Tragbare Messmethoden in Kombination mit künstlicher Intelligenz zur Erkennung von Vorhofflimmern (WB-AF)

Die Forschung zielt darauf ab, die folgenden medizinischen Probleme zu lösen:

1. Es sollte die Durchführbarkeit von am Handgelenk getragenen PPG-Geräten und einem Einzelableitungs-EKG-Brustband untersucht werden. Besonderes Interesse gilt der Verwendung von KI in der Datenanalyse und deren Auswirkungen auf die Erkennung von Arrhythmien.
2. Entwicklung modernster PPG- und EKG-basierter Methoden für die langfristige AF-Überwachung.

Die wichtigsten Forschungsfragen sind:

1. Kann ein Einkanal-EKG und eine PPG-Messung zur Erkennung von Vorhofflimmern verwendet werden?
2. Kann die Arrhythmieanalyse mit künstlicher Intelligenz (KI) zuverlässig Rhythmusänderungen aus kundenorientierten PPG- und EKG-Aufzeichnungen erkennen?
3. Sind aus Blutproben gemessene Biomarker für die Schätzung der Dauer von kürzlich aufgetretenem Vorhofflimmern geeignet?

Konkrete methodische Ziele sind:

1. Entwickeln und testen Sie KI-basierte Methoden zur Arrhythmie-Erkennung und AF-Diagnostik
2. KI kann beim Screening und der Diagnose von Vorhofflimmern eingesetzt werden.
3. Untersuchen Sie die Kinetik kardialer Biomarker bei kürzlich aufgetretenem Vorhofflimmern
4. Konstruieren Sie ein statistisches Modell zur Schätzung der Dauer einer Arrhythmie-Episode.

Ziel der Methodenentwicklung der Studie ist es, die Zuverlässigkeit der Herzfrequenzmessung im Einkanal-EKG und der Pulswellenmessung bei Gesunden und Patienten mit Herzproblemen zu evaluieren. Die Studie entwickelt Rechenverfahren auf Basis leichtgewichtiger Messtechnik, um die häufigste Herzrhythmusstörung, das Vorhofflimmern, zuverlässig zu identifizieren. Die Diagnose und Behandlung von Vorhofflimmern sind entscheidende Faktoren zur Prävention von Schlaganfällen.

Kardioversion (CV) ist ein Behandlungsverfahren, das verwendet wird, um einen anormalen VHF-Rhythmus in einen normalen Sinusrhythmus (SF) bei neu aufgetretenem VHF zurückzubringen. Sie kann mit elektrischer Kardioversion oder mit Antiarrhythmika durchgeführt werden. Wenn der Patient keine Therapie mit oralen Antikoagulanzien (OAK) erhält, muss die Kardioversion innerhalb von 48 Stunden nach Beginn der Arrhythmie durchgeführt werden. Nach 48 Stunden steigt nämlich das Schlaganfallrisiko erheblich an. Wenn der Patient seit mehr als 48 Stunden Vorhofflimmern hat, muss OAC begonnen und drei Wochen lang verwendet werden, bevor CV durchgeführt werden kann.

Forschungspatienten mit neu aufgetretenem Vorhofflimmern (<48 h) und geplanter CV werden im Rahmen der Forschung rekrutiert. Die Studie wird in der Notaufnahme des Kuopio University Hospital (KUH) durchgeführt. Während der Studie relevante patientenbezogene Informationen. Forschungspatienten haben sich bereits einer klinischen 12-Kanal-EKG-Registrierung unterzogen, die im normalen Behandlungsprozess enthalten ist, um neu aufgetretenes Vorhofflimmern zu diagnostizieren.

Bei tatsächlichen Studienmessungen wird ein Holter-EKG-Gerät mit fünf Nasselektroden auf der Brust des Patienten angebracht, das als goldener Standard für die Rhythmusüberwachung verwendet wird. Die leichten Messmethoden werden mit dem Ergebnis der Holter-EKG-Registrierung verglichen. Darüber hinaus werden Photopletysmogramme zur PPG-Registrierung am Handgelenk des Patienten und ein Einleiter-EKG-Sensor mit trockener Elektrode auf der Brust des Patienten angebracht.

Darüber hinaus wird eine IV-Kanüle für die Blutproben angebracht, die vor und nach dem CV gemäß dem Studienprotokoll entnommen werden.

Die Studie vergleicht die Fähigkeit dieser leichten Messmethoden, Herzrhythmen zu erkennen, mit der Holter-Registrierung.

Die für die Messung verwendeten Geräte sind:

1. Faros 360 EKG-Sensor mit nassen Elektroden (Mega Elektroniikka, http://www.megaemg.com/ Kuopio Suomi). Faros 360 Holter ist ein CE- und FDA-510(k)-zertifiziertes medizinisches Gerät der Klasse 2a, das mit fünf feuchten Einwegelektroden an der Brust des Patienten befestigt wird.

