Herz-Kreislauf-Erkrankungen erfordern heute schnelle, präzise und gleichzeitig möglichst schonende Diagnostik. CardioVolumeMetrics verfolgt genau dieses Ziel: Aus den Phasenlängen eines Standard-EKGs werden in nahezu Echtzeit hämodynamische Kenngrößen abgeleitet – darunter Schlagvolumen, enddiastolisches und endsystolisches Volumen sowie Herzzeitvolumen. Die Methode nutzt bestehende EKG-Infrastruktur und bleibt dadurch nicht-invasiv und kosteneffizient. Für Kliniken, Praxen und Telemedizin-Anbieter eröffnet dies neue Möglichkeiten der Früherkennung, Verlaufskontrolle und Therapieoptimierung – und für Hochrisikogruppen, Piloten und Leistungssportler eine belastungsarme, trendbasierte Überwachung ohne zusätzliche invasive Messungen.

Wie aus EKG-Phasenlängen Volumina werden: das mathematische Modell

Die Grundlage bildet ein mathematisches Modell, das elektrische und mechanische Herzereignisse miteinander verknüpft und darüber eine inverse Rekonstruktion volumetrischer Parameter ermöglicht.

• Segmentierung des EKG: Zunächst werden P-Welle, QRS-Komplex, T-Welle sowie Intervalle (PR, QRS, QT, RR) robust erkannt. Beat-to-Beat-Schwankungen und Rhythmusregularität fließen in die Modellierung ein.

• Abbildung auf mechanische Phasen: Aus den zeitlichen Relationen der EKG-Phasen werden die kardialen Funktionsabschnitte abgeleitet – Vorhofkontraktion, isovolumetrische Kontraktion, Auswurf, isovolumetrische Relaxation und Füllungsphasen. Elektromechanische Verzögerungen (z. B. zwischen QRS-Beginn und mechanischem Auswurf) sind modelliert und patientenspezifisch adaptiv.

• Inverse Modellierung der Volumina: Für jeden Herzschlag werden aus den Phasenlängen und deren Verhältnissen Kennwerte der Pumpfunktion errechnet:

  • Schlagvolumen (SV) aus geschätzter Ejektionsdauer und dynamischen Elastanz-/Afterload-Parametern,
  • enddiastolisches Volumen (EDV) und endsystolisches Volumen (ESV) über eine konsistente Druck-Volumen-Relation,
  • Herzzeitvolumen (CO) als Produkt aus SV und Herzfrequenz (HF).
    Das Modell nutzt hierfür datengetriebene Transferfunktionen und physiologische Nebenbedingungen, sodass Volumina in jeder Phase des Herzzyklus konsistent bestimmt werden.

• Personalisierung und Kontext: Demografische Basisdaten (z. B. Alter, Körpergröße), Rhythmusprofil und – sofern verfügbar – Routinemesswerte wie Blutdruck können die Präzision weiter erhöhen, ohne dass zusätzliche Sensorik erforderlich ist. Die Berechnung erfolgt Schlag-für-Schlag und damit nahezu in Echtzeit.

• Qualitätssicherung: Ein integrierter Signalqualitätsindex gewichtet nur verlässliche Herzschläge und kennzeichnet Unsicherheiten transparent. So entsteht ein stabiler Trend auch in herausfordernden Situationen.

Ergebnis ist ein kontinuierliches, volumetrisches Profil des Herzzyklus, das über das EKG hinausgehende hämodynamische Einsichten liefert – direkt am Ort der Versorgung oder per Telemonitoring.

Frühwarnsignale bei drohender Dekompensation

Für die internistische und kardiologische Versorgung sind belastbare Frühindikatoren entscheidend. Das volumenbasierte Monitoring ermöglicht es, subtile Veränderungen zu erkennen, bevor klinische Symptome manifest werden.

• Trendbasierte Anzeichen:

  • Anstieg des EDV und fallendes SV bei unveränderter bzw. steigender HF können auf beginnende Volumenüberladung oder nachlassende Kontraktilität hindeuten.
  • Verlängerte elektrische Systole (QT-abhängig) in Kombination mit veränderter Auswurfdauer kann eine frühe Belastung des Myokards anzeigen.
  • Zunehmende Beat-to-Beat-Variabilität von SV oder Auswurfdauer kann eine autonome Dysregulation oder Rhythmusprobleme reflektieren.

• Klinische Nutzung:

  • Ambulant: Engmaschige Nachkontrollen bei Herzinsuffizienz, Erkennung von Exazerbationen vor Gewichtszunahme oder Dyspnoe.
  • Stationär: Volumentherapie und Diuretikasteuerung auf Basis von SV- und EDV-Trends; Unterstützung bei der Entscheidung zur Eskalation (z. B. Inotropika, NIV).
  • Präventiv: Identifikation von Patientinnen und Patienten mit hohem Risiko für Dekompensation nach Therapieumstellung.

