhard Stark^b, Sebastian Klapa^c, Gordon Vollert^c, Marc Hennies^d, Hagen Frickmann^d

^a Klinik für Innere Medizin, Bundeswehrkrankenhaus Hamburg

^b Klinik für Neurologie, Bundeswehrkrankenhaus Hamburg

^c Abteilung Forschung und Lehre, Schifffahrtsmedizinisches Institut Kiel-Kronshagen und Sektion Maritime Medizin, Christian-Albrechts-Universität Kiel

^d Abteilung für Mikrobiologie und Krankenhaushygiene, Bundeswehrkrankenhaus Hamburg

Zusammenfassung

Infektionskrankheiten zählen nach wie vor zu den häufigen gesundheitsrelevanten Ereignissen bei militärischen Einsätzen. Die hier vorgestellte Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob und inwieweit jenseits des lokalen oder systemischen Infektionsgeschehens mittelbare Einflüsse auf Verhalten und Reaktionszeiten bestehen. Bei der Arbeit handelt es sich um ein narratives Literaturreview. Die Referenzen wurden mit Unterstützung des Fachinformationszentrums der Bundeswehr und unter Einbeziehung der Datenbank NCBI PubMed identifiziert.

Die Datenlage zu Assoziationen zwischen akuten und chronischen Infektionskrankheiten, zu Verlängerungen der Reaktionszeit und zu verwandten infektionsassoziierten Verhaltensänderungen ist oberflächlich und lückenhaft. Eine vergleichsweise solide Datenlage existiert zu nicht komplizierten oberen Atemwegsinfektionen als häufigem Krankheitsbild sowie zu HIV-Infektionen als derzeit lebenslang zu therapierenden Krankheitsentitäten. Zusammenfassend sind Reaktionszeit- und sonstige Verhaltensänderungen bei verschiedenen Infektionen beschrieben, wobei Auftreten, Schwere und Zeitfenster der Manifestation erregerspezifische Muster zeigen. Kumulative Effekte stattgehabter und chronischer Infektionen können auftreten, für HIV wurde eine Assoziation zwischen Effektstärke und Schwere der Immunschwäche geschildert.

Infektionsassoziierte Leistungseinschränkungen wurden wiederholt berichtet, die Datenlage bleibt jedoch fragmentiert, was Risikoeinschätzungen mit Blick auf militärische Verwendungen erschwert. Hinweise auf teils verzögert auftretende Reaktionszeitverlängerungen in späteren Infektionsphasen und in der Rekonvaleszenz, während der Soldatinnen und Soldaten potenziell wieder dienstfähig geschrieben und vermeintlich einsatzbereit sind, bedürfen weiterer militärmedizinischer Untersuchung in multidisziplinärer Kooperation zwischen Leistungsphysiologie und Infektionsmedizin.

Schlüsselworte: Infektion; Reaktionszeit; Verhalten; Dienstfähigkeit; Einsatz; Risikobewertung

Summary

Infectious diseases remain among the most frequent health-related events during military operations. This study investigates whether and to what extent indirect influences on behaviour and reaction times exist beyond the local or systemic infection pathology itself. This investigation is a narrative literature review. References were identified with the support of the German Armed Forces‘ Specialist Information Centre and using the NCBI PubMed database.

Existing data on associations between acute and chronic infectious diseases, as well as prolonged reaction times and related infection-associated behavioural changes, are superficial and incomplete. A comparatively robust data set exists for uncomplicated upper respiratory tract infections, a common condition, and for HIV (human immunodeficiency virus) infection, a disease currently requiring lifelong treatment. In summary, reaction time and other behavioural changes are described for various infectious diseases, with pathogen-specific patterns in occurrence, severity, and the time frame of manifestation. Cumulative effects of past and chronic infections can occur; for HIV, an association between effect size and severity of immunodeficiency has been described.

Infection-associated performance limitations have been repeatedly described, but available data remain fragmented, complicating risk assessments for military deployments. The potential relevance of delayed reaction time extensions in the later stages of infection and during convalescence, when soldiers may be declared fit for duty again, warrants further military medical investigation through a multidisciplinary collaboration between exercise physiology and infectious disease medicine.

