Neue Wege im Kampf gegen Herzrhythmusstörungen

Berner Fachhochschule Neue Wege im Kampf gegen Herzrhythmusstörungen

15.02.2018Autor / Redakteur: Elsbeth Heinzelmann* / Peter Reinhardt

Mit zunehmendem Alter wächst auch das Risiko, an Herzrhythmusstörungen zu erkranken. Ein Schweizer Forscher-Team arbeitet nun daran, EKG-Signale für die Herzrhythmusanalyse in der Speiseröhre zu messen.

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Illustration eines Herzens mit Position des Speiseröhren-EKG-Katheters. Modifizierte Abbildung nach der Dissertation von Simon Mortier an der Medizinischen Fakultät Universität Bern, 2018.
(Bild: HuCE, BFH Biel)

Ursache vieler Rhythmusstörungen sind die tief im Brustkorb liegenden Herzvorhöfe

Standard-EKG liefert nur unbefriedigende Ergebnisse

Speiseröhren-EKG liefert Signale der Vorhöfe mit hoher Präzision und Qualität

Auch der Herzmuskel altert und verliert an Leistungsfähigkeit. Wenn dazu mangelnde Bewegung, zu viele Pfunde oder übermäßiger Alkoholkonsum kommen oder Stress den Blutdruck in die Höhe treibt, wird der Herzmuskel soweit geschädigt, dass das Herz aus dem Takt gerät. Dem gehen Forscher am BFH-Zentrum für Sport und Medizin auf den Grund.

In „Diagnose“ steckt die altgriechische Bezeichnung „gnósis“ für Erkenntnis. Und genau darum geht es den Forschern an der Berner Fachhochschule (BFH) in Biel. Sie messen EKG-Signale in der Speiseröhre, die sich für eine Herzrhythmusanalyse besonders eignen, um neue Wege der Diagnostik zu beschreiten.

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Der Speiseröhren-EKG-Katheter des BHF, produziert gemäß Qualitätsnorm ISO 13485 im Reinraum des BFH-Zentrums Technologien in Sport und Medizin. Im Hintergrund ein Herzmodell.

Vergleich eines Standard-EKG (schwarz) mit einem Speiseröhren-EKG (blau).

Prof. Dr. Marcel Jacomet, Leiter des Institute for Human Centered Engineering HuCE an der BHF in Biel: „Problematisch ist, dass die Datenkomprimierung zwar den Speicherbedarf und damit sein Volumen reduziert, gleichzeitig erhöht sich aber der Volumenbedarf der Batterie.“

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Volkskrankheit Vorhofflimmern

Vorhofflimmern ist die häufigste Art von Herzrhythmusstörung, bei der die Herzvorhöfe unkoordiniert schlagen. Laut einer Studie des Europäischen Kardiologiekongresses (ESC) über die letzten 30 Jahre leiden 0,5 Prozent der Bevölkerung daran, mit 75 Jahren steigt der Anteil sogar auf 15 Prozent.

Aufgezeichnet wrid die elektrische Aktivität des Herzmuskels durch das Elektrokardiogramm (EKG). Hierzu klebt der Arzt Elektroden auf den Brustkorb des Patienten. „Aber Ursache vieler Rhythmusstörungen sind die tief im Brustkorb liegenden Herzvorhöfe, die sich oft nur unbefriedigend von einem Standard-EKG erfassen lassen“, erklärt Prof. Dr. Marcel Jacomet, Leiter des Institute for Human Centered Engineering HuCE an der BHF in Biel. Doch er weiß auch zu berichten: „EKG-Signale lassen sich auch in der Speiseröhre messen.

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HuCE-Institusleiter Jacomet wagt den Selbstversuch

Das BFH-Zentrum Technologien in Sport und Medizin setzt auf Mikroelektronik zur Miniaturisierung, auf berührungsloses Messen mit optischen Sensoren, entwickelt Robotik und ist innovativ in der Signalverarbeitung und Sensortechnik. Für Prof. Dr. Marcel Jacomet, Leiter des Institute for Human Centered Engineering HuCE an der BHF in Biel, ist das der Nährboden, um mit Industriepartnern Medtech-Produkte zu entwickeln.

