Nicht-invasives Monitoring wichtiger Herz-Kreislauf-Parameter

Nicht-invasives Monitoring wichtiger Herz-Kreislauf-Parameter

Martin Jahn; Hans-Georg Ortlepp; Martin Schädel; Olaf Brodersen; Michael Scherf

Auf dem Gebiet des mobilen Patientenmonitorings ist, neben der Entwicklung neuartiger, zunehmend miniaturisierter und komfortablerer Sensorlösungen, ein Trend zur parallelen Erhebung vielfältiger Vitalparameter zu verzeichnen. Die Kombination dieser Daten erlaubt die Erstellung eines zunehmend vollständigeren Abbildes der gesundheitlichen Situation einzelner Patienten und damit die Erstellung präziserer Diagnosen. Um eine möglichst umfassende Erhebung des Herz-Kreislauf-Zustands zu ermöglichen, wurde daher im Forschungsvorhaben digilog der parallele Einsatz des mobilen EKG-Rekorders CM 100 (GETEMED Medizin- und Informationstechnik AG, Deutschland) und des Im-Ohr-Sensorsystems (CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, Deutschland) angestrebt. Die Ergebnisse des Langzeit-EKGs können auf diese Weise um den Verlauf des Blutdrucks sowie der Sauerstoffsättigung bereichert werden. Dabei werden auch Parameter, wie die Herz- bzw. Pulsrate, redundant von beiden Systemen erfasst. Diese Informationen können zur Synchronisation sowie zur Qualitätsüberwachung beider Messungen eingesetzt werden.


Für die durchgeführten Testmessungen wurde auf ein bewährtes Verfahren zur kontrollierten Beeinflussung des Blutdrucks zurückgegriffen, die sogenannte Kipptischuntersuchung. Diese Methode wird für gewöhnlich dazu genutzt die körpereigene Fähigkeit zur Regulation des Blutdrucks zu untersuchen. Hierzu wird der zunächst liegend gelagerte Proband aufgerichtet, wodurch das Blut in die unteren Extremitäten versackt. Daraufhin kompensiert der Körper den abgesunkenen Blutdruck. Im vorliegenden Fall hat der Proband (männlich, 32 Jahre alt, keine diagnostizierte Hypertonie) zunächst für sieben Minuten gelegen, wurde anschließend aufgerichtet (70° zur Horizontale) und für sieben Minuten in stehender Position überwacht. Anschließend wurde er für drei Minuten in eine diagonale Position (45° zur Horizontale) gebracht und für fünf weitere Minuten wieder liegend beobachtet. Während der gesamten Prozedur haben EKG-Rekorder und Ohrsensor parallel gemessen, wobei das EKG aus praktischen Gründen einige Minuten früher gestartet wurde.


Ausgewählte Resultate dieser Messungen sind in Abbildung 1 dargestellt. Für Abbildung 1a wurde der zeitliche Verlauf der Pulsrate, der aus den PPG-Daten des Ohrsensors folgt, zeitlich so verschoben, dass die Kurve mit jener aus den Daten des EKG-Rekorders übereinander liegt. Die hohe Übereinstimmung beider Kurven ist in der Vergrößerung in Abbildung 1b zu sehen. Die daraus folgende Verschiebungszeit wurde anschließend zur Synchronisierung der mittels Ohrsensor bestimmten Parameter, exemplarisch des Blutdruckverlaufs (vgl. Abbildung 1a), und der EKG-Daten verwendet. Der Blutdruckabfall nach ungefähr 470 s ist charakteristisch für den Vorgang des kontrollierten Aufrichtens. Gleichzeitig steigt die Herzrate plötzlich an, was ein Indikator für die körpereigenen Gegenmaßnahmen zur Kompensation des gefallenen Blutdrucks ist. Ferner wurden die EKG-Daten aus einem 5-Minuten-Intervall, in welchem der Proband ruhig gelegen hat (in Abbildung 2a farblich unterlegt), einer Spektralanalyse unterzogen. Aus dem daraus resultierenden Leistungsdichtespektrum, welches in Abbildung 1c dargestellt ist, können weitere medizinisch relevante Parameter extrahiert werden.

Mit Hilfe der Kipptischuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die eingesetzte Kombination des mobilen EKG-Rekorders CM 100 mit dem Ohrsensor valide Daten für zukünftige Versuchsreihen liefern kann. Besonders die redundante Bereitstellung von Herz- und Pulsfrequenz hilft sehr, die Datenqualität zu verbessern, indem Störbereiche in den Rohsignalen identifiziert und differenziert behandelt werden können (vgl. Abbildung 2). Weiterhin können die redundanten Informationen für die Synchronisierung der Signale aus den unterschiedlichen Datenquellen genutzt werden (vgl. Abbildung 3). Damit wird es möglich, Rhythmusereignisse oder weitere aus dem EKG abgeleitete Parameter mit den parallel gemessenen Blutdruck- und Sauerstoffsättigungsverläufen zu korrelieren, um so neue Erkenntnisse zu gewinnen und differenziertere Diagnosen zu stellen.

Die sehr positiven Ergebnisse aus der Kipptischuntersuchung und weiterer Messungen im Rahmen des digilog Forschungsvorhabens bilden die Grundlage für umfangreichere Validierungsmessungen, welche für die Akzeptanz und Einführung der Im-Ohr-Messung des Blutdrucks zur Diagnose und Therapieunterstützung notwendig sind.
Abbildungen:

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Abbildung 1 (a) Mit Hilfe des Ohrsensors ermittelter Blutdruckverlauf (grüne Linie) sowie die zeitliche Veränderung der Herzrate, die über den Ohrsensor (rote Linie) sowie den Getemed EKG-Rekorder CM100 (graue Linie) bestimmt wurde. Die farblich hinterlegte Fläche markiert den Bereich des 5-Minuten-Intervalls, das für die Bestimmung des Leistungsdichtespektrums aus dem Herzratenverlauf genutzt wurde. (b) Vergrößerung des farblichen markierten 5-Minuten-Intervalls. (c) Darstellung des Leistungsdichtespektrums, das aus den Daten des EKG-Rekorders bestimmt wurde. Die medizinisch relevanten Frequenzbänder sind durch die gelben Linien getrennt und zusätzlich farblich markiert worden.

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Abbildung 2 Beispiel für die Nutzung von Abweichungen in den redundanten Informationen zur Verbesserung der Ergebnisse.

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Abbildung 3 Beispiel für die Verknüpfung unterschiedlicher Vitalparameter, die mit Hilfe (a) des Ohrsensors (Sauerstoffsättigung und Blutdruck) sowie (b) des mobilen EKGs CM100 (Herzrate, Atmungsfrequenz und weitere HRV-Parameter) gemessen wurden.

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