Obwohl Vorhofflimmern (VHF) weit verbreitet ist, wird die Herzrhythmusstörung leider oft erst nach einem Hirnschlag diagnostiziert. Neue Smartwatches sind mit mobilen Sensoren ausgerüstet, welche in der Lage sind, den Herzrhythmus regelmässig zu überwachen und so potentiell VHF frühzeitig zu detektieren. Wir möchten in dieser Übersichtsarbeit die Technologie, wissenschaftliche Datenlage, klinische Implikationen und Herausforderungen der Rhythmusdiagnostik mittels Smartwatches näher erläutern.

Hintergrund

Vorhofflimmern (VHF) ist die häufigste Herzrhythmusstörung. Das Lebenszeitrisiko bei über 40-jährigen beträgt 25% (1). Durch die Einnahme einer oralen Antikoagulation kann die Rate an Hirnschlägen signifikant reduziert werden (2). Leider bleibt VHF jedoch häufig unentdeckt, da es oft nur anfallartig auftritt und keine Beschwerden verursacht So treten 18% der mit VHF assoziierten Hirnschläge bei asymptomatischem oder subklinischem VHF auf (3). Eine frühzeitige Erkennung von asymptomatischem oder subklinischem VHF könnte deshalb potentiell die Anzahl an Hirnschlägen reduzieren. Die Suche nach VHF ist deshalb in den Fokus von «mobile health technologies» gerückt (4). Verschiedene Devices, sogenannte Wearables, welche mittlerweile Smartphones, Armbänder, Ringe, T-Shirts oder Uhren (sog. Smartwatches) umfassen, sind nun in der Lage die Herzfrequenz zu erfassen und (teilweise automatisiert VHF zu detektieren.)
Im Vergleich dazu ist der Standard der Herzrhythmusdiagnostik im klinischen Alltag die Durchführung eines Langzeit-EKG, das den Herzrhythmus für bis zu 96 Stunden aufzeichnen kann. Verläuft diese Untersuchung negativ, wird in der Regel die Herzrhythmusdia­gnostik abgeschlossen und als unauffällig gewertet. Sollte dennoch der Rhythmus weiter überwacht werden, zum Beispiel bei rezidivierenden Hirnschlägen, kann als nächster Schritt ein implantierbarer Loop Rekorder implantiert werden. Dieser Rekorder kann für bis zu drei Jahre Vorhofflimmern durch das kontinuierlich registrierte EKG Signal detektieren und im Falle einer erkannten Episode automatisiert abspeichern. Eine Smartwatch ist hier vergleichsweise günstiger und kann theoretisch von jedermann erworben werden. Sie könnte daher zukünftig die Lücke zwischen dem Langzeit-EKG und einem implantierten Gerät schliessen (Abb. 1).

Aktuell sind zahlreiche Smartwatches kommerziell in der Schweiz erhältlich und weitere Anbieter drängen auf den Markt (4–9). Der gehäufte Einsatz wird vor allem auch von Patienten und der Industrie vorangetrieben. Es wird geschätzt, dass der Einsatz von Smartwatches von 325 Millionen im 2016 auf 1,1 Milliarden Devices ansteigen wird bis 2021 (10). In der Schweiz konnte ein relatives Wachstum von 19% von Smartwatch Nutzern im 2020 festgestellt werden. Der Umsatz durch den Vertrieb von Smartwatches übersteigt bereits den generierten Umsatz durch den Verkauf von «konventionellen» Schweizer Uhren (11). Die digitale Transformation wird aufgrund der Coronavirus Pandemie zusätzlich beschleunigt werden. Patienten möchten zunehmend direkte Spitalaufenthalte oder Arztkontakte vermeiden. Diese Entwicklung wird einige Bereiche der Kardiologie wie beispielsweise die Rhythmusdiagnostik in Zukunft deutlich verändern (4,12).

Wie erkennt die Smartwatch Vorhofflimmern?

Prinzipiell bestehen zwei Möglichkeiten mittels Smartwatch VHF zu detektieren: Einerseits mittels der Photoplethysmographie (PPG) Technologie oder mittels Ableitung eines 1-Kanal-EKGs (13). Mittels PPG wird kontinuierlich durch eingebaute Sensoren auf der Unterseite der Smartwatch ein Lichtsignal abgegeben. Dabei dringt Licht in die Hautschichten, bis es am Hämoglobin des fliessenden Blutes in den Kapillaren wieder mit einer bestimmten Wellenlänge reflektiert wird. Dieses pulsatil reflektierte Lichtsignal wird von der Smartwatch erfasst und durch eine Software in eine Pulskurve transformiert. Die Analyse der Pulsregularität liefert dann Hinweise für das Vorliegen von VHF. Möglich ist eine solche Messung im Übrigen auch mit einem Smartphone ohne zusätzliche Geräte. Hierbei wird das Blitzlicht der Kamera und die Smartphonekamera selbst genutzt um die Pulswellen aufzuzeichnen (9). Der potentielle Vorteil der Smartwatch ist nun, dass keine aktive Durchführung einer Messung durch den Anwender erforderlich ist. So können paroxysmale oder asymptomatische Arrhythmien beispielsweise auch nachts mit dieser Methode detektiert werden (falls die Uhr in dieser Zeit getragen wird). Eine kürzlich erschienene, interessante Arbeit aus China hat gezeigt, dass ein PPG Signal auch über ein Videosignal der Facetime-kamera im Gesicht erfasst werden kann. Bei dieser Arbeit wurden feine Schlag-zu-Schlag-Variationen der Hautfarbe, die arteriellen Blutpulsationen entsprechen, aufgezeichnet und zur Rhythmusanalyse verwendet (14).
Einige Smartwatches besitzen zu dem PPG Sensor auch eine integrierte 1-Kanal-EKG-Funktion. Bei Alarmierung über eine Pulsirregularität durch das PPG Signal, kann mit dieser Funktion ein mögliches VHF verifiziert werden. Hierbei kommen in der Regel zwei Elektroden zum Einsatz. Die eine Elektrode ist üblicherweise auf der Gehäuserückseite verbaut, die andere Elektrode befindet sich zumeist am Gehäuserand (Krone). Für eine Aufzeichnung muss der Patient die Uhr am Handgelenk tragen (damit Elektrode 1 auf der Gehäuserückseite in Hautkontakt ist) und mit dem Finger die Krone (Elektrode 2) berühren. Hiermit ist der Stromkreislauf zwischen beiden Elektroden geschlossen und elektrische Impulse können abgeleitet werden. Da nur zwei Elektroden verwendet werden, entsteht ein 1-Kanal-EKG welches der Ableitung I beim 12-Kanal-EKG entspricht. In der Regel kann mit dieser Methode ein 30 bis 40-sekündiger Rhythmusstreifen (je nach Hersteller) aufgezeichnet werden. Automatisierte Algorithmen interpretieren dieses 1-Kanal-EKG und klassifizieren es in der Regel als «VHF», «Sinusrhythmus» oder «nicht konklusiv». Im Anschluss ist es dem Nutzer möglich, das EKG als PDF weiterzuverwenden und bsp. den Befund einem Arzt per E-Mail zukommen zu lassen. Die Diagnose eines VHFs darf allerdings gemäss den neues ESC Guidelines nur nach ärztlicher Bestätigung erfolgen (17). Der bisherige Goldstandard für die Herzrhythmusdiagnostik, das sog. Holter-EKG besitzt in der Regel drei Ableitungen und kann damit bei unsicheren Befunden zuverlässiger zum Ein- oder Ausschluss von Vorhofflimmern beitragen.

Wie viele Smartwatches mit 1-Kanal-EKG-Funktion gibt es?

Abbildung 2 gibt einen Überblick über aktuell in der Schweiz frei erhältliche Smartwatches mit 1-Kanal-EKG Funktion (aufgrund der rasanten Entwicklung ohne Gewähr auf Vollständigkeit). Die grösste Bekanntheit hat sicherlich die Apple Watch, welche ab der 4. Generation (seit 2018) über eine EKG Funktion verfügt. Weiter in der Schweiz erhältlich ist die Samsung Galaxy Watch 3, welche mit zwei EKG Elektroden ausgerüstet ist. Die EKG Applikation ist jedoch zurzeit inaktiv. Die amerikanische Food and Drug Administration (FDA) hat Ende September die Freigabe für die EKG Funktion erteilt. Das EKG-Feature soll nun im Oktober 2020 für Schweizer Kunden zugänglich sein. Das Gleiche gilt für die Fitbit Sense. Zudem ist die Withings Move ECG verfügbar, welche mit einer FDA Zulassung im vierten Quartal 2020 rechnet.

