Wearables: Single-Chip-Lösung zur Überwachung von Herzinsuffizienz

Das Unterbringen von zwei Sensoren in einem einzigen Chip birgt neben einem reduzierten Platzbedarf noch weitere Vorteile. Dazu zählen etwa eine verringerte Stromaufnahme, ein geringerer Aufwand für das Leiterplatten-Layout, eine verbesserte Sensorgenauigkeit durch das Synchronisieren der Sensorabtastung, das Minimieren des Abtastzeit-Jitters sowie eine höhere Batterielebensdauer, weil die Master-CPU keine Steuerungsaufgaben mehr übernimmt.

Mit einem Single-Chip-Konzept für zwei Sensoren ist es so möglich, den Verlauf einer chronischen Herzinsuffizienz mit dem Elektrokardiogramm (EKG), der Photoplethysmographie (PPG) und mit Bioimpedanzsensoren (BioZ) in einer klinischen Anwendung zu überwachen.

Was ist Herzinsuffizienz?

Bild 1: Ein Lungenödem: Überschüssige Flüssigkeit sammelt sich in den Lungenbläschen und erschwert die Atmung. Maxim

Das Herzzeitvolumen wird anhand des gesamten Blutvolumens gemessen, das während einer bestimmten Zeitspanne aus der linken Herzkammer gepumpt wird. Das Blutvolumen pro Herzkontraktion wird als Schlagvolumen bezeichnet und das Herzzeitvolumen lässt sich durch die Multiplikation des Schlagvolumens mit der Anzahl der Herzschläge pro Minute (Beats per Minute, BPM) ermitteln.

Wenn eine Herzinsuffizienz auftritt, dann pumpt das kranke Herz viel weniger Blutvolumen als ein gesundes. Es gibt drei Hauptgründe für eine Herzinsuffizienz: eine linksventrikuläre Hypertrophie, eine Herzklappenstenose und eine linksventrikuläre Ischämie (Minderdurchblutung). Dieser Beitrag konzentriert sich auf die linksventrikuläre Hypertrophie (LVH).

Die Linksherzinsuffizienz ist auf eine LVH zurückzuführen, wenn die linke Herzkammer einen dicken Muskel entwickelt, der das Blutvolumen in der linken Herzkammer verringert. Eine erhöhte Herzmuskelmasse aufgrund von LVH verkleinert das Herzzeitvolumen, da dicke Muskeln eine schwache Kontraktionskraft haben. Das führt zu einem niedrigeren Blutdruck und einem geringen Herzzeitvolumen.

Bei einer Herzinsuffizienz liegt die Gefahr nicht im geringen Herzzeitvolumen an sich. Wenn eine Herzinsuffizienz auftritt, nimmt das Herzzeitvolumen in der linken Herzkammer ab, während die rechte Herzkammer weiterhin Blut zur Lunge pumpt. Dieser unausgeglichene Druckunterschied in den Herzkammern führt dazu, dass flüssiges Blutplasma in die Lunge gelangt. Die mit Plasma gefüllte Lunge vermindert die Sauerstoffzufuhr und den Abtransport von Kohlendioxid – das äußert sich bei einem Patienten als Atemnot. Auch das Herz selbst benötigt einen kontinuierlichen Zustrom von sauerstoffreichem Blut. Der durch flüssigkeitsgefüllte Lungen verursachte Sauerstoffmangel führt häufig zu einer Herzischämie, die die Herzinsuffizienz verschlimmert.

Chronische Herzinsuffizienz: Warum die Überwachung notwendig ist

Patienten mit einer Herzinsuffizienz werden häufig wegen Flüssigkeitseinlagerungen ins Krankenhaus eingeliefert. Tatsächlich gehört die Herzinsuffizienz zu den häufigsten Gründen für eine Krankenhauseinweisung in den Vereinigten Staaten. Wenn eine Flüssigkeitseinlagerung auftritt, ist es für Patienten oft schwer, diese selbst zu diagnostizieren – ihnen fehlen die Einblicke, die ein medizinisches Gerät liefern kann. Frühe Symptome, wie Husten, Müdigkeit, Kurzatmigkeit bei Belastung, Gewichtszunahme durch die Flüssigkeitseinlagerung und ein schneller Herzschlag werden oft ignoriert.

Aus einer Veröffentlichung geht hervor, dass Dr. C. P. Lau und seine Kollegen ein Lungenödem bei einem Herzschrittmacher-Patienten mittels intrathorakaler Impedanzmessung mit einem Gerät überwachten, dessen Leistungsfähigkeit den BioZ-Funktionen ähnlich ist. Ihre Studie zeigte, dass sich der Beginn der Flüssigkeitsansammlung durch das Überwachen mit einer Brust-Impedanzmessung etwa zwei Wochen früher erkennen lässt. Auf diese Weise und durch das Ergreifen geeigneter Maßnahmen in den frühen Stadien der Herzinsuffizienz kann beim Patienten möglicherweise verhindert werden, dass sich die Erkrankung verschlimmert oder ernster wird. So kann der Patient dann zum Beispiel verschiedene Präventivmaßnahmen ergreifen, etwa die Salzaufnahme verringern oder während des Schlafs ein zusätzliches Kissens unter den Rücken legen, um die Umverteilung überschüssiger Körperflüssigkeit zu unterstützen. Außerdem könnte er Diuretikum einnehmen oder zur Pflege in ein Krankenhaus gehen. Bild 1 zeigt die Illustration eines Lungenödems – ein Zustand, bei dem sich überschüssige Flüssigkeit in der Lunge befindet und einen Indikator für eine potenzielle Herzinsuffizienz darstellt.

Wearables bieten eine Möglichkeit, um Gesundheitsparameter, die mit einer Herzinsuffizienz einhergehen, kontinuierlich zu überwachen. Jedoch stehen die Hersteller von Wearables für Blutdruck- oder Herzleistungsmessungen noch immer vor vielen Herausforderungen.

Bedeutung von Wearables beim Überwachen von Herzinsuffizienz

Bild 2: Die Zeitverzögerung vom Peak im QRS-Komplex (Gruppe von EKG-Ausschlägen) bis zum PPG-Maximalwert kann stellvertretend für die elektromechanische Verzögerung des Herzens verwendet werden. Dieser Wert entspricht der Kontraktionskraft des Herzens. Maxim

Praktikable Methoden zur Überwachung einer Herzinsuffizienz mittels Wearables basieren auf der Messung der elektromechanischen Verzögerung (EMD, Electromechanical Delay) und der Überwachung der Flüssigkeitsansammlung in der Lunge. EMD ist die Verzögerung des Beginns der Herzmuskelverkürzung nach einer lokalen elektrischen Depolarisation. Die Verzögerung kann in der Größenordnung von einigen zehn Millisekunden liegen. EMD entspricht der Zeitdauer von der Herzkontraktion, angezeigt als R-Zacke im EKG, bis zum Maximalwert des Herzschlagvolumens (Bild 2). Eine Herzschrittmacher-Zelle sendet im Herz elektrische Impulse für die Herzmuskelkontraktion aus und es dauert eine gewisse Zeit, bis das Blut aus dem Herzen herausgepumpt ist, um andere Organe im Körper zu erreichen. Diese Verzögerung von der Pulserzeugung (elektrisch) bis zum maximalen Blutfluss (mechanisch) entspricht dem EMD. Da diese Verzögerung bei der dyssynchronen Herzinsuffizienz zunimmt, pumpt das Herz das Blut möglicherweise nicht effizient aus der linken Herzkammer heraus, was schließlich den Blutdruck in den Lungen erhöht. Wenn sich Plasma in der Lunge ansammelt, steigt im Vergleich zu einer mit Luft gefüllten Lunge, auf Zellebene die elektrische Leitfähigkeit.

Beim Anlegen eines konstanten Gleichstroms misst ein Wearable den Widerstand. Durch das Anlegen eines konstanten Wechselstroms kann das Gerät den Blindwiderstand messen. Aus dem Widerstand und dem Blindwiderstand kann ein Wearable die Gesamtimpedanz der Lunge bestimmen, die auf die Flüssigkeitsansammlung hinweist. Zusätzlich zum Flüssigkeitsstatus zeigt eine kleine Schwingungsbewegung des Impedanzsignals die Atmung an. Die Einatmung erhöht in der Lunge die Impedanz, während bei der Ausatmung die Impedanz sinkt. So lässt sich mit Impedanzsensoren die Atmungsfrequenz überwachen, die sowohl auf eine Atemnot als auch auf Flüssigkeit in der Lunge hinweist.

Da die EMD in der Größenordnung von zehn Millisekunden liegt, kann die Verzögerung mit einem synchronisierten EKG-PPG-IC genauer untersucht werden. Dieser synchronisierte Ansatz würde das Problem der Abweichung zwischen EKG- und PPG-Signalen aufgrund unterschiedlicher Abtastraten der jeweiligen Sensoren eliminieren. Wenn zwei Geräte unterschiedliche Abtastraten haben, werden die Abtastungen zeitlich immer weiter auseinander gehen. Die Software kann diese Verschiebung durch ein selektives Löschen von Samples kompensieren, aber das führt zu Jitter. Eine Möglichkeit, das Jitter-Problem zu minimieren besteht darin, dass das System so schnell abtastet, dass die Auswirkungen der Verschiebung in Bezug auf das Inband-Signal minimiert werden. Doch das wiederum erfordert eine höhere Systemleistung.

Normalerweise werden zwei Sensoren synchronisiert, indem die CPU ihren eigenen Takt oder den Data-Ready-Interrupt von einem der beiden Sensoren verwendet. Nach diesem Interrupt liest die CPU die Werte beider Sensoren aus. Da die beiden Sensoren aber weiterhin mit ihrem eigenen zeitlichen Takt abtasten, würde die zeitliche Abweichung der Abtastungen beider Sensoren dazu führen, dass ein Abtastwert zweimal verwendet oder ein Wert übersprungen wird; dazwischen liegt eine zeitliche Abweichung von bis zu einer Abtastperiode (weshalb ein sehr niederfrequentes Artefakt im Zeitbereichssignal zu sehen ist).

Der EMD-Beginn kann leicht ermittelt werden, indem der Peak im QRS-Komplex gefunden wird. Das Ende des EMD kann ebenfalls ermittelt werden, indem zwischen dem aktuellen und dem nachfolgenden QRS-Komplex die Differenz zwischen dem Peak im QRS-Komplex und dem maximalen PPG-Ausschlag ermittelt wird. Während das EMD-Signal durch den Atemzyklus kurzzeitig auf natürliche Weise moduliert wird, zeigt ein langfristig erhöhtes EMD-Signal den Beginn einer Herzinsuffizienz an, die durch Flüssigkeitseinlagerung verursacht wird. Der Maximalwert der Durchblutung lässt sich dann anhand einer PPG-Wellenform ermitteln, da das PPG-Signal der Kapillardurchblutung entspricht.

Ein EMD-Vergleich von gesunden Probanden und Patienten mit Herzinsuffizienz hat gezeigt, dass gesunde Probanden einen EMD-Wert von etwa 100 ms und Herzinsuffizienz-Patienten einen Wert von etwa 130 ms haben. Daher ist es sehr wichtig, den Jitter zwischen beiden Sensoren zu minimieren, insbesondere, wenn das Wearable mit einer niedrigeren Abtastrate arbeitet, um die Laufzeit der Batterie zu optimieren.

Schlussfolgerung

Wissenschaftliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine frühzeitige Erkennung des Beginns einer Herzinsuffizienz verhindern kann, dass sich die Erkrankung vollständig ausprägt. Zu den frühzeitigen Maßnahmen gehören die Entfernung der Körperflüssigkeit, die Verbesserung der Pumpfunktion des Herzens sowie die Senkung von Blutdruck und Herzfrequenz. Die Früherkennung der Herzinsuffizienz ist durch eine kontinuierliche, weniger invasive Überwachung der Pumpfunktion des Herzens, der Atmungsfrequenz und der Flüssigkeitsansammlung in der Lunge möglich. Ein BioZ-Pflaster für ein Lungenödem und einen EMD-Monitor können diese Parameter überwachen. Ein entsprechendes System kann bei erhöhten Werten oder sich verschlechternden Symptomen den Arzt oder das Pflegepersonal warnen.

(prm)