Patientengerichtete Aufzeichnung eines bipolaren Drei-Leiter-Elektrokardiogramms mit einer Smartwatch mit EKG-Funktion

Zusammenfassung

Wir beschreiben ein Protokoll zur patientengesteuerten Registrierung eines dreileitenden bipolaren Elektrokardiogramms durch eine Smartwatch, die identisch mit den Einthoven-Leitungen aus Standard-Elektrokardiogrammen funktioniert. Dies ermöglicht es Patienten, Elektrokardiogramme sofort nach auftretenden Symptomen selbst aufzuzeichnen.

Zusammenfassung

Herzrhythmusstörungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind ein großes Problem der öffentlichen Gesundheit in den Industrieländern. Ein wichtiges Ziel in der Präventivmedizin ist die Reduktion des kardiovaskulären Todes durch Früherkennung von Vorhofflimmern (AF), das Schlaganfall oder früherkennung lebensbedrohlicher Myokardischämie bei akutem Koronarsyndrom verursachen kann. Der Nachweis von Arrhythmie ist oft eine Herausforderung, wenn Symptome auftreten, wenn Patienten keine Chance auf sofortige Elektrokardiogramm -diagnosen haben, oder wenn der Beobachtungszeitraum kurz ist oder ein sofortiger Arztbesuch nicht möglich ist. Smartwatches und andere tragbare Geräte sind in der Lage, eine einzelne Blei-EKG-Aufzeichnung aufzuzeichnen, aber ein einzelnes Blei-EKG reicht oft nicht für die Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen aus. Auch die Diagnose von AF kann schwierig sein, nur mit Informationen aus einem einzigen bipolaren EKG. Einige intelligente Geräte verwenden Photoplethysmographie für die Erkennung von Herzrhythmus, aber diese Technik kann nur indirekte Hinweise auf den zugrunde liegenden Herzrhythmus geben, ist anfällig für Interferenzen, und kann nicht für den Nachweis von Myokard-Ischämie verwendet werden. Ein drei-leiterbipolares EKG wie die Einthoven-Leitungen, die in regulären EKGs verwendet werden, kann nützliche Informationen über den Arrhythmienachweis oder sogar die Diagnose anderer Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Ischämie hinzufügen. Daher beschreiben wir ein Protokoll zur patientengesteuerten Aufzeichnung eines Einthoven-Drei-Leiter-EKG mit einer Smartwatch.

Einleitung

Smartwatches oder andere sogenannte "Wearable Devices" zeigen in westlichen Ländern eine steigende Popularität und einen stark steigenden täglichen Einsatz. Fast 80% der US-Amerikaner besitzen ein Smartphone und mehr als 10% eine Smartwatch¹. Durch einen photoplethysmographischen Sensor mit LED-Licht und Photodioden können einige Smartwatches Pulsfrequenz und Unregelmäßigkeiten aufzeichnen¹. Diese Funktion ermöglicht die Detektion von Arrhythmien, insbesondere AF, mit hoher diagnostischer Genauigkeit^2,3. Für die authentische EKG-Arrhythmieerkennung wurden tragbare, handgeführte und tragbare EKG-Geräte entwickelt, um Smartphone-unterstützte EKG-Aufnahmen zu ermöglichen. Dennoch erlauben diese Geräte die patientenaktivierte Aufzeichnung von Elektrokardiogrammen nur, wenn die Compliance der Patienten für das Tragen des EKG-Geräts extrem hoch ist^4,5,6,7.

