Wearable zur Langzeitbestimmung der arteriellen Gefäßsteifigkeit

Roma Kusche, Steffen Kaufmann, Ankit Malhotra, Paula Klimach, Martin Ryschka

Artikel als PDF zum Herunterladen

Einführung

Herz-Kreislauf-Erkrankungen stellen in den westlichen Industrienationen die häufigste Todesursache dar [l]. Ausgelöst werden die meisten dieser Krankheiten durch die Arteriosklerose. Bei der Arteriosklerose handelt es sich um die Verhärtung der Arterien des menschlichen Körpers, welche durch den Austausch elastischer Komponenten der Blutgefäße gegen weniger elastische Stoffe wie Kollagen entsteht [2]. Je weiter die Arteriosklerose fortgeschritten ist, desto steifer sind daher die Arterien. Als Risikofaktoren gelten insbesondere [2]:

  • genetische Veranlagung
  • Rauchen
  • Bluthochdruck

Der Verlust der Elastizität der Arterien führt dazu, dass das schlagartige Pumpen des Herzens nur noch schlecht gedämpft wird. In den Blutgefäßen entstehen daher erhebliche Druckstöße, welche im gesunden Körper bereits in der Aorta deutlich reduziert würden. Um die Steifigkeit der Arterien, insbesondere der Aorta, bei einem Patienten bestimmen zu können, gibt es neben invasiven Messverfahren auch nicht-invasive, wie die in dieser Arbeit angewandte Pulswellenanalyse [ 1]. Ziel ist es dabei, aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Morphologie der Pulswelle im menschlichen Körper Rückschlüsse auf die Arteriensteifigkeit zu ziehen. Herkömmliche nicht­invasive Verfahren nutzen zur Aufzeichnung der Pulswelle Oberarmmanschetten, welche von der Blutdruckmessung bekannt sind. Ein Problem dieses Verfahrens ist, dass sowohl die Morphologie, als auch die Geschwindigkeit der Pulswelle in der Oberarmarterie stark von denen in der Aorta abweichen. Des Weiteren können mittels solcher Messverfahren keine unterbrechungsfreien Langzeitmessungen durchgeführt werden und der Patient ist durch die Messapparatur in seinen Bewegungen eingeschränkt.

Das in diesem Artikel beschriebene Messverfahren stellt den neuen Ansatz vor, die Pulswellengeschwindigkeit mittels Laufzeitmessung zwischen dem Herzen und dem Ohr zu ermitteln. Dazu wird die elektrische Aktivität des Herzens (Elektrokardiogramm) zur zeitlichen Bestimmung des Blutauswurfs des Herzens herangezogen. Die Ankunft der Pulswelle am Ohr wird mittels Detektion kleinster Druckänderungen im abgedichteten Gehörgang detektiert.Zur Erprobung dieses neuen Messverfahrens wird das Verfahren in Form einer tragbaren Elektronik technisch umgesetzt.
In den folgenden Abschnitten werden zunächst die Grundlagen, auf denen das Messverfahren beruht, beschrieben. Anschließend wird auf die Entwicklung des tragbaren Messsystems eingegangen und erste Messergebnisse werden diskutiert.

Methoden und Materialien

Die zur Beschreibung des neu entwickelten Messverfahrens benötigten Grundlagen werden in diesem Abschnitt zunächst eingeführt. Nachdem auf den Zusammenhang zwischen der arteriellen Gefäßsteifigkeit und der Pulswellengeschwindigkeit eingegangen wird, folgen kurze Beschreibungen der Elektrokardiographie und der In-Ohr-Druckmessung.

