Ein-Punkt-Detektor zum Screening von Schlafapnoen

Schlafapnoen - d.h. zumindest 10 Sekunden betragende Atemausfälle - betreffen mehrere Prozent der erwachsenen Bevölkerung, und somit eine Größenordnung von 100.000 Personen in einem kleinen Land wie Österreich. Die negativen Auswirkungen reichen von Tagesschläfrigkeit bis hin zu stark reduzierter Lebenserwartung. Volle Diagnosen geschehen in spezifischen Schlaflabors, deren geringe Verfügbarkeit aber Wartezeiten von Monaten typisch macht. Verantwortlich ist der hohe apparate- und betreuungsmäßige Aufwand der Polysomnographie. Als Alternative gelten portable Screeninggeräte. So genannte Typ-4-Geräte verfügen nur über einzelne Sensoren, sind damit einfach zu bedienen, erbringen aber ungenügende physiologische Information. Typ-3-Geräte umfassen zumindest vier Parameter, welche bei herkömmlichen Meßsystemen mit zumindest ebenso vielen, über den Körper verteilten Sensoren erfasst werden. Für durch den Patienten vorgenommene Heimüberwachungen resultieren daraus Probleme der Einschulung, der Sensoranlegung, der fehlerfreien Messdurchführung und der Beeinträchtigung der Schlafqualität. Eine breite Erfassbarkeit potentiell betroffener Bevölkerungsteile ist somit unmöglich, und für änder der Zweiten - oder gar Dritten - Welt undenkbar. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung eines Screeninggerätes, das auf einen einzigen, einfachst zu beschreibenden und platzierenden, pflasterartigen Detektor beschränkt ist und somit alle oben genannten Nachteile weitgehend vermeidet, aber trotzdem multi-parametrischen Informationsgehalt erbringt. Auf der Basis von fast 20- jähriger Vorarbeit ist an eine Platzierung im Bereich der großen Arterien carotis des Halses bzw. oberen Thorax gedacht. Schon erarbeitete Sensorkonzepte versprechen an einem derartigen Aufpunkt die besonders wesentliche, synchrone Erfassbarkeit der Herz- und Lungentätigkeit. Eine besondere Herausforderung ergibt sich aber aus der Tatsache, dass - anders als bei leichter zu detektierenden zentralen Apnoen - bei den häufigeren, obstruktiven Apnoen trotz Ausfall des effektiven Atemzuges lokale Atemaktivitäten der Lungen vorliegen. Üblicherweise wird der Atemzug durch Sensoren im Nasen/Mund-Bereich erfasst, oder indirekt über Paradoxie der Atmung, die zusätzliche abdominale Sensorik notwendig macht. Projektziel ist es, einen derartigen weiteren Aufpunkt dadurch unnötig zu machen, als der gewählte zu exzessiver Datenerfassung aber auch Datenauswertung genutzt wird. So ist geplant, die respiratorische Aktivität gleichzeitig über ein elektrisches, ein magnetisches und ein akusti-sches Sensorprinzip zu erfassen, um aus der Gesamtheit der Signalverläufe - z.B. den harmonischen Zusammensetzungen - obstruktive Atemereignisse von normalen zu unterscheiden. Auf multiparametrischem Wege soll auch versucht werden, die wahre Schlafzeit zu ermitteln, ein wichtiger Parameter, der bei Heimüberwachungen i.a. nicht erfasst werden kann. Angestrebt wird ein pflasterartiger Low-cost-Detektor kompaktheiter Abmessung und geringer Masse. Neben Einsatz der Feldplethysmographie soll dies vor allem durch Einsatz von neuartigen Bimetallsensoren erzielt werden, die im vom Antragsteller koordinierten EU-GROWTH Projekt B-SENS entwickelt wurden. Nur 0,1 mm dicke, "lowest-cost" Sensorelemente versprechen dabei die Erfassung respiratorischer und kardialer Aktivität, der Körperlage, der Körperbewegungen, der Körpertemperatur, aber auch von - hier nur optional vorgesehenen - Parametern wie Atemfluss und -paradoxie, Blutdruckänderung, bzw. auch Augenbewegungen (REM) - und Beinbewegungen restless leg syndrome). Hinsichtlich des geplanten Ein-Punkt-Detektors wird es eine Herausforderung sein, spezifische Sensorkomponenten zu entwickeln, die die kontroversen Anforderungen nach hoher Sensitivität, Kompaktheit, Flachheit und geringer Masse mit Robustheit und reproduzierbarem Verhalten unabhängig von anatomischen Unterschiedlichkeiten erfüllen. Ziel ist es aber auch, den mit diesem Kompromiss verknüpften Informationsverlust einzugrenzen, indem die Auswirkung von am Messpunkt nicht erfassbaren Parametern - insbesondere der Oximetrie - zusätzlich hinsichtlich Sensitivität und Spezifität studiert wird. Die klinische Validierung - als Voraussetzung für eine pätere industrielle Umsetzung - wird Gegenstand eines Folgeprojektes sein. Das dreijährig angesetzte Projekt soll in Kooperation mit einem spanischen Materialforschungs-institut bezüglich der Sensorik, einem österreichischen Schlaflabor zur laufenden klinischen Testung und einem Schlaflabor Taiwans bezüglich des breiteren Einsatzes vorgenommen werden.

