Das Überprüfen der Herzaktivitäten durch ein EKG war und ist für Millionen Menschen lebensrettend. Eine regelmäßige Überwachung aller Verdachtsfälle durch Kardiolog*innen ist aber aufwendig und oft lebensfremd. Ein Forscherteam am Fraunhofer IGD hat nun eine Methode entwickelt, wie Menschen ihr Herz mithilfe ihres Smartphones überwachen können. Ermittelt werden medizinisch aussagekräftige Daten, die dank des Einsatzes von KI einem umfassenden 12-Kanal-EKG in nichts nachstehen.

Wer seine Herzgesundheit kontinuierlich überwachen will oder muss, der oder die kauft sich ein EKG-Gerät zur Erstellung von Elektrokardiogrammen. Oder er oder sie versucht es mit einer Smartwatch. Ein mobiles EKG-Gerät ist umständlich, weil die Elektroden selbst am frei gemachten Oberkörper angebracht werden müssen. Und es ist mit meist deutlich über 1.000 Euro auch sehr teuer. Aber eine günstigere, bequeme Smartwatch hat bei Weitem nicht die Aussagekraft, die nötig wäre, um medizinisch auf der sicheren Seite zu sein.

Ein differenziertes EKG aber ist grundlegend. Es bietet Patient*innen mit Herzkrankheiten die hervorragende (und oft einzige) Chance, Unregelmäßigkeiten und andere Auffälligkeiten des Herzschlags zuverlässig zu erkennen. Wie wichtig das ist, zeigt ein Blick in die Statistik: Allein die Herzinsuffizienz, also eine ungenügende Leistungsfähigkeit des Herzens, gehört in Deutschland zu den häufigsten Todesursachen. Rund jeder zwanzigste Todesfall lässt sich darauf zurückführen. Darüber hinaus gibt es aber fast ein Dutzend weiterer Indikatoren, die lebensgefährlich sein können: von den Herzrhythmusstörungen über koronare Herzerkrankungen bis zur Herzwandverdickung.

 

Diagnostische Lücke

Das Problem eines Herzmonitoring ist also ebenso drängend wie der kontinuierliche Gang zum Spezialisten unrealistisch. Muss man sich also doch mit einem unhandlichen, eignen EKG-Gerät anfreunden? Oder sollte man sich eher den Messungen einer intelligenten Uhr anvertrauen? »Auch wenn Smartwatches handlich und letztlich immer dabei sind: Selbst die modernsten Geräte des Jahres 2022 können nur einen Bruchteil der Informationen zuverlässig erfassen, die für ein medizinisches EKG tatsächlich wichtig sind«, urteilt Dr. Marian Haescher vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD. Grund dafür ist vor allem, dass Smartwatches aktuell nur ein 1-Kanal-EKG erstellen können. Das reicht zum Erstmonitoring von Patient*innen in ambulanten Notfallsituationen und in der Langzeitüberwachung. Für eine kardiologische Routinediagnostik aber ist die Aussagekraft meist zu begrenzt. Hier setzen Ärzt*innen in der Regel auf ein »breites« 12-Kanal-EKG: Dabei werden jeweils sechs Extremitätenableitungen und sechs Brustwandableitungen gleichzeitig registriert. Im Gegensatz zur Smartwatch, bei der der oder die Anwender*in die Uhr am Handgelenk trägt und mit einem Finger der anderen Hand einen Sensor an der Uhr berührt, gibt es hier also zwölf Kontaktstellen. Das ist notwendig, um durch das differenzierte Messen elektrischer Ströme im Körper ein umfassendes Leistungsbild des Herzens aufzuzeichnen. Um beispielsweise den Verdacht auf ein Vorhofflimmern zu bestärken (oder zu entkräften) zahlen die Krankenkassen sogenannte 24-Stunden-EKGs: In der Arztpraxis werden die Elektroden aufgeklebt, um über einen Tag/Nacht-Zyklus das Langzeit-EKG anzufertigen. »Die Messungen haben oftmals weniger Aussagekraft als erhofft. Unter Umständen liegt die Erkennungsrate für ein Vorhofflimmern sogar nur im einstelligen Prozentbereich«, sagt Haescher. Den Standardmethoden attestiert er eine »diagnostische Lücke«.