Pulswellenanalyse

Bei der Pulswellenanalyse handelt es sich um ein nicht­invasives, medizinisches Messverfahren, welches genutzt wird, um Rückschlüsse auf den Zustand des Herz-Kreislauf-Systems zu ziehen. Die analysierte Pulswelle entsteht durch das Pumpen des Herzens. Presst das Herz schlagartig sauerstoffreiches Blut in die Aorta, dehnt sich diese auf Grund des erhöhten Druckes aus. Sobald die Kontraktion des Herzens beendet ist und das hinaus gepumpte Blut durch das Arteriensystem vom Herzen weg geleitet wurde, nimmt die Aorta wieder ihre ursprüngliche Form an [ 3]. Eine grobe Näherung, die den Zusammenhang zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der so entstehenden Pulswelle und der Gefäßsteifigkeit aufzeigt, ist die Moens-Korteweg-Gleichung (1) [4]. Sie sagt aus, dass die Pulswellengeschwindigkeit PWV (engl. Pulse Wave Velocity) vom Elastizitätsmodul E der Arterien abhängig ist. Außerdem hängt sie von der Arterienwanddicke h, dem Gefäßradius r und der Dichte des Blutes p ab.

Bei besonders steifen Arterien ist die Pulswellengeschwindigkeit daher hoch. Übliche Pulswellengeschwindigkeiten betragen

bei gesunden Menschen PWVgesund ~ 6 … 10 m/s [3].

Sind die Arterien sehr steif, so kann sie bei weit über 12 m/s liegen.

Elektrokardiographie (EKG)

Das Elektrokardiogramm spiegelt die elektrische Aktivität des Herzens wider. Aus ihm lässt sich der Zeitpunkt des Öffnens der Aortenklappe abschätzen, was den zeitlichen Beginn der Pulswellenausbreitung im Arteriensystem definiert. Da zwischen elektrischer Anregung des Herzens und dem tatsächlichen Herauspumpen des Blutes in das Arteriensystem eine signifikante patienten- und zeitvariable Verzögerung PEP (Pre-Ejection Period) auftritt, entsteht jedoch eine nicht zu vernachlässigende Messunsicherheit.

In-Ohr Druckmessung

Im Rahmen mehrerer Vorarbeiten [5, 6] hat das Labor für Medizinische Elektronik (LME) der Fachhochschule Lübeck ein Verfahren vorgestellt, mit dem die ankommende Pulswelle via Druckmessung des abgedichteten Gehörgangs detektiert werden kann. Dazu wird eine herkömmliche Stethoskop­Ohrolive in Kombination mit einem Differenzdrucksensor gemäß Abbildung 1 im Ohr eingesetzt.

ABBILDUNG 1. DETEKTION DER PULSWELLE MITTELS DRUCKMESSUNG IM GEHÖRGANG

Der genaue Einkoppelmechanismus der Pulswelle in den Gehörgang ist einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte des Labors und derzeit noch nicht eindeutig geklärt.

Entwickeltes Messverfahren

Das entwickelte Messverfahren zur Bestimmung der arteriellen Gefäßsteifigkeit beruht auf der Bestimmung der mittleren Pulswellengeschwindigkeit zwischen dem Herzen und dem Ohr. Es wird dazu die von der Pulswelle zurückgelegte Strecke öx abgeschätzt und die Laufzeit, wie in Abbildung 2 (siehe nächste Seite) dargestellt, gemessen.

Die R-Zacke des EKG-Signals wird dabei zunächst als Startzeitpunkt der Pulswelle angenommen und der Fußpunkt der im Ohr detektierten Pulswelle (PW) als Ankunftszeit. Die so gemessene Gesamtdauer PAT (Pulse Arrival Time) beinhaltet jedoch noch die unbekannte Verzögerung PEP, um die der tatsächliche Pumpvorgang des Herzens verzögert wird. Zur Bestimmung der für dieses Messverfahren eigentlich interessanten Differenz PTT (Pulse Transient Time) der beiden Zeiten werden zunächst Literaturwerte herangezogen.

ABBILDUNG 2. BESTIMMUNG DER PULSWELLENLAUFZEIT AUS EINEM EKG- UND PULSWELLENSIGNAL

Implementierung

In diesem Abschnitt wird die Entwicklung eines tragbaren Messsystems zur Realisierung des zuvor beschriebenen Messverfahrens beschrieben. Nachdem zunächst das Blockschaltbild der technischen Realisierung dargestellt wird, werden die Inhalte des Diagramms in eigenen Abschnitten erläutert.

