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.
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Herzschrittmachertherapie + Elektrophysiologie 3 · 2021 411
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