Interpretation der Photoplethys-mographie: Schritt für Schritt
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#AbMorgenRhythmologie Herzschr Elektrophys 2021 · 32:406–411 https://doi.org/10.1007/s00399-021-00795-y Eingegangen: 30. Juni 2021 Interpretation der Photoplethys- Angenommen: 30. Juni 2021 Online publiziert: 24. Juli 2021 mographie: Schritt für Schritt © Der/die Autor(en) 2021 Konstanze Betz1 · Rachel van der Velden1 · Monika Gawalko1 · Astrid Hermans1 · Nikki Pluymaekers1 · Henrike A. K. Hillmann2 · Jeroen Hendriks3,4 · David Duncker2 · Dominik Linz1,4,5,6 1 Department of Cardiology, Maastricht University Medical Centre and Cardiovascular Research Institute Maastricht, Maastricht UMC+, Maastricht, Niederlande 2 Hannover Heart Rhythm Center, Department of Cardiology and Angiology, Hannover Medical School, Hannover, Deutschland 3 Caring Futures Institute, College of Nursing and Health Sciences, Flinders University, Adelaide, Australien 4 Department of Cardiology, Radboud University Medical Centre, Nijmegen, Niederlande 5 Centre for Heart Rhythm Disorders, University of Adelaide and Royal Adelaide Hospital, Adelaide, Australien 6 Department of Biomedical Sciences, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, Kopenhagen, Dänemark Zusammenfassung Basierend auf der Technologie der Photoplethysmographie (PPG) lässt sich mit der Kamera eines Smartphones das Vorliegen von Herzrhythmusstörungen und die Herzfrequenz valide erfassen. Diese Technologie wurde im Rahmen des TeleCheck- AF-Projektes benutzt, um die effektive Durchführung von Telekonsultationen bei Patienten mit Vorhofflimmern zu ermöglichen. Die vorliegende Arbeit soll eine Übersicht über die PPG-Technologie und eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Analyse und Interpretation der PPG-Signale bieten. Damit soll eine Integration und Implementierung dieser vielversprechenden und weit verfügbaren Technik in den klinischen Alltag gebahnt werden. Schlüsselwörter Vorhofflimmern · Herzrhythmusstörung · MHealth · Photoplethysmographie Die Therapie und Diagnostik von Herz- tuell als CE-markiertes, medizinisches rhythmusstörungen nehmen einen gro- Device zur Verfügung. Basierend auf der ßen Stellenwert in der stationären und Photoplethysmographie(PPG)-Technolo- ambulanten Kardiologie ein. Insbeson- gie, lässt sich mit der Kamera eines Smart- dere das Vorhofflimmern gehört dabei phones beispielsweise das Vorliegen von zu den Erkrankungen mit einer hohen Herzrhythmusstörungen valide erfassen Inzidenz, steigenden Prävalenz und zu- [2, 5]. Aktuelle Daten zeigen eine hohe nehmender gesundheitsökonomischer Sensitivität und Spezifität zur Detektion Relevanz [1]. Gleichzeitig beginnt auch von Vorhofflimmern durch PPG-Analysen in Deutschland ein Wandel der Versor- [5–9]. Die aktuellen Leitlinien der Europä- gungslandschaft durch einen Ausbau der ischen Gesellschaft für Kardiologie (ESC) Telemedizin [2]. Insbesondere im Bereich zur Diagnostik und Therapie von Vor- des Screenings auf Vorhofflimmern emp- hofflimmern schreiben für die Diagnose fehlen aktuelle Konsensusdokumente den eines Vorhofflimmerns dessen Nachweis Einsatz sog. Smart Devices [3]. mittels 12-Kanal- (10 s), oder Ein-Kanal- In Deutschland benutzen in etwa 77 % EKG-Registrierungen (30 s) vor [10]. Daher der Gesamtbevölkerung regelmäßig ein eignet sich die PPG-Technologie insbe- Smartphone, welches zur Beurteilung sondere dazu, bei PatientInnen mit bereits des Herzrhythmus in einer breiten Po- diagnostizierten Herzrhythmusstörungen, pulation benutzt werden kann [2, 4]. wie z. B. Vorhofflimmern, telemedizinisch QR-Code scannen & Beitrag online lesen Verschiedene validierte Apps stehen ak- die Frequenz und den Rhythmus zu beur- 406 Herzschrittmachertherapie + Elektrophysiologie 3 · 2021