2. Suunto Movesense einmaliges EKG-Gerät (Suunto Oy, http://www.suunto.com Vanta Suomi). Movesense ist ein CE-zugelassenes Verbrauchergerät, das mit zwei Trockenelektroden zur EKG-Messung verwendet wird.

   In der vorherigen Studie (Afib24h) wurde über Valvira berichtet und die Forschung erhielt die Genehmigung für die klinische Gerätestudie (Kombination Movesense + Brustgurt).

3. Empatica E4 Aktivitätsarmband (Empatica Ltd http://www.empatica.com Milan Italia), das ein CE-zertifiziertes Verbrauchergerät ist. Empatica E4 ist auch ein Photopletysmogramm, das optisch die im Blutgefäß zirkulierende Blutmenge misst.

Der Forscher befestigt Geräte am Patienten. Danach beginnt der Forscher mit der Registrierung mit den Geräten Faros 360 (Gerät 1) und Empatica E4 (Gerät 3).

Die Herzfrequenzerkennung durch EKG-Messung erfolgt am häufigsten durch die Erkennung von QRS-Komplexen. Zahlreiche dieser QRS-Detektoren wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt. Die EKG-Messung mit Trockenelektroden ist im Vergleich zur Messung mit Feuchtelektroden mit erheblich mehr Bewegungsstörungen verbunden, da bereits kleine Bewegungen des Geräts große Veränderungen des EKG-Signals bewirken. Darüber hinaus ist das EMG-Rauschen der Muskeln, insbesondere wenn Daumen als Messpunkte verwendet werden, im Vergleich zu den Nasselektrodenmessungen bemerkenswert hoch.

Dieses Projekt nutzt die in den früheren Mobil-EKG-Projekten entwickelten Methoden zur Rausch- und QRS-Erkennung, um eine zuverlässige Erkennung von QRS-Komplexen und Herzfrequenzunregelmäßigkeiten in den Trockenelektrodenmessungen zu ermöglichen. Darüber hinaus werden die zuvor entwickelten Herzfrequenz-Erkennungsmethoden evaluiert und durch Studienmessungen von Vorhofflimmern und normalem Sinusrhythmus validiert.

Diese Studie untersucht die Fähigkeit der Pulserkennung bei der Erkennung von Vorhofflimmern. Das Photopletysmogramm misst die Lichtabsorption im Gewebe. Die Absorption von Licht in das Blut ist größer als die Absorption in das umgebende Gewebe. Wenn das Herz schlägt, erweitern und kontrahieren die Kapillaren basierend auf Änderungen des Blutvolumens. Die Photopletysmographie ermöglicht die Messung der Herzfrequenz durch Erkennung von Absorptionsänderungen.

Das Photopletysmogramm ist wie ein mobiles EKG-Gerät besonders bewegungsempfindlich, selbst die kleine Bewegung der LED/Fotodiode führt zu einer großen Änderung der Lichtintensität.

Auch physiologische Veränderungen verursachen eine Störung bei der Herzfrequenzmessung, beispielsweise wenn sich die Gefäßelastizität ändert, ändert sich die Pulszeit, was zu einer Störung bei der Messung führt.

Im Gegensatz zum hochfrequenten durchbohrten QRS-Komplex ist die Pulswelle eine niederfrequente Aufwärts-Abwärts-Variation, die ihre eigenen Herausforderungen für eine genaue Herzfrequenzmessung mit sich bringt.

Die Vorhöfe arbeiten bei Vorhofflimmern unzureichend, daher werden die Herzkammern nicht vollständig mit Blut gefüllt. Darüber hinaus verursacht Vorhofflimmern die unregelmäßige Weiterleitung von Impulsen von den Vorhöfen zu den Ventrikeln, was zu Pulsunregelmäßigkeiten führt. Die gepumpte Blutmenge variiert von Schlag zu Schlag, was die Pulswellenerkennung zu einer Herausforderung macht.

Dieses Projekt entwickelt Methoden zur genauen Herzfrequenzmessung aus einer Pulswellenserie.

Die Methodenentwicklung zielt darauf ab, Störungen durch die Bewegung des Messgeräts, Pulswellenunregelmäßigkeiten, die für Vorhofflimmern typisch sind, zu berücksichtigen.

Das Hauptziel der Methodenentwicklung besteht darin, den Puls so genau zu bestimmen, dass Pulsunregelmäßigkeiten aufgrund von Vorhofflimmern vom normalen Sinusrhythmus unterschieden und die Rhythmusänderung genau erkannt werden können.

