Die hämodynamischen Verhältnisse von Patientinnen und Patienten präzise, kontinuierlich und möglichst nicht-invasiv zu verstehen, gehört zu den Kernanforderungen moderner Kardiologie, Intensiv- und Sportmedizin. Klassische Verfahren wie Echokardiografie, kardiales MRT oder der Katheter liefern wertvolle Daten, sind jedoch entweder ressourcenintensiv, personalaufwendig oder invasiv. Gleichzeitig liegt in nahezu jeder Versorgungssituation bereits ein EKG vor – ob in der hausärztlichen Praxis, auf der Normal- oder Intensivstation, im Reha-Setting, in der Sportleistungsdiagnostik oder in der Flugmedizin. CardioVolumeMetrics setzt genau hier an: Aus den Phasenlängen des EKGs werden quantitative hämodynamische Parameter wie Schlagvolumen (SV), enddiastolisches und endsystolisches Volumen (EDV/ESV) sowie Herzzeitvolumen (HZV/CO) abgeleitet – in Echtzeit, nicht-invasiv und kosteneffizient unter Nutzung vorhandener EKG-Infrastruktur. Für Sie als medizinische Fachkraft bedeutet dies: ein zusätzliches hämodynamisches Fenster ohne zusätzliche Sonden, Gels oder langen Untersuchungszeiten – einsetzbar zur Früherkennung, zur Nachsorge und zur kontinuierlichen Steuerung von Belastung und Sicherheit in Hochrisikoberufen.

Prinzip: Von EKG-Phasen zu Hämodynamik

Das zugrunde liegende Modell verbindet elektrophysiologische Zeitmarker aus dem EKG mit einem kardiovaskulären Modell, das Ventilöffnungen, Druck-Volumen-Beziehungen und die elastische Eigenschaften des Myokards abbildet. Klinisch verständlich zusammengefasst:

• Identifizierte Phasen: P-R-Intervall (atriale Füllung/AV-Überleitung), QRS-Dauer (ventrikuläre Depolarisation), isovolumetrische Kontraktions- und Relaxationszeit (aus EKG-Markern abgeleitet), systolische Ejektionszeit (SET; synchronisiert mit dem ST-T-Verlauf), QT-Intervall (elektromechanische Gesamtdauer).
• Physiologisches Mapping: Aus diesen Zeiten werden relative Anteile von Füllung, isovolumetrischer Phase und Ejektion pro Herzzyklus bestimmt. Zusammen mit Herzfrequenz, Blutdruck (z. B. nicht-invasiv gemessen) und dem individuellen elektromechanischen Kopplungsprofil lässt sich die zeitvariable Elastanz des Ventrikels approximieren.
• Modellkern: Ein zeitvariantes Elastanzmodell (E(t)) und ein vereinfachtes Windkesselmodell für die Nachlast verknüpfen Phase, Druck und Volumen. Daraus entstehen beat-to-beat Schätzungen der Druck-Volumen-Schleife, einschließlich EDV, ESV und SV.
• Personalisierung: Demografische Parameter (Alter, Körpergröße/-gewicht), Basisblutdruck, Rhythmusklasse und – sofern verfügbar – einmalige Kalibrationspunkte (z. B. Echo-SV) verbessern die Güte. Bei fehlender Kalibration kommen populationsbasierte Priors und maschinelle Lernkomponenten zum Einsatz, die an multimodalen Referenzdatensätzen (Echo/MRT/Katheter) trainiert wurden.

Das Ergebnis: ein kontinuierliches, interpretierbares Druck-Volumen-Profil, das aus einem Standard-EKG abgeleitet wird und klinische Entscheidungen unterstützt.