Blockdiagramm

Abbildung 3 zeigt das Blockschaltbild des entwickelten tragbaren Messsystems. Das System enthält zusätzlich zu den für das neue Messverfahren nötigen EKG- und Druckmessmodulen

ABBILDUNG 3. BLOCKDIAGRAMM DES ENTWICKELTEN MESSSYSTEMS

auch elektronische Komponenten zur Temperatur- und Beschleunigungsmessung. Dies ermöglicht die Aufzeichnung weiterer Patientendaten, auf die im Folgenden jedoch nicht weiter eingegangen wird.

Die vom Patienten aufgenommenen Daten werden zum Microcontroller weitergeleitet und je nach Anwendung mittels USB- oder Bluetooth-Schnittstelle an einen PC oder ein Smartphone gesendet.

EKG-Modul

Das EKG-Modul besteht aus einem Instrumentenverstärker (LT1789-1, Linear Technology) in Verbindung mit einer Driven Right Leg-Schaltung und einem Schildtreiber. Das Signal wird anschließend bandpass-gefiltert ((i = 0,15 Hz, fc2 = 150 Hz) und vom internen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) des Microcontrollers abgetastet (Q = 12 Bit, f, = 1000 SPS).

Druckmessung

Zur Messung des Differenzdrucks zwischen abgedichtetem Gehörgang und der Umgebung wird der kalibrierte Drucksensor (HCE-M010DBE8P3, First Sensor AG) mit einem Messbereich von ± 1000 Pa verwendet. Nach der sensor­internen AD-Wandlung mit einer Auflösung von 14 Bit wird das digitale Signal mittels Serial Peripheral Interface (SPI) zum Microcontroller gesendet.

Gehäuse und Spannungsversorgung

ABBILDUNG 4. EXPLOSIONSZEICHNUNG DES MESSSYSTEMS INKLUSIVE GEHÄUSE UND LITHIUM-IONEN-AKKUMULATOR

Das Gehäuse des Messsystems wurde unter Verwendung von SolidWorks (Dassault Systemes) entworfen und anschließend mittels 3D-Drucker (MakerBot Replicator 2X) aus ABS­Kunststoff erstellt. Das in Abbildung 4 dargestellte Gehäuse hat die Maße 71,5 x 71,5 x 38 mm3 und umschließt außer der Platine auch den Akkumulator.

Der verwendete Lithium-Ionen-Akkumulator hat eine Nennspannung von 3,7 V und eine Kapazität von 1,25 Ah. Je nach Anwendungsfall reicht diese Kapazität für einen Betrieb von bis zu 8 Stunden.

Microcontroller und Kommunikationsschnittstellen

Hauptaufgabe des Microcontrollers (ATxMega128A4U, Atmel) ist es, die Messergebnisse der einzelnen Module aufzuzeichnen und an einen PC oder ein mobiles Gerät zu senden. Soll keine Echtzeit-Auswertung der Messergebnisse vorgenommen werden, können die Daten auch zunächst auf einer systeminternen microSD-Karte gespeichert werden. Die Datenübertragung kann sowohl drahtgebunden mittels microcontroller-internem USB-Controller als auch drahtlos mit dem Bluetooth-Modul (RN42-I/RM, Roving Networks) durchgeführt werden. Dieses Modul ermöglicht Datenraten von bis zu 300 kbps.

Prototyp

Abbildung 5 zeigt ein Foto der entwickelten Platine. Die Maße sind ca. 60 x 60 mm2. Bestückt ist die Leiterplatte mit etwa 200 Bauteilen.

ABBILDUNG 5. FOTO DER PLATINE DES MESSSYSTEMS

Softwareentwicklung

Die Softwareentwicklung gliedert sich in zwei Teile. Die Firmware des Microcontrollers wurde mittels der Entwicklungsumgebung Atmel Studio in der Programmiersprache C geschrieben. Die Benutzerschnittstelle für den PC hingegen wurde mittels Microsoft Visual Studio in der Sprache C# programmiert. Mit dieser Schnittstellensofware ist es möglich, die gemessenen Signale in Echtzeit anzuzeigen und zu speichern. Ein Screenshot der Benutzerschnittstelle ist in Abbildung 6 dargestellt.

ABBILDUNG 6. SCEENSHOT DER BENUTZERSCHNITTSTELLE

Die exportierten Messdaten können beispielsweise in Tue Mathworks Matlab oder Microsoft Excel weiterverarbeitet werden.

