Medizinisches Heim-Monitoring der Vitalparameter bei COVID-19

cosinuss° bietet eine Lösung für medizinisches Heim-monitoring für COVID-19 Patienten, die sich in häuslicher Isolation befinden. Vorrangig für Patienten mit einem Verdacht auf COVID-19 oder mit mildem bis mäßigem Verlauf der Krankheit. Das Monitoring System besteht aus einem In-Ear Sensor (cosinuss° Two Prototyp), einer Smartphone App (cosinuss° LabApp) und einer Serverdatenbank (cosinuss° LabServer). Die Komplettlösung schließt außerdem einen von Ärzten entwickelten Early Warning Score Algorithmus zur Bewertung des Gesundheitszustandes mit ein. Dieser basiert auf der kontinuierlichen und standortunabhängigen Messung der folgenden Vitalparameter:

  • Körperkerntemperatur
  • Herzrate
  • Blutsauerstoffsättigung
  • Respirationsrate

Ziel der Kombination von Remote Patient Monitoring mit den Vorzügen der Telemedizin ist es, das Gesundheitswesens wesentlich zu entlasten durch:

  • die durchgehende Beobachtung der Vitalparemeter von entfernten Patienten
  • dei Minimierung des Infektionsrisikos von Krankenhauspersonal und anderen Patienten
  • die Optimierung der Kapazität in Krankenhäusern und Laboren
  • Neuartige Datenbasis für frühe medizinische Studien

Das Gesundheitssystem steht unter Druck durch die steigende Belastung durch COVID-19

Sars-CoV-2 hat sich innerhalb von Wochen bereits über mehr als 150 Länder ausgebreitet. Über 198.000 Fälle von COVID-19 Infektionen (Abb.1) wurden weltweit bestätigt.1 Die Krankheit verbreitet sich rasend schnell und die Zahl der Infizierten folgt nahezu einem exponentiellen Wachstum.2

Bisher stehen weder ein Impfstoff noch eine erfolgreiche Therapie zur Verfügung. Des Weiteren führt die exponentielle Verbreitung des Virus zu einer Überlastung der intensivmedizinischen Versorgung und  Überbeanspruchung der Testlabore. Die Gesundheitsbehörden und das medizinisches Personal fühlen sich vielerorts überfordert und sind selbst am stärksten gefährdet. Von hier ab kann nur die häusliche Isolation in Kombination mit telemedizinischen Anwendungen “die Kurve abflachen”.

Abb. 1: Weltweit bestätigte Fälle des Coronavirus COVID-19 / 18.März 2020 – 08:13 am

Krankenhäuser und Test-Labore stoßen an ihre Grenzen

Die aktuelle COVID-19-Krise trifft das Gesundheitssystem hart. Wir laufen Gefahr nicht ausreichend Kapazitäten für die Behandlung von Gesundheitsproblemen unabhängig von COVID-19 zur Verfügung zu haben. Ein potenzieller Zusammenbruch des Gesundheitssystems könnte verhindert werden, indem Patienten mit weniger schweren Symptomen in ihrem eigenen Zuhause über die Distanz hinweg betreut werden könnten. 80% aller Menschen, die in die Notaufnahme gehen oder einen Arzt aufsuchen, könnten Zuhause überwacht und behandelt werden, um Ressourcen für diejenigen zu sichern, die sie dringend benötigen.3 Darüber hinaus sind bereits 80% der Betten in Krankenhäusern mit anderen, nicht mit COVID-19 infizierten Patienten belegt.4

Ebenfalls muss ein Teil der Kapazität für Laboruntersuchungen für Ärzte und Pflegepersonal so weit wie möglich frei gehalten werden. Diese Personen haben das größte Risiko zur Ansteckung und arbeiten gleichzeitig in systemrelevanten Bereichen. Ziel wäre es auf Grundlage von aktuellen Daten aus der Telemedizin und Vitalparametermessung, zusätzliche Beatmungs- und Bettenplätze, sowie den Personalbedarf und die zu erwartenden Patientenzahlen vorherzusehen und strategisch zu planen. Die Idee ist es, die Krankenhausaufnahme so effizient wie möglich zu gestalten.5(Abb.2)

Abb. 2: “Flatten The Curve” durch medizinisches Heim-Monitoring in Heimisolation.

