Hämodynamische Kennwerte wie Schlagvolumen, enddiastolisches und endsystolisches Volumen, Ejektionsfraktion, Herzzeitvolumen oder diastolische Füllungsdynamik sind entscheidend für Diagnostik, Triage und Therapieentscheidungen. Gleichzeitig sind die etablierten Messwege häufig entweder ressourcenintensiv (Echokardiografie), invasiv (Katheter) oder nicht durchgehend verfügbar. Ein modellbasierter Ansatz, der aus den Phasenlängen eines standardisierten EKGs belastbare Volumen- und Flussgrößen ableitet, schließt diese Lücke: Er nutzt vorhandene EKG-Systeme, liefert fortlaufende Trends und kann in Echtzeit in bestehende Workflows integriert werden – ohne zusätzliche Sensorik oder Hardware.

Von Phasenlängen zu Volumina: Das Prinzip hinter der Modellierung

Zwischen elektrischer Aktivierung (EKG) und mechanischer Pumpleistung besteht eine verlässliche, wenngleich nicht starre Kopplung. Der Schlüssel liegt in der Nutzung der EKG-Phasenlängen als Proxy für systolische und diastolische Zeitintervalle und deren Abbildung auf mechanische Ereignisse des Herzzyklus.

Kernbausteine:

• Identifikation kardiologischer Zeitmarker im EKG: Beginn der ventrikulären Depolarisation (QRS-Onset), QRS-Dauer, QT-Intervall, T-Wellen-Ende, RR-Intervall, PQ/PR-Zeit. Diese Marker korrespondieren mit isovolumetrischer Kontraktion, Auswurfphase, isovolumetrischer Relaxation und Füllungsphasen.
• Systolische Zeitintervalle: Das Verhältnis aus Vor-Ejektionsperiode (elektromechanische Kopplungszeit) zu Ejektionszeit liefert eine robuste Information zur Kontraktilität. Verkürzt sich die Vor-Ejektionsperiode und verlängert sich die Ejektionszeit, ist das häufig ein Zeichen verbesserter systolischer Funktion.
• Diastolische Dynamik: Veränderungen zwischen T-Ende und dem frühdiastolischen Abschnitt sowie die Frequenzabhängigkeit (RR-abhängige Adaptation) geben Hinweise auf Relaxation und Füllung; modellbasierte Ableitungen bilden E/A-Entsprechungen und die frühe Füllungsrate als Dynamikparameter ab.
• Mathematisches Modell: Aus den Zeitintervallen und Herzfrequenz werden flussbezogene Größen zunächst dimensionslos geschätzt (z. B. relative Auswurfleistung pro Zyklus). Mit physiologischen Nebenbedingungen (z. B. Schlagvolumen × Herzfrequenz = Herzzeitvolumen, Volumenkonsistenz über Zyklen) und optionalen demografischen Kovariaten (Körperoberfläche, Alter) entsteht eine konsistente Volumenlösung. Moderne Verfahren nutzen populationsbasierte Priors, patientenindividuelle Baselines und maschinelles Lernen, um die elektromechanische Kopplung patientenspezifisch zu kalibrieren.
• Ergebnisparameter: Schlagvolumen (SV), enddiastolisches Volumen (EDV), endsystolisches Volumen (ESV), Ejektionsfraktion (EF = SV/EDV), Herzzeitvolumen (HZV = SV × HF) sowie Indizes der diastolischen Füllungsdynamik.

Wichtig: Die Abbildung elektrischer auf mechanische Ereignisse erfolgt modellgestützt und wird in der klinischen Einführung gegen Referenzmethoden kalibriert und validiert. Ziel ist nicht, Echokardiografie oder Katheter zu ersetzen, sondern eine lückenlose, kosteneffiziente Ergänzung für Verlaufs- und Trenddaten zu schaffen.

Klinische Nutzungsszenarien: Früh erkennen, sicher steuern

• Früherkennung bei Hochrisikopatientinnen und -patienten
  • Indikation: Diabetes, Hypertonie, KHK-Risiko, onkologische Therapien, perioperative Risikolage.
  • Nutzen: Niedrigschwellige, seriell wiederholbare Messungen liefern Trends von EF, SV und diastolischen Indizes; relative Verschlechterungen lösen frühzeitig weiterführende Diagnostik aus.
• Nachsorge nach Herzoperationen und strukturellen Interventionen
  • Indikation: Koronarchirurgie, Klappeneingriffe, TAVI, Ablationen.
  • Nutzen: Engmaschige, nicht-invasive Verlaufskontrolle am Bett oder in der Ambulanz; Erkennen von pumpmechanischen Veränderungen, die Echoslots priorisieren.
• Triage und Verlaufskontrolle in Notaufnahme und Station
  • Indikation: Dyspnoe unklarer Genese, Sepsis, Volumenstatusfragen, kardiorenales Syndrom.
  • Nutzen: Rasche Abschätzung von SV/HZV-Trends unterstützt Triage; wiederholte Messungen dokumentieren Therapieansprechen (z. B. auf Diuretika, Vasopressoren).
• Performance-Monitoring bei Sportlerinnen, Sportlern und Hochrisikopersonal (z. B. Pilotinnen und Piloten)
  • Indikation: Belastungsanpassung, Prävention von Überlastung, Fitnesssteuerung.
  • Nutzen: Vergleich standardisierter Ruhe- und Belastungswerte, Erkennen atypischer Anpassungen der systolischen/diastolischen Zeitintervalle, dokumentierte Freigaben.