Somit wäre das optimale Werkzeug für die medizinische Überwachung eines Patienten ein intelligentes Gerät für den täglichen Gebrauch. Einige Smartwatches der letzten Generation ermöglichen eine einführende EKG-Aufnahme, vergleichbar mit bipolarem Blei Einthoven I von einem Standard 12-Kanal-EKG, wobei die Rückseite der Uhr als positiv und die Krone als negativer Elektrode⁸verwendet werden. Die EKG-Aufzeichnung wird patientengesteuert und aktiviert, wenn Symptome auftreten. Danach erstellt eine Anwendung ein PDF-Dokument zur weiteren Analyse durch einen Arzt. Dennoch reicht die Verwendung eines einführenden EKG zur Diskriminierung von P-Wellen zur Diagnose des Sinusrhythmus manchmal^{nicht aus, 9} für die Erkennung der P-Welle und oft sind mehrere EKG-Leitungen erforderlich⁵. Darüber hinaus ist die Multichannel-EKG-Aufzeichnung obligatorisch für die Diagnose der meisten akuten oder chronischen strukturellen Herzerkrankungen wie Myokardinfarkt (MI), Lungenembolie oder Anzeichen einer akuten Herzinsuffizienz.

Vor mehr als 100 Jahren entwickelte Einthoven eine Methode zur Aufzeichnung eines bipolaren Dreikanal-EKG¹⁰. Dieses dreikanalige EKG bietet die Möglichkeit, die elektrische Herzachse und möglicherweise auch die Myokardischämie zu identifizieren, insbesondere in minderwertigen Regionen des Myokards¹¹. Daher sind in der klinischen täglichen Praxis bipolare Einthoven-Leitungen I-III wesentliche Bestandteile des 12-leiter-EKG und ermöglichen die Herzrhythmusbestimmung oder den Nachweis von Myokard-Ischämie.

Die frühdiagnose und vor allem die frühzeitige Behandlung des Myokardinfarkts hat sich in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert. Dennoch zögern viele Patienten, sich besonders früh nach auftretenden Symptomen mit professioneller Hilfe in Verbindung zu setzen. So verzögert sich der erste medizinische Kontakt und die Einleitung einer angemessenen Behandlung oft¹². Die Registrierung und Übertragung eines patientengesteuerten EKG früh nach Auftreten der Symptome könnte eine spezifische Behandlung beschleunigen und somit ein besseres Patientenergebnis ermöglichen⁷. Bisher ist die Ischämie-Erkennung durch intelligente Geräte begrenzt, da hauptsächlich Ein-Blei-EKGs (Einthoven I) oder wie in unserer Studie maximal drei-Leiter-EKGs (Einthoven I-III) erfasst werden können, die nur einen begrenzten Bereich des Myokards darstellen.

Mehrere Studien verwendeten patientengesteuerte Geräte wie tragbare EKG-Recorder, Smartphones und vor kurzem Smartwatches, für die Erkennung von AF bei Herzpatienten^1,2,5,9. Die Apple Heart Study und die WATCH AF Studie verwendeten den photoplethysmografischen LED-Lichtsensor der Smartwatch zur Erkennung eines unregelmäßigen oder variablen Pulses, der mit Arrhythmie wie AF^1,2korreliert. Unzureichende Signalqualität war der begrenzende Faktor in diesen Studien, was zu einer hohen Abbrecherquote²führte. Eine weitere Smartwatch-Studie nutzte Photoplethysmographie zur AF-Erkennung, zeigte aber auch eine reduzierte Diagnosegenauigkeit im Vergleich zu normalen EKGs¹³.

Die Detektion von AF durch die Registrierung von Pulsunregelmäßigkeiten ist der begrenzende Faktor der Photoplethysmographie, da Herzschlagvariabilitäten aufgrund zusätzlicher Systole oder Sinusarrhythmie auch Pulsunregelmäßigkeiten verursachen können. So kann die Aufzeichnung eines EKG mit einem Smartphone oder einer Smartwatch die Empfindlichkeit und Spezifität der Arrhythmieerkennung erhöhen. Mehrere Smartphone-kompatible Geräte können ein bipolares Ein-Blei-EKG aufnehmen, das Einthoven-Lead I^5,9simuliert. In einer Studie wurde ein bipolares Smartphone-EKG-Gerät für AF-Screening⁹verwendet. In dieser Studie führte eine kleine Spannung von P-Wellen in Blei I zu einer falschen AF-Bestimmung, eine Einschränkung, wenn nur ein ein-Lead-EKG verfügbar ist⁹. EKG-Geräte für das AF-Screening wurden auch bei stationären Patienten auf kardiologischen und geriatrischen Stationen 5^getestet. Die Diagnosegenauigkeit der automatisierten Algorithmen war nur suboptimal und zusätzliche 12-Leiter-EKGs waren oft obligatorisch. Die meisten dieser Geräte haben die Begrenzung von nur einer EKG-Bleiaufnahme (Einthoven I), was nicht immer ausreicht, um Arrhythmie oder Repolarisationserkennung zu gewährleisten.

