Eine Grundvoraussetzung für den Einsatz von portablen Medizingeräten sind intelligente Betriebsanleitungen, die Anwendern – besonders in Notfällen – das Leben erleichtern und die Nutzung von Medizinequipment vereinfachen. So können manche mit Intelligenz ausgestattete Medizingeräte heute schon bei Notfällen helfen, in denen kein medizinisches Fachpersonal vor Ort ist. Solche Geräte können für einen Arzt oder einen Ersthelfer einspringen und eine medizinische Versorgung bieten, die vorher außerhalb des klinischen Umfelds nicht möglich war.

Eckdaten

Ein Blick in die Zukunft der portablen Medizingeräte offenbart Patienten eine Gerätegeneration mit intelligenten und einfach verständlichen Diagnose- und Behandlungsmöglichkeiten, die es in diesem Umfang bisher nur in Krankenhäusern oder Arztpraxen gab. Das Medizinequipment der Zukunft im Zuhause des Patienten wird sich auch ohne Medizinkenntnisse handhaben lassen. Vorreiter dieser Entwicklung ist der automatisierte externe Defibrillator (AED).

Die Richtung, in die sich die künftige Generation portabler und mit Intelligenz ausgestatteter Medizingeräte entwickelt und welche Einsatzmöglichkeiten zu erwarten sind, lässt sich am automatisierten externen Defibrillator (AED) verdeutlichen, der beispielsweise in Flughafenterminals, Konferenzzentren und öffentlichen Gebäuden zu finden ist und in Notfällen bei einem Herzstillstand zum Einsatz kommt.

AEDs sind so ausgelegt, dass sie sich außerhalb von medizinischen Einrichtungen auch von Laien bedienen lassen. In diesem Fall geben sie dem Anwender akustische und visuelle Anweisungen und führen ihn Schritt für Schritt durch die Prozesse zur Einstellung, Diagnose und Behandlung. Außerdem übernehmen sie die Benachrichtigung notfallmedizinischer Dienste.

Richtungsweisender AED

Der AED (Bild 1) gilt als Vorreiter der nächsten Welle portabler intelligenter Medizingeräte und lässt die Einsatzmöglichkeiten für zukünftige Geräte bereits erahnen. Hauptbestandteile des AEDs, darunter Sensorik, analoge Signalverarbeitung, digitale Filterung, Funkanbindung, Datenspeicherung, Anwenderschnittstellen mit akustischen Instruktionen und LCD-gestützten Videoanweisungen sowie redundante fehlersichere Signalverarbeitung zählen zu den Standardelementen der intelligenten Medizingeräte der Zukunft.

Bild 1: Bei einem automatisierten externen Defibrillator (AED) steht eine möglichst einfache Bedienung durch Laien im Vordergrund.

Bild 1: Bei einem automatisierten externen Defibrillator (AED) steht eine möglichst einfache Bedienung durch Laien im Vordergrund. Defibtech

Ein AED eignet sich derzeit für Notfälle mit den beiden häufigsten Formen der Herzrhythmusstörung: Kammerflimmern und ventrikuläre Tachykardie (VT). In beiden Fällen ist das Herz des Patienten zwar aktiv, schlägt aber in einem dysfunktionalen Muster, was sich zu einem Herzstillstand entwickeln kann. Bei der ventrikulären Tachykardie schlägt das Herz zu schnell, um Blut effektiv durch den Körper zu pumpen. Eine länger andauernde Kammertachykardie kann ohne Behandlung zu Kammerflimmern (ventrikuläre Fibrillation, VF) führen.

Beim Kammerflimmern laufen die herzsteuernden elektrischen Erregungen ungeordnet ab, was die normalerweise effiziente Pumpleistung der Herzkammern unterbricht. Dieses Flimmern im Herzen nimmt mit der Zeit ab und erreicht schließlich eine Nulllinie oder den asystolischen Zustand. Die Funktion eines Herzfrequenzmessgeräts lässt sich anhand der elektrischen Vorgänge im Herzen verdeutlichen.

Die Ausbreitung der elektrischen Erregung über beide Vorhöfe verläuft vom Sinusknoten (SA) zum Atrioventrikularknoten (AV). Der AV-Knoten fungiert als wichtige Verzögerungsstelle im Erregungsleitungssystem und entspricht der PQ-Zeit im EKG. Der QRS-Komplex des EKG zeigt die rasche Depolarisierung der rechten und linken Herzkammer. Aufgrund der wesentlich höheren Muskelmasse in der Aorta weist der QRS-Komplex eine sehr viel größere Amplitude als die P-Welle auf. Die T-Welle entspricht der Erregungsrückbildung der Kammern. Die Dauer der P-Welle liegt bei etwa 80 ms, der QRS-Komplex bei 80 bis 120 ms und die T-Welle dauert etwa 160 ms. Bild 2a zeigt den Aufbau des menschlichen Herzens, Bild 2b das Elektrokardiogramm (EKG) des gesunden Herzens.

Elektroschock durch Sensoren

Die meisten AEDs nutzen zwei Sensorpads zur Messung der elektrischen Herzaktivität. Die Sensoren können auch die Quelle des Elektroschocks sein, der einen unregelmäßigen Herzschlag in einen regelmäßigen und sicheren Rhythmus überführt. Während des Abtastens messen die Pads die Spannung von etwa 10 mV, die das Herz bei der Polarisierung und Depolarisierung seiner Bestandteile erzeugt. Da das Spannungssignal je nach Person variiert und von der Position der Sensoren abhängt, ist eine genaue Messung für den bestmöglichen Betrieb des Geräts wichtig.