Keywords: infection; reaction time; behaviour; combat readiness; deployment; risk assessment

Einleitung und Hintergrund

Infektionskrankheiten bringen nach wie vor erhebliche Gesundheitsrisiken in militärischen Einsätzen mit sich [27][29]. Wie aus historischen Einsatzszenarien wie z. B. EUTM („European Training Mission“) Mali bekannt, sind viele Infektionen dabei nicht notwendigerweise per se lebensbedrohlich. Sie gehen vielfach, sofern transmissionspräventiv vertretbar, noch nicht einmal mit einer zwingenden Notwendigkeit zur Freistellung vom Dienst einher [4]. Jedoch gibt es Hinweise auf mittelbare Effekte von Infektionen, die geeignet sind, je nach Intensität des Konflikts die militärische Leistungsfähigkeit von Einsatzkräften in operativ relevantem Umfang zu beeinträchtigen. So können zum Beispiel im maritimen Einsatz subklinisch verlaufende Erkrankungen insbesondere die notwendigen Wach- und Überwachungsmaßnahmen beeinträchtigen [9].

Auf der MIDAS (Military Infectious DiarrhoeASymposium) 2025, einer akademischen Austauschplattform zu einsatzassoziierter Diarrhö zwischen NATO-Mitgliedstaaten, berichtete eine britische Kollegin von einem interessanten Nebeneffekt, der im Rahmen einer vom Military Infectious Disease Research Program geförderten Studie zum Diarrhö-Management [17] beobachtet wurde. Bei einer Studienteilnehmerin, bei der vergesellschaftet mit einer Diarrhö-Episode Reaktionszeitmessungen durchgeführt wurden, zeigte sich speziell in der Rekonvaleszenzphase, in der es der Studienteilnehmerin subjektiv besser ging und sie sich durchaus dienstfähig fühlte, eine Reaktionszeitverlängerung von 1 auf 3 Sekunden. Die im Rahmen der Studie [17] erhobene Datenlage ermöglichte aufgrund zu geringer Fallzahl keine systematische Auswertung von Reaktionszeiteffekten, jedoch schlussfolgerten die britischen Kolleginnen und Kollegen, dass sie hier auf ein Signal gestoßen seien, das weitere Beobachtung verdiene.

Anders als bei neurotropen Krankheitserregern, bei denen neurologische Symptome aufgrund von Neuroparen­chymbefall mit teils langer Rekonvaleszenzzeit oder gar Persistenz zum erwartbaren Krankheitsverlauf gehören [19], ist das von dem britischen Forscherteam beobachtete Phänomen nicht unmittelbar selbsterklärend. Jedoch legt die im Folgenden dargestellte Literaturauswertung nahe, dass Effekte von Infektionskrankheiten auf Vigilanz und Reaktionszeit, die insbesondere in Phasen hoher Konfliktintensität von vitaler Bedeutung sein können, in bedenkenswertem Umfang beobachtet wurden. Unsere Arbeit präsentiert einen Überblick über existierende Evidenz zu diesem Thema und hat zum Ziel, einen Ausgangspunkt für weitere militärmedizinische Forschung zu diesem Themengebiet zu liefern.

Methodik

Für das narrative Review erfolgte mit Unterstützung durch das Fachinformationszentrum der Bundeswehr in Bonn eine Suche nach themenspezifischen Literaturreferenzen unter Einbeziehung offener Quellen (NCBI PubMed, URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/) sowie des Verbundkatalogs FachInfoUstgBw unter Nutzung multipler Suchbegriffe (unter anderem „Reaktionszeitverlängerung“, „Diarrhö“ und „Infektionskrankheit“) sowie ihrer englischsprachigen Entsprechungen in wechselnden Konstellationen. Die Prüfung der Eignung der von den Suchmaschinen angezeigten Arbeiten zum Einschluss in die hier präsentierte Übersicht wurde durch die Autoren der Arbeit auf der Basis ihrer Fachexpertise vorgenommen.

