Samstag, 8. April 2023 · 0 min read
Simulation der menschlichen Herzfrequenz mit Shaker und Funktionsgenerator
Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten Herzerkrankungen, und eine verspätete Diagnose bedeutet den Verlust von Leben oder Lebensqualität sowie erhöhte gesellschaftliche Kosten. VentriJect hat ein kleines Gerät für die Ermittlung der kardiorespiratorischen Fitness entwickelt, ein Maß, das unter anderem den Zustand des Herzens beschreibt.
Für die Qualitätskontrolle des Geräts war es jedoch notwendig, den menschlichen Herzschlag effektiv zu simulieren. Die Frage war, ob die Datenerfassungsprodukte von Dewesoft dazu in der Lage wären.
Das Unternehmen VentriJect
VentriJect ist ein Medizintechnik-Spin-off der dänischen Universität Aalborg, das sich auf die Entwicklung einer benutzerfreundlichen Methode zur Bestimmung der VO2max ohne Leistungsdiagnostik konzentriert. Die VO2max, auch bezeichnet als maximale Sauerstoffaufnahme, ist ein Maß für die maximale Sauerstoffmenge, die eine Person aufnehmen kann. Es handelt sich um eine recht gebräuchliche Messung, die z. B. zur Bestimmung der aeroben Ausdauer von Sportlern eingesetzt wird.
Die VO2max ist das primäre Maß für die kardiorespiratorische Fitness (CRF) eines Menschen – die Fähigkeit von Lunge und Herz, das Gewebe und die Organe mit Sauerstoff zu versorgen und Kohlendioxid zu eliminieren. Die CRF wird meist von medizinischem Fachpersonal mithilfe eines Ergometer genannten Geräts bestimmt, das die während einer körperlichen Belastung aufgewendete Arbeit bzw. Energie misst.
Die Messung der VO2max ist in der Regel teuer und zeitaufwändig und erfordert, dass sich die Testperson bis zur Erschöpfung verausgabt. Dies allerdings ist z. B. für ältere oder übergewichtige Personen oder solche, die an Osteoporose (einer porösen Knochenerkrankung) leiden, nicht zu bewältigen.
Die Analyse der kardiorespiratorischen Fitness kann aber auch mittels einer Seismokardiographie (SKG), also der Aufzeichnung der vom Herzschlag ausgelösten Körperschwingungen, erfolgen. Die VentriJect-Methode zur indirekten Bestimmung der VO2max bietet die Möglichkeit, die CRF in allen Personengruppen individuell, schnell und ohne körperliche Belastung zu ermitteln.
Die Herausforderung – Seismokardiographie
VentriJect hat ein kleines Gerät, das VentriJect Seismofit, entwickelt, das in der Lage ist, durch Messung der auf den Brustkorb übertragenen Vibrationen die vom schlagenden Herzen verursachten Schwingungen aufzuzeichnen.
Das Gerät wird über dem unteren Ende des Brustbeins – dem langen platten Knochen in der vorderen Mitte des Brustkorbs – aufgeklebt, und die Aufzeichnung dauert weniger als 1 Minute und erfordert keinerlei körperliche Betätigung der Testperson.
Nach der Aufzeichnung wird das Schwingungssignal in der VentriJect-Cloud-Lösung analysiert und ein in der mitgelieferten Smartphone-App sichtbarer VO2max-Schätzwert an den Benutzer zurückgemeldet.
Jedes Herz hat eine charakteristische Signatur, die durch das Öffnen und Schließen der Herzklappen und das Füllen und Entleeren der Herzkammern entsteht (siehe Abb. 1 unten). In diversen Studien wurde nachgewiesen, dass die Spitzen und Täler (Referenzpunkte) des Signals mit Ereignissen im Herzzyklus korrelieren.