Nur eine kleine Serie von fünf Patienten zeigte, dass ein herkömmliches 12-Blei-EKG mit einem herkömmlichen bipolaren Smartphone-Gerät nach Modifikation für unipolare Bleiaufnahmen mit EKG-Tabs und Drähten mit Alligatorclips⁴beschreibbar ist. Sie zeigten EKG-Aufnahmen mit guter Signalqualität, aber der begrenzende Faktor ist die Notwendigkeit von Gerätemodifikationen, die patientengesteuerte Selbst-EKG-Aufnahmen erschweren.

Im Gegensatz dazu haben wir die erste Studie zur Aufzeichnung eines EKG mit einer Smartwatch mit den drei bipolaren Einthoven-Leads als Machbarkeitsnachweis bei gesunden Probanden durchgeführt. Mit dem folgenden einfachen Protokoll konnten wir eine hohe Konsistenz zwischen den Smartwatch-Leads und den Einthoven-Leitungen von einem Standard-EKG nachweisen.

Protokoll

Diese Studie wurde gemäß den Erklärungen von Helsinki durchgeführt und von der Ethikkommission der Aerztekammer Westfalen-Lippe (Referenznummer 2019-456) genehmigt.

1. Studie

1. Weisen Sie die Probanden an, wie Sie die Smartwatch für die richtige EKG-Aufzeichnung verwenden.

2. Aufzeichnung eines 12-leiterförmigen Standard-EKG mit einem gemeinsamen Gerät

1. Verwenden Sie ein gemeinsames EKG-Gerät für die Standard-EKG-Aufzeichnung.
2. Stellen Sie die Laufgeschwindigkeit des Papiers auf 50 mm/s ein.
3. Führen Sie die EKG-Aufnahme nach einer 5-min-Ruhezeit in einer Supine-Position durch.
4. Legen Sie die rechte Armelektrode in der Nähe der rechten Schulter.
5. Platzieren Sie die linke Armelektrode in der Nähe der linken Schulter.
6. Legen Sie die rechte Beinelektrode in der Nähe des rechten Knöchels.
7. Platzieren Sie die linke Beinelektrode in der Nähe des linken Knöchels.
8. Platzieren Sie die V1-Elektrode im vierten interkostalen Raum an der rechten parasternalen Linie.
9. Platzieren Sie die V2-Elektrode im vierten interkostalen Raum an der linken parasternalen Linie.
10. Platzieren Sie die V3-Elektrode zwischen V2 und V4.
11. Platzieren Sie die V4-Elektrode im fünften interkostalen Raum an der Mittelklavenlinie.
12. Platzieren Sie die V5-Elektrode im fünften interkostalen Raum an der vorderen Achsellinie.
13. Platzieren Sie die V6-Elektrode im fünften interkostalen Raum an der Mittelachsellinie.
14. Zeichnen Sie ein standardmäßiges 12-Leiter-EKG mit dem Standard-EKG-Gerät auf.
    HINWEIS: Der Patient sollte sich während der EKG-Aufnahme nicht bewegen, um EKG-Artefakte zu verhindern.

