ICU-Cockpit-Apps: Interventionelle Studie mit ersten ICU-Cockpit-Softwareanwendungen (ICUCockpiApp)

Hintergrund:

Seit 2014 wird an der Neurointensivstation des Universitätsspitals Zürich in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich und der ETH Zürich das Projekt „ICU-Cockpit“ aufgebaut. Modernste Informationstechnologie sammelt, synchronisiert und verschlüsselt Daten zahlreicher medizinischer Geräte in Echtzeit. Ziel des Projekts ist es, eine grundlegende Weiterentwicklung in der Notfall- und Intensivmedizin anzustoßen – und die Handhabung von Diagnostik, Behandlung und Risikomanagement im klinischen Alltag deutlich zu verbessern.

Basierend auf Videoüberwachung wurden bereits Algorithmen für Frühwarnsysteme und Therapieunterstützung entwickelt. Um die Algorithmen für die klinische Praxis nutzbar zu machen, wird derzeit in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) eine Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt, siehe Anhang 15. Die GUI ermöglicht eine umfassende Visualisierung und Interpretation der multimodalen Patientendaten.

Im Jahr 2016 startete an der Intensivstation des Universitätsspitals Zürich ein Forschungsprojekt mit dem Titel „ICU Cockpit: Integrierte Plattform für multimodale Patientenüberwachung und Therapieunterstützung in der neurokritischen Versorgung“ (BASEC Nr. 2016-01101). Ziel des Single-Site-Projekts ist der Aufbau einer integrierten Plattform (wissenschaftlicher Prototyp der ICU-Cockpit-Softwareplattform) zur multimodalen Patientenüberwachung und Therapieunterstützung in der neurokritischen Versorgung sowie in einem zweiten Schritt die Entwicklung und Validierung von Algorithmen für einige erste klinische Anwendungen. Darüber hinaus werden automatische Artefakterkennungen (d. h. die Anzahl falscher und echter Alarme im ICU Cockpit im Vergleich zum Standardüberwachungssystem) bewertet und Algorithmen zur Früherkennung epileptischer Anfälle und sekundärer Beeinträchtigungen der zerebralen Durchblutung entwickelt.

Das Ziel dieser aktuellen klinischen Untersuchung ist die Verifizierung und Validierung der ICU Cockpit-Softwareplattform und der folgenden drei verschiedenen Anwendungen zur Prognose und Vorhersage von Komplikationen:

a) ICU Cockpit COVID-19 zur Fernüberwachung isolierter Patienten, b) ICU Cockpit Stable State zur umfassenden Visualisierung von Vitalparametern und als zusätzliche Hilfe bei der Früherkennung drohender kritischer Komplikationen c) ICU Cockpit Cerebral Ischemia zur Vorhersage verzögerter zerebraler Ischämie bei Patienten mit Subarachnoidalblutung (SAH).

1. ICU Cockpit COVID-19 zur Fernüberwachung isolierter Patienten Mit der Infektion von mehr als 100.000 Menschen in 100 Ländern hat sich die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) zu einer Pandemie entwickelt. In China erkrankten bis zu 10 % der Patienten mit COVID-19 schwer und erforderten eine intensivmedizinische Behandlung, hauptsächlich aufgrund einer Lungenentzündung, eines akuten Atemnotsyndroms (ARDS) und eines Multiorganversagens. In Italien gibt es etwa 5200 Betten auf Intensivstationen, von denen bis zum 11. März bereits 1028 für Patienten mit COVID-19 reserviert waren. Darüber hinaus sind zu diesem Zeitpunkt bereits 20 % der medizinischen Fachkräfte infiziert und einige sind gestorben. Für die Vereinigten Staaten werden ohne Selbstisolation und für R0 = 2 bzw. R0 = 2,5 die Einweisungen auf die Intensivstation voraussichtlich 17,4 bis 25,7 pro 1.000 Einwohner betragen, was die Kapazität der bestehenden 100.000 Intensivbetten in den USA deutlich übersteigen würde. Auch in der Schweiz stehen das Gesundheitssystem und insbesondere die Intensivstationen vor außergewöhnlichen Herausforderungen, da die personellen Ressourcen für Intensivpflegekräfte begrenzt sind.

