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Echtzeit-Monitoring-System für die intensivmedizinische Forschung

Bild 1. Auf der Intensivstation überwachen unterschiedliche Geräte den Patienten

Bild 2. Echtzeitdatenerfassungs-system für unterschiedliche medizinische Geräte

Auf einer medizinischen Intensivstation kommen viele unterschiedliche Geräte zum Einsatz. Sie dienen der Überwachung, Beatmung und Therapie. Diese Stand-Alone-Geräte bieten kein einheitliches Konzept zur Weiterleitung der Echtzeitdaten. Daher wurde ein Projekt mit dem Ziel ins Leben gerufen, ein innovatives, modulares Messsystem für die intensivmedizinische, patienten-orientierte Forschung zu entwickeln.

Patienten auf der Intensivstation werden in der Regel mit hohem apparativen Aufwand überwacht, mechanisch beatmet und therapiert (Bild 1). Je nach Krankheitsbild und durchgeführter Therapie können die am Patienten eingesetzten Geräte dabei sehr unterschiedlich sein. Diese Stand-alone-Geräte mit eigenem Display und individuellen Bedienoberflächen bieten kein harmonisiertes Konzept zur zentralen Erfassung und Weiterleitung ihrer originären physiologischen Echtzeitdaten, was jedoch erstrebenswert wäre.
In speziellen Bereichen wurden hierzu erfolgreiche Vorarbeiten geleistet. Messsysteme, die parallel von unterschiedlichen Gerätegruppen (Modalitäten) Daten erfassen, zeitsynchron aufzeichnen und visualisieren, kommen zum Beispiel im Bereich der neurochirurgischen Intensivmedizin seit mehr als zehn Jahren zum Einsatz. Diese sogenannten Multimodalen-Monitoring-Systeme (MMM-Systeme) wurden in den 1990er Jahren von unterschiedlichen Arbeitsgruppen entwickelt.
Der Vorteil dieser Art des erweiterten Neuromonitorings bei der Therapie von Patienten mit Schädel-Hirn-Verletzungen wurde mehrfach beschrieben. Mittlerweile wird der Einsatz des multimodalen Neuromonitorings bei der Intensivtherapie akuter Hirnerkrankungen empfohlen, um Ursachen, die zu einer sekundären Hirnschädigung beitragen, besser erkennen und gezielter therapieren zu können.
Die zeitsynchrone Aufzeichnung aller relevanten physiologischen Parameter macht es zudem möglich, deren dynamische Abhängigkeiten näher zu untersuchen. So wurden mithilfe des MMM neue Signalanalysealgorithmen und Korrelationen entwickelt, deren Herleitung ohne diese Art des Monitoring nicht möglich gewesen wäre.

Einbindung digitaler Schnittstellen
Diese bisher entwickelten MMM-Systeme sind allerdings nicht in der aktuellen Umgebung einer modernen Intensivstation für Forschungsvorhaben zu nutzen, da alle auf der Erfassung von Analogsignalen basieren. Medizinische Geräte ohne Analogschnittstelle lassen sich nicht, oder nur bedingt, in ein bestehendes multimodales Messsystem einbinden.
Moderne komplexe Geräte zur mechanischen Beatmung eines Patienten oder zur bettseitigen Überwachung seiner Vitalparameter sind zur Kommunikation mit externen Geräten meist mit einer digitalen RS-232- oder einer Ethernet- Schnittstelle ausgestattet. Analoge Schnittstellen fehlen teilweise völlig und können nur in seltenen Fällen für einzelne Geräte mit erheblichem Aufwand nachgerüstet werden. Es ist also nicht mehr ohne Weiteres möglich, bestimmte physiologische Signale als Spannungssignal am Gerät abzunehmen.
Viele moderne Kliniken verfügen zwar heute über sogenannte Patienten-Daten-Management-Systeme, die über spezielle Hardware mit einer Vielzahl von Geräten kommunizieren können. Ein PDMS dient aber in erster Linie der Dokumentation und speichert deshalb auch nur punktuelle Daten. Sowohl der Mischbetrieb von digitalen und analogen Geräten, als auch die Erfassung von schnellen physiologischen Primärdaten ist hier nicht vorgesehen.