Ergebnisse

Untersuchungen zu Zusammenhängen zwischen Infektionskrankheiten und möglichen Auswirkungen auf die Reaktionsfähigkeit der Infizierten sind kein neues Phänomen. Bereits im Jahre 1977 postulierte eine Arbeitsgruppe, renommiert publiziert, mögliche Assoziationen zwischen neuromuskulären Übertragungsstörungen und Virusinfektionen [18]. Im Folgenden zusammengestellt ist eine Auswahl repräsentativer Arbeiten zum assoziierten Auftreten von Reaktionszeitverlängerungen und verwandten neurologischen Phänomenen sowie dem Auftreten bzw. Bestehen von akuten und chronischen Infektionen.

Beobachtungen bei akuten Infektionen

Zusammenhänge zwischen akuten Infektionen und Einflüssen auf Aufmerksamkeit und Reaktionszeit wurden am intensivsten für respiratorische Infektionen untersucht, sowohl anhand epidemiologischer Erhebungen als auch mittels Challenge- und Tierversuchsanalysen. Im Jahr 2016 zeigte eine Arbeitsgruppe des schwedischen Karolinska-Instituts an immundepletierten Mäusen mit mangelnder Befähigung zu adaptiven Immunantworten, dass die 2009 aufgetretene, vormals als „Schweinegrippe“ bezeichnete H1N1-Influenza-A-Virusvariante bei zerebraler Replikation zu narkolepsieartigen Schlafstörungen führen kann [25]. Die Experimente waren eine Folge von Hinweisen auf eine immunvermittelte Narkolepsie bei humanen H1N1-Influenza-A-Patienten [28].

Umgekehrt finden sich Hinweise auf Interaktionen zwischen neurokognitiver und neuroimmunologischer Funktion dergestalt, dass neurokognitive Einschränkungen das Ausmaß der viralen Streuung bei akuten respiratorischen Virusinfektionen zu verstärken scheinen [30]. Diese Beobachtung basiert auf der Auswertung einer begrenzten Zahl von Probandinnen und Probanden aus viralen Challenge-Experimenten; eine Verifizierung oder Falsifizierung anhand größerer Fallzahlen steht noch aus [30].

Eine britische Arbeitsgruppe, die junge Erwachsene mit und ohne unkomplizierte obere Atemwegsinfektionen untersuchte, berichtete über Beeinträchtigungen der Aufmerksamkeit, Stimmungslage, Psychomotorik und Informationsverarbeitung bei Infizierten, wobei nur die Stimmungslage mit der Symptomschwere korrelierte [23]. Aufmerksamkeit und Reaktionszeit bei nicht kompliziertem oberem Atemwegsinfekt sind reduziert, Infizierte neigten zu verstärkter Anspannung und Ängstlichkeit [22].

Eine hinsichtlich ihrer jeweiligen Intensität vergleichbare Reduktion von Aufmerksamkeit und Reaktionszeit ließ sich bei nicht komplizierten oberen Atemwegsinfektionen durch Rhinoviren, endemische Coronaviren sowie bei entsprechenden Infektionen mit unklarer Ätiologie nachweisen [20]. Die Reaktionszeiteffekte scheinen nicht unmittelbar vom nasopharyngealen Luftstrom selbst abhängig zu sein, da eine diesbezügliche Intervention in Form von Menthol-Applikation keine Verbesserung bewirkte [2]. Interessant ist ein differenzierter zeitlicher Verlauf: Während eine verschlechterte Stimmungslage und eingeschränkte psychomotorische Funktion bei nicht komplizierten oberen Atemwegsinfektionen in der ersten Krankheitswoche als signifikant berichtet wurden, waren Aufmerksamkeitseinschränkungen in der zweiten Krankheitswoche nachweisbar [6]. Nach Genesung von nicht komplizierten Atemwegsinfektionen waren relevante Unterschiede zu nicht infizierten Kontrollprobanden hinsichtlich messbarer Reaktionszeiten zumindest bei natürlicher Infektion jedoch nicht mehr nachweisbar [21].

Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu viralen Challenge-Experimenten zur gezielten Induktion nicht komplizierter oberer Atemwegsinfektionen, bei denen Reaktionszeitverzögerungen auch nach Verschwinden der klinischen Symptomatik noch beobachtbar waren [24]. Im Challenge-Experiment zeigten sich ferner spezifische Reaktionszeitverzögerungen bei entscheidungsgebundenen Reaktionsprozessen nach Infektion mit Influenza-Viren, während bei respiratorischen Infektionen durch andere virale Stimuli die Reaktionszeitverlängerung unspezifischer Natur war [24]. Tierexperimentelle Untersuchungen an Katzen deuten darauf hin, dass respiratorische Infektionen mit verstärkter auditorischer Erregbarkeit im Schlaf einhergehen, was auf einen weniger tiefen und erholsamen Schlaf als eine ätiologische Komponente hindeuten könnte [26].

Über längere Zeiträume persistierende physische und psychische Einschränkungen nach akuten respiratorischen Infektionen wurden vor allem im Zusammenhang mit COVID-19 (epidemische Coronavirus-Erkrankung von 2019) wiederholt beschrieben. Eine britische Arbeitsgruppe konnte bei Individuen nach einer COVID-19-Erkrankung in den ersten Pandemiejahren, die subjektiv keine nennenswerten Einschränkungen berichteten, bis zu sechs Monate postinfektiös Einschränkungen der episodischen Erinnerung und bis zu neun Monate postinfektiös Vigilanzreduktionen nachweisen [32]. Patienten, die als Long-COVID-Betroffene klassifiziert wurden, zeigten ferner im Vergleich zu Individuen ohne Long-COVID-Symptome nach COVID-19-Erkrankung eine deutliche kognitive Verlangsamung [31], die in ihrer Ausprägung nicht mit sonstigen Symptomentitäten wie Erschöpfung, Depression, Schlafstörungen oder posttraumatischen Belastungsstörungen korrelierte.

Eine Zusammenfassung der vorgestellten Studienergebnisse findet sich in Tabelle 1.

Tab. 1: Zusammenfassung der Beobachtungen bei akuten Infektionen

Beobachtungen bei chronischen Infektionen

Untersuchungen zu möglichen Assoziationen zwischen Reaktionszeit und stattgehabten sowie chronisch persistierenden Infektionen liegen ebenfalls vor. Eine US-amerikanische Analyse untersuchte die aggregierten Effekte von stattgehabten und/oder chronischen Infektionen mit den viralen Krankheitserregern Cytomegalievirus (CMV), humanes Herpesvirus 1 (HHV-1), humanes Herpesvirus 2 (HHV-2), Hepatitis-A-Virus (HAV), Hepatitis-B-Virus (HBV) und Hepatitis-C-Virus (HCV) sowie den Helminthen Toxocara spp. und dem Protozoon Toxoplasma gondii auf die neurokognitive Funktion von Patienten im jungen bis mittleren Erwachsenenalter. Assoziiert mit den kumulierten Infektionen waren nachteilige Effekte auf die Informationsverarbeitung, das Lern- und Erinnerungsvermögen nachweisbar, nicht jedoch auf das Reaktionsvermögen der Infizierten [5].

Bei spezifischen Infektionen zeigte sich ein differenziertes Bild. Bei Mäusen, bei denen das murine Äquivalent zur humanen Epstein-Barr-Virus-(EBV)-Infektion mit murinem Gammaherpesvirus 68 induziert wurde, waren Beeinträchtigungen des Nahrungsaufnahmeverhaltens, des Körpergewichts, der Laufradaktivität, der Körpertemperatur und des Schlafes für einen kurzen Zeitraum 7 bis 11 Tage nach Virusinokulation nachweisbar. Danach stabilisierten sich diese Parameter wieder [15].