Ergebnisse

EskonntemitdemMesssystembeieinem29-jährigenmännlichen Probanden mittels Druckmessung im linken Ohr eine mittlere PAT von ca. 135 ms ermittelt werden. Unter Verwendung der Gleichung (2) und der Annahme einer realistischen PEP von 70 ms kann eine PT T von 65 ms berechnet werden. Wird nun die von der Pulswelle zurückgelegte Strecke zwischen dem Herzen und dem Ohr als ö.x = 40 cm angenommen, so ergibt sich eine mittlere Pulswellengeschwindigkeit von etwa 6,15 m/s, was im Vergleich mit Literaturwerten realistisch ist.

Zusammenfassung und Ausblick

Es wurde ein neues nicht-invasives Messverfahren zur Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit entwickelt. Dieses Verfahren beruht auf einer Laufzeitmessung der Pulswelle zwischen dem Herzen und dem Ohr. Mittels der entwickelten, portablen Hardware konnte gezeigt werden, dass das Verfahren sinnvolle Ergebnisse liefert. Die Problematik der unbekannten Pre-Ejection-Period könnte zukünftig vermieden werden, wenn anstatt des Elektrokardiograms, die Herztöne als zeitliche Referenz genutzt werden.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei F. Adam, G. Ardelt und K. Breßlein für die Unterstützung dieser Arbeit und bei den Firmen Linear Technology und Texas Instruments für die Überlassung kostenloser Muster während der Entwicklungsphase.

Die vorliegende Publikation entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungskollegs LUMEN (FKZ 13EZ1140A/B). LUMEN ist ein gemeinsames Forschungsprojekt der Fachhochschule Lübeck und der Universität zu Lübeck und ist ein eigener Forschungszweig der Graduiertenschule für Informatik in Medizin und Lebenswissenschaften der Universität zu Lübeck.

Literatur

[l] Baulmann, J.; Nürnberger, J.; Slany, J.; Sehmieder, R.; Schmidt-Trucksäss, A.; Baumgart, D.; Cremerius, P.; Hess, O.; Mortensen, K.; Weber, T. Arterielle Gefäßsteifigkeit und Pulswellenanalyse – Positionspapier zu Grundlagen, Methodik, Beeinflussbarkeit und Ergebnisinterpretation. Deutsche Medizinische Wochenschrift 2010, 135, 4-14.
[2] Robenek, H. Arteriosklerose und Bluthochdruck, Neue Erkenntnisse aus der ganzheitlichen Medizin, 5. Auflage; Leibniz-Institut für Arterioskleroseforschung, Universität Münster, 2011.
[3] Kramme, R. Medizintechnik: Verfahren – Systeme – Informationsverarbeitung, 4. Auflage; Springer, 2011.
[4] Wallis, W H. Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit der Aorta mithilfe der Flusssensitiven 4D Magnet­resonanztomographie, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dissertation, 2011.
[5] Kaufmann, S.; Ardelt, G.; Malhotra, A.; Ryschka, M. In-ear pulse wave measurements: A pilot study. Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik. 2013.
[ 6] Kusche, R.; Malhotra, A.; Ryschka, M.; Kaufmann, S. A Portable In-Ear Pulse Wave Measurement System. Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik. 2014

Autoren

Roman Kusche
Fachhochschule Lübeck
Labor für Medizinische Elektronik (LME)
(korrespondierender Autor)
Universität zu Lübeck
Graduate School for Computing in Medicine and Life Sciences
roman.kusche(at)fh-luebeck.de

Dr. Steffen Kaufmann
Fachhochschule Lübeck
Labor für Medizinische Elektronik (LME)

Ankit Malhotra
Fachhochschule Lübeck
Labor für Medizinische Elektronik (LME)
Universität zu Lübeck
Institut für Medizintechnik

Paula Klimach
Fachhochschule Lübeck
Labor für Medizinische Elektronik (LME)
Universität zu Lübeck
Graduate School for Computing in Medicine and Life Sciences

Prof. Dr. rer. nat Martin Ryschka
Fachhochschule Lübeck
Labor für Medizinische Elektronik (LME).

 

ImpulsE