Das folgende Diagramm repräsentiert den per SKG aufgezeichneten normalen Herzschlag eines gesunden Probanden. Zu erkennen ist unter anderem, wann sich die Mitralklappe schließt (MC), die Aortenklappe öffnet (AO), die Aortenklappe wieder schließt (AC) und die Mitralklappe wieder öffnet (MO). VentriJect verwendet Informationen über den zeitlichen Abstand zwischen den Referenzpunkten im Signal, die Amplitude bestimmter Ereignisse und das Frequenzspektrum in einem mathematischen Modell zur individuellen VO2max-Bestimmung.
Das VentriJect-System umfasst auch ein Klebepflaster und eine Smartphone-App. Alles in allem bietet es eine schnelle, einfache und kostengünstige Methode zur Bestimmung einer möglichen Herzinsuffizienz.
Da VentriJect kleine Schwingungen im Bereich von 10–50 mg (= 0,001 g-Einheit) aufzeichnet, ist es für das Unternehmen wichtig, bei der Komponentenbeschaffung eine umfassende Qualitätskontrolle durchführen zu können, um sicherzustellen, dass das Gerät immer den Spezifikationen entsprechend arbeitet.
VentriJect liefert ein aufgezeichnetes Signal von einem menschlichen Herzen, das zeigt, wie dieses Herz schlägt. Die Frage war nun: Könnte diese Aufzeichnung als Referenzsignal zur Ansteuerung eines Shakers reproduziert und dessen Output dann für die Qualitätskontrolle der Messgeräte verwendet werden, die am menschlichen Körper zum Einsatz kommen?
Dewesoft war einer der wenigen Anbieter, der die Option bot, das aufgezeichnete Signal per Software zu simulieren und auf einem analogen Ausgang eines Sirius-Datenerfassungssystems zur Ansteuerung des Shakers wiederzugeben. Wir nahmen die Herausforderung an, um zu sehen, ob es wirklich machbar wäre.
Die Simulations-Lösung
Zur Simulation des Herzschlags verwendete der Kunde:
die Datenerfassungssoftware DewesoftX mit einem Funktionsgenerator,
das SIRIUS-Datenerfassungssystem von Dewesoft mit dem optionalen Analogausgang und
den Permanentmagnet-Shaker von Dewesoft.
Die Datenerfassungssoftware DewesoftX bietet einen vollwertigen Funktionsgenerator mit einem oder mehreren Analogausgängen und erlaubt die Definition und Konfiguration aller analogen Ausgangskanäle, die von der installierten Messhardware verwendet werden.
Der erste Schritt bestand darin, das Signal in den DewesoftX-Funktionsgenerator zu importieren, dessen „Arbitrary“-Funktion es erlaubt, punktweise ein eigenes Signal einzufügen.
Dies geschah durch Kopieren und Einfügen des von VintriJect bereitgestellten Signals. Als Kopierquelle kommen dabei Excel und andere vergleichbare Editoren infrage.
Sobald die Punkte in die Kanalkonfiguration kopiert sind, kann das Signal grafisch dargestellt werden.
Im Messmodus ist es dann möglich, die Signalausgabe zu starten und die Frequenz, Amplitude usw. zu steuern, während der Shaker läuft.
Fazit
Die Dewesoft-Lösungen waren in der Lage, mithilfe einzigartiger Datenerfassungssoftware und -hardware das Herzschlagsignal eines menschlichen Herzens auf dem Shaker zu simulieren.
„Dewesoft hat uns die Möglichkeit gegeben, mit ihrem Shaker nicht nur Frequenz- und Amplituden-Sweeps durchzuführen, sondern auch reale physiologische Signale zu imitieren – diese Funktion der Dewesoft-Hardware ist für uns enorm wichtig“,
sagt Ph.D. Kasper Sørensen, Leiter der Softwareabteilung bei VentriJect.
VentriJect kann nun sicher sein, Messgeräte zu liefern, die eine Qualitätskontrolle mit einem Signal bestanden haben, das den menschlichen Herzschlag so gut wie eben möglich simuliert.
Erfahren Sie mehr:
