Welchen Unterschied kann ein CPR-Feedbacksystem für die Herz-Lungen-Wiederbelebung machen?
Bei einem Herzstillstand stoppt unmittelbar der Transport von Sauerstoff zu den Körperzellen und führt zu irreversiblen Schäden. Das Absterben der Zellen tritt bereits nach drei Minuten ein. Dieser Prozess kann durch die Wiederherstellung der Blutzirkulation mittels kardiopulmonaler Reanimation (im Englischen auch „cardiopulmonary resuscitation“ oder kurz „CPR“) verzögert werden. Bis zum Eintreffen der Rettungskräfte sind die sogenannten goldenen Minuten entscheidend. Wird in dieser Zeit bereits eine qualitativ hochwertige Herz-Lungen-Wiederbelebung (HLW) durchgeführt, kann dies den Tod der betroffenen Person und potenzielle Langzeitschäden verhindern.
Die aktuelle Leitlinie sieht bei der Reanimation eine Eindrucktiefe von mindestens 5 cm, jedoch nicht mehr als 6 cm bei einer Frequenz von 100 bis 120 Kompressionen bzw. Schlägen pro Minute (BPM) vor. Dieses kleine Fenster, insbesondere bezüglich der Eindrucktiefe, ist selbst für gut ausgebildete Fachkräfte in Pflegeberufen oder im Rettungsdienst schwierig zu erreichen.
Aus diesen Gründen habe ich bei MEDtech Ingenieur in eigener Forschungs- und Entwicklungsarbeit einen kostengünstigen und tragbaren CPR Feedbacksensor auf Basis unseres „M-Track-Boards“ entwickelt. Das M-Track-Board (= Motion Track) ist eine von uns entwickelte Sensor-Platine, die auf unterschiedlichste Anwendungen in der Bewegungsanalyse programmiert werden kann. Der Sensor unterstützt Ersthelfer bei einer kardiopulmonalen Reanimation (CPR) durch direktes Feedback zu ihrer Eindrucktiefe und Frequenz während der Herz-Lungen-Wiederbelebung und verbessert damit die Qualität der Reanimation.
Wie funktioniert ein tragbares CPR-Feedbacksystem?
Unser M-Track-Board wurde in ein kleines, leichtes und tragbares Gehäuse zur Anwendung verbaut. Das Gerät verfügt somit über einen Beschleunigungssensor, ein Gyroskop und ein Magnetometer. Der Sensor zeichnet die Messdaten auf, verarbeitet sie und übermittelt die Ergebnisse an eine Smartphone-App. Ein Smartphone hat mit seinem Display und Lautsprechern alle nötigen Komponenten zur Darstellung der Ergebnisse und zur Eingabe von Informationen. Das Gerät kann an unterschiedlichen Positionen am Körper des Ersthelfers oder der zu reanimierenden Person befestigt werden. Grundsätzlich gilt, dass der Sensor die identische Bewegung ausführen sollte wie das Brustbein der zu reanimierenden Person. Am sinnvollsten sind jedoch die Brust auf der Höhe des Brustbeins der zu reanimierenden Person oder Finger/Handfläche der reanimierenden Person.
Algorithmik und Software
Das Fundament für die Implementierung des Algorithmus in C ist das Echtzeitbetriebssystem Zephyr. Das Betriebssystem wurde speziell für Geräte mit beschränkten Ressourcen entwickelt, die eine zuverlässige Leistung in Echtzeit erfordern. Zephyr unterstützt eine breite Palette von Mikrocontrollern und diverse Sensorik. Daher ermöglicht mir Zephyr auch die schnelle Anbindung der Sensorik und die Implementierung des Algorithmus für den CPR-Sensor.
Der Algorithmus analysiert die Beschleunigungssignale im Frequenzbereich und ist somit deutlich genauer und unempfindlicher gegen Drift als bei Algorithmen, die die Drucktiefe durch Integration im Zeitbereich berechnen. Der Algorithmus ist extrem genau und liefert sehr zuverlässig die präzise Eindrucktiefe.