Die Verlangsamung der Reaktionszeit wurde auch bei Infizierten mit dem humanen Immundefizienzvirus (HIV) wiederholt beschrieben. Korrelationen zur Reaktionszeitvariabilität wurden bei einer kleinen Zahl HIV-positiver Probanden mit Faktoren wie kognitivem Globalstatus, Adhärenz bei der Einnahme antiretroviraler Medikation und Nadir des Immunstatus aufgezeigt [3]. Motorische Einschränkungen ließen sich in allen Stadien der HIV-Infektion vermehrt nachweisen, im Stadium AIDS (erworbenes Immunschwächesyndrom) waren sie nahezu immer vorhanden [13]. Psychomotorische Verlangsamung und beeinträchtigte Aufmerksamkeit bei HIV-Patienten korrelierten insbesondere mit der erniedrigten Anzahl von CD4+ T-Zellen [14]. Reaktionszeiten waren vor allem bei Patienten mit fortgeschrittener HIV-Infektion verlängert, wenn sie mit der Erforderlichkeit von Entscheidungen vergesellschaftet waren [16]. Wenn keine Aggravation aufgrund einer Krankheitsprogression vorliegt, gelten HIV-assoziierte Veränderungen der Reaktionszeit insgesamt als mild [7]. Im Durchschnitt werden etwa in der Größenordnung von 22 % verlangsamte Reaktionen im Vergleich zum Nichtinfizierten in der Literatur angegeben [7].

Die symptomatische HIV-Infektion, wie sie bei nicht ­erfolgter oder insuffizienter Therapie auftritt, wurde in ­Modellierungen mit einer globalen Verlangsamung der ­Kognition assoziiert [8]. Diese Ergebnisse bestätigten vorausgegangene Experimente, mit denen im Tiermodell der AIDS-Demenz-Komplex simuliert werden sollte. So wiesen zum Beispiel mit LP-BM5 murinem Leukämievirus (MuLV) infizierte Mäuse neben Einschränkungen des Lernens und Erinnerns auch Aufmerksamkeitsdefizite auf [10]. Mit SIV („simian immunodeficiency virus“) infizierte Makaken zeigten ferner Verlangsamungen von Bewegungen und Reaktionszeiten [11].

Eine Zusammenfassung der vorgestellten Untersuchungen findet sich in Tabelle 2.

Tab. 2: Zusammenfassung der Beobachtungen bei chronischen Infektionen

Beobachtungen bei nicht infektiösen inflammatorischen Reizen

Mit Blick auf die oben dargestellten Ergebnisse könnte der Eindruck entstehen, dass Inflammation generell einen dämpfenden Effekt auf das Reaktionsvermögen ausübt. Eine kürzlich erschienene Schweizer Untersuchung [1] zur Auswirkung der Pollenexposition bei Allergikern auf deren kognitive Fähigkeiten macht ein solch völlig unspezifisches Reaktionsmuster jedoch eher unwahrscheinlich. Zumindest das gewählte Expositionsmodell führte interessanterweise zu keinen relevanten Änderungen der kognitiven Leistungsbereitschaft, lediglich zu einem selbst nach Einschätzung des Autorenteams als statistisch fragwürdig anzusehenden Trendsignal [1]. Hierbei gilt es ferner zu beachten, dass inflammatorische Zustände durch verschiedene zelluläre und humorale Bestandteile des Immunsystems bedingt sein können, und daher in ihrer Ausprägung starke individuelle Unterschiede aufweisen [12].

Diskussion

Die vorgestellten Arbeiten reflektieren eine sehr heterogene Datenlage, was die Assoziationen zwischen Infektionskrankheiten und Reaktionszeitverlängerungen ­angeht. Vergleichsweise gut analysiert sind nicht komplizierte obere Atemwegsinfektionen [2][6][20–24] als häufige und somit vergleichsweise leicht zu untersuchende Ereignisse sowie HIV-Infektionen [3][7][8][13–16], die aufgrund ihres lebenslangen Therapiebedarfs in besonderem infektionsmedizinischen Interesse stehen. In der thematischen Breite jedoch handelt es sich um ein noch wenig bearbeitetes Forschungsfeld. Militärmedizinische Untersuchungen zu diesem Thema fehlen weitgehend. Insofern ist die Frage anhand der Datenlage schwer zu beantworten, ob die von dem britischen Forscherteam beschriebene Reaktionszeitverlängerung bei einer Soldatin in der Rekonvaleszenzphase nach stattgehabter gastrointestinaler Infektion einen Zufallsbefund darstellt oder sich schlüssig ins Bild bekannter Assoziationen zwischen Infektionsgeschehen und Reaktionszeit- sowie Verhaltensbeeinflussung einfügt.