Ärztliche Resonanz

Auch wenn fast alle Ärzte ein Smartphone besitzen und privat auch viele Apps benutzen, so wird es bisher nur von wenigen beruflich eingesetzt. In einer kürzlich publizierten Umfrage der Sektion «Young EP» der europäischen Gesellschaft für kardiale Elektrophysiologie (EHRA) wurden 417 Ärzte mit einem medianen Alter von 37 Jahren zum Einsatz von Wearables befragt (15). Wenn die Befragten mit einem 1-Kanal-EKG, welches VHF zeigt, konfrontiert wurden, hätten 90% der Teilnehmenden weitere diagnostische Schritte veranlasst. Bei einem symptomatischen VHF Patienten würden die Mehrheit (59%) eine orale Antikoagulation initiieren und 21% bei einem asymptomatischen Patienten. Interessanterweise würden PPG Aufzeichnungen nur in einer Minderheit zu diagnostischen Schritten führen, unabhängig vom Auftreten von Symptomen. Die meisten Kardiologen wünschen sich klare Empfehlungen der Gesellschaften.

Wie gut ist die Smartwatch?

Die wohl bekannteste und eine der grössten Studien, welche die PPG-Methode zur Vorhofflimmerdetektion untersuchte, war die im 2019 publizierte Apple Heart Study mit 419 297 Studienteilnehmern (6). Aufgrund ihres Studiendesigns konnte die Sensitivität und Spezifität der Smartwatch in dieser Industriegesponserten Studie nicht untersucht werden.
Der positive prädiktive Wert der PPG-Methode zur Vorhofflimmer­detektion lag bei 84%. Eine kleinere Folgestudie mit 50 Patienten im klinischen Setting (Teilnehmer der Apple Heart Study waren gesunde Probanden mit einem medianen Alter von 41 Jahren) zeigte jedoch, dass rund 31% aller Messungen mit dem automatischen Diagnosealgorithmus, welcher am Ende der EKG-Aufzeichnung das Resultat auf dem Bildschirm der Uhr anzeigt, als uneindeutig interpretiert werden (16). In dieser Studie zeigte sich eine Spezifität von 100%, aber nur eine Sensitivität von 41%. Als mögliche Lösung wird die Interpretation dieser uneindeutigen Tracings von einem Kardiologen vorgeschlagen. Die Kombination aus Algorithmus und kardialer Beurteilung steigerte die Sensitivität auf 96%. Technische Fortschritte im Diagnosealgorithmus sind daher notwendig, um die Implementierung der mobilen EKG-Methode im klinischen Alltag zu vereinfachen. Der grosse Nachteil der Smartwatch ist aktuell die geringe Akkulaufzeit und somit das Nichttragen durch den Anwender während einer relevanten Zeit. Zudem gibt es Probleme mit der Qualität des Signals, meistens aufgrund von Bewegungsartefakten, in rund 20 Prozent aller Messungen (6).

Für wen eignet sich eine Smartwatch?

Besonders geeignet ist ein Smartwatch-EKG als Eventrekorder bei unregelmässiger Palpitation. Bezüglich Vorhofflimmerscreening gibt es nun ebenfalls klare Empfehlungen (siehe Abschnitt ESC Richtlinien). Zudem wäre der Einsatz von Smartwatches zum Monitoring nach Vorhofflimmer Ablation oder elektrischer Kardioversion denkbar. Die Kombination der Smartwatch-EKG Funktion mit einer Patienten App bsp. «My AF» ist ein interessanter Ansatz Patienten mit VHF zu schulen, sie bei Verhaltensänderungen zu unterstützen, die Therapieadhärenz zu verbessern und interaktive Therapiepläne zu entwickeln. Letztendlich sollen damit mehr Patienten in den Genuss einer leitliniengerechten Therapie kommen.