Der verwendete Mikrokontroller und die Sensoren des M-Track-Boards sind Teil einer Reihe an Komponenten, die in ihrer Gesamtheit als Baukasten angesehen werden können. Der Baukasten ermöglicht mir eine modulare Plattform aufzubauen, je nachdem welche Anforderungen oder Kunden-Requirments benötigt werden. Durch Austauschen, Ergänzen oder Entfernen einzelner Komponenten kann das M-Track-Board auf spezifische Anwendungen programmiert werden. Da ich hier auf eine bereits voll entwickelte und ausgereifte Platine zurückgreife wird die Entwicklungszeit neuer Produkte stark verkürzt.
Welche Hardware wird für einen CPR-Sensor benötigt?
In der Abbildung ist eine vereinfachte Darstellung der Hardware gezeigt. Zentrale Komponente ist das Bluetooth-Low-Energy-Modul (BLE-Modul) mit integriertem Mikrocontroller, an dem mittels I2C-Bus die Sensoren angebunden sind. Die Spannungsversorgung ist für die Energieversorgung der anderen Bausteine zuständig.
Als Spannungsversorgung dient eine CR1220-Knopfzelle. Bei der Wahl einer Batterie als Spannungsquelle ist unter anderem deren hohe Ladehaltungsfähigkeit entscheidend. Das ist relevant, da der Sensor gegebenenfalls über Jahre hinweg ausgeschaltet bleibt, bevor er eingesetzt wird. Die bestückte Leiterplatte und das dazugehörige Gehäuse des Feedbacksystems sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Wie unterstützt eine App Ersthelfer bei der Durchführung der CPR?
Die Hauptfunktion der App ist die Visualisierung der Messergebnisse. Neben der aktuellen Eindrucktiefe und Frequenz werden auch die Sollwerte angezeigt. Eine weitere Funktion ist die Anleitung des Anwenders an die CPR. Die App soll den Anwender an die Hand nehmen und Schritt für Schritt durch den gesamten Prozess der CPR führen. In einer Notfallsituation kann der Stresspegel sehr hoch sein, was die Fähigkeit, klare Entscheidungen zu treffen und präzise Handlungen auszuführen, beeinträchtigen kann. Die App ist so konzipiert, dass sie dem Anwender möglichst viele Entscheidungen und Aufgaben abnimmt. Für die Entwicklung der App wurde Flutter verwendet. Die Sprache ermöglicht die plattformübergreifende Entwicklung von Apps für iOS, Android, Web und Desktop mit einer einzigen Codebasis.
Die folgende Abbildung zeigt eine Übersicht über alle Seiten der App. Im Startbildschirm, oben links dargestellt, kann mit einem Klick auf den Knopf Open CPR Live Page direkt zur letzten Seite, unten rechts dargestellt, navigiert werden. Diese Abkürzung ist für den Einsatz im Entwicklungsprozess gedacht, da hier die Frequenz und Eindrucktiefe visualisiert wird. Die restlichen Seiten zeigen einen möglichen Verwendungsablauf und dient zur Demonstration. Der dargestellte Ablauf wird mit folgenden Eingaben erzielt:
Start CPR → Call rescue sevice → an Adult → Person is unconscious → Not breathing → Sensor is in place → Understood
Wie wurde das CPR-Feedbacksystem getestet und validiert?
Insbesondere bei einem Sensor, der in einer lebensrettenden Herz-Lungen-Wiederbelebung eingesetzt wird, ist eine belastbare Validierung unabdingbar. Daher wurde für die Validierung ein Teststand entwickelt, der die Bewegungen des Feedbacksensors präzise erfasst, aufzeichnet und analysiert.
Die Entwicklung des Teststands sowie die grafische Aufbereitung der Validierungsergebnisse werden in einem weiteren Blogartikel beschrieben, der in kürze erscheint.
Wenn Sie mehr zum Thema CPR-Feedback erfahren oder individuelle Lösungen für Ihr Unternehmen besprechen möchten, nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf.