Nicht-invasive Blutdrucküberwachung im Ohr

Martin Jahn; Hans-Georg Ortlepp; Martin Schädel; Olaf Brodersen; Kurt J. G. Schmailzl

Kardiovaskuläre Erkrankungen, zu denen auch die arterielle Hypertonie zählt, gehören zu den häufigsten Todesursachen weltweit1. In Deutschland weisen, trotz des positiven Trends der letzten Jahre, nur ungefähr die Hälfte aller Hypertoniker Blutdruckwerte im Zielbereich auf, wobei jeder fünfte keine Kenntnis von seiner Erkrankung hat 2. Davon angetrieben hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend die Meinung durchgesetzt, dass ambulante Blutdruckmessungen, insbesondere das 24h-Monitoring, essentielle Bestandteile für die Diagnose und Behandlung von Hochdruckerkrankungen darstellen sollten 3;4;5;6. Dem entgegen steht eine geringe Patientenakzeptanz, da das Tragen der Oberarmmanschette über einen längeren Zeitraum häufig als störend empfunden wird.

Abhilfe können hier miniaturisierte Sensorsysteme bieten, die in Accessoires, Kleidungstücken oder medizinischen Hilfsmitteln integriert bereits zur Überwachung ausgewählter Vitalparameter eingesetzt werden. Die kabellose Kommunikation mit zentralen Servern, zumeist über mobile Endgeräte, ermöglicht eine zeitnahe Bewertung der Daten durch ein Telemedizinzentrum oder den behandelnden Arzt selbst. Dies ermöglicht das frühzeitige Ergreifen präventiver und therapeutischer Maßnahmen sowie eine optimale Überwachung von Risikopatienten. Zudem erhält der Patient einen besseren Überblick über seinen gesundheitlichen Zustand und kann selbstbestimmter Einfluss auf seine Therapie nehmen, wie dies im Fall von Diabetikern bereits an der Tagesordnung ist.

Von dieser Entwicklung motiviert, wurde im Forschungsvorhaben digilog ein Demonstrator für einen komfortablen, manschettenfreien Sensor zur Blutdrucküberwachung entwickelt, welcher über eine Otoplastik im äußeren Gehörgang, genauer dem Tragus, befestigt wird7. Mit der Photoplethysmographie (PPG) kommt dabei ein verbreitetes, rein optisches Messverfahren zur nichtinvasiven Erfassung von Vitalparametern zum Einsatz. Zusätzlich zur geplanten Anwendung, lässt sich dadurch die Herzrate, deren Variabilität und die Blutsauerstoffsättigung überwachen. Durch die zentrale Messposition am Kopf können zudem kritische Änderungen in der Sauerstoffsättigung um mehr als 30 Sekunden früher festgestellt werden als dies beispielsweise an den Extremitäten möglich ist.

In-Ohr-Blutdrucksensor

Die PPG basiert auf der Lichtabsorption des Blutes im nahen Infrarot und sichtbaren Bereich, woraus sich Rückschlüsse auf Blutvolumenänderungen in den Gefäßen schließen lassen. Dadurch können die Blutdruckwellen erfasst werden, die sich infolge der Herzaktivität im Gefäßsystem ausbreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen hängt dabei von der Gefäßsteifigkeit ab, die wiederum eine Funktion vom Blutdruck – der eigentlich gesuchten Größe – ist. Die Pulswellengeschwindigkeit wird zumeist über die Laufzeit zwischen zwei am Körper befindlichen Messpunkten ermittelt. Für das Im-Ohr-System wird hingegen nur ein Sensor benötigt, da hier ein patentiertes Verfahren zum Einsatz kommt, dass auf der Extraktion eines Laufzeitparameters aus den gemessenen PPG-Signalen beruht. Diese resultieren aus der Überlagerung der ursprünglich ausgesendeten Druckwelle und dem an den arteriellen Verzweigungen reflektierten Anteil dieser. Da letzterer eine größere Strecke im Körper zurückgelegt hat, kann aus dem Laufzeitunterschied beider Teilwellen prinzipiell die Pulswellengeschwindigkeit bestimmt werden.

Der Übergang der Druckwelle aus der Aorta, über die peripheren Arterien, in die feineren Blutgefäße führt jedoch zu einer Veränderung der gemessenen Signalform. Daher muss die ursprüngliche Kurvenform der zentralen Pulsdruckwelle zunächst über geeignete Modelle aus den PPG-Daten rekonstruiert werden. Hierfür ist eine hohe Signalqualität vonnöten, welche durch die Optimierung der optischen Komponenten und der Elektronik des Ohrsensorsystems erzielt werden konnte. Zudem sollte die genaue Messposition individuell an das Ohr des Probanden angepasst werden. Ist die Rekonstruktion erfolgt, können die erhaltenen Pulskurven in ihre Komponenten zerlegt werden. Aus den daraus folgenden Laufzeitunterschieden kann die relative Blutdruckänderung bestimmt werden. Um den Verlauf des absoluten Blutdruckes zu erhalten, ist eine Ein-Punkt-Kalibrierung über eine etablierte Referenzmethode vonnöten. Zur Kontrolle des Systems sollte diese in größeren Zeitabständen wiederholt werden.