Gegenüberstellung mit konventionellen Verfahren: Echtzeit, Kosten, Integration

• Echokardiografie
  • Stärken: Bildgebung, Klappendiagnostik, direkte Volumenschätzung.
  • Grenzen: Operatorabhängig, Termin- und Gerätebedarf, begrenzte Kontinuität.
  • Ergänzung: EKG-basierte Hämodynamik liefert lückenlose Trends zwischen Echo-Zeitpunkten und priorisiert Untersuchungen bei dynamischen Veränderungen.
• Rechts-/Linksherzkatheter
  • Stärken: Goldstandard für Drücke/Flows, therapeutische Optionen.
  • Grenzen: Invasiv, aufwendig, nicht für engmaschige Routine geeignet.
  • Ergänzung: Modellbasierte Trends helfen, Zeitpunkte für invasive Abklärung gezielt zu wählen.
• MRT/CT
  • Stärken: Präzise strukturelle und funktionelle Beurteilung.
  • Grenzen: Kosten, Verfügbarkeit, keine Echtzeittrends.
  • Ergänzung: EKG-basierte Verfahren schließen Monitoring-Lücken vor, zwischen und nach Bildgebung.
• Wirtschaftlichkeit und Workflow
  • Nutzung vorhandener EKG-Infrastruktur, keine Zusatzhardware.
  • Automatisierte Auswertung in Sekunden, potenzielle Taktzeitsteigerung in Notaufnahme, IMC/ITS und Ambulanzen.
  • Standardisierte Reports und HL7/FHIR-Integration reduzieren Dokumentationsaufwand.

Validierungsstrategien: Wie Verlässlichkeit nachgewiesen wird

• Studiendesign
  • Prospektive, multizentrische Vergleichsstudien gegen Echo (Simpson biplan, LVOT-Doppler), optional gegen Katheterdaten in geeigneten Kollektiven.
  • Subgruppenanalysen (Rhythmusstörungen, Klappenvitien, Altersgruppen, Geschlechter).
• Statistische Metriken
  • Übereinstimmung: Bland-Altman-Analyse (Bias, Limits of Agreement), Pearson/Spearman-Korrelation, Lin’s Concordance.
  • Trending-Fähigkeit: Vier-Quadranten-Plot, Polar-Plot, Concordance-Rates bei therapeutischen Interventionen (z. B. Volumengabe).
  • Präzision und Wiederholbarkeit: Beat-to-Beat-Variabilität, Intraclass Correlation, Test-Retest.
• Klinische Relevanz
  • Vordefinierte Äquivalenzmargen (z. B. ±10–15% für SV/EF-Trends) und Entscheidungsgrenzen, die auf Leitlinien und klinischem Nutzen basieren.
  • Externe Validierung und Post-Market-Performance mit Real-World-Daten.

Grenzen, Störfaktoren und Quality-Control

• Rhythmus und Leitung
  • Vorhofflimmern, hohe Extrasystolenlast, Schenkelblöcke, ventrikuläre Stimulation: erschweren die Zuordnung elektrischer zu mechanischen Ereignissen.
  • Maßnahme: Beat-Qualitätsscores, Ausschluss unphysiologischer Schläge, Aggregation über stabile Segmente, Flagging für Echo-Abgleich.
• Signalqualität
  • Artefakte durch Muskelzittern, schlechte Elektroden, Bewegung.
  • Maßnahme: Signalqualitätsindex, adaptive Filter, Wiederholung bei unzureichender Qualität, Elektroden-Check.
• Physiologische Extreme
  • Sehr hohe/niedrige Herzfrequenzen, ausgeprägte Klappenvitien, akute Ischämie, schwere pulmonale Hypertension verändern Kopplungen.
  • Maßnahme: konservative Limits, automatische Warnhinweise, klinische Kontextprüfung.
• Medikation und Device-Einflüsse
  • Inotrope, Antiarrhythmika oder Schrittmacher verändern Zeitintervalle.
  • Maßnahme: Kontextannotation im Report, angepasste Entscheidungsgrenzen.
• QC-Workflow
  • Sichtprüfung repräsentativer Zyklen, Abgleich mit Vitalparametern, Dokumentation der Messbedingungen (Lagerung, Atmung), regelmäßige Plausibilitätschecks gegen Echo/Klinik.