Bei Vorhofflimmern werden elektrische Impulse zufällig zu den Ventrikeln geleitet, wodurch die Herzfrequenz unregelmäßig und ungleichmäßig wird. Eine große Kampagne der Herzvereinigung „Fühle deinen Puls – Schlaganfall verhindern“ basiert auf der Herzfrequenz- bzw. Pulserkennung. Die Pulserkennung ist natürlich die billigste Methode, um Vorhofflimmern zu erkennen, aber diese Methode produziert eine große Anzahl falsch positiver Ergebnisse. Durch die EKG-Messung ist die Erkennung von Vorhofflimmern deutlich zuverlässiger. Zu diesem Zweck wurden automatisierte Vorhofflimmern-Erkennungsalgorithmen entwickelt.

Die Erkennung der Vorhofaktivierung in Langzeit-Langzeit-EKG-Messungen ist aufgrund des schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses (Bewegung, Muskelartefakte und teilweise überlagerte viel stärkere ventrikuläre Aktivität) generell sehr schwierig. Aus diesem Grund basieren die meisten Erkennungsalgorithmen für Vorhofflimmern auf der Erkennung von Pulsunregelmäßigkeiten. Zur Parametrisierung der Unregelmäßigkeit der Herzfrequenz (RR-Intervall) wurden mehrere relativ einfache, aber zuverlässige Methoden auf Zeitebene eingeführt. Als Beispiel ein RdR-basiertes Verfahren, bei dem die RR-Intervalle (Herzfrequenz) als Funktion aufeinanderfolgender RR-Intervalländerungen (Herzfrequenzänderung) dargestellt werden. Das RdR-Diagramm definiert die Fragmentierung des Musters, das sich aus unregelmäßigen Herzfrequenzänderungen ergibt. Darüber hinaus gibt es Methoden, die die interne Kohärenz von RR-Zeitreihen schätzen. Zur Parametrisierung der Herzfrequenzvariation wurden auch verschiedene nichtlineare Verfahren eingeführt, die es ermöglichen, die Dynamik der Herzfrequenzvariation umfassender zu beschreiben (ohne Einschränkung der Linearitätsannahme). Eine Klasse nichtlinearer Verfahren sind unterschiedliche Entropiegrößen, diese sind besonders interessant für die Erkennung von Vorhofflimmern und der unregelmäßigen Herzfrequenz. Entropiegrößen können verwendet werden, um die Regelmäßigkeit und Vorhersagbarkeit der RR-Zeitreihen abzuschätzen. Typischerweise erfordert die zuverlässige Berechnung der Entropiegrößen eine relativ lange Messzeit, aber es wurden auch Entropiegrößen eingeführt, die für die Analyse von kurzen Messungen geeignet sind.

Dieses Forschungsprojekt entwickelt auf Basis bereits bestehender Methoden neue Vorhofflimmern-Erkennungsalgorithmen für die mobile EKG-Messung und Pulswellenmessung. Algorithmen müssen atriale und ventrikuläre Extrasystolen berücksichtigen. Das Ignorieren dieser erhöht die Unregelmäßigkeit der RR-Zeitreihen und damit die Anzahl falsch positiver Vorhofflimmern.

Natriuretische Peptide sind vom Herzen ausgeschüttete Hormone. Atriales natriuretisches Peptid (ANP) wird von Vorhöfen und hirn-natriuretisches Peptid (BNP) von Vorhöfen und Ventrikeln sezerniert. BNP und NT-pro-BNP werden von ihrem Vorläufer durch pro-BNP abgespalten. Beide werden in der Diagnose von Herzinsuffizienz eingesetzt. Bei Patienten mit Vorhofflimmern ohne andere Herzerkrankungen wurde ein erhöhtes BNP festgestellt. Die hochempfindlichen kardialen Troponine T (hs-cTnT) und I (hs-cTnI) sind herzspezifische Biomarker, die von Myokardzellen ausgeschieden werden, und ihre Konzentrationen korrelieren mit dem Ausmaß der Kardiomyozytenschädigung. Patienten mit persistierendem Vorhofflimmern haben erhöhte Troponinspiegel, was auf eine unspezifische Kardiomyozytenschädigung hinweist. Es wurden jedoch keine signifikanten Hinweise auf eine Korrelation zwischen der TnI-Kinetik und anderen mit Vorhofflimmern in Zusammenhang stehenden Biomarkern mit persistierendem Vorhofflimmern in Verbindung gebracht. Der TnT-Spiegel scheint nach der erfolgreichen Kardioversion zu sinken. Daher kann die Kinetik von kardialen Troponinen, insbesondere von TnT, nützlich sein, um die Dauer einer AF-Episode vorherzusagen.

Ziel der Studie ist es herauszufinden, ob Peptide zur Beurteilung der Dauer von Vorhofflimmern eingesetzt werden können. Dies kann verwendet werden, um die zukünftige Behandlung von Vorhofflimmern zu planen.

Darüber hinaus untersucht dieses Projekt die Kinetik kardialer Biomarker und deren Zusammenhang mit der Dauer von Vorhofflimmern.