Herr Jacomet, mit dem EKG in der Speiseröhre für die Herzrhythmusanalyse geht die BFH völlig neue Wege. Was war dabei die größte Herausforderung?

Wir sind bei unserer Arbeit auf zwei Herausforderungen gestoßen: Im ersten Themenkreis ging es um die Erforschung und Entwicklung einer Algorithmik zur Lösung des inversen mathematischen Problems für die räumliche Darstellung der Herzrhythmusströme – der Depolarisation des Myocardiums – aus den gemessenen Spannungen auf den Elektroden des 3D-Katheters in der Speiseröhre.

Und die zweite Herausforderung?

Diese stellte sich, als ich im mehrtägigen Selbstversuch mit einem Katheter-Prototyp und Elektronik hinter dem Ohr mit meiner Frau ausgehen wollte. Ihre Reaktion war klar: „So würde ich mich nie in der Öffentlichkeit zeigen!“ Das hieß für uns: Weder Katheter noch Verarbeitungselektronik dürfen außerhalb des Körpers sichtbar sein. Also mussten wir miniaturisieren. Der Innendurchmesser des flexiblen 3D-Speiseröhren-Katheters misst nun lediglich 2 mm. Darin enthalten sind die Elektronik mit der Signalaufbereitung von 2k Samples/s und Datenspeicherung mehrerer Gigabytes sowie die Batterie, welche zwei bis vier Wochen lang EKG-Messungen durchführt.

Und das schafften Sie und Ihr Team problemlos?

Antwort (lacht): Problematisch ist, dass die Datenkomprimierung zwar den Speicherbedarf und damit sein Volumen reduziert, gleichzeitig erhöht sich aber der Volumenbedarf der Batterie.

Und wie haben Sie dies „Quadratur des Kreises“ gelöst?

Wie schon oft bei technischen Problemen schauten wir einen Trick der Natur ab. Wir erfassen Daten und sind lediglich aktiv, wenn wirklich nötig. Damit senken wir den Energiebedarf auf ein Minimum. Ein solcher Ansatz verlangt Forschungsarbeit für nicht-äquidistantes Sampling und asynchrone Logik.

Was bedeutet das konkret?

Wir nehmen nicht wie klassisch üblich die Signalmessungen als Spannungswerte in äquidistanten Zeitinterwallen auf, sondern speichern Zeitdifferenzen, bei welchen sich die Spannung ändert. Das ergibt eine reduzierte Leistungsaufnahme, aber auch eine erste Datenkomprimierung. Weitere, speziell energieoptimierte Komprimierungsmethoden implementierten wir in den ASIC (Anm. d. Red.: application specific integrated circuit). Die Aufnahmedauer des Langzeit-EKGs erfordert ärztliche Zwischenkontrollen, was wir mit einer passiven NFC Datenschnittstelle realisieren – es resultiert keine Energiebelastung der Batterie im Katheter. Den Patienten-Datenschutz gewährleisten wir mit einem Cryptoalgorithmus im ASIC.

Letzte Frage: Sie sind mit dem Resultat zufrieden?

Durchaus. Die erste ASIC-Variante weist zwar noch eine Kantenlänge von 3,2 mm auf. Aber in der nächsten Version können wir dank Technologiewechsel bereits eine Kantenlänge von 2 mm erreichen.

Prof Dr. Marcel Jacomet, Leiter des Institute for Human Centered Engineering HuCE an der Berner Fachhochschule

www.bfh.ch/humantec

Denn diese führt hinter dem Herzen an den Vorhöfen vorbei in den Magen.“ Das sei zwar schon lange bekannt und die Signale wurden zum Teil bereits zur Analyse verwendet, doch heute entwickeln die BFH-Forscher neue Tools, um diese Signale einfach in geeigneter Weise zu erfassen, damit sie darauf neue Algorithmen anwenden können. „Messen wir das EKG direkt in der Speiseröhre, können wir Signale mit hoher Präzision und Signalqualität der Vorhöfe aufzeichnen“, versichert der Professor für Mikroelektronik, der am Institut HuCE mit rund 70 jungen Ingenieuren, Doktoranden und Professoren ein solches Diagnosetool wie auch weitere Medizintechnik-Projekte realisieren will.

