COPD und Asthma: Neues Device soll ein früheres Erkennen von Exazerbationen ermöglichen

An der University of Nebraska-Lincoln (USA) entwickeln Wissenschaftler einen neuartigen Ansatz, um Exazerbationen chronischer Erkrankungen wie COPD oder Asthma mittels auf der Brust getragener Sensoren zu erkennen.

Mit Unterstützung der National Institutes of Health (NIH) leitet Eric Markvicka ein Projekt zur Entwicklung eines tragbaren Devices, dass mehrere Sensortypen in sich vereinigt. Es soll rascher und exakter erkennen können, wenn es zu akuten Verschlechterungen einer Chronisch-obstruktiven Lungenerkrankung (COPD), Asthma oder Herzerkrankungen kommt. Letztendlich könnte die Technologie es aber auch Gesunden ermöglichen, ihren allgemeinen Gesundheitszustand zu überwachen und frühe Warnzeichen von Erkrankungen zu melden.

Das Gerät soll mehrere Ströme physiologischer Daten sammeln, die mit Zeitstempeln versehen sind, sodass das Forschungsteam besser verstehen kann, wie diese Funktionen miteinander verknüpft sind – und wie Variationen in diesen Kopplungen eine Veränderung des Gesundheitszustands anzeigen können.

Reagieren, noch bevor Symptome auftreten

Bei der Identifizierung von Exazerbationen als das, was sie sind, muss es schnell gehen, um rasch eine entsprechende Behandlung einzuleiten und Komplikationen oder gar Mortalität zu vermeiden. Das kann sich aber schwierig gestalten und viel Zeit in Anspruch nehmen. „Das Ziel ist es, ein tragbares Gerät für diese Patienten zu entwickeln, das als medizinisches Diagnosewerkzeug verwendet werden kann, um akute Verschlechterungen zeitnaher zu erkennen – über einen Zeitraum von Stunden statt Tagen“, erläutert der Biomedizin-Ingenieur Markvicka. „Dieser Rahmen kann auf viele andere chronische Erkrankungen angewendet werden, die durch akute Verschlechterungen gekennzeichnet sind, die wiederum eine rechtzeitige Behandlung erfordern.“

Die Wissenschaftler arbeiten an einer multimodalen Lösung, das Gerät misst also nicht nur einen, sondern mehrere physiologische Parameter. Viele bereits existierende tragbare Geräte erfassen nur einen einzigen Datentyp, wie den Puls oder die Herzfrequenz, und können daher keinen umfassenden Überblick über den Gesundheitszustand des Trägers bieten. Um diese Lücke zu schließen, wird Markvickas Gerät Sensoren enthalten, die Herzfrequenz, Atem- und Schrittdaten überwachen. Auch mittels einer elektronischen Nase gesammelte Daten werden integriert. Dafür überwacht ein passiver Sensor die von der Haut oder im Exhalat ausgeschiedenen chemischen Substanzen. Diese zusätzliche Informationsebene soll die Diagnosefähigkeit des Gerätes verbessern und ein vollständigeres Bild des Gesundheitszustandes einer Person liefern.

Daten mit Zeitstempel ermöglichen tiefergehende Analysen

Ein weiterer großer Vorteil der Neuentwicklung ist, dass die kontinuierlich gesammelten Daten für jeden physiologischen Parameter einen Zeitstempel haben. Der Zugriff auf solche Informationen wird es Markvickas Team ermöglichen, das Potenzial der Biorhythmus-Interkonnektivität als einen früher verfügbaren Marker für gesundheitliche Veränderungen zu untersuchen. Die Forschung zeigt, dass physiologische Funktionen auf zuverlässige Weise gekoppelt sind: Bei Säugetieren beispielsweise beeinflussen sich Atem- und Schrittmuster vorhersehbar gegenseitig auf eine Weise, die die Energieeffizienz maximiert. Dies ist bei COPD-Patienten anders: Bei ihnen sind die beiden Funktionen viel enger gekoppelt, was laut den Forschenden zeigt, dass sich Betroffene nicht dynamisch an Anstrengungen anpassen können. Veränderungen bei diesen zusammenhängenden Funktionen könnten als Frühwarnzeichen für eine Exazerbation dienen. Markvickas Team wird untersuchen, ob Variationen in der Biorhythmus-Interkonnektivität gesundheitliche Veränderungen besser vorhersagen können als ein einzelner Parameter allein.

In einer klinischen Studie soll das Gerät an 45 COPD-Patienten getestet werden. Neben der Untersuchung der Genauigkeit von Biorhythmus-Kopplungen beim Erkennen von Veränderungen der Gesundheitsdaten möchten die Forschenden dabei herausfinden, ob einer der physiologischen Einzelparameter eine Exazerbation rascher vorhersagen kann, als dies durch das Abfragen von Symptomen bei den Patienten der Fall ist.

Als weiteren Vorteil der Technologie nennen die Wissenschaftler das telemedizinische Potenzial. Markvicka stellt sich vor, dass auch Gesunde im Alltag zukünftig von multimodalen Wearables profitieren. Im Moment liefern entsprechende Gerät zwar Daten zur Schrittzahl oder zur Schlafqualität, setzen diese Informationen aber nicht in den Kontext des allgemeinen Gesundheitszustandes und von Umweltfaktoren wie Wetter oder Luftqualität, die die gemessenen Werte beeinflussen können.

„Eines unserer großen Ziele ist es, ein ergänzendes Diagnose-Tool bereitzustellen, das Ärzte zur Unterstützung ihrer Entscheidungsfindung und zur ganzheitlichen Verbesserung der Gesundheit von Menschen nutzen können. Dies wird erreicht, indem diese einfachen Daten, wie die Schrittzahl, mit anderen Biorhythmen kombiniert werden, sodass man einen tieferen Einblick erhält und beispielsweise schlussfolgern kann, dass eine Person krank wird. Die menschliche Physiologie erfährt subtile Veränderungen schon viel früher, als Symptome klinisch erkennbar sind. Das bietet ein Zeitfenster für ein frühes Eingreifen.“