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Wegbereiter für eine bessere EKG-Analyse bei Kindern

Ärzte verwenden zunehmend Software zur automatischen Bewertung von EKG-Langzeit-Überwachungssignalen bei erwachsenen Patienten, für Kinder wurde aber bislang keine derartige Software entwickelt. Cardiomatics und die Medizinische Universität Warschau sind auf dem Weg zu einem Durchbruch in der Kinderkardiologie. Sie entwickeln ein international innovatives Instrument zur automatischen Bewertung, Analyse und Interpretation von elektrokardiographischen (EKG-) Signalen von pädiatrischen Patienten.

 

EKG-Diagnostik bei Kindern heute

Die Langzeit-EKG-Überwachung ist ein Standardtest, der in der klinischen Praxis der Kinderkardiologie durchgeführt wird. Derzeit ist eine zunehmende Zahl von Kindern mit Indikationen für eine Langzeit-EKG-Überwachung feststellbar. Die häufigsten Indikationen in dieser Patientengruppe sind Herzfehler vor und nach Herzoperationen, Palpitationen, Synkopen, Verdacht auf Kardiomyopathie, Brustschmerzen, eine Bewertung von antiarrhythmischen Behandlungen und ein kompletter atrioventrikulärer Block. Um eine Langzeit-EKG-Untersuchung bei Kindern durchzuführen, verwenden Ärzte dieselben EKG-Signalrekorder und dieselbe standardisierte Analysesoftware, die bei erwachsenen Patienten zum Einsatz kommt. Bei Verwendung von Standardalgorithmen kann die manuelle Analyse von Langzeit-EKG-Aufzeichnungen von Kindern sehr zeitaufwändig und schwierig sein.

Im Vergleich zu Erwachsenen bestehen bei pädiatrischen Patienten eine Reihe von Herausforderungen im Zusammenhang mit der automatisierten Analyse des EKG-Signals. Dies liegt an ausgeprägten, altersabhängigen kardiovaskulären Eigenschaften – die Signalmorphologie und -amplitude sind stark vom Alter des Patienten, Sinusarrhythmien oder einer hohen Herzfrequenz abhängig. Angesichts dieser Faktoren ist eine qualitativ hochwertige automatisierte Analyse auf der Grundlage von Standardsoftware, wie sie bei Erwachsenen verwendet wird, unmöglich.

Wenn wir zu Instrumenten greifen, die für die EKG-Analyse von Erwachsenen geeignet sind, und sie bei Kindern anwenden, könnten wir am Ende sogar eine falsche Interpretation der automatischen Aufzeichnungen erhalten. Wenn die automatische Signalanalyse fehlerhaft ist, muss die gesamte Analyse manuell durch Menschen durchgeführt werden, was ein langwieriger und zeitaufwändiger Prozess ist. Aus diesem Grund ist das Fehlerrisiko und insbesondere das Risiko, wichtige elektrokardiographische Ereignisse zu übersehen, größer als bei der automatischen Analyse; dies kann dazu führen, dass signifikante Arrhythmien und Erregungsleitungsstörungen nicht diagnostiziert werden, was wiederum bedeutet, dass erforderliche pharmakologische Maßnahmen oder pharmakologische Eingriffe möglicherweise nicht rechtzeitig durchgeführt werden“, betont Prof. Dr. med. Bożena Werner, Leiterin der Klinik für Kinderkardiologie und allgemeine Kinderheilkunde am Klinischen Kinderkrankenhaus der Medizinischen Universität Warschau (MUW).

Es gibt gelegentlich Berichte über Algorithmen, die das EKG-Signal von pädiatrischen Patienten interpretieren, allerdings nur im Fall eines 12-Kanal-Ruhe-EKGs. Bisher wurden jedoch keine KI-basierten Lösungen entwickelt, um Langzeit-EKG-Aufzeichnungen für Kinder zu analysieren. Bis heute ist die Kinderkardiologie im Kontext der sich ausbreitenden KI-Systeme ein weißer Fleck geblieben, und doch gehört sie zu den medizinischen Fachrichtungen, die mehr als andere von neuen technologischen Lösungen profitieren können.