Erfolg mit „dicken Spaghetti“

In der Praxis kombiniert Jacomets Forscherteam das traditionelle EKG mit dem Speiseröhren-EKG. Dabei messen sie mit speziell entwickelten Speiseröhren-Kathetern, die eine sehr hohe örtliche Signalauflösung ermöglichen. „So ein Katheter hat die Form einer ‚dicken Spaghetti‘, wird via Nase in die Speiseröhre eingeführt und dann vom Patienten geschluckt“, erklärt Jacomet. Das sei zwar für Patienten etwas gewöhnungsbedürftig, jedoch mit minimalen Risiken verbunden. Zudem nehme es wenig Zeit in Anspruch.

Mittels mathematischer Algorithmen versuchen die Forscher dann, aus den gemessenen Signalen die Ereignisse in der elektrischen Herzaktivität in 2D und 3D mit hoher Präzision zu erfassen und darzustellen, um so Fehlstellen oder -abläufe und Defekte im elektrischen Leistungssystem des Herzens zu entdecken. „Diese Methode bietet dem Kardiologen ein Diagnostik-Werkzeug, das ihn in der Planung von Eingriffen effizient unterstützt. Die Methode wird im Sitzen oder Liegen durchgeführt, bedarf keiner Narkose, eventuell lokal etwas Gel zur Betäubung der Nasenschleimhäute“, berichtet Dr. Reto Wildhaber, Arzt am BFH Institut HuCE, aus der Praxis. Damit hoffen die Forscher in Zukunft die Dauer von medizinischen Eingriffen zu reduzieren und deren Erfolgsrate zu erhöhen, was nicht nur die Patienten freut, sondern auch wirtschaftlich interessant ist.

Vom Reißbrett zum Medizintechnikprodukt

Die hier kurz skizzierte Kombination aus Forschung, Entwicklung und Herstellung eines neuartigen Speiseröhren-EKG-Katheters ist natürlich keineswegs trivial. Sie setzt das nahtlose Ineinandergreifen der Kompetenzen verschiedenster Fachbereiche voraus: Am BFH-Zentrum für Sport und Medizin erarbeitet Jacomets Team gemeinsam mit Ärzten der Universitätsklinik für Kardiologie des Inselspitals Bern medizinisches Know-how. Unterstützt werden sie dabei von BFH-Experten aus der Elektro-, Mikro- und Medizintechnik, Informatik sowie von Master-Studenten. Ein für die Entwicklung medizinischer Geräte zertifizierter Reinraum am BFH-Zentrum ermöglicht es, die neuartigen Katheter in Eigenregie nach medizinischen Qualitätsnormen zu produzieren. Am Berner Inselspital nehmen im Rahmen einer aktuell laufenden Studie Patienten teil und liefern so wertvolle Daten für die Forschung. Die Medizintechnik-Zertifizierung nach ISO 13485 des BFH-Zentrums gewährleistet die Sicherheit des eingesetzten Forschungskatheters.

So erschließt Jacomet mit seiner Crew Stück für Stück Neuland auf diesem Gebiet: Das Schwerpunktprogramm „Medtech Devices für Speiseröhren-EKG-Diagnosewerkzeuge“ besteht aus verschiedenen Forschungsprojekten, welche die BFH seit bald zehn Jahren vorantreibt. Unterstützt werden diese durch Industrie und Spitäler sowie durch Innosuisse, die Schweizerische Agentur für Innovationsförderung (ehem. KTI) und den Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Power ist also da – und schon keimen weitere Ideen in den Köpfen der Forscher und ihren Industriepartnern, um in interdisziplinärer Kooperation medizinisch wichtige Innovationen zu realisieren.