Abb. 1 9 Darstellung PPG- Funktion: Durch eine Licht- quelle – in diesem Fall Ka- Kontrakon Relaxaon mera-Blitz (1) – fällt Licht 1 (hellroter Pfeil) auf die Ka- pillaren der Fingerspitze. Kapillare Am Hämoglobin des Ge- fäßes wird es pulsatil reflek- tiert (oranger Pfeil) und mit 2 einer bestimmten Wellen- länge durch die Kamera (2) 2 1 detektiert. Je nach Rela- xation oder Kontraktion des Gefäßes, ersteht durch Pulsatilität ein optisches Signal, welches durch die Smartphone-Software in 3 eine Pulskurve (3) transfor- SSmartphone martphone miert werden kann. (Ange- lehnt an [11]) teilen, um die Behandlung entsprechend dringende Licht an den Kapillaren pulsa- PPG-Diagnostik Schritt für Schritt anzupassen [11]. Trotz der raschen Ver- til reflektiert und von der Kamera wie- (. Abb. 3) breitung von PPG-basierten Technologien der erfasst werden kann (. Abb. 1;[2, 12, fehlt bislang eine strukturierte Einwei- 19]). Durch die Software wird das Video- 1. Qualitätscheck: sung von ärztlichem und medizinischem material in eine Pulskurve transformiert Ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist Personal in deren Anwendung. Die damit [2, 11, 12, 20]. Die Zeitintervalle zwischen die gute Unterscheidbarkeit der un- verbundenen Unsicherheiten können da- den einzelnen Peaks geben Auskunft über terschiedlichen Peaks. Zeigen sich zu führen, dass die Technologie, obwohl die Pulsregularität (. Abb. 2; [12]). Zusätz- verrauschte oder überlagerte Signale sinnvoll, nicht eingesetzt wird [11]. lich erfolgt eine Darstellung des Rhythmus und Artefakte, kann eine Interpreta- Telecheck-AF ist ein internationales, mittels Tachogramm und Poincaré/Lorenz- tion der Aufnahme erschwert sein. multizentrisches Projekt zur Implementie- Plotdiagramm (. Abb. 2), wodurch sich ein Wenn mehr als 50 % der Aufnahme rung einer telemedizinischen Infrastruktur individueller Fingerabdruckdes Herzrhyth- (entsprechend 30 s) gestört ist, ist für die Versorgung von PatientInnen mit mus in einer übersichtlichen Form ergibt eine verlässliche Interpretation nicht Vorhofflimmern durch Telekonsultation [11]. ® möglich. Der Fibricheck -Algorithmus und „on-demand“ Herzfrequenz- und In den vorliegenden Beispielen wur- erkennt jedoch Abschnitte mit nied- Rhythmusmonitoring mit Hilfe der vali- de die Smartphone App Fibricheck ® riger Aufnahmequalität automatisch dierten, CE-gekennzeichneten, PPG-ba- ® genutzt. Der Fibricheck -Algorithmus und markiert diese in grau. Peaks mit ® sierten App Fibricheck (Qopium, Hasselt, ® (Fibricheck , Qompium, Hasselt, Belgi- niedriger Aufnahmequalität werden Belgien; [11–18]). um) zeigt im Vergleich zu einem her- blau dargestellt. Sobald sich Hinweise Die vorliegende Arbeit, basierend auf kömmlichen 12-Kanal-EKG in Studien für eine minderwertige Aufnahme Erkenntnissen aus diesem Projekt [11, eine hohe Sensitivität und Spezifität zur zeigen, werden die PatientInnen durch 13–18], soll eine Übersicht über die PPG- Erkennung von Vorhofflimmern [12]. Auch die App umgehend informiert, sodass Technologie und eine Schritt-für-Schritt- im direkten Vergleich der