Welche Parameter werden in Echtzeit bereitgestellt – inkl. Alarm- und Verlaufskriterien

CardioVolumeMetrics liefert beat-to-beat oder geglättet über 5–10 Schläge:

• Schlagvolumen (SV), EDV, ESV, Ejektionsfraktion (EF)
• Herzzeitvolumen (CO) und indexiert (CI) auf die Körperoberfläche
• Surrogate für Vor- und Nachlast (z. B. relative Füllungszeit, isovolumetrische Zeiten, geschätzte arterielle Compliance)
• Metriken der elektromechanischen Kopplung (z. B. Verhältnis SET/QT)

Für den klinischen Betrieb stehen konfigurierbare Alarme und Trendkriterien zur Verfügung, z. B.:

• Relativer SV-/CO-Abfall gegenüber individuellem Baseline-Median (z. B. >15–20% über 3–5 konsekutive Schläge)
• Absolutwerte in Relation zu Normbereichen und Körperoberfläche (z. B. auffälliges CI)
• Anstiege der isovolumetrischen Zeiten oder Verkürzung der Füllungszeit unter Belastung
• Z-Score-basierte Abweichungen und Trendbrüche (CUSUM/Exponentielles Glätten) zur Früherkennung

Alarmregeln werden in der Regel mit Qualitätsmetriken gekoppelt (Signalqualität, Rhythmusklassifikation, Artefakt-Score), um Fehlalarme zu reduzieren. Integration in bestehende Monitore und KIS erfolgt via HL7/FHIR-Observation, DICOM-SR (wo verfügbar) oder REST-API; Befunde können als strukturiertes Messwerte-Set und als grafische Druck-Volumen-Kurve in die Patientenakte fließen.

Validierungsansätze und Qualitätssicherung

Die Validierung folgt einem mehrstufigen Schema:

• Methodische Validierung: Vergleich (Bland-Altman, Korrelation, RMSE) gegen Echo (SV, EF), kardiales MRT (EDV/ESV als Volumenreferenz) und – wo klinisch indiziert – Katheterdaten (Druckkurven, dp/dt, CO z. B. Thermodilution).
• Reproduzierbarkeit: Test-Retest-Analysen im Ruhe- und Belastungszustand, intra- und interindividuelle Variabilität, Einfluss von Herzfrequenz und Nachlast.
• Externe Validierung: Multizentrische Datensätze mit heterogenen EKG-Systemen, unterschiedlichen Altersgruppen, Geschlechtern und klinischen Subpopulationen (z. B. HFrEF, HFpEF, KHK, Sportherz).
• Outcome-Bezug: Prospektive Kohorten zur Prüfung, ob Trends (z. B. anhaltender CO-Rückgang) mit Ereignissen (Klinikeinweisung, Rehospitalisierung nach Herz-OP) assoziiert sind.
• Qualitätssicherung im Betrieb: Laufendes Monitoring von Messabweichungen, automatische Erkennung von Outliern und Drift, Kalibrations-Optionen (One-Point-Update aus zuletzt verfügbarer Echo-Messung), Dokumentation der Signalqualität.

Berichte enthalten Konfidenz- und Qualitätsindikatoren, damit Sie die Plausibilität im Kontext des klinischen Bildes sicher einordnen können.

Grenzen, Störfaktoren und klinische Einordnung

Wie jedes Modell hat auch dieser Ansatz Grenzen:

• Rhythmusstörungen: Vorhofflimmern, häufige Extrasystolen oder wechselnde AV-Überleitung können Beat-to-Beat-Schätzungen beeinflussen; Aggregation über längere Fenster und Rhythmusklassifikation sind dann essenziell.
• Leitungsverzögerungen: Linksschenkelblock, Schrittmacherstimulation und breite QRS-Komplexe verändern EKG-Phasen und die elektromechanische Kopplung.
• Störquellen: Bewegungsartefakte, schlechte Ableitungskontakte, Elektrolytstörungen, Hyper-/Hypothermie.
• Valvuläre und strukturelle Extreme: Schwere Klappeninsuffizienzen/-stenosen, Rechtsherzversagen, VAD-Unterstützung, komplexe angeborene Herzfehler – hier ist die Modellannahme (Standardventilphysiologie) nur bedingt gültig.
• Kontextabhängigkeit: Blutdruckwerte und Nachlastschätzungen sollten aktuell sein; idealerweise werden nicht-invasive Druckmessungen periodisch erneuert oder aus Monitoringsystemen übernommen.