Trotz der insgesamt nicht konklusiven Datenlage ergaben sich aus der Literaturschau einige Hinweise, die nahelegen, dass Letzteres der Fall sein könnte. So konnte sowohl für Herpesvirusinfektionen im Tiermodell [15] als auch für nicht komplizierte obere Atemwegsinfektionen beim Menschen [6] gezeigt werden, dass sich infektionsassoziierte Verhaltensänderungen in spezifischen Zeitfenstern manifestieren, die nicht notwendigerweise mit dem Beginn des Krankheitsgeschehens koinzidieren müssen. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang die über monatelange Zeiträume hinweg persistierende Vigilanzminderung nach frühen COVID-19-Infektionen, selbst bei Individuen, die subjektiv keine Beschwerden beklagten [32]. Zusammen mit dem Befund, dass nach iatrogen im Challenge-Versuch induzierter Atemwegsinfektion Reaktionszeitverlängerungen auch über das klinisch apparente Krankheitsgeschehen hinaus persistieren können [24], lassen diese Beobachtungen durchaus plausibel erscheinen, dass mit einem infektionsspezifisch sehr heterogenen Bild an Assoziationen zu rechnen ist.

Dies gilt umso mehr, da bereits frühe Untersuchungen eine Erregerspezifität bezüglich Art und Ausmaß von infektionsassoziierten Reaktionszeitveränderungen zeigten [24]. Ein rein unspezifisch inflammationsresponsives Phänomen ist dagegen, wie Analysen an nicht infektiösen Inflammationsereignissen nahelegen, eher als unwahrscheinlich anzusehen [1]. Insbesondere bei chronischen Infektionen finden sich zudem Hinweise auf Summationseffekte verschiedener parallel oder seriell ablaufender Infektionsereignisse [5]. Zudem scheint, wie insbesondere für die HIV-Infektion gezeigt werden konnte [13][14], der immunologische Zustand des Patienten einen Einfluss auf infektionsinduzierte Reaktionszeitveränderungen auszuüben.

Fazit

Zusammenfassend ist die sehr lückenhafte Datenlage zur Assoziation von Infektionen und Reaktionszeitveränderungen nicht ausreichend, wenn es darum geht, mögliche militärmedizinische Risiken mit Blick auf verzögerte Reaktionsfähigkeit in der militärischen Einsatzsituation einzuordnen. Multidisziplinäre, teilstreitkräfte-übergreifende militärmedizinische Forschung, die leistungsphysiologische und infektionsmedizinische Expertise zusammenführt, erscheint daher angezeigt, um dieses Thema adäquat akademisch zu adressieren. Aus praktischen Erwägungen sollte für entsprechende Untersuchungen das Zeitfenster unmittelbar nach Wiedererlangung der Dienstfähigkeit gewählt werden, da vor allem dann potenziell nachteilige oder situativ sogar sicherheitsgefährdende funktionelle Konsequenzen für den Dienstbetrieb zu erwarten wären. Damit würde der Tatsache Rechnung getragen werden, dass verhaltenswirksame Effekte durchaus mit späteren Stadien des Infektionsverlaufs assoziiert sein können [6].

Kernaussagen

• Infektionen können neben erregerspezifischen lokalen oder systemischen Symptomen auch mittelbar zu Reaktionszeitveränderungen führen.
• Die Datenlage zu dem Thema ist fragmentiert und mit Blick auf abzuleitende Risikoeinschätzungen für Einsatzkräfte unbefriedigend.
• Auftreten, Schwere und Zeitfenster von symptomatischen Beeinträchtigungen, welche auch in der Rekonvaleszenzphase bei sonst abklingender klinischer Symptomatik liegen können, zeigen infektionsspezifische Muster.
• Kumulative Effekte stattgehabter und chronischer Infektionen einschließlich von Einflüssen der Immunlage wurden beschrieben.
• Interdisziplinäre, teilstreitkräfte-übergreifende militärmedizinische Forschung erscheint ratsam, um infektionsassoziierte Reaktionszeitverlängerungen insbesondere in späteren Infektionsphasen mit Blick auf die Dienstfähigkeit in Einsätzen höherer Intensität zukünftig zuverlässiger einschätzen zu können.