Bild 2a: Aufbau des menschlichen Herzens.

Bild 2a: Aufbau des menschlichen Herzens. Wikimedia

Zum Erfassen des Signals ist ein Analog/Digital-Wandler (ADC) erforderlich. Aufgrund der niedrigen Erfassungsfrequenzen bei diesem physiologischen Prozess reicht ein ADC für den Audiofrequenzbereich aus. Solche ADCs sind oft in MCUs enthalten. Für anspruchsvollere Messungen sind bei manchen Medizingeräten analoge Eingangsstufen (AFEs) erforderlich.

In Wearables, beispielsweise Fitness- oder medizinische Monitoring-Geräte, kommen LEDs für Pulsoximeter zur Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehalts im Blut zum Einsatz. Es ist davon auszugehen, dass diese Technik auch in andere tragbare Anwendungen einzieht. Ein elektronisches Bauteil, das beispielsweise Sensor und LED enthält, ist der MAX30100 von Maxim (Bild 3).

Hoch- und Tiefpassfilter ein Muß

Wie die meisten intelligenten Medizingeräte erfordern AEDs mehrere Filter zur Signalverarbeitung. Die erste Filterung entfernt das Hintergrundrauschen von den Nutzsignalanteilen. Oft setzen Entwickler einen Hochpassfilter zum Entfernen irrelevanter Niederfrequenzsignale ein und würden diesen bei einem AED normalerweise auf 0,05 Hz setzen. Ein Tiefpassfilter entfernt irrelevante Hochfrequenzsignale. Bei einem AED würde der Tiefpassfilter typischerweise auf 150 Hz gesetzt werden.

Bild 2b: Elektrokardiogramm (EKG) des gesunden Herzens.

Bild 2b: Elektrokardiogramm (EKG) des gesunden Herzens. Wikimedia

Nach der Isolation des Signals von Rauschquellen können die wichtigsten Messungen der Timing- und Amplitudeneigenschaften des erfassten EKG-Signalverlaufs durchgeführt werden. Die Messungen des Zeitintervalls und der Amplituden der P- und T-Wellen sowie des QRS-Komplexes des EKG sind wichtig, um den Rhythmus oder dessen Störung zu Beginn und während des Verlaufs der Herzattacke zu bestimmen.

Weitere diagnostische Messungen können zur Verbesserung der Behandlung bestimmt werden. So lässt sich beispielsweise die Richtung des elektrischen Hauptvektors vom Herzen (und nicht nur die Amplitude) dazu verwenden, eine eventuell vorliegende Blockierung oder Herzerkrankung zu bestimmen – wichtige Faktoren einer korrekten Diagnose.

AED erteilt Anweisungen

Besonders wichtig ist, dass der AED den Anwender in einfachen und verständlichen sowie leicht durchführbaren Anweisungen durch das Verfahren bei einem Herzstillstand führt. Hilfreich zur Unterstützung des Nutzers sind eine Reihe von Anweisungen, die mit überzeugender und bestimmter Stimme gesprochen werden. Die Anweisungen sollte der Anwender in seiner Sprache erhalten, die er möglicherweise vor dem Beginn des Einsatzes über einen Touchscreen wählt. Videoanweisungen können zur Unterstützung der gesprochenen Anweisungen dienen.

Mit hochauflösenden LCDs in Verbindung mit MCUs lässt sich diese Funktion umsetzen. Der verfügbare Speicherplatz in seriellen Flash-Speichern kann Videoanweisungen für eine ganze Reihe möglicher Szenarien für Diagnose- und Behandlungsverfahren bereitstellen. Ein serieller Flash-Speicher kann auch bei der Behandlung aufgenommene Audio- und Videodaten speichern, um Ersthelfer dabei zu unterstützen, die Befolgung der Audio- und Videoanweisungen zu überprüfen. Diese lassen sich vom Krankenhauspersonal zur Festlegung einer geeigneten Nachsorge heranziehen.

Bild 3: Beim MAX30100 von Maxim handelt es sich um eine Pulsoximetrie- und Herzfrequenzsensorlösung mit zwei LEDs, einem Fotodetektor, Optik und Analogsignalverarbeitung.

Bild 3: Beim MAX30100 von Maxim handelt es sich um eine Pulsoximetrie- und Herzfrequenzsensorlösung mit zwei LEDs, einem Fotodetektor, Optik und Analogsignalverarbeitung. Maxim Integrated

Intelligentes Response Monitoring und die Kommunikation zwischen Anwender und Einsatzkräften kann für bessere Behandlungsergebnisse sorgen. Während der Aufbewahrung in einem gut sichtbaren Bereich sollten die Verantwortlichen den AED regelmäßig auf seine Funktionsfähigkeit prüfen. Bei einem nicht bestandenen Test könnte der AED selbst eine Wartungsfirma benachrichtigen, die das Gerät austauscht. Sollte jemand versuchen, ein schadhaftes Gerät aus seiner Aufbewahrungsbox herauszunehmen, könnte der AED über ein lokales Kommunikationsnetzwerk automatisch das nächste betriebsbereite Gerät ermitteln und den Anwender zu diesem AED führen. Bei größeren Notfallereignissen kann dies äußerst wichtig sein.