Schlafapnoen - d.h. Atemstillstände von mehr als 10 s Dauer - betreffen mehrere Prozent der Bevölkerung, also einige 100.000 Personen in einem kleinen Land wie Österreich. Die entsprechenden Auswirkungen reichen von reduzierter Schlafqualität bis hin zur reduzierten Lebenserwartung. Zur vollen Diagnose dienen Schlaflabors - bei sehr begrenzter Verfügbarkeit. Zum unüberwachten Heimmonitoring dienen Screening-Geräte mit mehreren Detektoren. Letzteres führt aber zu vielseitigen Problemen, etwa bezüglich Patientenunterweisung, Anlegen und Bedienung der Detektoren, Datenverlust und Schlafqualität. Somit ist ein breites Screening unmöglich und in wenig entwickelten Ländern sogar undenkbar. In der Folge sind sich die meisten Betroffenen ihrer Krankheit gar nicht bewusst. Das Projektziel war ein tragbares Screening-Gerät, das auf einen einzigen, einfachen, bequemen Detektor reduziert ist. Die erwähnten Nachteile sollte es vermeiden, trotzdem aber multiparametrische Aussagen liefern. Umfangreiche Vergleichsstudien wiesen den oberen Thorax als idealen Anbringungspunkt aus, indem sich sowohl die Atem- als auch die Herztätigkeit als verlässlich erwiesen. Durch exzessive Datenverarbeitung - z.B. bei Einsatz künstlicher neuronaler Netze - konnten an diesem alleinigen Aufpunkt ausreichende physiologische Informationen erzielt werden, ohne einen zweiten Detektor notwendig zu machen. Das Ziel war ein Low-cost-Detektor. Trotz geringer Masse und Größe sollte er Sensoren für Akustik, EKG und elektrische Feldplethysmographie enthalten, aber auch magnetische Bilayer für kardio-respiratorische Aktivitäten und für Körperposition und -bewegungen. Als eine zunächst unterschätzte Herausforderung sollten Interaktionen der Sensoren unterbleiben, und die Schlafqualität sollte nicht beeinträchtigt werden. In iterativer Entwicklung zahlreicher Labortypen entstanden letztlich flexible, flache pflasterartige Prototypen mit in klinischem Silikon eingebetteten Sensoren. Optimierungen wurden schrittweise durch Labortests vorgenommen. Dazu wurden drei Versionen von elektronischen Kontrollapparaten entwickelt. Zur Datenpräsentation wurde ein Software-System geschaffen, zur Darstellung von (i) Rohdaten, (ii) aufbreiteten physiologischen Signalen, (iii) 2-s Apnoe- Ereignissen (z.B. obstruktives Schnachereignis) und (iv) obstruktive bzw. zentrale Apnoen. Das Projekt sah auch klinische Tests vor. Hier ergaben sich beträchtliche Schwierigkeiten mit Ethik-Vorbehalten gegenüber computer-unterstützten elektrisch/magnetisch aktiven Sensoren. Statt zunächst vorgesehenen Tests in Wien und Taiwan erfolgten letztlich Patientenüberwachungen in einer Klinik in Litauen. Abgesehen von Problemen bei der Integration der neuen Methode in das vorgegebene Polysomnographie-System zeigte der Detektor unerwartet effektive Signale im Falle starker Apnoen. So ließen sich etwa sehr ausgeprägte Variationen der Herzrate in Verbindung mit obstruktiven Apnoen beobachten. Als Schlussfolgerung verspricht der neuartige Detektor, ein Screening erstmals in breiter und leistbarer Weise vornehmen zu können, was aber nähere Untersuchungen nötig macht.