3. Aufnahme von Einthoven führt I-III durch eine Smartwatch mit EKG-Funktion

1. Zeichnen Sie Smartwatch-EKGs direkt nach der Aufzeichnung der Standard-EKGs auf.
2. Aktivieren Sie die Anwendung der Smartwatch für EKG-Aufnahmen. Ein 30 s EKG wird direkt nach richtigem Hautkontakt mit der Smartwatch aufgezeichnet.
3. Zeichnen Sie Einthoven I auf, indem Sie die Rückseite der Smartwatch am linken Handgelenk und den rechten Zeigefinger auf die Krone legen (Abbildung 1A).
4. Zeichnen Sie Einthoven II auf, indem Sie die Rückseite der Smartwatch auf den linken Unterbauch und den rechten Zeigefinger auf die Krone legen (Abbildung 1B).
5. Zeichnen Sie Einthoven III auf, indem Sie die Rückseite der Smartwatch auf den linken Unterbauch und den linken Zeigefinger auf die Krone legen (Abbildung 1C).
   HINWEIS: Der rechte und linke Zeigefinger sollte nicht mit der Haut des linken Handgelenks oder des linken Unterbauchs in Kontakt treten, um eine ausreichende EKG-Aufnahme zu gewährleisten. Der Patient sollte sich während der EKG-Aufnahme nicht bewegen, um EKG-Artefakte zu verhindern.

4. Analyse der EKGs

1. Aufgezeichnete Smartwatch-EKGs werden über die Smartphone-App digital gespeichert.
2. Verwenden Sie die Funktion "PDF an Ihren Arzt senden", um ein PDF-Dokument von jedem einzelnen Smartwatch EKG-Lead zu erstellen. Drucken Sie das digitale Smartwatch-EKG auf Papier, um es mit dem Standard-EKG auf bedrucktem Papier zu vergleichen.
3. Klassifizieren Sie alle aufgezeichneten Smartwatch-EKGs als mäßige Signalqualität, wenn mindestens drei aufeinander folgende QRS-Komplexe geräuschfreie Signalqualität aufweisen und es keine Artefakte in den isoelektrischen Leitungen zwischen QRS-Komplexen gibt.
4. Klassifizieren Sie Smartwatch-EKGs als gute Signalqualität, wenn mindestens zehn QRS-Komplexe geräuschfreie Signalqualität aufweisen und es keine Artefakte in isoelektrischen Leitungen zwischen QRS-Komplexen gibt.

5. Statistische Analyse

1. Führen Sie statistische Analysen mit IBM SPSS Statistics durch.
   HINWEIS: Kategoriale Variablen werden als absolute Zahlen und Prozentsätze angezeigt. Kontinuierliche Variablen werden als Mittelwert dargestellt, Standardabweichung. Die Unterschiede der metrischen Ergebnisvariablen wurden durch eine einseitige wiederholte Varianzanalyse (ANOVA) und gepaarten t-Test bewertet. Bei binären Variablen wurde der Test für 2 verwendet.

Ergebnisse

In einer Kohorte von 100 gesunden Probanden (66 frauenhaft) haben wir die Machbarkeit unseres Smartwatch-Aufnahmeprotokolls untersucht. Die Merkmale der Probanden sind in Tabelle 1dargestellt. Nach einem kurzen Tutorial leiteten alle Freiwilligen das EKG-Aufnahmeverfahren mit der Smartwatch. Alle 300 Smartwatch-EKGs waren für die weitere Analyse mit zumindest ausreichender Signalqualität für Diagnosezwecke einsetzbar. Von den gesamten EZB-Zielen entfielen 277 (92%) waren von guter Qualität und 23 (8%...

Diskussion

Intelligente Geräte wie Smartphones und Smartwatches werden zunehmend im Alltag und in der medizinischen Versorgung eingesetzt¹. Diese neuen Geräte und Apps können einen erheblichen Einfluss auf das Gesundheitsbewusstsein der Bevölkerung haben, aber ihre effektive Verwendung muss in Studien getestet werden⁸. Nach bestem Wissen und Gewissen war unsere Gruppe die erste, die diese Methode der einzeiligen EKG-Aufnahmen entsprechend den herkömmlichen Einthoven EKG-Leitungen...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Apple Watch Series 4	Apple	Smartwatch with bipolar ECG function
IBM SPSS Statistics	IBM	version 25 for Mac
MAC 5500	GE Healthcare	Standard 12 channel ECG device