Können Wearables Leben retten?

Smart Watches und Herzfrequenz-Sensoren

Pulsuhren gibt es nicht erst seit der Apple Watch : Schon Anfang der 1980er Jahre haben Skilangläufer in Finnland ihre Herzfrequenz beim Training und in Ruhe mit Hilfe des ersten drahtlosen Pulsmessgerätes Polar Sport Tester PE 2000 überwacht. Die Entwickler  Polar Electro stellen übrigens bis heute Pulsuhren her.

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Das Prinzip der Pulsuhren ist lange Zeit gleich geblieben: Mittels eines Brustgurtes werden Elektroden auf der Haut des Brustkorbes fixiert, die dort – ähnlich einem EKG – die elektrische Aktivität des Herzens ableiten. Das so aufgenommene Signal wird per Funk an den Monitor übermittelt, der wie eine Armbanduhr am Handgelenk getragen wird. Nach diesem Prinzip funktionierende Pulsuhren werden bis heute von Profi- und Freizeitsportlern benutzt.

Lesetipp: Wearables als ständige Begleiter – Probleme und Möglichkeiten

Daneben werden seit einiger Zeit Pulsuhren ohne Brustgurt, Fitness-Armbänder und Smart Watches mit Pulsuhrfunktion,  angeboten. Bei diesen Modellen erfolgt die Bestimmung der Herzfrequenz nicht durch Messung der elektrischen Aktivität des Herzens über dem Brustkorb, sondern mit einem anderen Verfahren: der sogenannten Photoplethysmographie.

Bei dieser Methode wird Infrarotlicht auf ein Stück Haut gerichtet (dieses kann im Prinzip eine beliebige Körperstelle sein, so lange sie gut genug durchblutet ist) und die Reflexion dieses Lichts von einem Sensor gemessen. Hämoglobin, der rote Blutfarbstoff, absorbiert infrarotes Licht besonders gut, sodass weniger Licht reflektiert wird, wenn eine Pulswelle durch die oberflächlichen Adern läuft, sie also für einen Moment besonders gut gefüllt sind.

Im medizinischen Bereich wird die Photoplethysmographie schon lange eingesetzt, beispielsweise zur Pulsmessung an medizinischen Monitoren. Seit einigen Jahren werden entsprechende Sensoren nun auch in Geräten für Verbraucher eingebaut – beispielsweise in die Apple Watch , die Huawei Watch oder das Fitbit.

Wie entsteht ein Puls?

Im Herzen geben einige Schrittmacherzellen (beim Gesunden im sogenannten Sinusknoten) durch ihre elektrische Aktivität den Takt an: Sie leiten elektrische Impulse an die umgebenden Muskelzellen weiter, die sich daraufhin zusammenziehen. Passiert dies im Vorhof, wird das Blut in die Kammern gepumpt. Ziehen sich schließlich die Kammern zusammen, wird das Blut in den Kreislauf gepumpt – das ist am Hals oder am Handgelenk mit bloßem Finger zu fühlen und überall dort, wo keine große Arterie verläuft, immer noch mit Hilfe der Photoplethysmographie zu messen.

Die Aktivitäten von Vorhöfen und Kammern müssen jedoch miteinander koordiniert sein, damit effektiv gepumpt werden kann. Wenn beispielsweise die Aktivität in den Vorhöfen chaotisch ist, entsteht sogenanntes Vorhofflimmern, und die Weiterleitung des Blutes von den Vorhöfen in die Kammern ist weniger effektiv.

Noch schlimmer: Durch den verringerten Fluss kann es zur Bildung von Blutgerinnseln in den Vorhöfen kommen. Aus dem linken Vorhof kann ein solches Blutgerinnsel in die Hirnarterien gespült werden und dort einen Schlaganfall auslösen.

Bis es zu so einem katastrophalen Ereignis kommt, äußert sich Vorhofflimmern nur in einem unregelmäßigen Puls, den die Betroffenen oft gar nicht bemerken. Der unregelmäßige Puls entsteht dabei folgendermaßen: Die chaotische elektrische Aktivität in der Vorhöfen hat eine hohe Frequenz. Die Zellen, die darauf spezialisiert sind, elektrische Impulse von den Vorhöfen auf die Kammern weiterzuleiten (beim Gesunden im sogenannten AV-Knoten), haben jedoch nach jedem Impuls eine sogenannte Refraktärzeit, in der sie nicht ansprechbar sind – sie lehnen es sozusagen ab, Impulse in jeder beliebig hohen Frequenz weiterzuleiten. Sie geben daher nicht jeden Impuls aus den Vorhöfen an die Kammern weiter, sondern nur einige davon. Da die schnellen Impulse nicht in regelmäßigen Abständen kommen, haben auch die wenigen weitergeleiteten Impulse keinen regelmäßigen Abstand.