Die Methode ersetzt keine leitliniengerechten Bildgebungen oder invasiven Messungen, sondern ergänzt sie – insbesondere dort, wo Verlauf, Trend und Verfügbarkeit entscheidend sind.

Vergleich mit Echokardiografie, kardialem MRT und Katheter

• Echokardiografie: Breite Verfügbarkeit, direkte Visualisierung, Lastabhängigkeit bekannt. CardioVolumeMetrics bietet komplementär eine kontinuierliche, workflow-leichte Quantifizierung ohne Sonographie-Ressourcen. Bei unklaren Befunden bleibt Echo die erste Bildgebung.
• Kardiales MRT: Goldstandard für Volumina/Gewebecharakterisierung, jedoch teuer und zeitaufwendig. Das EKG-basierte Verfahren eignet sich für häufige Verlaufsmessungen zwischen MRT-Terminen.
• Katheter: Exakte Druckkurven, CO-Bestimmung, interventionelle Möglichkeiten – aber invasiv. CardioVolumeMetrics kann vor- und nachkatheterbasierte Trends liefern, Screening unterstützen und unnötige invasive Kontrollen potenziell reduzieren.
• Qualität/Ökonomie: Nutzung vorhandener EKG-Geräte minimiert Investitionen; Untersuchungszeit und Personalbindung sind gering. Potenzielle Effekte: frühere Interventionen, weniger vermeidbare Wiederaufnahmen, engmaschigere Nachsorge ohne Terminengpässe, bessere Ressourcensteuerung in Praxis und Klinik.

Workflow: Früherkennung kardiovaskulärer Risiken

Ziel: Subtile hämodynamische Veränderungen vor Symptomen oder strukturellen Veränderungen erkennen.

• Setting: Hausarztpraxis, Kardiologie, Präventionsprogramme.
• Aufnahme: Standard-12-Kanal-EKG im Sitzen oder Liegen, synchronisierte Blutdruckmessung; Erfassung von Alter, Größe, Gewicht, Medikationen.
• Analyse: Automatisierte Phasensegmentierung, Qualitätssicherung, Berechnung von SV/EDV/ESV/CO; Vergleich mit alters- und geschlechtsspezifischen Normbereichen sowie individuellem Baseline (bei Verlaufsuntersuchungen).
• Alarme/Verlauf: Markierung signifikanter Abweichungen (z. B. Abfall des CI gegenüber Vorbefund, verlängerte isovolumetrische Zeiten als Hinweis auf verschlechterte systolische Funktion). Trends werden in der Akte als Graphik (z. B. 3–6 Monate) abgelegt.
• Integration: Ergebnisse gehen strukturiert via FHIR in das Praxisverwaltungssystem/KIS; Entscheidungsunterstützung kann per CDS-Hooks Hinweise geben (z. B. „Echo in den nächsten 4 Wochen erwägen“).
• Nutzen: Häufigere, niederschwellige Messungen erhöhen die Sensitivität für Frühsignale; Ressourcenintensive Bildgebungen werden gezielter eingesetzt.

Workflow: Postoperative Nachsorge nach Herzoperationen

Ziel: Stabilität des Kreislaufs und Erholung der Ventrikelfunktion engmaschig überwachen.

• Setting: Intensivstation, IMC/Normalstation, ambulante Reha.
• Aufnahme: Regelmäßige EKG-Erhebungen (z. B. alle 4–8 Stunden stationär, 1–2 Mal pro Woche ambulant), synchronisiert mit Blutdruck und relevanten Labors (z. B. Hb, Elektrolyte).
• Analyse: Beat-to-beat-Trends von SV/CO, EDV/ESV, EF; Monitoring elektromechanischer Kopplung. Qualitätsmetriken filtern Rhythmuswechsel und Artefakte.
• Alarme/Verlauf: Frühwarnung bei anhaltendem CO-Rückgang, auffälligem Anstieg isovolumetrischer Zeiten oder auffälliger Füllungszeitverkürzung (z. B. als Hinweis auf beginnende Tamponade/Perikarderguss – im Zweifel Bildgebung anstoßen).
• Integration: Schnittstellen zu Monitoren/KIS; Befundfluss in interdisziplinäre Visitenlisten; Export als DICOM-SR/PDF in PACS möglich.
• Nutzen: Potenziell frühere Interventionen, zielgerichtete Beurteilung der Entlassreife, Reduktion ungeplanter Rehospitalisationen durch engmaschige ambulante Kontrolle.