• Entscheidungsunterstützung:

  • Schwellenwert- und Trendalarme, die konfigurierbar sind und in bestehende Alarmkonzepte eingebunden werden.
  • Visualisierungen, die Veränderungen in Relation zur individuellen Baseline zeigen, um Fehldeutungen zu vermeiden.

So lassen sich Interventionen früher und zielgerichteter einleiten – mit dem Potenzial, Einweisungen und Komplikationen zu reduzieren.

Nachsorge und Titration nach Herzoperationen

Nach kardiochirurgischen Eingriffen und interventionellen Prozeduren steht eine präzise, schonende Nachsorge im Fokus. Das volumetrische EKG-Monitoring unterstützt bei:

• Titration von Inotropika, Vasodilatatoren und Diuretika auf Basis laufender SV-/CO- und EDV-Trends, um Perfusion zu optimieren und Stauung zu vermeiden.
• Beurteilung der Erholung der systolischen und diastolischen Funktion, etwa nach Klappenrekonstruktion oder -ersatz.
• Früherkennung postoperativer Komplikationen wie Perikarderguss (indirekt über veränderte Füllung/Auswurf) oder Rhythmusstörungen mit hämodynamischer Relevanz.
• Planung der Rehabilitation: Belastungssteuerung anhand belastungsinduzierter Veränderungen von SV und CO im Vergleich zur Ruhe.

Weil die Methode auf vorhandenen EKGs beruht, kann sie in Visiten, Ambulanzen und Tele-Reha-Programmen kontinuierlich mitlaufen, ohne die Patientinnen und Patienten zusätzlich zu belasten.

Telemonitoring und Einsatz bei Hochrisikogruppen, Piloten und Leistungssportlern

Für Hochrisikopersonal und Sportler zählt eine lückenlose, belastungsarme Überwachung – idealerweise trendbasiert und kontextsensitiv.

• Hochrisikopersonal (z. B. Pilotinnen und Piloten, Einsatzkräfte):

  • Kontinuierliche oder regelmäßige Erhebung von SV/CO-Trends in Ruhe und unter Belastungssituationen.
  • Identifikation von Zuständen mit potenziell eingeschränkter Leistungsfähigkeit (z. B. Dehydrierung erkennbar über SV-Abfall bei steigender HF).
  • Entscheidungsunterstützung für Einsatz- und Rückkehrfreigaben auf Basis objektiver, nicht-invasiver Parameter – immer im Zusammenspiel mit ärztlicher Beurteilung und regulatorischen Vorgaben.

• Leistungssport:

  • Trainingssteuerung: Bewertung der kardiovaskulären Reaktion auf Intensität (SV-/CO-Reserve, Erholungsdynamik).
  • Prävention von Überlastung: Ungewöhnliche Trends (z. B. persistenter SV-Abfall bei moderater Belastung) als Hinweis zur Anpassung von Trainingsplänen.
  • Saisonale und wettkampfnahe Verlaufskontrolle ohne zusätzliche invasive Diagnostik.

• Telemedizinische Abläufe:

  • Sichere Datenübertragung in ein zentrales Dashboard.
  • Beat-to-Beat-Analysen werden zu stabilen Tages- und Wochenprofilen aggregiert, die für Entscheidungen und Kommunikation mit Betroffenen aufbereitet sind.

Das Ergebnis: Ein datengetriebener, kontinuierlicher Blick auf die Herzfunktion – dort, wo schnelle und fundierte Entscheidungen gefordert sind.

Workflow-Integration und potenzielle Kostenvorteile

Die praktische Wirksamkeit steht und fällt mit der nahtlosen Einbettung in bestehende Prozesse.

• Integration:

  • Nutzung vorhandener 12-Kanal-EKGs, Holter- oder Tele-EKG-Systeme.
  • Standardschnittstellen (z. B. HL7/FHIR) zur Anbindung an KIS/PVS und Telehealth-Plattformen.
  • Rollenbasierte Dashboards für ärztliches Personal, Pflege und Telemonitoring-Teams.

• Arbeitsablauf:

  • Automatisierte Berechnung im Hintergrund; relevante Trends und Alarme werden kontextbezogen präsentiert.
  • Dokumentation der Kennwerte im Arztbrief und in Verlaufsberichten mit Verweis auf Signalqualität.
  • Schulungskonzepte für die schnelle Einführung im Klinik- und Praxisalltag.

• Wirtschaftlichkeit:

  • Nutzung bestehender EKG-Infrastruktur reduziert Anschaffungs- und Betriebskosten.
  • Potenzielle Einsparungen durch frühere Interventionen, weniger vermeidbare Einweisungen, gezieltere Bildgebung und reduzieren invasive Messungen, wo medizinisch vertretbar.
  • Verbesserte Ressourcennutzung (Sonografie-Zeitfenster, Intensivbetten, Telemonitoring-Kapazitäten) durch klarere Indikationsstellung.

So wird aus innovativer Analytik ein skalierbares Versorgungswerkzeug mit realem Einfluss auf Qualität und Kosten.

Qualitätsanforderungen: Signal, Rhythmus, Verlässlichkeit

Die Güte der Ableitungen hängt wesentlich von der Signalqualität und Rhythmuslage ab. CardioVolumeMetrics adressiert diese Punkte transparent.

• Signalqualität:

  • Saubere Elektrodenanlage, ausreichende Hautvorbereitung und stabile Ableitungen sind entscheidend.
  • Empfohlen sind geeignete Abtastraten und Rauschunterdrückung; Bewegung und Muskelartefakte sollten minimiert werden.
  • Ein Signalqualitätsindex (SQI) steuert, welche Herzschläge in die Berechnung eingehen; bei unzureichender Qualität werden Kennwerte zurückhaltend berichtet.

• Rhythmusstörungen:

  • Vorhofflimmern, häufige Extrasystolen oder Leitungsstörungen verändern Phasenlängen und erfordern spezifische Modellanpassungen.
  • Das System kennzeichnet solche Situationen, nutzt robuste Median-Trends und weist auf eingeschränkte Interpretierbarkeit hin.
  • Bei ausgeprägten Arrhythmien kann eine ergänzende Diagnostik erforderlich bleiben.

• Kontextinformationen:

  • Hinweise zu Körperlage, Belastung, Medikation und Flüssigkeitsstatus verbessern die Interpretation und werden in der Dokumentation berücksichtigt.

Transparente Qualitätssignale schaffen Vertrauen in die Messwerte und deren klinische Nutzbarkeit.

Validierungsansätze und Evidenz

Die Validität einer nicht-invasiven Volumenbestimmung muss klar belegt werden. Der Validierungsrahmen umfasst:

• Vergleich mit Referenzmethoden:

  • Echokardiografie (SV, EF, EDV/ESV), kardiale MRT (präzise Volumetrie) und – wo ethisch vertretbar – invasive Referenzen wie Thermodilution oder Pulskonturanalyse.
  • Bland-Altman-Analysen, Korrelationen und Fehlermaße über verschiedene Patientengruppen und Herzfrequenzen.

• Trend- und Änderungsgenauigkeit:

  • Bewertung der Übereinstimmung bei Interventionen (z. B. Volumengabe, Positiv-Inotropika, Belastungstests).
  • Concordance-Rate-Analysen für Anstiege/Abfälle von SV und CO.

• Robustheit und Generalisierbarkeit:

  • Multizentrische Studien mit heterogenen Kollektiven (Rhythmusstörungen, strukturelle Herzerkrankungen, postoperative Settings, Sport).
  • Reproduzierbarkeit über Geräte, Ableitungen und Settings hinweg.

• Klinische Endpunkte:

  • Untersuchung, ob der Einsatz zu früheren Interventionen, geringeren Rehospitalisierungen oder kürzerer Verweildauer beiträgt.
  • Prospektive Studien im Telemonitoring und in Hochrisikokollektiven.

Eine kontinuierliche Evidenzentwicklung ist Teil des Qualitätsversprechens und schafft die Basis für Leitlinien- und Erstattungsperspektiven.

Datenschutz, Sicherheit und Compliance

Nicht-invasive Diagnostik muss höchste Datenschutz- und Sicherheitsstandards erfüllen.

• Datenschutz nach DSGVO:

  • Datensparsamkeit, Zweckbindung und transparente Einwilligung.
  • Pseudonymisierung/Anonymisierung für Forschung und Qualitätskontrolle.
  • Auskunfts-, Lösch- und Portabilitätsprozesse für Betroffene.

• IT-Sicherheit:

  • Ende-zu-Ende-Verschlüsselung in Transit und at Rest.
  • Rollen- und attributbasierte Zugriffskontrollen, Protokollierung und Audit-Trails.
  • Regelmäßige Penetrationstests und Sicherheitsupdates.

• Betriebsmodelle:

  • On-Premises, Private Cloud oder zertifizierte Cloud-Umgebungen – je nach klinischem Bedarf.
  • Interoperabilität mit Krankenhausnetzwerken und Telemedizin-Plattformen unter Wahrung der Sicherheitsdomänen.

So bleiben sensible Gesundheitsdaten geschützt, ohne die Nutzbarkeit im klinischen Alltag einzuschränken.

Ausblick: Präzision nicht-invasiv skalieren

Die Kombination aus EKG-basierter Echtzeitanalyse, validierten Volumenmetriken und integrierten Workflows erlaubt es, kardiovaskuläre Versorgung breiter, früher und schonender zu gestalten. Für medizinische Fachkräfte entstehen neue, datenbasierte Entscheidungspfade – von der Dekompensationsprävention bis zur medikamentösen Feintitration nach Operationen. Für Hochrisikopersonen und Leistungssportler bedeutet es verlässliche, trendbasierte Überwachung ohne zusätzliche invasive Messungen. Entscheidend sind dabei durchgängig hohe Signalqualität, transparente Unsicherheitsangaben, solide Validierung und kompromissloser Datenschutz. Wo diese Bausteine zusammenkommen, wird aus dem Standard-EKG ein Fenster zur Hämodynamik – präzise, kosteneffizient und unmittelbar versorgungsrelevant.