 

Seismologischer Ansatz

Haescher und sein Team am Fraunhofer IGD setzen bei ihren Forschungen nach Alternativen deshalb auf eine andere (und sogar ältere) Messmethode als die Messung elektrischer Potenziale: die Seismokardiografie. »Studien, wie mithilfe der Muskelbewegungen auch Herzaktivitäten beobachtet werden können, gibt es bereits seit den 60er-Jahren«, betont Haescher. »Damit haben wir eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, die Bewegungen des Herzens zu erfassen. Wir nutzen die Beschleunigungssensoren, die ohnehin in jedem Smartphone verbaut sind.« Dabei, so der Forscher, reiche es vollkommen aus, im sitzenden oder liegenden Zustand das Handy oberhalb des Bauchs quer auf die Brust zu legen und eine spezielle, vom Fraunhofer IGD entwickelte App zu nutzen. Wie einfach das ist, zeigt Marian Haescher selbst in einem kurzen Video. Der knappe Inhalt: App aufrufen, entspannen, Smartphone auf die Brust legen, Messung abwarten. Die durch den Herzmuskel ausgelösten Vibrationen in der Brust werden selbst durch ein T-Shirt hindurch von den Beschleunigungssensoren im Smartphone so genau erfasst, dass sie – nach entsprechender Aufbereitung der Daten - einem 12-Kanal-EKG entsprechen können. Dazu ist jedes marktübliche Smartphone in der Lage, selbst ältere Modelle.

Das System ist mittlerweile so ausgereift, dass Haescher es unter dem Namen Guardio® in einem eigenen Start-up zur Marktreife führen will. Ende dieses Jahres könnte, so seine Hoffnung, dann auch die medizintechnische Zulassung in die Wege geleitet werden. Wichtig ist das nicht nur für die Sicherheit der Patient*innen, sondern auch für den Verkauf der App, die von den Krankenkassen finanziert werden soll.

KI als Brücke zwischen zweier Techniken


Doch so (zumindest auf den ersten Blick) einfach das Verfahren scheint, so komplex ist die Aufgabe dahinter. Denn was das Handy misst, sind nur Beschleunigungswerte. Damit können Kardiologen allerdings selten etwas anfangen. Sie brauchen Informationen, die ebenso gut aus einem »klassischen« EKG-Gerät kommen könnten, um ihren Befund zu erstellen. »Neben der App-Entwicklung und der intensiven Zusammenarbeit mit Kardiolog*innen war es deshalb eine unserer wichtigsten Aufgaben, eine ‚Brücke‘ zu schlagen zwischen einer Messung, die mit Beschleunigungswerten arbeitet und einer, die auf elektrischen Reizen fußt«, erzählt Haescher. Nur so können auch mit dem Smartphone Ergebnisse erzielt werden, die nicht nur den Puls beschreiben, sondern auch medizinisch korrekte Rückschlüsse auf beispielsweise die Herzklappenbewegung erlauben. Möglich wird diese Übersetzung der seismischen Messung in ein EKG durch eine von den Forscher*innen speziell trainierte KI, die über eine sichere Cloud zwischengeschaltet ist und die nötige Interpretationsleistung erbringt. Erst durch diesen ‚Brückenschlag‘, so Haescher, wird die App (eine entsprechende Zertifizierung vorausgesetzt) zu einer »Digitalen Gesundheitsanwendung (DiGA)«, auf die Krankenversicherte im Bedarfsfall einen Anspruch haben. Zudem sorge eine angepasste Visualisierung der Ergebnisse in der App dafür, dass auch die Nutzer*innen einen ersten und verständlichen Einblick in die Messergebnisse erhalten.

 

Weitreichendes Potenzial


Wie viel weiteres Potenzial in diesem Smartphone-KI-EKG-Ansatz steckt, unterstreicht eine Vision, an der die Forscher*innen des Fraunhofer IGD und des Guardio®-Start-ups heute schon arbeiten: So muss ein Beschleunigungssensor nicht unbedingt direkt auf der Brust liegen. Denkbar, so Haescher, sei auch, Radarsensoren zu nutzen, um die seismologischen Auswirkungen der Herzmuskelaktivitäten mit etwas Abstand zu erfassen. Auf diese Weise würde es beispielsweise möglich, auf Säuglingsstationen auch ein Frühchen in seinem Inkubator zu untersuchen, ohne Elektroden auf der hochempfindlichen Haut anzuheften.

 

(aku)

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