 

Algorithmen von Cardiomatics, die Kindern mit Herzerkrankungen helfen sollen

Als ein im Bereich F&E tätiges Unternehmen gehört Cardiomatics zu den Marktführern beim Einsatz künstlicher Intelligenz in der Medizin. Seit bereits mehr als drei Jahren erleichtert Cardiomatics die tägliche Arbeit von Ärzten, indem es ein cloudbasiertes Instrument zur automatischen Analyse von EKG-Signalen bereitstellt. Das Instrument gewährleistet eine sichere Datenverarbeitung und ist als Medizinprodukt der Klasse IIa CE-zertifiziert. Jeden Tag minimiert Cardiomatics dank innovativer KI-basierter Algorithmen den Zeitaufwand für die Datenauswertung durch Kardiologen. Das Instrument wird derzeit in mehr als 600 kardiologischen Zentren in ganz Europa eingesetzt und unterstützt die Analyse von Langzeit-EKG-Aufzeichnungen bei erwachsenen Patienten. Als logischer nächster Schritt für das System wurde die Entscheidung getroffen, eine Lösung zur Unterstützung der EKG-Diagnostik für Kinder zu entwickeln.

Die Bedürfnisse von Kardiologen wurden jahrelang vernachlässigt. Da wir jeden Tag mit Ärzten sprechen, wissen wir nur zu gut, dass sie oft schwierige Diagnosen von Herzerkrankungen bei Kindern durchführen und sich dabei auf unzureichende Instrumente verlassen müssen. Die daraus resultierenden Probleme beziehen sich nicht nur auf den sehr ungünstigen Arbeitsablauf, sondern auch auf ein enormes Fehlerrisiko, das Ärzte bei der Analyse von EKG-Aufzeichnungen für Kinder eingehen. Basierend auf unserer Erfahrung, die sich dank KI und maschinellem Lernen Tag für Tag erweitert, sind wir bereit, die Herausforderung anzunehmen, die Zukunft der Kinderkardiologie zu verändern“, betont Rafał Samborski, CEO von Cardiomatics.

 

Ein bevorstehender Durchbruch in der Kinderkardiologie

Cardiomatics, der Entwickler der bekannten digitalen EKG-Analysetechnologie, hat sich mit einem Team der Medizinischen Universität Warschau (MUW) zusammengeschlossen und startete kürzlich ein Projekt unter dem Titel: Entwicklung eines innovativen Instruments zur automatischen Beurteilung von Arrhythmien und Erregungsleitungsstörungen bei pädiatrischen Patienten – Cardiomatics Junior.

Dieses innovative Projekt wird eine effektivere Beurteilung von Herzrhythmusstörungen bei Kindern ermöglichen und die Zeitspanne reduzieren, die Kardiologen für die Auswertung von Daten aus der Langzeit-EKG-Überwachung benötigen, indem KI-basierte Algorithmen von Cardiomatics zum Einsatz kommen.

Eine zentrale Herausforderung wird darin bestehen, Algorithmen zu entwickeln, die eine qualitativ hochwertige Analyse von EKG-Signalen bei Kindern ermöglichen. Die Algorithmen basieren auf tiefen neuronalen Netzwerkarchitekturen wie ResNet und stützen sich auf gefilterte EKG-Signale. Gleichzeitig wird der Algorithmus primär anhand einer Datenbank mit Signalen von pädiatrischen Patienten trainiert, die in Zusammenarbeit mit Forschern der MUW aufgebaut wird.

Auf Seiten von Cardiomatics wird die Projektumsetzung von Mariusz Mąsior, Leiter der Technischen Abteilung, und Dr. Katarzyna Barczewska, Leiterin des F&E-Teams von Cardiomatics, überwacht. Im Auftrag der MUW wird das Projekt von einem Team von Kardiologen unter der Leitung von Prof. Dr. med. Bożena Werner und Dr. med. Radosław Pietrzak geleitet.

