Die kardiale Hämodynamik präzise und nicht-invasiv zu erfassen, ist ein zentrales Anliegen in Prävention, Diagnostik und Verlaufsbeurteilung. Während Echokardiographie und Katheteruntersuchungen weiterhin Goldstandard bleiben, eröffnet die quantitative Auswertung von Phasenlängen im Standard-EKG eine neue Möglichkeit: aus rein elektrischen Signalen mechanische Größen wie enddiastolisches Volumen (EDV), endsystolisches Volumen (ESV) und daraus abgeleitete Parameter (Schlagvolumen, Auswurffraktion, Herzzeitvolumen, systolische Zeitintervalle) abzuleiten. Die Methode nutzt vorhandene EKG-Infrastruktur, liefert Ergebnisse in Echtzeit und ist damit prädestiniert für Trendanalysen, Triage und Monitoring – kosteneffizient und ohne zusätzliche Belastung für Patientinnen und Patienten.

Ziel dieses Beitrags ist es, das zugrunde liegende Modell, Validierungsansätze und klinische Anwendungsfälle transparent zu erläutern – inklusive Grenzen und Kontraindikationen. Das Verfahren versteht sich ausdrücklich als Ergänzung, nicht als Ersatz etablierter Verfahren, um schnellere und fundiertere Entscheidungen zu ermöglichen.

Vom EKG zur Mechanik: Wie Phasenlängen den Herzzyklus abbilden

Das 12-Kanal-EKG bildet die elektrische Erregungsausbreitung ab. Mechanische Ereignisse (Ventilöffnen/-schließen, Füllung, Auswurf) sind über die elektromechanische Kopplung zeitlich eng verknüpft. Relevante EKG-Abschnitte und ihre mechanischen Korrelate:

• P-Welle und PR-Intervall: atriale Depolarisation und atrioventrikuläre Überleitungszeit; beeinflussen die atriale Vorfüllung und den Zeitpunkt der Ventrikelkontraktion.
• QRS-Komplex: Beginn der ventrikulären Depolarisation; markiert den Start der isovolumetrischen Kontraktion.
• Pre-Ejection Period (PEP): vom QRS-Beginn bis zur Aortenklappenöffnung; korreliert mit dP/dtmax und der Kontraktilität. Im EKG indirekt über Modelle aus QRS, QT-Dynamik und Herzfrequenz ableitbar.
• Left Ventricular Ejection Time (LVET): Ejektionszeit; steht in Beziehung zu QT-Subintervallen (z. B. JT, T-Peak bis T-Ende) und Herzfrequenz.
• QT-Intervall: Gesamtdauer der ventrikulären Depolarisation und Repolarisation; korreliert mit der Dauer der mechanischen Systole.
• RR-Intervall: Zykluslänge; bestimmt die diastolische Füllungszeit und beeinflusst EDV.

Diese Zeitabschnitte bilden zusammen einen konsistenten Zeitplan der mechanischen Phasen (Füllung, isovolumetrische Kontraktion, Auswurf, isovolumetrische Relaxation). Das Verfahren nutzt diese Information, um ein mechanisches Modell des Ventrikels zu parametrisieren.

Das mathematische Modell: Von Zeiten zu Volumina

Kern des Ansatzes ist ein inverse-modellbasierter Algorithmus, der aus EKG-Phasenlängen und patientenbezogenen Kovariaten (Alter, Geschlecht, Körpermaße, ggf. Blutdruck, Rhythmus) beat-to-beat die Volumendynamik rekonstruiert:

• Zeitvariierende Elastanz: Der Ventrikel wird als System mit zeitabhängiger Elastanz E(t) modelliert (klassisches Konzept der Kardiomechanik). E(t) wird anhand der EKG-geleiteten Phasengrenzen skaliert und in Form einer normierten Template-Funktion an die individuelle Zykluslänge (RR) angepasst.
• Ventil-Kinematik und Nebenbedingungen: Mit physikalischen Nebenbedingungen (Ventilöffnen/-schließen zu plausiblen Zeitpunkten, Nichtnegativität der Volumina, Massenbilanz SV = EDV − ESV) werden mögliche Volumenkurven eingegrenzt.
• Elektromechanische Kopplung: Beziehungen zwischen QT-Dauer, PEP, LVET und Kontraktilität fließen als constraints ein. Änderungen im QT bei konstanter RR reflektieren z. B. in diesem Rahmen Änderungen der Systolendauer und damit der Ejektionsdynamik.
• Populations- und Patientenspezifika: Priors aus großen Referenzkohorten (z. B. Verteilungen von EDV/ESV relativ zur Körperoberfläche) dienen als Startpunkte; sie werden durch individuelle Signale adaptiv aktualisiert. Bei verfügbarer Manschetten-Blutdruckmessung kann der Druck-Volumen-Raum zusätzlich kalibriert werden.
• Inverse Optimierung: Ein Kostenfunktional minimiert die Abweichung zwischen modellierten Phasenzeiten (PEP, LVET, QT-Subintervalle) und den aus dem EKG extrahierten, qualitätsgeprüften Messwerten. Ergebnis sind EDV, ESV und die vollständige Volumenkurve V(t) je Schlag.
• Qualitätsmetriken: Schlagweise Gütewerte (Signalqualität, Rhythmusstabilität, Residuen des Fits) stellen Transparenz her und steuern, ob ein Messpunkt in Trendanalysen berücksichtigt wird.

Aus EDV und ESV werden standardisiert Schlagvolumen (SV), Auswurffraktion (LVEF), Herzzeitvolumen (CO), systolische Zeitintervalle und surrogate Kontraktilitätsmarker abgeleitet. Der besondere Wert liegt weniger in der absoluten Einmalzahl als in der robusten Trendfähigkeit über Zeit.

Validierungsansätze: Gegen Echo und Katheter vergleichen

Die Validierung orientiert sich an anerkannten Standards und umfasst sowohl Genauigkeit als auch Trendfähigkeit:

• Referenzen:
  • Echokardiographie (z. B. Simpson-Biplan für EDV/ESV, Doppler für SV/CO, Systolische Zeitintervalle via LVOT-Doppler).
  • Herzkatheterdaten (Thermodilution/Fick für CO, Druck-Volumen-Bezüge, falls verfügbar).
• Studiendesign:
  • Ruhebedingungen und definierte hämodynamische Provokationen (Lagerungswechsel, Atemmanöver, pharmakologische Stimulation), um Reaktionsfähigkeit und Trends zu testen.
  • Beat-to-beat und gemittelte Vergleiche, um die Varianz unterschiedlicher Methoden zu berücksichtigen.
• Auswertungen:
  • Bland-Altman-Analysen für absolute Übereinstimmung und Bias.
  • Prozentfehler und Limits of Agreement im Kontext klinischer Akzeptanzkriterien.
  • Trending-Metriken (Vier-Quadranten-Plot, Polar-Plot, Concordance Rate) über definierte Schwellen.
  • Subgruppenanalysen (Herzfrequenzbereiche, Leitungsstörungen, unterschiedliche Signalqualitäten).
• Praktische Zielsetzung:
  • Klinisch ausreichende Übereinstimmung bei Baselinewerten.
  • Hohe Trendtreue, um Veränderungen früh und zuverlässig zu detektieren.

Wichtig: Die Methode ist komplementär. Bei diskrepanten Befunden oder komplexer Pathophysiologie bleibt die Bestätigung durch Echo bzw. Katheter maßgeblich.

Anwendungsfälle im Fokus: Früh erkennen, sicher monitoren, Leistung optimieren

• Frühzeitige Erkennung kardialer Dekompensation:
  • Subtile Verschiebungen von EDV/ESV, abnehmende LVET und veränderte QT-Dynamik lassen auf beginnende Pumpfunktionsverschlechterung schließen – oft bevor Symptome zunehmen.
  • In der ambulanten Versorgung ermöglicht ein wöchentliches oder anlassbezogenes EKG-gestütztes Screening eine rasche Anpassung von Medikation oder eine zeitnahe Vorstellung zur Echokardiographie.
• Nachsorge nach Herzoperationen und Interventionen:
  • Trend statt Einmalmessung: Regelmäßige EKG-basierte Hämodynamik erlaubt, Remodelling, Kontraktilität und Therapieeffekte longitudinal zu verfolgen.
  • Reduktion unnötiger Präsenztermine durch telemetrische Datenübermittlung bei unverändert stabilen Trends; rasche Eskalation bei Abweichungen.
• Monitoring von Hochrisikopersonal (z. B. Pilotinnen und Piloten, Einsatzkräfte):
  • Niederschwellige, nicht-invasive Checks vor Dienstantritt; Erkennung von Dehydratation oder Übermüdung über Veränderungen in RR-Variabilität, PEP/LVET und SV.
  • Dokumentierte Trends erhöhen die Sicherheit, ohne Einsatzabläufe zu stören.
• Leistungsdiagnostik bei Athletinnen und Athleten:
  • Laufband- oder Feldtests mit 12-Kanal- oder Patch-EKG liefern beat-to-beat SV/CO-Profile.
  • Identifikation des SV-Plateaus, Beurteilung der zentralen Limitierung und Erholungskinetik; Individualisierung von Trainingszonen unter Berücksichtigung der kardialen Mechanik, nicht nur der Frequenz.

Klinischer Workflow: Von der Ableitung zum Report in Echtzeit

Der praxisnahe Ablauf integriert sich in bestehende Strukturen:

1. Akquise: Standard-12-Kanal-EKG in Ruhe oder unter Belastung; alternativ Langzeit-/Patch-EKG.
2. Qualitätssicherung: Automatisierte Artefakterkennung (Bewegung, Elektrodendrift), Rhythmusklassifikation, Lead-Selektionslogik; manuelle Übersteuerung möglich.
3. Phasen- und Intervallmessung: Präzise Detektion von P, QRS, T, Bestimmung von PR, QT, Tpeak-Tend, RR; Korrektur von QT auf Herzfrequenz nach etablierter Formel als Hilfsgröße.
4. Inverse Modellierung: Berechnung von EDV/ESV, SV, CO, LVEF und Zeitintervallen mit Gütemaßen.
5. Echtzeit-Report:
   • Kompakte Visualisierung: Volumenkurve, Trends, Abweichungen vom individuellen Baseline-Korridor.
   • Handlungsorientierte Hinweise: „Trend stabil/auffällig“, Signalqualität, Empfehlungen zur Bestätigung/Abklärung (z. B. Echo).
6. Dokumentation und Integration:
   • Export als PDF/DICOM SR; strukturierte Daten via HL7 FHIR (Observation für EDV/ESV/SV/CO/LVEF, Device/DeviceMetric, DiagnosticReport).
   • Terminologie: Mapping auf LOINC/SNOMED, ICD-10 für Befundkontexte.
   • Interoperable Bereitstellung über FHIR REST-API oder EHR-Connector.
7. Verlauf: Schwellenwerte und Alarme auf Trendbasis; automatische Zusammenfassungen vor Visite oder Telekonsil.

Technische Integration: Bestehende EKG-Infrastruktur nutzen

• Hardware: Nutzung vorhandener EKG-Systeme (12-Kanal, Holter, Patches). Keine speziellen Sensoren notwendig.
• Software: Lokale oder cloudbasierte Verarbeitung mit DSGVO-konformer Datenspeicherung und Rollen-/Rechtekonzept.
• IT-Sicherheit: Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, Audit-Logs, Mandantentrennung; On-Premises-Optionen für sensible Umgebungen.
• Interoperabilität: FHIR-Profile für Beobachtungen und Reports; Unterstützung für Subscriptions zur Event-getriebenen Benachrichtigung; SMART-on-FHIR-Apps für nahtlose EHR-Einbettung.

Ökonomische Effekte: Mehr Wert aus bestehenden Ressourcen

• Kosteneffizienz: Keine Mehrinvestition in Hardware; kurze Mess- und Auswertezeit; Skalierung über Software.
• Arbeitsabläufe: Entlastung echokardiographischer Kapazitäten durch bessere Triage; Fokus der Sonographie auf Patientinnen/Patienten mit auffälligen Trends.
• Versorgungsqualität: Schnellere Entscheidungen, reduzierte Wartezeiten, geringere Wiedereinweisungen durch frühzeitige Intervention.
• Population Health: Flächendeckende Screenings in Risikokohorten werden praktikabel, weil die Schwelle zur Datenerhebung niedrig ist.

Grenzen, Kontraindikationen und verantwortungsvolle Nutzung

Transparenz über Limitationen ist wesentlich, um verlässliche Entscheidungen zu treffen:

• Rhythmusstörungen: Vorhofflimmern, frequente Extrasystolen, ausgeprägte Rhythmusirregularität oder Fusionsschläge erschweren die stabile Phasenbestimmung und verfälschen Trends.
• Leitungsstörungen und Schrittmacher: Linksschenkelblock, ventrikuläres Pacing oder breite QRS-Komplexe verändern die elektromechanische Kopplung; Ergebnisse sind mit Vorsicht zu interpretieren.
• Klappenvitien: Hochgradige Aortenklappenstenose oder -insuffizienz beeinflussen Ejektionsdynamik; modellbasierte Annahmen können verletzt sein.
• Extreme Frequenzen und akute Instabilität: Sehr hohe/niedrige Herzfrequenzen, kardiogener Schock oder akute Ischämie sind Domänen für engmaschige Bildgebung/Monitoring; das EKG-basierte Volumenmodell ist hier nicht primär.
• Medikamente und Elektrolytstörungen: QT-verlängernde Substanzen oder Elektrolytverschiebungen verändern die QT-Dynamik unabhängig von der Mechanik.
• Signalqualität: Artefakte, schlechte Elektrodenplatzierung, niedrige Abtastraten begrenzen die Auswertbarkeit.
• Re-Kalibrierung: Bei wesentlichen Zustandsänderungen (z. B. nach Interventionswechsel) kann eine erneute Referenzmessung (z. B. Echo, Blutdruck) die Modellgüte erhöhen.
• Populationsbias: Modelle müssen laufend gegen diverse Kohorten validiert werden, um Übertragbarkeit zu sichern.

Das Verfahren ersetzt keine echokardiographische oder invasive Diagnostik, sondern ergänzt diese – besonders dort, wo häufige, risikoarme Trendmessungen den Ausschlag geben.

Ausblick: Von Präzision zu Praxisstandard

Die nicht-invasive Ableitung hämodynamischer Kerngrößen aus dem EKG verbindet wissenschaftliche Strenge mit klinischer Pragmatik. Für Sie als behandelnde Fachkraft bedeutet das: Sie erhalten in Sekunden verwertbare Daten, erkennen Trends frühzeitig und nutzen vorhandene Geräte besser aus. Für Patientinnen und Patienten mit erhöhtem Risiko entsteht ein niedrigschwelliger Zugang zu regelmäßigen Kontrollen. Mit wachsender Evidenz, tiefer EHR-Integration (FHIR) und klaren Indikationsgrenzen kann sich das Verfahren als komplementäres Tool etablieren – für schnellere, kosteneffiziente und patientenzentrierte Entscheidungen entlang des gesamten Versorgungspfades.