In Selbstversuchen mit provozierter Blutdruckänderung konnte bereits gezeigt werden, dass der mittels Ohrsensor bestimmte Blutdruckverlauf eine gute Übereinstimmung mit den Referenzdaten einer manschettenbasierten Messung aufweist. Eine quantitative Evaluierung des Systems erfordert jedoch weitergehende klinische Studien. Ein erster Schritt in diese Richtung wurde in Zusammenarbeit mit der Kardiologie der Ruppiner Kliniken unternommen. Während einer Herzkathederuntersuchung wurde der Im-Ohr-Sensor, parallel zur invasiven Blutdruckmessung, getestet. Nach einmaliger Referenzierung des Ohrsensors über die Kathedermessung, bei 226 mmHg systolisch, konnten Blutdruckänderungen zwischen 150 und 250 mmHg kontinuierlich nachverfolgt werden. Die Abweichung zu weiteren punktweise ausgeführten Kathedermessungen betrug 10 mmHg (RMSE) bzw. 15 mmHg (maximal). Details hierzu können dem digitalen Anhang entnommen werden.

Die Messposition am Ohr weist dabei deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Blutdruckmessgeräten auf. Der Tragekomfort ist deutlich höher, da die Extremitäten frei von Messequipment sind. Zudem wird die Messung des manschettenfreien Sensors, insbesondere beim Einsatz maßgeschneiderter Otoplastiken, bereits nach wenigen Minuten kaum noch wahrgenommen. Die zentrale Position im äußeren Gehörgang gewährleistet eine sichere Durchblutung und somit stabile Signale, wohingegen die Blutversorgung der Extremitäten stark von der Umgebungstemperatur abhängt. Zudem liegen zwischen dem Aortenbogen – dem Punkt der Überlagerung beider Teilwellen – und dem Ohr vergleichsweise wenige Gefäßverzweigungen vor, wodurch die Signalrekonstruktion und daraus die Laufzeitunterschiede deutlich präziser bestimmbar sind als beispielsweise am Finger. Desweiteren weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die Ohrmessung robuster gegenüber einem Wechsel der Körperposition sowie Bewegungsartefakten ist. Als äußere Störquellen fallen lediglich das Sprechen und Kaubewegungen ins Gewicht, deren Einfluss durch eine angepasste Signalauswertung vermindert werden kann. Die Größe des Gesamtsystems wird hauptsächlich von dem zurzeit eingesetzten Datenlogger limitiert. Testweise wurde eine miniaturisierte Variante realisiert, die hinter der Ohrmuschel befestigt wird und über eine Schnittstelle zur kabellosen Übertragung verfügt. Der kontinuierliche Betrieb ist in diesem Fall jedoch auf maximal eine Stunde begrenzt, im Gegensatz zu ungefähr acht Stunden bei der bisherigen Lösung. Zur Gewährleistung einer Langzeitüberwachung, müssen daher in zukünftigen Arbeiten neue Konzepte für eine Energieoptimierung und intermittierende Aufzeichnung erarbeitet werden.

Insgesamt stellt der Im-Ohr-Sensor eine vielversprechende Alternative für die Langzeit-Blutdrucküberwachung dar, die zeitgleich die Erhebung weiterer wichtiger Vitalparameter ermöglicht. Als Ergänzung zu anderen mobilen Sensoren, EKG- oder auch Blutzuckermessgeräten, kann ein noch umfassenderes Bild vom Gesundheitszustand des Patienten erfasst werden, was den Nutzen von eHealth-Systemen als diagnostisches und therapiebegleitendes Mittel noch weiter erhöhen wird.

Literaturverzeichnis

1. Global, Regional, and National Burden of Cardiovascular Diseases for 10 Causes, 1990 to 2015. Roth, Gregory A., et al. s.l. : Elsevier Biomedical, 4 2017, Journal of the American College of Cardiology, Vol. 70, pp. 1-25. ISSN: 1558-3597.
2. Der Blutdruck in Deutschland ist gesunken, das Präventionspotenzial bleibt aber hoch. Neuhauser, Hannelore, et al. 2015, Epidemiologisches Bulletin, Vol. 5.
3. Zeitgemäße Hochdruckdiagnose I: Ambulantes 24-Stunden-Blutdruckmonitoring. Zweiker, R. and Slany, J. 2012, Journal für Hypertonie – Austrian Journal of Hypertension, Vol. 16.
4. Messung des arteriellen Blutdrucks — Bestehende Standards und mögliche Fehler: ABDM nicht nur im Therapieverlauf. Middeke, Martin. 2007, Dtsch Arztebl International, Vol. 104, pp. A-2662-.
5. The Value in an Ambulatory Blood-Pressure Registry. Townsend, Raymond R. s.l. : Massachusetts Medical Society, 9 2018, N Engl J Med, Vol. 378, pp. 1555-1556. ISSN: 0028-4793.
6. Relationship between Clinic and Ambulatory Blood-Pressure Measurements and Mortality. Banegas, José R., et al. s.l. : Massachusetts Medical Society, 9 2018, N Engl J Med, Vol. 378, pp. 1509-1520. ISSN: 0028-4793.
7. Pulskonturmessung im Ohr. Ortlepp, Hans-Georg, Schädel, Martin and Brodersen, Olaf. 2016, tm – Technisches Messen, Vol. 83, pp. 266-273.

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