Workflow: Athletensteuerung in der Sportmedizin

Ziel: Leistung optimieren, Überlastung vermeiden und kardiale Sicherheit gewährleisten.

• Setting: Leistungsdiagnostik, Trainingszentren, Verbandsmedizin.
• Aufnahme: Ruhe- und Stufentest-EKG (z. B. auf dem Fahrradergometer), periodisch über die Saison; optional Holter/patch-basierte Aufzeichnungen mit synchronem Blutdrucksurrogat.
• Analyse: CO-Reserve unter Belastung, Dynamik von EDV/ESV, Veränderung der SET/QT-Ratio, Erholungskinetik. Vergleich zu individuellem Saisondurchschnitt und sportartspezifischen Benchmarks.
• Alarme/Verlauf: Warnung bei disproportionalem SV-Abfall unter submaximaler Last, auffälliger Verzögerung der Erholung oder neu aufgetretenen elektromechanischen Unstimmigkeiten.
• Integration: API in Athletenmanagementsysteme, Export standardisierter Berichte für Teamärzte und Trainer; Rechte- und Rollenkonzepte zum Schutz sensibler Gesundheitsdaten.
• Nutzen: Feinabstimmung von Trainingslast und Regeneration, Dokumentation von Anpassungen (Sportherz vs. Pathologie), potenziell geringeres Verletzungs- und Ausfallrisiko durch rechtzeitige Drosselung bei Frühsignalen.

Workflow: Screening und Monitoring in Hochrisikoberufen (z. B. Piloten)

Ziel: Früherkennung relevanter kardialer Veränderungen zur Wahrung der Flugsicherheit und Einsatzfähigkeit.

• Setting: Flugmedizinische Untersuchungsstellen, Betriebsärzte, Hochsicherheitsarbeitsplätze.
• Aufnahme: Periodische EKG-basierte Hämodynamik (z. B. quartalsweise), standardisierte Ruhebedingungen; optional Vergleich vor/nach Dienstphasen.
• Analyse: Stabilität von SV/CO, EDV/ESV und elektromechanischen Indizes über die Zeit; Erkennung minimaler, aber konsistenter Trendverschiebungen gegenüber streng definierten individuellen Baselines.
• Alarme/Verlauf: Schwellen basieren vorwiegend auf individuellen Z-Score-Abweichungen und bestätigten Trendbrüchen; Alarme triggern Folgeabklärung (z. B. Echo) gemäß behördlichen/regulatorischen Protokollen.
• Integration: Nahtloser Export in betriebsärztliche Systeme, revisionssichere Verlaufsspeicherung, Audit-Trails; technische Integration per HL7/FHIR und SSO.
• Nutzen: Hohe Untersuchungsdichte ohne signifikanten Ressourcenaufwand, objektivierte Verlaufskontrolle, potenziell frühere Identifikation von Risiken, die mit traditionellen jährlichen Untersuchungen übersehen würden.

Fazit über alle Anwendungsfelder: Die Ableitung von Volumina und kardialen Leistungsparametern aus EKG-Phasen schafft eine neue, niedrigschwellige Schicht der Echtzeit-Hämodynamik. Für Sie bedeutet das: dichteres Monitoring mit vorhandener Infrastruktur, bessere Planbarkeit teurer Bildgebungen, frühere Interventionen bei sich anbahnenden Verschlechterungen – und damit potenziell höhere Versorgungsqualität bei geringeren Gesamtkosten. Entscheidend ist die informierte Nutzung: Ergebnisse im Kontext betrachten, Qualitätsindikatoren beachten, und bei Red Flags gezielt Bildgebung oder invasive Diagnostik nachschalten. So wird aus einem alltäglichen Signal – dem EKG – ein kontinuierliches hämodynamisches Navigationsinstrument für Klinik, Sportmedizin und Hochrisikoberufe.