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Manuskriptdaten

Zitierweise

Scheit L, Stark R, Klapa S, Vollert G, Hennies M, Frickmann H. Infektionskrankheiten und Vigilanz – ein Aufruf zu multidisziplinärer militärmedizinischer Infektionsforschung. WMM 2026;70(9):414-419.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-957

Für die Verfasser

Oberfeldarzt Prof. (APL) Dr. Hagen Frickmann

Abteilung für Mikrobiologie und Krankenhaushygiene

Bundeswehrkrankenhaus Hamburg

Lesserstraße 180, 22049 Hamburg,

E-Mail: hagenfrickmann@bundeswehr.org

Manuscript Data

Citation

Scheit L, Stark R, Klapa S, Vollert G, Hennies M, Frickmann H. Infectious diseases and vigilance – a call for multidisciplinary military medical research on infectious diseases. WMM. 2026;70(9E):7.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-958

For the Authors

Lieutenant Colonel Prof. (APL) Dr. Hagen Frickmann

Department of Microbiology and Hospital Hygiene

Bundeswehr Hospital Hamburg

Lesserstraße 180, 22049 Hamburg,

E-Mail: hagenfrickmann@bundeswehr.org

Comparative Measurement of Heart Rate and Respiratory Rate Using a Contactless Radar System

Magdalena Liebetruth^a,b, Philipp Stockel^c, Bassam Elmakhzangy^d, David Cyrol^a, Patrick Wallrath^c, Christophe Maufroy^d, Urs Schneider^d, Kai Kehe^e, Dirk Steinritz^f, Stefan Sammito^a,b,*

^a Department Research & Development, German Air Force Centre for Aerospace Medicine, Cologne, Germany

^b Institute of Occupational Medicine, Faculty of Medicine, Otto von Guericke University Magdeburg, Magdeburg, Germany

^c Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques (FHR), Fraunhoferstrasse 20, Wachtberg, Germany

^d Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (IPA), Stuttgart, Germany

^e Bundeswehr Military Medical Academy, Munich, Germany

^f Bundeswehr Institute of Pharmacology and Toxicology, Munich, Germany

Summary

Background: Contactless radar technology for determining vital signs can be used in conjunction with drone technology to quickly locate and easily determine the vital signs of casualties in crisis and disaster situations. This experimental study investigated the accuracy and reliability of a contactless Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) radar system for measuring heart and respiratory rates, compared with an established contact-based reference system, in a static configuration as a first step toward future drone-based deployment.

Methods: Eleven subjects were measured under static conditions in five different body positions, with and without prior physical activity and with and without a military protective vest.

Results: The results showed a weak-to-moderate, statistically significant correlation (r =0.245, p < 0.001) in heart rate across all conditions and a weak, non-significant correlation in respiratory rate (r =0.169, p =0.063). In particular, wearing a protective vest had a negative influence on the correlation. Conclusions: Despite existing limitations, the radar system investigated here showed clear potential for use in realistic military medical and disaster medical scenarios.

Keywords: vital parameters; measurement; military medicine; disaster medicine; drone

Introduction

Measuring vital parameters such as heart rate and respiratory rate is crucial for assessing a person’s health. Normal values for adults are 60–100 beats per minute for the heartbeat and 12–20 breaths per minute for the respiratory rate. Traditionally, these parameters are measured using an ECG and breathing belt, but this is associated with restrictions on freedom of movement and patient comfort [10].

Contactless radar technology offers a promising alternative for non-invasive measurement of these parameters [10], especially in situations where it is not readily possible to monitor the patient with conventional vital-signs monitors. For example, this technology can be used to screen large numbers of injured people or to continuously monitor patients in hospitals. The combination of such radar technology for recording vital signs and a (small) drone is particularly suitable for use in disaster situations to quickly locate potential casualties and relay initial information about their health to rescuers on standby. Such a drone can also be used in a military setting to quickly identify possible casualties and thus provide qualified initial and follow-up care [7].

