Entfernung von CPR-bedingten Artefakten im Flimmer-EKG

The present research proposal has the aim (A) to develop an easily accessible database of emergency medical ECG data, (B) to develop mathematical algorithms, which allow to remove CPR-related artifacts from the ventricular fibrillation ECG and (C) to provide a cantilever-based force measurement to record the force applied on the sternum during reanimation conditions. Presently, we rely on about 75 emergency medical VF-ECG datasets of good quality (375 Hz, 12 bit), 200 emergency medical VF-ECG datasets of standard quality (100 Hz, 8 bit) and about 200 animal VF-experiments (1000 Hz, 12 bit). The CPR-artifact removal algorithms, the corresponding software and the force-measurement device, which will be developed should be incorporated into future versions of defibrillators, together with algorithms, which predict defibrillation success based on the VF-ECG signal ("fibrillation scoring"). Tests using simple bandpass filters have not been successful in performing CPR-artifact removal. More sophisticated methods are necessary, using the tonal structure of CPR (around 80 cardiac massages/min = 1.33 Hz and its overtones) and the pulse-like form of these artifacts in time domain and/or additional information based on the contact pressure of the manual reanimation or the blood pressure of the patient. Our development of CPR-removal software is an innovation, the application and use of which in defibrillators would increase the possibilities of extracting information from the VF-ECG. The innovation potential of such combined software, performing CPR-removal and fibrillation scoring, will be considerable. Such combined software will permit to continue cardiac massage during the defibrillator analysis phase, reducing the potentially lethal hands-off times (see e.g. Steen S et al. "The critical importance of minimal delay between chest compressions and subsequent defibrillation", Resuscitation 2003). Our research group: (A) collects and documents preclinical data in a joint study with defibrillators from WelchAllyn, (B) has the mathematical know-how for development of CPR-removal algorithms, (C) has developed and improves fibrillation scoring algorithms, (D) has the know-how for the development of appropriate databases, (E) and has the means to test new soft- and hardware in a preclinical setting. Our research is at the interface between fundamental and applied research, combining medical knowledge with mathematical and software know- how.

Die ischämische Herzerkrankung ist eine führende Todesursache in der westlichen Welt. In Europa machen Herz- Kreislauferkrankungen 40% aller Todesfälle der unter 75 jährigen aus. Bei Erwachsenen mit einer koronaren Herzerkrankung ist der plötzliche Herztod in über 60% der Todesfälle für das Versterben verantwortlich. Die jährliche Inzidenz der außerklinischen plötzlichen Herzstillstände liegt bei ca. 38/100 000 Einwohner. Etwa 17/100 000 Einwohner zeigen bei Eintreffen des Rettungsdienstes Kammerflimmern (VF). Kammerflimmern ist deshalb in Europa und den Vereinigten Staaten eine besondere Herausforderung für das Gesundheitssystem. Eingebettet in das Gesamtkonzept der kardiopulmonalen Reanimation (CPR), wird die rasche Defibrillation als einzig effektive Behandlung für VF angesehen und ist eines der wesentlichen therapeutischen Elemente in der Rettungskette bei plötzlichem Herztod. Ein kritischer Aspekt der Rettungskette ist die sogenannte "no flow time" (NFT). Dies ist dasjenige summative Zeitinterval, während dem die Herzdruckmassage unterbrochen wird. Dies ist etwa dann der Fall, wenn vor einem Defibrillationsschock geprüft wird, ob tatsächlich Kammerflimmern vorliegt. Die "no flow time" sollte möglichst kurz - im Rahmen der CPR Leitlinien 2010 für die Phase der Defibrillation auf maximal 5 sec festgelegt - gehalten werden, weil die Überlebensrate durch jeden verringerten Blutfluss deutlich sinkt. Die "no flow time" könnte insbesondere in automatisierten Defibrillatoren (AEDs) dadurch verringert werden, dass der EKG-Rhythmus auch während laufender CPR analysiert wird. Dies erfordert insbesondere, dass die CPR-bedingten Artefakte im EKG herausgefiltert werden, um eine verlässliche EKG-Klassifikation zu ermöglichen. Dafür sind anspruchsvolle mathematische Signalverarbeitungstechniken notwendig. Bis jetzt ist entsprechende Software nur im Zoll R Series Defibrillator implementiert worden. Im gegenwärtigen Projekt "Entfernung von CPR-bedingten Artefakten im Flimmer-EKG" wurden verschiedenste mathematische Algorithmen verwendet, um dieses Ziel zu erreichen: Zeit-Frequenz Methoden, Kalman Filtering, Independent Component Analysis und Gabor Analyse. Zusätzlich zur Entwicklung von Verfahren zur Entfernung von CPR-bedingten Algorithmen im EKG wurde eine Datenbank mit Notfall-EKGs erstellt, die auf verschiedene Art und Weise mit realen Artefakten korrumpiert sind. Außerdem wurde eine MATLAB-artige Toolbox entwickelt. Die Projektresultate wurden in führenden Zeitschriften publiziert. Die wichtigsten Publikationen waren dabei wie folgt: Rheinberger at al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering 55: 130-137 (2008) Werther et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering 65, 320 - 327 (2009) Werther et al., Resuscitation 80, 1301 - 1307 (2009) Amann et al., BioMedical Engineering OnLine 9, 2 (2010) Granegger et al., Resuscitation 81, 730 - 736 (2010) Xia et al., IET Signal Processing 4, 650 - 657 (2010) Granegger et al., Resuscitation 82, 79 - 84 (2010).