Unregelmäßiger Puls ist jedoch nicht gleich unregelmäßiger Puls: Auch beim gesunden Menschen schwankt die Pulsfrequenz mit dem Atem – der Puls wird beim Einatmen schneller und beim Ausatmen langsamer. Und es gibt Herzrhythmusstörungen, die für den Betroffenen nicht gefährlich werden. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten supraventrikulären Extrasystolen: einzeln auftretende zusätzliche Herzschläge, die bei ansonsten gesunden Menschen normalerweise nicht behandelt werden müssen.

EKG versus Pulsmessung

Im Vergleich zur elektrischen Messung der Herzaktivität ist die Messung der Pulswelle weniger informativ: Während Herzrhythmusstörungen allein anhand ihres Bildes im EKG differenziert und diagnostiziert werden können, lässt sich über den Puls nur sagen, wie hoch seine Frequenz und ob er regelmäßig ist.

Das oben genannte Beispiel des Vorhofflimmerns, bei dem unorganisierte Aktivität der Vorhöfe unregelmäßig auf die Kammern übergeleitet wird, lässt sich so im EKG eindeutig diagnostizieren.

Bei der Pulsmessung kann man lediglich feststellen, dass der Puls unregelmäßig ist – ein Zustand, der auch durch andere Arten von Herzrhythmusstörungen sowie durch normale Vorgänge (Stress, körperliche Aktivität, Koffeinkonsum) hervorgerufen werden kann.

Das bedeutet: Herzrhythmusstörungen, die auf unterschiedliche Art entstehen, sich in ihrer Gefährlichkeit für den Betroffenen unterscheiden und die auf verschiedenen Wegen behandelt werden, können bei der reinen Pulsmessung (etwa durch eine Smart Watch oder einfach durch einen Finger auf der Halsarterie) gleich aussehen.

Ein unregelmäßiger Puls oder ein Puls mit besonders hoher oder niedriger Frequenz ist also lediglich ein erster Anhaltspunkt dafür, dass eine Herzrhythmusstörung vorliegen könnte und wird heutzutage stets mit Hilfe eines EKG und, wenn nötig, weiterer Untersuchungen abgeklärt.

Die Frage, die einige Wearables-Experten aufwerfen, ist nun: Kann sich dies in Zukunft ändern?

Deep Learning zur Diagnose von Herzrhythmusstörungen

Die Entwickler der App Cardiogram für die Apple Watch haben sich mit Medizinern der University of California San Francisco (UCSF) zusammengetan, um einen Algorithmus zu entwickeln, der es möglich macht, nur anhand der Pulsmessungen der Apple Watch und ohne zusätzlichen EKG-Sensor ein Vorhofflimmern zu diagnostizieren.

Ihr Ansatz: Sowohl die Daten von Apple-Watch-Trägern mit einem bekannten Vorhofflimmern als auch Daten von gesunden Trägern werden mit Methoden des Deep Learning analysiert. Der Algorithmus lernt also, an subtilen Feinheiten der Pulsfrequenzschwankung den Unterschied zwischen Vorhofflimmern und einem aus anderen Ursachen entstehenden unregelmäßigen Puls zu erkennen. Der zugrundeliegende Ansatz wird als Deep Learning bezeichnet – eine Form des Machine Learning, die besonders gut auf Klassifikation anhand komplexer Merkmale zugeschnitten ist und die auf der bereits lange bekannten Methode der künstlichen neuralen Netzwerke beruht. Erste Resultate der Studie sollen Ende 2016 veröffentlicht werden.

Intelligente Apps werden sinnvolle Diagnosen stellen

Aktuelle Berichte über die lebensrettende Wirkung von Smart Watches sind zwar nicht ganz aus der Luft gegriffen, aber doch deutlich übertrieben: Wenn ein Mensch sich unwohl fühlt, sich daraufhin mit dem Finger den Puls fühlt und sich dann aufgrund des unregelmäßigen Pulses zum Arzt begibt und ein anderer statt des Fingers die Smart Watch einsetzt, hat die Smart Watch dann sein Leben gerettet?

Nichtsdestotrotz ist absehbar, dass intelligente Apps auf den Markt kommen, die über die bisher primitiven Möglichkeiten der Messung der Pulsfrequenz hinaus sinnvolle Diagnosen stellen und den Nutzer alarmieren können.

Wenn man diesen Faden weiterspinnt, ist auch vorstellbar, dass solche Devices direkt mit der Praxis des Hausarztes oder Kardiologen vernetzt werden – wenn die entsprechende Infrastruktur vorhanden ist (siehe E-Health-Gesetz) und der Schutz der Patienten- und Anwenderdaten gewährleistet wird.