Was sagen die neuen ESC Vorhofflimmern-Richtlinien 2020 zum Einsatz von Wearables?

Neu kann eine definitive Diagnose mittels Bestätigung von einem 12-Kanal EKG oder einem 1-Kanal-EKG für mind. 30 Sekunden gestellt werden (17). Zudem wird nun ein Screening von VHF durch regelmässiges Puls fühlen oder auch durch 1-Kanal-EKGs empfohlen für Patienten ≥ 65 Jahre, mit arterieller Hypertonie und mit Schlafapnoe-Syndrom (17). Diese Empfehlung beruht auf ersten Machbarkeitsstudien, welche gezeigt haben, dass systematische Smartdevice-basierte VHF-Screening Programme durchaus durchführbar und effektiv sind, um bei beschwerdefreien Patienten das VHF zu detektieren (18,19).

Was sind die Herausforderungen dieser neuen Technologien?

Die Entwicklung der mobilen Technologien ist rasant und nicht ohne Risiken. Die Smartwatches leiten einen Paradigmen Wechsel ein, nämlich von «physician initiated» zu «consumer initiated testing». Ärzte aus verschiedenen Disziplinen werden in Zukunft vermehrt mit auffälligen Aufzeichnungen von Smartwatches konfrontiert, teilweise ohne begleitende Symptome, welche in der grossen Mehrzahl der Fälle wahrscheinlich nicht ärztlich, sondern durch den Anwender initiiert wurden. Es besteht somit potentiell die Gefahr, dass gesunde Smartwatch Benutzer durch falsch positive Resultate verunsichert werden. Insgesamt ist davon auszugehen, dass die EKG-Funktion zu vermehrt ärztlichen Konsultationen führen wird. Zudem ist es essentiell hervorzuheben, dass aktuell weiterhin von den Herstellern die Empfehlung abgegeben wird, dass abnormale Resultate ärztlich bestätigt werden müssen. Aktuell ist unklar wie dieser potentielle Ansturm von ärztlicher Seite aus bewältigt werden soll und wie die Zuständigkeiten hier verteilt sind. Zudem ist die Fülle der angebotenen Smartwatches und Wearables so vielfältig, dass der Markt kaum noch überschaubar ist.

AI (Artifical Intelligence) – Künstliche Intelligenz

Smartwatches sind in der Lage grosse und komplexe Datenmengen aufzuzeichnen und zu übermitteln. Um die Verarbeitung dieser Signale möglichst effektiv zu nutzen, bietet sich Artificial Intelligence bzw. künstliche Intelligenz (KI) als neue Methode zur Auswertung an. KI kann die diagnostische Sicherheit des automatischen Algorithmus weiter verbessern. Resultate von Studien der Auswertung von 12-Kanal-EKGs mittels AI sind vielversprechend und können wahrscheinlich bald auf die Auswertung von 1-Kanal-EKGs übertragen werden. So gelang es KI aus ausschliesslich im Sinusrhythmus erfassten EKGs VHF mit einer Sensitivität und Spezifität von 79% zu diagnostizieren (20). Weitere Arbeiten konnten zeigen, dass mittels Einsatz von KI, Patienten basierend auf einem Ruhe-EKG mit eingeschränkter Pumpfunktion(21) oder Elektrolytstörungen, Bsp. Hyperkaliämie (22), zuverlässig identifiziert werden können.

Ausblick

Die diagnostische Genauigkeit von Smartwatches zur Detektion der häufigsten Herzrhythmusstörung, dem VHF, wurde bisher noch unzureichend im klinischen Setting untersucht. Mit Spannung wird die von Apple initiierte Heartline-Studie erwartet, die 180.000 Patienten einschliessen wird und das Vorhofflimmerscreening durch die Apple Watch mit ihrer PPG- und EKG-Funktion mit einem Standardvorgehen vergleicht (NCT04276441).(23) Doch nicht nur der Herzrhythmus lässt sich mittels Smartwatch überwachen. Basierend auf der PPG-Methode lassen sich aus der Pulskurve auch eine Blutdruckkurve und die Sauerstoffsättigung ableiten. Die Datenlage in diesen beiden Bereichen ist allerdings noch dünn.

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