Das medizinische Heim-Monitoring von Patienten in häuslicher Isolation ist die Lösung

Patienten in häuslicher Isolation sollten Vitalparameter, wie Körpertemperatur Herzfrequenz, Blutsauerstoffsättigung und Atemfrequenz beobachten. Während der gesamten Zeit der häuslichen Isolation gehören tägliche Besuche oder telefonische Befragungen zur Einschätzung des Fortschritts der Symptome ebenso zu den frühen Richtlinien wie die mehrfache tägliche Überwachung der genannten Vitalparameter.6

Die Telemedizin hat in den letzten Wochen große Aufmerksamkeit erlangt. In Deutschland stieg die Zahl der Anfragen und Bestellungen bei zum Beispiel x.onvid, einer telemedizinischen Softwareplattform, um etwa 60% – und auch andere Plattformen verzeichneten steigende Anfragen.7 Nichtsdestotrotz fehlen hierbei die objektive Messungen der erforderlichen Vitalparameter. Man kann sich hierbei nur auf die subjektiven Antworten der Patienten beziehen. Allerdings kann cosinuss° genau hier ansetzen und diese Plattformen mit genauen Echtzeit-Vitaldaten ergänzen. Die durchgehenden Messungen während der häuslichen Isolation der Patienten könnten kontinuierlich gesammelt oder live angezeigt werden.

Medizinisches Heim-Monitoring aus der Ferne mit cosinuss°

Abb. 3: Abbildung des medizinischen Heim-Monitoring mit Hilfe des cosinuss° Sensoren, Applikationen und Serveranwendungen.

Medizinisches Heim-Monitoring

Potenzielle Patienten mit einem geringen oder mittleren Risiko einer COVID-19-Infektion sollen zu Hause in Isolation bleiben. Diese Patienten werden jeweils mit einem cosinuss° Two In-ear Sensor ausgestattet, welchen sie mindestens vier Stunden pro Tag tragen sollten. Die Messungen werden über Bluetooth von der cosinuss° LabApp empfangen, welche auf dem Smartphone des Patienten installiert ist. Der Hauptteil der Daten wird auf dem Wearable und der Smartphone-App verarbeitet. Anschließend werden die vorverarbeiteten Daten an den cosinuss° LabServer gestreamt, der Datenstrom bleibt so hinsichtlich der kritischen IT-Infrastruktur schlank und übersichtlich (Abb.3).

Analyse der Vitalparameter

Alle persönlichen Gesundheitsdaten auf dem cosinuss° LabServer sind pseudonymisiert. Die Echtzeit-Vitalparameter werden visualisiert und in einer Server-Datenbank gespeichert. Diese Daten sind die Grundlage für von Medizinern entwickelten Algorithmen, wie EWS und Polyscore. So kann die Dringlichkeit einer Intervention oder einer Einweisung in ein Krankenhaus zuerst automatisch errechnet und anschließend durch medizinisches Personal validiert werden. Darüber hinaus können Schwellenwerte für Vitalparameter auch individuell eingestellt werden (Abb.3).

Zugang zu Daten durch das Gesundheitswesen

Der Zugriff auf die Daten erfolgt durch Krankenhäuser oder Gesundheitsbehörden einfach mit einem Webbrowser und der richtigen Login-Berechtigung. Zusätzlich können über ein Application Programming Interface (API) die Daten direkt in unterschiedlichste Telemedizin-Plattformen und Videoanrufe integriert werden. In Zukunft können diese wertvollen Informationen nahtlos und anonym in die Datenbanken verschiedener klinischer Studien zu COVID-19 integriert werden (Abb.3).

cosinuss° Komponenten bereichern die mobile Telemedizin

Die Vision unseres Unternehmens ist es, jedem einzelnen zu ermöglichen seine Gesundheit ohne zeitliche oder örtliche Einschränkung zu beobachten. In diesem Sinne arbeiten wir daran, grundlegende Messungen der Vitalparameter für alle auf eine bequeme, verlässliche und kosteneffektive Weise zugänglich zu machen.

cosinuss° Two

Abb. 4: Der Ohrsensor zur Messung der Vitalparameter: cosinuss° Two

Der cosinuss° Two (Abb.4) ist ein neuartiges Wearable zur mobilen Überwachung von Vitalzeichen im häuslichen Umfeld. Die patentierte Sensorvorrichtung ermöglicht die kontinuierliche Überwachung von 4 der 5 wichtigsten Vitalparameter auf nicht-invasive Weise: Körperkerntemperatur, Herzfrequenz, Blutsauerstoffsättigung und Atemfrequenz. Der cosinuss° Two kombiniert einen optischen Photoplethysmographie-Sensor (PPG) 8 (unter Verwendung von Standardkomponenten: LED und Photodiode), einen Infrarot- oder Kontakttemperatursensor und einen 3D-Achsen-Beschleunigungsmesser.

Das preisgekrönte Design und die Ergonomie bieten ein hohes Maß an Benutzerfreundlichkeit und Tragekomfort. Der Sensor hat eine Gesamtgröße von 45 x 38 x 18 mm und wiegt 6,5 Gramm. Die Akkulaufzeit beträgt etwa 12 Stunden bei kontinuierlicher Überwachung. Wenn der Patient in Intervallen überwacht werden muss, wie es bei dieser Anwendung der Fall sein wird, wird der Akku wesentlich länger als 12 Stunden halten. Für weitere technische Daten erfragen Sie bitte unser Datenblatt des Prototyps.

Die erfassten Daten werden nicht auf dem Server, sondern direkt auf dem Sensor selbst verarbeitet – dies wird als Edge-Computing bezeichnet. Dadurch wird der Datenverkehr in der gesamten nachfolgenden IT-Infrastruktur auf ein Minimum reduziert, was für die Gewährlesitung des Netzwerkverkehrs, wie z.B. bei einem epidemischen Ausbruch, in sehr großem Maß entscheidend ist.

  • Patentierte Sensorvorrichtung
  • Optimale Hardware und Ergonomie
  • Edge Computing Data Science
  • Mobil und kostengünstig

Die Verschmelzung mehrerer stationärer Messsysteme in einem kleinen In-Ear Sensor erfolgt ohne Qualitätsverlust der Messwerte. Dies  ist revolutionär für die medizinische Industrie und macht das Gesundheitswesen wirklich mobil und unabhängig. Ein positiver Nebeneffekt dieser Fusion ist die daraus resultierende Kosteneffizienz: Ein komplettes Monitoring System für ca. 250€.

cosinuss° LabApp

Abb. 5: Screens der cosinuss° LabApp. Visualisierung der Vitalparameter, Frühwarnsystem und Integration in die Telemedizin.

Die cosinuss° LabApp (Abb. 5) ist eine Smartphone Anwendung für Android- und iOS-Geräte, die in den gängigen App Stores heruntergeladen werden kann. Das Smartphone empfängt damit die, über Bluetooth übertragenen, Sensordaten und speichert sie zwischen. Die LabApp ist zusätzlich das sog. Gateway, dass die Daten auf den cosinuss° LabServer überträgt.

Zusätzlich ermöglicht die LabApp dem Smartphone eine zusätzliche Vorverarbeitung der Daten, um die hochgeladene Datenmenge auf dem Server gering und schlank zu halten. Die cosinuss° LabApp verwaltet die Pseudonymisierung der Patientendaten und die Opt-In-Option zur Weitergabe der persönlichen Daten für die Forschung und Fernüberwachung.

Die Datenvisualisierung innerhalb der LabApp ist an den Patienten selbst gerichtet. Das objektive Wissen über den eigenen aktuellen Gesundheitszustand hält den Patienten informiert und zuversichtlich. Mit den realen Zahlen vor Augen kann dieser informiert den Richtlinien der Gesundheitsbehörden befolgen, welche zusätzlich in der App kommuniziert werden können. So wird die psychische Gesundheit, während der gesamten belastenden häuslichen Isolation während einer Pandemie sichergestellt.

  • Datentransfer
  • Data Science
  • Datenvisualisierung

Integrierte Algorithmen

Sobald ein Wert eine vordefinierte Schwelle überschreitet, wird das verantwortliche medizinische Personal über die cosinuss° System online benachrichtigt. Daraufhin kann der Patient kontaktiert und über die nächsten Schritte informiert werden, z.B. wie der Krankenhausaufenthalt organisiert werden wird.