Workflow-Integration mit vorhandenen EKG-Systemen

• Set-up
  • Standard-12-Kanal-EKG oder Telemetrie nutzen; Samplingrate möglichst ≥500 Hz, Kalibrierung nach Hausstandard.
  • Bevorzugte Ableitungen für Zeitmarker: II und V5; vollständiges 12-Kanal-Signal erhöht Robustheit.
• Messprotokoll
  • Ruheaufnahme 10–30 Sekunden in Rückenlage, normale Spontanatmung; bei Bedarf standardisierte Wiederholung nach Intervention (z. B. Lagerung, Volumengabe).
  • Automatische Beat-Selektion, Medianbildung über stabile Segmente, sofortige Parameterberechnung.
• Reporting
  • Kompakter Score mit SV, EF, HZV und diastolischen Indizes plus Trendpfeile; Ampellogik für klinische Schwellen.
  • Integration in KIS/PACS via HL7/FHIR; strukturierte Befunde für Verlaufsdarstellung.
• Einsatzorte
  • Notaufnahme (Triage), IMC/ITS (Therapiesteuerung), Normalstation (Verlauf), Ambulanz/Reha (Nachsorge), betriebsärztliche Checks (Hochrisikopersonal).

Praxisnahe Implementierungstipps

• Elektrodentechnik: Haut sorgfältig vorbereiten, Gel-Elektroden mit gutem Kontakt, Kabelzug verhindern, Bewegung minimieren.
• Artefaktreduktion: Patienten instruieren, kurzer Atemstillstand bei Aufnahme erwägen, störende Geräte/Frequenzen identifizieren.
• Standardisierung: Zeitpunkt (z. B. morgens vor Medikation), Körperlage und Atmung protokollieren; Templates im KIS anlegen.
• Schulung: Kurze Trainingsmodule für Pflege und Ärztinnen/Ärzte zu Messprotokoll, QC-Check und Interpretation von Trendberichten.
• Entscheidungsunterstützung: Klinikinterne Schwellen definieren (z. B. EF-Trendabfall >5 Punkte oder SV-Abnahme >15% triggert Echo/Therapie-Review).
• Fallbacks: Bei Flagging (Arrhythmie, schlechte Qualität) frühzeitige Echo-Terminierung oder alternative Methoden vorsehen.

Daten-, Datenschutz- und Compliance-Aspekte

• Datenschutz und IT-Sicherheit
  • DSGVO-konforme Verarbeitung, rollenbasierte Zugriffe, Audit-Trails, Verschlüsselung im Transit und at rest.
  • Minimalprinzip: nur erforderliche Metadaten (Alter, Größe, Gewicht) einbeziehen; Pseudonymisierung in Forschung.
• Interoperabilität
  • Standardisierte Schnittstellen (HL7, FHIR, DICOM-Waveform) für nahtlose Integration und revisionssichere Ablage.
• Klinische Governance
  • Dokumentierte SOPs, regelmäßige Qualitätsberichte, Bias-Monitoring über Subgruppen, kontrollierte Algorithmus-Updates mit Change-Logs.
• Regulatorisches Umfeld
  • Nutzung im klinischen Betrieb setzt eine Zulassung/Registrierung als Medizinprodukt gemäß geltenden Regularien voraus; prüfen Sie Status, Indikation und Kontraindikationen des jeweiligen Systems.
• Einwilligung und Ethik
  • Für reine Versorgung genügt die übliche Patientenaufklärung; für Forschung und Modellverbesserung ist eine gesonderte Einwilligung erforderlich.

Fallbeispiel aus dem klinischen Alltag

Eine 72-jährige Patientin mit Hypertonie und Diabetes stellt sich in der Notaufnahme mit Belastungsdyspnoe vor. Vitalparameter stabil, Troponin normal, Röntgen ohne Stauungszeichen. Innerhalb von zwei Minuten wird eine EKG-basierte Hämodynamikmessung durchgeführt.

• Ausgangswerte: EF 52%, SV 63 ml, HZV 4,8 l/min, diastolischer Dynamikindex grenzwertig vermindert; Signalqualität gut, Sinusrhythmus mit gelegentlichen SVES (automatisch ausgeschlossen).
• Verlauf: Nach 20 mg i.v. Diuretikum und O2-Gabe erneute Messung nach 45 Minuten: EF konstant, SV +8%, HZV +10%, deutliche Verbesserung des diastolischen Index.
• Entscheidung: Keine akute Echokardiografie erforderlich; Planung einer ambulanten Echo-Kontrolle in 48–72 Stunden. Die dokumentierten Trends fließen in den Entlassbrief; Hausärztin erhält klare Triggerwerte für Wiedervorstellung.
• Nutzen: Ressourcen werden geschont, die Patientin erhält eine sichere, datenbasierte Steuerung ohne Verzögerung – und das Team kann die Echo-Kapazität auf dringlichere Fälle fokussieren.

Dieses Beispiel illustriert, wie EKG-basierte Hämodynamik die Lücke zwischen sporadischer Bildgebung und kontinuierlicher klinischer Beurteilung schließt: als skalierbares, nicht-invasives Trendinstrument, das Entscheidungen beschleunigt, Kosten reduziert und Patientensicherheit erhöht.