Nichtinvasives 24/7-Monitoring zur Verlaufskontrolle bei chronischer Herzinsuffizienz
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- Karin Burgstaller
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1 Nichtinvasives 24/7-Monitoring zur Verlaufskontrolle bei chronischer Herzinsuffizienz Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEURS von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Stefan Lamparth geb. in Gernsbach Tag der mündlichen Prüfung: 19. Dezember 2013 Hauptreferent: Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Stork Korreferent: Prof. Dr. med. Axel Bauer
2 1 Einleitung Umfeld und Motivation Zielsetzung und eigener Beitrag Gliederung dieser Arbeit 5 2 Medizinische und technische Grundlagen Herz-Kreislauf-System Anatomie und Physiologie des Herzens Herzerregung und Elektrokardiogramm Herzrhythmusstörungen Regulationsmechanismen des Kreislaufsystems Herzinsuffizienz Definition Klassifikation Ätiologie und Pathophysiologie Symptomatik Diagnostik Therapie Prognose B-type Natriuretic Peptide (BNP) als Biomarker Schlafbezogene Atmungsstörungen: Cheyne-Stokes- Atmung Energieumsatz und metabolisches Äquivalent 25
3 2.3 Bioimpedanzanalyse Begriffsbestimmung Dispersionseffekte und Cole-Cole-Modell Berechnung der intra- und extrazellulären Flüssigkeitsmenge Technische und mathematische Grundlagen Vierleitermesstechnik Phasensensitive Demodulation: Lock-in-Verstärker und Fourier-Transformation Hilbert-Transformation Güte eines Klassifikators Datenformat Unisens 41 3 Stand der Wissenschaft und Technik Medizinische Geräte für die häusliche Anwendung Telemedizinische Vitalsensorik für Herzinsuffizienz- Patienten Mobiles EKG-Monitoring Impedanzmessung und Flüssigkeitsstatus Patientenmanagement Aktive Therapie-Geräte Studienlage Allgemeine Studien zum CHF-Telemonitoring Telemonitoring-Programme der Krankenkassen in Deutschland Studien zur Früherkennung von Ödemen Fazit 59 4 Konzeption Auswahl der zu messenden Parameter Atmung Ödeme Herzaktivität Körperliche Aktivität Blutdruck Zusammenfassung- 65
4 4.2 Allgemeine Systemanforderungen Minimale Patientenbelastung Funkübertragung Aufzeichnungskapazität Akkulaufzeit Normative Anforderungen Zusammenfassung 68 5 Implementierung - Das caremon-system Sensorik zur Messung der transthorakalen Impedanz Technische Anforderungen Elektroden Schaltungskonzept Realisierungsalternativen für die Stromquelle Common-Mode und Elektroden-Mismatch Symmetrische Stromquelle Messverstärker Ergebnisse Gesamtsystem Digitalmodul und Gesamtstruktur Testsystem Oberprüfung normativer Anforderungen Handhabung 98 6 Durchführung eines klinischen Modellversuchs Regulatorische Anforderungen Studiendesign Zielsetzung und Art der Studie Studienkollektiv und beteiligte Zentren Studienablauf und Untersuchungsmethoden Entstandene Datenbasis Signalanalyse und Interpretation der Studiendaten EKG-Rhythmusanalyse Ausgangslage Beschreibung des Ansatzes Bewertung 118 iii
5 7.2 EKG-Parameter zur Risikostratifikation Poincare-Plots Dezelerationskapazität Herzratenturbulenz Aktivitätsbezogene EKG-Analyse Chronotrope Inkompetenz Heart Rate Recovery Atmung Signalaufbereitung und Artefaktbehandlung Atemfrequenz und-tiefe Cheyne-Stokes-Atmung Transthorakale Impedanz Einzelfrequenz-Messungen Multifrequenz-TTI Systemerweiterung durch Defibrillator-Backup Motivation Systemkonzept Prototypische Realisierung Analysemodul Telemetriemodul Audiovisuelle Benutzerschnittstelle Gesamtsystem Diskussion Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick 186 Literaturverzeichnis 189 Eigene Veröffentlichungen 203 Abbildungsverzeichnis 207 Tabellenverzeichnis 211 Abkürzungsverzeichnis 213 iv
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