   Fortschritte in der medizinischen Informatik haben das Potenzial, die medizinische Versorgung zu erleichtern und Personalressourcen nicht nur im ambulanten Bereich, sondern insbesondere bei Epidemien auf Intensivstationen einzusparen. In der Intensiv- und Notfallmedizin wird die Situation durch Echtzeitsignale von mehreren Sensoren am und im menschlichen Körper verschärft. Gerade in einer Notsituation ist es nicht möglich, diese Informationsflut schnell in die Entscheidungsfindung zu integrieren.

   Durch die Fernüberwachung streng isolierter Patienten werden insbesondere die Wege und Laufwege des Personals, die Zahl der engen Kontakte zu infizierten Patienten und damit die Virusübertragung reduziert. Die Sicherheit der Patienten wird durch eine Verringerung von Stress und Burnouts bei Pflegekräften und Ärzten erhöht, die oft im Laufe der Zeit in Krisensituationen arbeiten.

2. ICU Cockpit Stable State Als erste Anwendung wurde kürzlich eine Software namens „Stable State“ entwickelt. Vitalparameter wie der arterielle Blutdruck, der Hirndruck und viele andere sind aufgrund ihrer hohen Informationsdichte nur schwer auf einen Blick abzulesen. Da der menschliche Körper ein komplex vernetztes System ist, sind auch diese Biosignale stark korreliert. Erfahrene Kliniker können Abweichungen in der Korrelationsstruktur mehrerer Signale erkennen, es ist jedoch aufgrund der riesigen Menge an verfügbaren Daten unmöglich, ein vollständiges Bild zu erfassen. Allerdings können subtile Korrelationsänderungen auf einen instabilen Zustand eines Patienten hinweisen, bevor diese Änderungen in einem bestimmten Signal oder seinem zusammengesetzten Maß sichtbar werden.

   Kürzlich wurde ein Algorithmus entwickelt, der die gegenseitigen Abhängigkeiten in einem beliebigen Satz von Signalen während einer stabilen Phase des Patienten berechnet. Dieser stabile Zustand wird mit einer Online-Schätzung des aktuellen Zustands verglichen. Korrelationsänderungen werden didaktisch reduziert und in einer Mondrian-ähnlichen Darstellung visualisiert, um einen schnellen Vergleich aktueller und vergangener Zustände zu ermöglichen.

   Als zusätzliches Hilfsmittel zur Früherkennung drohender kritischer Komplikationen ist die Implementierung der Anwendung „Stabiler Zustand“ als Teil des GUI ICU Cockpits geplant.

3. ICU-Cockpit Zerebrale Ischämie Zerebraler Vasospasmus (CVS) ist eine verzögerte morphologische Verengung der Gehirnarterien, die 4 bis 10 Tage nach einer aneurysmatischen Subarachnoidalblutung auftritt. Klassischerweise wird CVS mit einer verzögerten zerebralen Ischämie (DCI) in Verbindung gebracht, die letztendlich zu einem Hirninfarkt führt, der mit Morbidität und Mortalität verbunden ist. Dies war eine Art Paradigma, und der Begriff CVS wurde oft missbraucht, um klinische Anzeichen von DCI zu beschreiben. Der Großteil der Forschung konzentrierte sich auf die Annahme, dass CVS allein für DCI verantwortlich ist. Heutzutage ist es allgemein anerkannt, dass nicht alle Patienten mit CVS eine DCI entwickeln. Umgekehrt kann DCI auch ohne CVS auftreten. Eine aktuelle Literaturrecherche zeigt, dass CVS nicht die einzige Ursache für DCI ist und dass das Gesamtbild von DCI multifaktoriell ist. Es gibt eine anhaltende Debatte zu diesem Thema, jedoch könnte der Hirninfarkt in bildgebenden Untersuchungen neben dem funktionellen Ergebnis das am besten geeignete Maß für DCI sein. Daher wurde ein Algorithmus zur Vorhersage von DCI basierend auf einem Zufallswaldmodell entwickelt, der es ermöglicht, Biomarker für das Auftreten 24 bis 48 Stunden zuvor zu identifizieren.