In a recently published systematic review [8], it was shown based on a total of 131 previously published papers that although acceptable results can be achieved when using radar technology to record vital signs, there are still challenges in terms of measurement accuracy, particularly in the case of involuntary body movements [9]. Furthermore, previous studies have only rarely investigated usability in a drone and/or combined this with military protective equipment for the participating test subjects, which could lead to possible limitations in the measurement accuracy of the radar technology due to the built-in Kevlar plates.

For this reason, a Multiple Input Multiple Output (MIMO)-­Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) radar system was developed in the present experimental study to record heart rate and respiratory rate under different conditions. The aim was to evaluate the accuracy and reliability of the radar system in a static setting and under real conditions and to investigate its potential for use in various scenarios (including a military setting).

Materials and Methods

A total of eleven volunteers (nine male, two female, median age: 28 years [min: 20 years, max: 38 years]) took part in the present study. After a verbal briefing and explanation of the content and purpose of the study, a written declaration of consent to participate in the study and to data protection was obtained.

The test subjects were equipped with the mobPhysioLab physiological measurement system (KORA Industrie-Elektronik GmbH, Hambühren, Germany) prior to the measurements. In addition to using the so-called Heally Flash Master (HFM-01) to connect the measurement satellites and to store the data, the 3-channel ECG sensor (ECG-01) and a respiratory stretch sensor (airway sensor [AWS-01], respiratory band [E1227]) were used with the associated HealthLab satellites (SAT-02 and SAT-03).

The radar measurement was carried out in parallel with the contact measurement using an experimental system developed by Fraunhofer FHR, based on a commercial 76 GHz FMCW radar with a MIMO configuration of three transmitting and four receiving antennas [13]. It operates with a bandwidth of1 GHz to achieve a radar range resolution of15 cm to distinguish the human subject from the ground, while detecting millimeter- and sub-millimeter-scale movements through additional signal processing and a maximum measurement distance of 20 meters. It provided an azimuth field of view from -40° to +40° and an elevation field of view from -10° to +10°, with a measurement rate of 200 Hz. This setup facilitated precise detection of thoracic micro-movements corresponding to vital signs.

Respiratory and heart rates are estimated using a standard signal-processing chain, which would need to be extended with additional noise compensation and motion-­correction techniques when implemented on a drone in future work. The method is based on analyzing the phase of the radar signal reflected from a subject, where phase variations are induced by millimeter- and sub-millimeter-scale movements of the human body. The radar transmits a signal toward the subject and processes the reflected signal by extracting its phase. The signal is then passed through two band-pass filters tuned to the respiratory- and heart-rate frequency bands. Finally, a Fast Fourier Transform (FFT) is applied to each filtered signal, and the dominant frequencies are selected as the respiratory and heart rates.

As part of the data collection, 20 individual measurements were taken per test subject. The measurements were taken at 10 different positions, with each position measured twice to assess reproducibility. The duration of each measurement was one minute. The measurement protocol initially comprised basic positions without protective equipment: supine position (measurement 1–2), right-sided position (measurement 3–4), left-sided position (measurement 5–6), and prone position (measurement 7–8). After performing 20 jumping jacks, a further measurement was taken in the supine position (measurement 9–10). The complete series of measurements was then repeated using a military protective vest of the Bundeswehr type “Schutzweste Infanterie FTD 3” (measurements 11–20, same positions as without protective vest). The protective vest offers soft ballistic protection against handgun ammunition and shrapnel, as well as hard ballistic protection against large-caliber rifle ammunition. It is made of durable Cordura, has a modular design, and allows additional pockets and equipment to be attached using the MOLLE system or similar fastening options. The standard model weighs 13 kilograms. An overview is shown in Table 1.

Tab. 1. Overview of the different body positions during the measurement series with assignment to the measurements, once with and once without military protective vest

Manuscript Data

Citation

Liebetruth M, Stockel P, Elmakhzangy B, Cyrol D, Wallrath P, Maufroy C, Schneider D, Kehe K, Steinritz D, Sammito S. Comparative measurement of heart rate and respiratory rate using a contactless radar system. WMM 2026;70(9):420-427.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-956

For the Authors

LtCol (MC) Prof. Dr. Stefan Sammito

Department Research & Development

German Air Force Centre of Aerospace Medicine

D-51147 Cologne, Germany

E-mail: stefansammito@bundeswehr.org