Das Forschungsteam steht vor zahlreichen technologischen Herausforderungen, deren Bewältigung eine Voraussetzung für die Sicherstellung einer hervorragenden Leistung von Cardiomatics Junior ist. Dazu gehören die: 

  • Erstellung einer repräsentativen Datenbank für jede Altersgruppe als Grundlage zum Trainieren der Algorithmen, Erstellung von Richtwerten aus Perzentilrastern, 
  • Eliminierung des Risikos von falschen positiven Diagnosen bei der Erkennung von Vorhofflimmern bei Kindern und Identifizierung echter Arrhythmien,
  • Nutzung und Interpretation von Informationen zur Herzfrequenzaktivität und -morphologie,
  • Berücksichtigung der Variabilität des Sinusrhythmus bei Kindern und Bereitstellung seiner korrekten Interpretation,
  • Berücksichtigung des Interpretationsmodus für Sportmedizin und Leistungsbeurteilung,
  • Berücksichtigung der Besonderheiten des EKG-Signals und des Herzrhythmus bei Kindern, z. B. ein als Arrhythmie fehlgedeuteter unregelmäßiger oder sehr hoher Rhythmus (P-Welle in T-Welle versteckt), unterschiedliche Volatilität (sehr niedrig bei kleinen Kindern, hoch bei älteren), sehr hohe T-Wellen bei Kleinkindern, sehr niedrige QRS-Komplexe,
  • Eliminierung von Bewegungsartefakten, die bei Kindern aufgrund ihrer höheren motorischen Aktivität im Vergleich zu Erwachsenen viel häufiger vorkommen.

„Die Entwicklung eines zuverlässigen Cardiomatics-Systems zur automatisierten Analyse von Langzeit-EKG-Aufzeichnungen bei Kindern wird nicht nur die Arbeit von Klinikärzten verbessern, sondern auch die Zugänglichkeit und Vielseitigkeit dieser Untersuchung verbessern, die eine sehr wichtige Rolle bei der Erkennung von Herzrhythmus- und Erregungsleitungsstörungen in der Pädiatrie spielt. Die Technologie von Cardiomatics wird auch die Diagnose dieser Erkrankungen verbessern und einen Weg für eine angemessene Therapie in einem früheren Stadium ebnen. In einigen Situationen könnte sie sogar dabei helfen, lebensbedrohliche Arrhythmie-Ereignisse wie ventrikuläre Tachykardie oder einen plötzlichen Herzstillstand bei solchen Erkrankungen wie Kanalopathien zu vermeiden“, sagt Dr. med. Radosław Pietrzak.

In der täglichen Praxis wird Cardiomatics Junior die Analysezeit potenziell auf 5 Minuten minimieren und bereits innerhalb von bis zu 15 Minuten die vollständige Erstellung und Bereitstellung eines Berichts ermöglichen. Dies wird es Ärzten erlauben, ihre derzeitigen Behandlungsroutinen für Patienten zu ändern: jetzt kann der Arzt den Patienten bereits beim zweiten Besuch, wenn er den Langzeit-EKG-Monitor entfernt, über die Ergebnisse informieren, ohne dafür bis zum nächsten Termin warten zu müssen. Diese Lösung wird auch die Untersuchungsmöglichkeiten erweitern. Die automatisierte Analyse wird die Verfügbarkeit der Langzeit-EKG-Diagnostik und ihre potenzielle Implementierung in einer größeren Anzahl medizinischer Einrichtungen verbessern. In Zeiten der COVID-19-Pandemie wird empfohlen, die Anzahl persönlicher Termine, insbesondere für Kinder nach Herzoperationen, zu begrenzen, um die Exposition gegenüber Krankheitserregern (einschließlich Viren und Bakterien) zu reduzieren. 

Das neue Produkt wird ein wirksames Instrument zur schnellen Diagnose von Herzerkrankungen sein, von dem viele Anwender profitieren. Cardiomatics Junior richtet sich in erster Linie an:

  • Ärzte, einschließlich Kinderkardiologen, Sportmediziner und Kinderärzte, die an der Durchführung eines Arrhythmie-Screenings interessiert sind,
  • Hersteller von Langzeit-EKG-Monitoren, die mit ihrem eigenen Gerät eine pädiatrische Langzeit-EKG-Analyse ermöglichen möchten,
  • An der Durchführung klinischer Studien beteiligtes Personal.

Die letztendlichen Nutznießer des erfolgreichen Abschlusses dieses Projekts werden jedoch junge Patienten und ihre Eltern sein.

Die F&E-Arbeit wird für weitere drei Jahre fortgesetzt, dafür steht ein Budget von 5.363.925 PLN zur Verfügung. Die Durchführung des Projekts wird vom Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung in Polen unterstützt.

 

 

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