Early Warning Score

The Early Warning Score scoring system

Abb. 6: Schwellenwerte der einzelnen Vitalparameter des Early Warning Score (EWS).

Ein solcher Algorithmus ist der offizielle Early Warning Score (EWS)9. Für jedes Vitalzeichen wird die Abweichung von dessen Normalbereich berechnet und mit Einzelwerten von 0 bis 3, je nach Schweregrad eingeteilt. Aus der Bewertung der einzelnen Vitalzeichen wird anschließend ein Gesamt-Score errechnet, der sog. EWS (Abb.6). Der EWS selbst wird dann in drei klinische Stufen klassifiziert: gering (1-4), mittel (5-6) und hohes Risiko (7 oder mehr). Ein Score von 7 zeigt beispielsweise eine erhöhte Empfehlung zur Aufnahme auf die Intensivstation an bzw. das Risiko der Mortalität, sollte nicht interveniert werden. Ein Gesamt-Score von 4 hinegegen, beschreibt ein geringes klinisches Risiko.

Polyscore

Abb. 7: Vergleich der Kaplan–Meier Sterbewahrscheinlichkeit in den durch Polyscore ≤ 2 (grün), Polyscore 3 oder 4 (blau) und Polyscore ≥ 5 (rot) definierten Bevölkerungsuntergruppen. Die Anzahl der Risikopatienten in den einzelnen Untergruppen ist unterhalb der Zeitachse dargestellt.

Eine weitere Skala zur Bewertung des Risikos der Mortalität, dass sich aus dem Vitalparameter-Monitoring ableiten lässt, ist der sogenannte Polyscore. Dieser wurde durch Ärzte und Forscher um Prof. Dr. med. Georg Schmidt, dem Leiter der Arbeitsgruppe Biosignalanalyse, sowie Vorsitzender der Ethikkommission und einer unserer Forschungspartner, beschrieben.

“Um die nicht-invasive Risikobewertung von Herzpatienten voranzutreiben, wird ein Kombinations-Score (genannt Polyscore) aus sieben verschiedenen kardialen Risiko-Stratifizierern vorgeschlagen, die vorwiegend die autonome kardiovaskuläre Kontrolle und Regulation quantifizieren. Diese Risiko-Stratifikationstests wurden bereits früher erforscht und ihre Dichotomien, die abnorme Ergebnisse definieren, wurden aus früheren Berichten abgeleitet. Die Polyscore-Kombination wurde als die Anzahl positiver Tests unter diesen sieben Risikoprädiktoren definiert, wobei eine numerische Skala von 0 (alle Tests normal) bis 7 (alle Tests abnormal) angegeben wurde.”10 (Abb. 7)

Der Ablauf einer COVID-19 Behandlung mit medizinischem Heim-Monitoring

Abb. 8 Ablauf einer COVID-19 Behandlung mit medizinischem Heim-Monitoring in häuslicher Isolation

In der ersten Phase des Bewusstseins einer möglichen Infektion könnte der Patient eine Selbstdiagnose der frühen Symptome des Coronavirus, wie Husten und steigende Körpertemperatur, an sich selbst feststellen. Möglicherweise hielt sich der Patient zusätzlich in Risikogebieten auf oder hatte Kontakt mit risikoreichen Personen. Der erste Schritt für ihn wäre nun ein Telefonat mit seinem Arzt. In diesem Gespräch wird die Risikowahrscheinlichkeit des Patienten geklärt. Daraufhin werden die Gesundheitsbehörden informiert und dem Patienten wird zunächst in eine häusliche Isolation empfohlen. Genau hier setzt das System des medizinischen Heim-monitorings durch cosinuss° an.11

Während der Patient in der häuslichen Isolation auf die Möglichkeit wartet, durch einen Labortest sicher diagnostiziert zu werden, schicken ihm die Krankenkasse bzw. die Gesundheitsbehörden den cosinuss° Two zur häuslichen Fernüberwachung zu. In der gegenwärtig dringlichen Situation gehen wir davon aus, dass die Gesundheitsbehörden den cosinuss° Two erwerben und sie dann an die Krankenhäuser, Ärzte und Notfallmediziner verteilen. Die lokalen Gesundheitszentren werden den cosinuss° Two dann weiter an die Risikopersonen und bestätigten Patienten weiterverteilen.

Die tatsächliche Behandlung und Rücksprachemit dem Arzt  (mindestens 14 Tage ab Auftreten der ersten Symptome) erfolgt unter Anwendung einer telemedizinischen Video-visite inklsuive Integration des Heim-Monitorings. Wird auf Basis der Vitalparameter der Zustand des Patienten als kritisch oder schwerwiegend eingeschätzt benachrichtigt das medizinische Personal die Gesundheitsbehörden. Individuelle Maßnahmen können nun strategisch ergriffen und zielgerichtet kommuniziert werden. Diese können je nach Bedarf zwischen intensiver häuslicher Pflege oder sogar einem Krankenhausaufenthalt variieren.

Über den Genesungsprozess hinweg werden die Patienten durch das medizinsche Heim-Monitoring betreut. Eine endgültige Entlassung aus der Isolation kann auf der Grundlage eines Labortests und diverser Kriterien für Vitalparameter empfohlen werden, wie z.B. nachweisliche die Freiheit von Fieber für mehr als 48 Stunden.12 (Abb. 8)

COVID-19 ist ein Aufruf zur Digitalisierung des Gesundheitswesens

Sie möchten mehr darüber erfahren, wie Ihre Bedürfnisse im Kampf gegen die COVID-19-Krise durch unsere medizinischen Lösungen zur mobilen Messung der Vitalparameter unterstützt werden können? Sie betreiben wissenschaftliche Forschung zu COVID-19 und möchten wissen, wie unsere Produkte Ihnen helfen, Ihre Ziele zu erreichen?

Kontaktieren Sie uns für Ihre Pilotstudie oder Ihr Forschungsprojekt, sowie zu weiteren Fragen im Hinblick auf unsere Technologie.

Unsere Veröffentlichungen zur Validierung, sog. White Paper und das Datenblatt des cosinuss° Two erhalten sie gerne auf Anfrage.

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Johannes Kreuzer, CEO
E-mail: info@cosinuss.com

References

  1. Coronavirus COVID-19 Global Cases by the Center for Systems Science and Engineering (CSSE) at Johns Hopkins University (JHU), https://www.arcgis.com/apps/opsdashboard/index.html
  2. Remuzzi, A. & Remuzzi. G. (2020): COVID-19 and Italy:what next? doi: 10.1016/S0140.6736(20)30627.9
  3. RKI https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Steckbrief.html, → 80% = mild to  moderate cases
  4. https://www.sciencemediacenter.de/alle-angebote/rapid-reaction/details/news/vorbereitungen-in-krankenhaeusern-auf-covid-19/Prof. Dr. Reinhard Busse
  5. https://www.fastcompany.com/90471598/you-can-now-get-a-free-coronavirus-assessment-online-thanks-to-telehealth-companies; Peter Antall, American Well’s chief medical officer
  6. Jin et. al (2020). A rapid advice Guideline for the diagnosis and treatment of 2019 novel coronavirus infected pneumonia (standard version). Military Medical Research (2020)7:4. doi.10.1186/s40779-020-0233-6
  7. Ärzteblatt, 16.03.2020: Telemedizin: Kräftiger Schub für Videosprechstunden
  8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6426305/
  9. Royal College of Physicians, National Early Warning Score (NEWS), 13 May 2015 (https://www.rcplondon.ac.uk/projects/outputs/national-early-warning-score-news)
  10. Steger A, Müller A, Barthel P, Dommasch M, Huster KM, Hnatkova K, Sinnecker D, Hapfelmeier A, Malik M, Schmidt G (2019) Polyscore of non-invasive cardiac risk factors. Front Physiol doi: 10.3389/fphys.2019.00049
  11. https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Archiv/2020/Ausgaben/12_20.pdf?__blob=publicationFile
  12. https://www.rki.de/DE/Content/Kommissionen/Stakob/Stellungnahmen/Stellungnahme-Covid-19_Therapie_Diagnose.pdf__blob=publicationFile