Pulsanalyse von eine Wiederholung stattfinden kann. Anleitung für die Analyse und Interpretati- PatientInnen mit normalem Herzrhythmus Während des TeleCheck-AF-Projektes on der PPG-Signale bieten. Damit soll eine und Vorhofflimmern zeigte sich eine hohe zeigten sich in nur 9,7 % der Fälle Integration und Implementierung dieser Korrelation [20]. Bei anderen Apps kann es qualitativ niedrige Aufnahmen [11, 14, vielversprechenden und weit verfügbaren zu leichten Unterschieden in Art der Dar- 17]. Technik in den klinischen Alltag gebahnt stellung der Daten kommen. Aufgrund der 2. Ergebnischeck: werden [11]. gleichen Funktionsweise im Bereich des Trotz der bereits nachgewiesenen PPG-gesteuerten Rhythmus-Monitorings hohen Sensitivität und Spezifität des PPG-Technologie via Smartphone ist die hier vorliegende ® Fibricheck -Algorithmus zur Detektion Anleitung jedoch leicht übertragbar. von Vorhofflimmern [12] empfiehlt sich Für die PPG-Pulsmessung mittels Smart- eine visuelle Kontrolle des Ergebnisses, phone wird ein Finger vor das Blitzlicht da es bei jedem Algorithmus auch und die Kamera gehalten, so dass das ein- zu Fehldiagnosen kommen kann. Ein Herzschrittmachertherapie + Elektrophysiologie 3 · 2021 407
#AbMorgenRhythmologie PPG-Signal: Die 60 – Sekunden-Herzrhythmus-Kurve Aufnahme eines Sinusrhythmus über 60 Sekunden miels der FibriCheck® App. Die Peaks sind mit roten Punkten markiert, ihre Anzahl auf der Linie zeigt somit die Frequenz pro Minute an. Ein Pulszyklus wird durch die zeitliche Distanzmessung zwischen zwei aufeinander folgenden Peaks errechnet. T chogramm: Ta Tachogramm: Poincaré/Lorenzplot: Herzschlag-zu-Herzschlag-Intervall in Millisekunden Vergleich nachfolgender Herzschläge Die Puls-Zykluslänge Das Tachogramm T ogramm zeigt Tach (Zeintervall) ist hier als die Zeintervalle (Y- Funkon des Achse) der aufeinander- vorausgegangenen folgenden Pulssignale (X- Intervalls dargestellt. Achse). So kann die Dadurch entsteht ein Variabilität des „Fingerabdruck“ des Zeintervalls zwischen individuellen zwei Herzakonen Herzrhythmus. einfach dargestellt werden. Grau: unzureichende Signalqualität Abb. 2 8 Übersicht eines Ergebnisberichts am Beispiel eines Sinusrhythmus aus anonymisierten FibriCheck -Analysen. (An- ® gelehnt an [11]) irregulärer Rhythmus, wie z. B. das Vor- die rein PPG-basierte Interpretation Frequenz je nach Überleitung bei hofflimmern, zeigt sich üblicher Weise und Unterscheidung zwischen einer 120–160/min (2:1 Überleitung), durch eine Irregularität der Intervalle regulären Rhythmusstörung und 100/min (3:1 Überleitung) oder zwischen den Peaks (. Abb. 4). Dies re- einem Sinusrhythmus erschwert 75/min (4:1 Überleitung). Zudem sultiert in einer diffusen Verteilung der [11, 12]. Speziell bei Rhythmus- ist die Angabe von Symptomen wie Punkte im Tachogramm und Poincaré/ störungen mit normofrequenten Palpitationen durch den Patienten Lorenz Plot Diagramm. In Letzterem ventrikulären Schlägen (wie z. B. ® in der Fibricheck -App ein wich- fehlt das bei einem regulären Rhyth- bei normofrequentem Vorhofflat- tiger Indikator für eine mögliche mus typische Clusterbild (. Abb. 4 tern) kann in der Regel nicht sicher zugrunde liegende, regelmäßige Sinusrhythmus/Vorhofflattern). Zeigen durch die PPG-Messung differenziert Herzrhythmusstörung. In manchen sich Zweifel an der durch Fibricheck werden [11, 12]. Häufig kann die Fällen ist letztendlich eine definitive angegebenen Diagnose, folgt Schritt 3 weitere Evaluation von mehreren Diagnose mittels PPG-Messung nicht [11]. aufeinanderfolgenden Messungen immer möglich [11]. Bei unklaren 3. Regularitätscheck: Informationen über den zugrun- Fällen sollte eine 12-Kanal- oder Ein regelmäßiger Abstand der Peaks, de liegenden Rhythmus genutzt Langzeit-EKG-Untersuchung oder eine geradlinige Darstellung auf werden. elektrophysiologische Untersuchung dem Tachogramm sowie eine dichte Ein Sinusrhythmus zeigt dabei in auf- diskutiert werden. Hier können die Clusterbildung im Poincaré/Lorenz- einanderfolgenden Aufnahmen in PPG-basierten Aufnahmen und Plotdiagramm zeigen einen regu- der Regel keine identische Frequenz der Symptombericht der Patient- lären Rhythmus an (. Abb. 4). Alle und auch eine Atemvariabilität Innen jedoch zur Indikationsstellung Abweichungen sind als Hinweise auf (. Abb. 4). Liegt in aufeinanderfol- genutzt werden. Irregularität zu werten und müssen genden Messungen aber anhaltend b. Differenzierung eines unregel- gesondert beurteilt werden [11]. eine identische Frequenz vor, ist mäßigen Rhythmus: Im ersten a. Differenzierung eines regelmä- eine regelmäßige Herzrhythmusstö- Schritt sollte darauf geachtet wer- ßigen Rhythmus: Bei einigen rung zu vermuten (. Abb. 4; [11]). den, ob trotz Irregularität dennoch Herzrhythmusstörungen mit re- Für die weitere Unterscheidung ein Sinusrhythmus mit erhöhter gelmäßigen RR-Intervallen, wie regelmäßiger Herzrhythmusstö- Herzfrequenzvariabilität vorliegt. z. B. Vorhofflattern, regelmäßiger rungen eignet sich ein Blick auf Eine erhöhte Herzfrequenzvaria- Vorhoftachykardie, AVNRT, AVRT das Frequenzspektrum: Bei einem bilität zeigt eine Wellenform im und hämodynamisch stabiler VT, ist Vorhofflattern liegt die typische Tachogramm und eine elliptoide 408 Herzschrittmachertherapie + Elektrophysiologie 3 · 2021
Beispiele Tachogramm Poincaré Bemerkungen Qualitätscheck Blick auf serielle Peaks sicher zu differenzieren? a Aufnahmen und Frequenzspektrum Leichte Variabilität
#AbMorgenRhythmologie Sinusrhythmus Vorhofflimmern Extrasystolen Vorhofflattern Extrasystolen Abb. 4 8 Beispiele für PPG-Aufnahmen, Tachogramm und Poincaré/Lorenzplot häufiger Diagnosen. Diese Aufnahmen ba- ® sieren auf anonymisierten Ergebnisberichten der Fibricheck -App. (Angelehnt an [11]) Fazit und Perspektive abzeichnet, steht eine flächendeckende Einhaltung ethischer Richtlinien Implementation einer solchen telemedi- Interessenkonflikt. K. Betz, R. van der Velden, M. Ga- Die vorliegende Anleitung zur Evaluati- zinischen Infrastruktur, wie in TeleCheck- walko, A. Hermans, N. Pluymaekers, H.A.K. Hillmann, on und Interpretation von PPG-basierten AF beschrieben, in Deutschland noch vor J. Hendriks, D. Duncker und D. Linz. geben an, dass kein Rhythmusanalysen soll den Einstieg in einigen Herausforderungen. Interessenkonflikt besteht. den Bereich des telemedizinischen Moni- Es bleibt spannend zu sehen, wie sich Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine torings von Herzrhythmusstörungen via die telemedizinische und mHealth-basier- Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Smartphone (am Beispiel von Fibricheck ) ® te klinische Landschaft in naher Zukunft Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien. erleichtern. Im Rahmen des multizentri- auch in Deutschland verändern wird. Wei- schen, internationalen Telecheck-AF-Pro- tere Studien zur Validierung und Imple- Open Access. Dieser Artikel wird unter der Creative jekts erfolgte die Implementation einer mentierung von telemedizinischen Infra- Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, telemedizinischen Infrastruktur zum PPG- strukturen sind hier noch nötig. Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jegli- basierten Monitoring von Patienten mit chem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die bekanntem Vorhofflimmern in verschie- Korrespondenzadresse ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsge- mäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz denen klinischen Szenarien. Hier konnte beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenom- Dominik Linz, MD, PhD gezeigt werden, dass Patienten motiviert Department of Cardiology, Maastricht men wurden. sind, eine App für 7 Tage vor einer ge- University Medical Centre and Cardiovascular Die in diesem Artikel enthaltenen Bilder und sonstiges planten Telekonsultation „on-demand“ zu Research Institute Maastricht, Maastricht Drittmaterial unterliegen ebenfalls der genannten benutzen. Dabei war das Alter keine Li- UMC+ Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbil- 6202 AZ Maastricht, Niederlande dungslegende nichts anderes ergibt. Sofern das be- mitation. Das mediane Alter war 65 Jahre dominik.linz@mumc.nl treffende Material nicht unter der genannten Creative und der älteste Patient war 92 Jahre alt Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung [11, 14, 16, 17]. Das Telecheck-AF-Projekt nicht nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für ist auch an einigen deutschen Kranken- die oben aufgeführten Weiterverwendungen des Ma- Funding. Open access funding provided by Maas- terials die Einwilligung des jeweiligen Rechteinhabers häusern erfolgreich implementiert, und einzuholen. tricht University Medical Center (UMC+). es erfolgt zurzeit eine retrospektive Da- tensammlung und Analyse [11]. Auch wenn der klinische Nutzen sich bereits 410 Herzschrittmachertherapie + Elektrophysiologie 3 · 2021
Abstract Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der Lizenzinformation auf http://creativecommons.org/ Interpretation of photoplethysmography: a step-by-step guide licenses/by/4.0/deed.de. By applying photoplethysmography (PPG), the camera of the mobile phone can be used to remotely assess heart rate and rhythm, which was widely used in conjunction with teleconsultations within the TeleCheck-AF project during the coronavirus disease Literatur 2019 (COVID-19) pandemic. Herein, we provide an educational, structured, stepwise 1. SchnabelRB, JohannsenSS, WildPS, BlankenbergS practical guide on how to interpret PPG signals. A better understanding of PPG (2015) Prävalenz und Risikofaktoren von Vorhof- recordings is critical for the implementation of this widely available technology into flimmern in Deutschland. Herz. https://doi.org/10. clinical practice. 1007/s00059-014-4199-6 2. Ledwoch J, Duncker D (2020) eHealth – Smart Devices revolutionieren die Kardiologie. Herzschr Keywords Elektrophys. https://doi.org/10.1007/s00399- Atrial fibrillation · Heart rhythm disorders · Mobile health · Photoplethysmography 020-00700-z 3. Mairesse GH, Moran P, van Gelder IC, Elsner C, Rosenqvist M, Mant J, Banerjee A, Gorenek B, Brachmann J, Varma N, Glotz de Lima G, Kalman J, Claes N, Lobban T, Lane D, Lip GYH, Boriani G, for Cardio-Thoracic Surgery (EACTS). 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