Die digitalen Schnittstellen der Medizingeräte und deren Kommunikations-protokolle sind nicht standardisiert. Der im Jahre 1994 eingeführte Medical Information Bus (MIB, ANSI/IEEE 1073) liefert zwar einen Standard in der Kommunikation zwischen Medizingeräten und PC, wird aber ebenfalls nicht von allen Herstellern unterstützt. Speziell bei der Erfassung von kontinuierlichen Echtzeitsignalen gibt es keine einheitlichen Lösungsvorschläge.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle zurzeit erhältlichen MMM-Systeme oder Softwarelösungen nur in der Lage sind, bestimmte Signale oder Geräte zu verwalten. Sie basieren überwiegend auf dem Betriebssystem Windows. Somit ist eine Echtzeitverarbeitung heterogener Signalquellen, wie RS-232, Analog und Ethernet, nicht garantiert. Dies erschwert die Durchführung von Studien, in denen die Speicherung und die Analyse physiologischer Echtzeitsignale einen essenziellen Bestandteil darstellen.

Physiologische Echtzeitsignale
Um hier eine Verbesserung zu erzielen, wurde mithilfe von Compactrio, den Modulen NI9205, NI9870 und Labview ein System zur parallelen Erfassung von physiologischen Echtzeitsignalen unterschiedlicher Signalquellen entwickelt (Bild 2). Das System ist in der Lage, Echtzeitdaten von mehreren medizinischen Überwachungsgeräten über RS-232 gleichzeitig mit Analogsignalen zu erfassen und zu verarbeiten. Konfiguriert, gestartet und gestoppt wird die Datenerfassung über ein mit Labview programmiertes GUI. Dieses wird auf einem Windows-PC ausgeführt, der über ein Netzwerk mit dem Compactrio-System verbunden ist.
Die digitale Signalerfassung über RS-232 und die Erfassung von analogen Spannungssignalen werden über das im Compactrio verbaute Xilinx FPGA synchronisiert. So ist gewährleistet, dass alle Echtzeitsignale parallel erfasst und verarbeitet werden. Die anfallenden heterogenen Daten (Echtzeitmessdaten, berechnete Daten, Patienteninformationen, Ereignisdokumentation usw.) werden komfortabel im TDMS-Dateiformat gespeichert.

Um das Messsystem zu standardisieren und den Umgang damit zu erleichtern und weiter zu verbessern, ist die Entwicklung und Programmierung von gerätespezifischen Modulen zur Kommunikation und zum Datenaustausch zwischen intensivmedizinischen Überwachungsgeräten und dem Echtzeitsystem geplant. So wäre es auch möglich, Geräte relativ einfach per Plug-and-play in das System einzubinden. Neben der Verarbeitung von physiologischen Echtzeitsignalen ist auch die Einbindung von Echtzeit-Audio- und Videosignalen in Vorbereitung.
Compactrio wurde als System für den rauen Industrieeinsatz konzipiert. Um dieses optimal in einer medizinischen Messumgebung zu nutzen, muss die Hardware entsprechend modifiziert werden. Spritzwasser geschützte Gehäuse, galvanisch getrennte Netzwerk- und RS-232-Verbindungen sowie eine Verwendung von Trennverstärkern zur Erfassung der Spannungssignale sind notwendig. Die Spannungsversorgung muss über ein medizinisches Netzteil erfolgen.
Ein für den medizinischen Einsatz modifiziertes Compactrio würde die Durchführung von geplanten Forschungsvorhaben erleichtern und einen essenziellen Beitrag zur Harmonisierung und Standardisierung der Erfassung schneller Echtzeitdaten in der intensivmedizinischen Forschung liefern.

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Autor: Dr. sc. hum., Dipl.-Ing. Peter Herrmann ist als Leitender Wissenschaftlicher Angestellter in der Abteilung Anästhesiologie der Universitätsmedizin Göttingen tätig.

Autor: Thomas Schulze arbeitet als Medizintechniker im medizintechnischen Service der Universitätsmedizin Göttingen.

Autor: Prof. Dr. med. Michael Quintel ist Direktor der Abteilung Anästhesiologie der Universitätsmedizin Göttingen.