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Apr 26, 2024

Warum der Blutdruck mit Smartwatches so schwer zu messen ist

Dieses Problem kann nicht schnell genug gelöst werden. Smartwatches und Fitness-Tracker haben einen langen Weg zurückgelegt, seit das erste Fitbit im Jahr 2009 praktisch den modernen Wearables-Markt erfunden hat

Die Lösung dieses Problems kann nicht schnell genug erfolgen

Smartwatches und Fitness-Tracker haben einen langen Weg zurückgelegt, seit das erste Fitbit im Jahr 2009 praktisch den modernen Wearables-Markt erfunden hat. Damals konnte man nur messen, wie viele Schritte man gemacht hat. Ungefähr fünf Jahre später kamen Smartwatches auf den Markt, und heute können die besten Smartwatches ihren Nutzern für nur ein paar hundert Dollar einen Herzfrequenz-, Blutsauerstoffsättigungs- und Hauttemperatursensor am Handgelenk bieten.

Doch trotz aller modernen Fortschritte in der mobilen Gesundheitstechnologie war es den großen Geräteherstellern bisher nicht möglich, den Verbrauchern ein genaues, manschettenloses Blutdruckmessgerät auf Smartwatch-Basis in die Hände zu bekommen. Die Health Monitor-App von Samsung gibt an, den Blutdruck seit 2021 auf der Galaxy Watch 3 „messen“ zu können, erfordert jedoch eine monatliche Neukalibrierung mit einem herkömmlichen manschettenbasierten Blutdruckmessgerät und ist in den USA aufgrund fehlender FDA nicht verfügbar Genehmigung.

Was gibt es also? Warum ist die Blutdruckmessung mit Smartwatches so schwierig? Um es zu verstehen, beginnen wir mit den Grundlagen.

Einfach ausgedrückt ist der Blutdruck die Kraft, die Ihr Blut auf Ihre Arterienwände ausübt. Der Spitzendruck (oder systolische Druck) entsteht, wenn sich Ihr Herz zusammenzieht und Blut durch Ihre Arterien drückt. Zwischen den Wehen liegt der minimale (oder diastolische) Druck. Diese beiden Werte – gemessen in Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) – sind Ihr Blutdruck.

Die genaueste Blutdruckmessung wird erreicht, indem ein Schlauch (Kanüle) in eine Arterie eingeführt und der Blutdruck direkt gemessen wird. Dies ist offensichtlich sehr invasiv und wird im Allgemeinen nicht für Routinemessungen verwendet.

Die gebräuchlichste Form der Blutdruckmessung ist die auskultatorische Methode (von lateinisch für „zuhören“). Dabei wird eine Blutdruckmanschette über der Arteria brachialis (der größten Arterie an Ihrem Oberarm) angelegt und so weit aufgepumpt, dass der Blutfluss unterbrochen wird. Der Druck wird abgelassen und jemand (in der Regel ein Arzt) nimmt den Druck wahr, wenn das Geräusch der Wiederaufnahme Ihres Blutflusses zu hören ist (systolischer Druck) und wenn das Geräusch Ihres turbulenten Blutflusses nicht mehr zu hören ist (diastolischer Druck).

Elektronische Blutdruckmessgeräte funktionieren auf ähnliche Weise. Wie bei der auskultatorischen Methode wird eine Manschette so weit aufgepumpt, dass sie den Blutfluss blockiert. Während der Druck langsam abgebaut wird und der Blutfluss wieder einsetzt, messen Druckmonitore in der Manschette die Schwankungen des Pulsdrucks. Basierend auf dem Spitzendruck des Pulses und dem Druck der Manschette können der systolische und diastolische Druck mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden.

Mit einem Wort: Bluthochdruck.

„Hoher Blutdruck oder Bluthochdruck ist oft das erste Anzeichen einer Herz-Kreislauf-Erkrankung“, sagt Dr. Tammy Brady, medizinische Direktorin des Pediatric Hypertension Program an der Johns Hopkins University. „Weltweit tragen über eine Milliarde Menschen die Diagnose Bluthochdruck, der die häufigste Ursache für Morbidität und Mortalität im Zusammenhang mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist.“ In den Vereinigten Staaten sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen seit 1950 die häufigste Todesursache und allein im Jahr 2021 für fast 700.000 Todesopfer verantwortlich. Weltweit steigt diese Zahl auf fast 18 Millionen.

Blutdruckkategorie

Systolischer Druck

und/oder

Diastolischer Druck

Normal

<120 mmHg

Und

<80 mmHg

Erhöht

120–129 mmHg

Und

<80 mmHg

Hypertonie-Stadium 1

130–139 mmHg

oder

80–89 mmHg

Hypertonie-Stadium 2

>140 mmHg

oder

>90 mmHg

Hypertensiven Krise

>180 mmHg

und/oder

>120 mmHg

Quelle: American Heart Association

Wenn Blut mit zu großer Kraft und Geschwindigkeit durch Ihr Kreislaufsystem fließt, kann es das Innere Ihrer Venen und Arterien beschädigen. Cholesterin bildet entlang dieser geschädigten Regionen Plaques, die den Blutfluss verengen, was den Blutdruck weiter erhöht, was zu weiteren Schäden und einer stärkeren Verengung führt. Wenn das schlecht klingt, dann deshalb, weil es so ist. Hoher Blutdruck kann dazu führen, dass Ihre Arterien sich ausbeulen (Aneurysma) oder reißen. Die dadurch verursachte Verengung und Plaquebildung in Ihrem Kreislaufsystem kann zu einer arteriellen Verstopfung (Embolie) führen, die verhindert, dass Blut lebenswichtige Teile Ihres Körpers erreicht. Alle diese Szenarien sind potenziell tödlich und erfordern medizinische Eingriffe zur Behandlung.

Erschwerend kommt hinzu, dass Bluthochdruck keine äußerlichen Symptome aufweist. Es verursacht keine Kopfschmerzen, Brustschmerzen, Nasenbluten oder Schwindel. Laut Dr. Brady „wissen viele Menschen nicht, dass sie an Bluthochdruck leiden, was dazu führt, dass sie Möglichkeiten zur Behandlung und Vorbeugung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen verpassen.“ Daher ist die einzige Möglichkeit, dies sicher zu wissen, die regelmäßige Kontrolle Ihres Blutdrucks.

Leider messen die meisten Menschen ihren Blutdruck nur beim Arztbesuch, was Zeit und Geld kostet. Darüber hinaus müssen sich Ärzte mit den verwirrenden Auswirkungen des „Weißkittelsyndroms“ auseinandersetzen, einem Anstieg des Blutdrucks aufgrund ärztlicher Angstzustände.

Angesichts dieser Herausforderungen und der massiven Auswirkungen von Bluthochdruck und Herzerkrankungen auf die öffentliche Gesundheit sind Smartwatch-Hersteller sehr motiviert, die Blutdrucküberwachung auf ihren Geräten verfügbar zu machen.

Die meisten Forschungen zur manschettenlosen Blutdrucküberwachung konzentrierten sich auf die Idee, Daten von Herzfrequenz- und Blutsauerstoffsättigungsmessgeräten zu nutzen, die bei den meisten Smartwatches bereits üblich sind. Diese Sensoren verwenden eine Technik namens Photoplethysmographie (PPG), um mithilfe einer LED und eines Lichtsensors die Volumenänderung Ihrer Blutgefäße im Laufe der Zeit zu messen. Die knifflige Aufgabe besteht darin, die gesammelten Daten in etwas umzuwandeln, das zur Berechnung des Blutdrucks verwendet werden kann. Und auch wenn es keinen eindeutig „richtigen“ Weg gibt, haben wir doch ein paar Möglichkeiten:

Samsung, das über seine Samsung Health Monitor-App in Dutzenden Ländern (vor allem in der Europäischen Union) Blutdruckmessungen anbietet, schätzt den Blutdruck mit einer Technik namens Pulswellenanalyse (PWA). Die Grundidee ist, dass ein größeres Blutvolumen, das durch Ihre Arterien fließt, einem höheren Blutdruck entspricht. Der große Nachteil dieser Technik besteht darin, dass diese Messungen nur eine relative Änderung des Blutdrucks anzeigen – Sie können damit nicht Ihren absoluten Blutdruck ermitteln (wie er traditionell in Millimetern Quecksilbersäule ausgedrückt wird). Um überhaupt eine genaue Schätzung zu machen, muss er einmal im Monat mit einem herkömmlichen Blutdruckmessgerät kalibriert werden.

Eine andere beliebte Technik verwendet eine Metrik, die als Pulsankunftszeit (PAT) bekannt ist, um den Blutdruck zu schätzen. PAT ist das Maß für die Zeit zwischen dem Höhepunkt Ihres Elektrokardiogramms (EKG) und dem Höhepunkt Ihres PPG. Je kürzer Ihr PAT, desto höher ist Ihr Blutdruck. Wie PWA kann PAT Ihnen nur relative Veränderungen des Blutdrucks anzeigen und erfordert daher auch eine regelmäßige Neukalibrierung mit einem herkömmlichen Blutdruckmessgerät.

PAT-basierte Blutdruckmessungen gibt es mindestens seit 1993, als Casio die BP-100 auf den Markt brachte – eine Armbanduhr mit PPG- und EKG-Sensor. Fitbit selbst startete im Jahr 2021 eine Studie zur Analyse der Genauigkeit von Blutdruckmessungen mittels PAT, hat jedoch noch keine Ergebnisse veröffentlicht.

Ähnlich wie bei der PAT misst die Pulslaufzeit (PTT) die Zeit, die eine Pulswelle benötigt, um sich zwischen zwei Körperteilen zu bewegen. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, die jedoch alle auf den gleichen Grundprinzipien beruhen. Eine Methode besteht darin, zwei separate PPG-Sensoren zu verwenden und die Zeit zu messen, die eine Pulswelle benötigt, um die beiden Punkte zu durchlaufen.

Einige Forscher haben die Verwendung von Seismokardiographie (SCG – Messung der vom Herzen verursachten Vibrationen) und Ballistokardiographie (BCG – Messung der vom Herzen verursachten Körperbewegungen) vorgeschlagen, um den ersten Zeitpunkt einer PTT-Messung zu ermitteln. Diese Techniken würden die Beschleunigungsmesser in Ihrer Smartwatch verwenden, um das SCG- oder BCG-Signal Ihres Herzschlags zu erkennen und den Zeitpunkt dieses Signals mit dem PPG-Signal an Ihrem Handgelenk zu vergleichen, um die PTT zu ermitteln. Forscher haben bereits eine Proof-of-Concept-Smartphone-App entwickelt, um die Machbarkeit dieser Technik zu demonstrieren.

Wie PWA und PAT erfordert PTT eine regelmäßige Kalibrierung mit einem herkömmlichen Blutdruckmessgerät, um die Genauigkeit über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Es wurden noch keine Verbrauchergeräte eingeführt, die PTT zur Blutdruckmessung nutzen.

Einer der größten Nachteile dieser Techniken ist ihre Abhängigkeit vom PPG-Signal. Obwohl die PPG-Sensoren in Smartwatches genauer sind als je zuvor, sind sie immer noch einer Menge Störungen ausgesetzt. Bewegung, Schweiß, Temperatur und sogar die Hautfarbe können die Qualität des PPG-Signals beeinträchtigen und sich wiederum negativ auf die Genauigkeit aller auf diesem Signal basierenden Blutdruckmessungen auswirken.

Diese Methoden basieren nicht auf allgemein anerkannten physiologischen Prinzipien.

Vielleicht noch schlimmer: „Diese Methoden basieren nicht auf allgemein anerkannten physiologischen Prinzipien“, sagt Dr. Ramakrishna Mukkamala von der University of Pittsburgh. Dr. Mukkamala ist ein Experte für Computerphysiologie und hat ausführlich über die manschettenlose Blutdrucküberwachung geschrieben. Er stellt fest, dass „die PAT- und PWA-Methoden keinen überzeugenden Beweis für die Genauigkeit der Blutdruckmessung erbracht haben.“

Auch der Blutdruck ist eine sehr launische Messgröße. Die Messung an verschiedenen Stellen des Körpers führt zu unterschiedlichen Ergebnissen. Nach der Kalibrierung müssen Sie Ihren Blutdruck mit Ihrer Smartwatch/Ihrem PPG-Sensor auf der gleichen Höhe relativ zu Ihrem Herzen messen. Eine Veränderung von nur wenigen Zentimetern kann eine Druckveränderung von 10 mmHg oder mehr bedeuten, was den Unterschied zwischen gesund und Bluthochdruck ausmacht.

Angesichts der schlimmen Folgen von Bluthochdruck ist es kein Wunder, dass Smartwatch-Hersteller Abhilfe schaffen wollen. Eine unzureichende Angabe des Blutdrucks könnte dazu führen, dass jemand eine Änderung seines Lebensstils oder einen Arztbesuch aufschiebt, der sein Leben retten könnte. Aus diesem Grund warten alle großen Player auf die FDA-Zulassung, bevor sie ihre Funktionen in den USA verfügbar machen. Und selbst wenn alles gut funktioniert, kommt so etwas in der Regel nur langsam voran, da die FDA sehr genau darauf achtet, was sie ohne Regulierung und Aufsicht auf den Markt bringen darf und was nicht.

Laut James McKinney von der FDA ist „die angebliche Funktion des Geräts sehr wichtig für die Feststellung, ob [es] aktiv von der FDA reguliert wird.“ Grundsätzlich bestimmt der Umfang dessen, wofür der Hersteller den Käufern sein Gerät mitteilt, wie es reguliert wird. Software, die nur dem allgemeinen Wohlbefinden dient, etwa beim Abnehmen, Stressbewältigung oder Schlafüberwachung, löst bei der FDA in der Regel kein Interesse aus. Das bedeutet, dass es in Ordnung ist, die Herzfrequenz zu messen, um Ihr Training zu verfolgen, aber die Messung Ihrer Herzfrequenz zur Diagnose von Herzrhythmusstörungen erfordert die Zustimmung der FDA.

Auf den ersten Blick scheint die Überwachung des Blutdrucks unter das Dach des allgemeinen Wohlbefindens zu fallen, doch im Vergleich zu anderen Vitalfunktionen ist der Blutdruck etwas anders. „Blutdruck ist strafbar“, erklärt Dr. Mukkamala. Wenn Ihre Herzfrequenz etwas hoch oder Ihr SpO₂ etwas niedrig erscheint, haben diese Messwerte keinen großen diagnostischen Nutzen. Wenn Sie Ihren Bluthochdruck hingegen Ihrem Arzt mitteilen, wird dieser sehr schnell eine geeignete Behandlung für Sie finden. „Die FDA beschließt, die Blutdruckmessung zu regulieren, um sicherzustellen, dass Geräte zu einer ordnungsgemäßen Therapie führen“, sagt Dr. Mukkamala.

Und die FDA nimmt Blutdruckgeräte sehr ernst. Um die begehrte FDA-Zulassung zu erhalten, müssen Smartwatches die Genauigkeitsstandards erfüllen, die vom Blutdruckmessgerät-Ausschuss der Association for the Advancement of Medical Instrumentation (dessen Co-Vorsitzender Dr. Brady ist) festgelegt wurden. „Lange Rede, kurzer Sinn“, erzählt sie mir, „kontinuierliche manschettenlose Geräte sind noch nicht bereit für die Hauptsendezeit.“

Trotz dieser Herausforderungen sieht die Zukunft der smartwatch-basierten, manschettenlosen Blutdrucküberwachung eigentlich einigermaßen rosig aus. Viele OEMs werden weiterhin PWA- oder PAT-basierte Methoden verfolgen, einfach weil PPG-Sensoren (die für die Bestimmung von Herzfrequenz und SpO₂ verantwortlich sind) bei heutigen am Handgelenk getragenen Wearables Standard sind – auch wenn sie nicht ideal sind, wenn sie vorhanden sind, vielleicht Nutzen Sie sie auch. Die Genauigkeit dieser Techniken entspricht derzeit möglicherweise nicht den strengen Standards der FDA, aber da weiterhin neue Forschungsergebnisse veröffentlicht werden, ist es nicht undenkbar, dass sie bald alltäglich sein werden.

Es entstehen auch neue Techniken, die möglicherweise die Notwendigkeit einer Kalibrierung ganz überflüssig machen. In einem in Science Translational Medicine veröffentlichten Artikel aus dem Jahr 2018 (mitverfasst von Dr. Mukkamala) wird eine Methode zur Messung des Blutdrucks mithilfe eines speziellen kombinierten Druck- und PPG-Sensors beschrieben, die auf der oszillometrischen Methode basiert, die von automatischen Blutdruckmessgeräten verwendet wird. Darüber hinaus hat das Team hinter dem Papier einen funktionierenden Prototyp im Smartphone-Formfaktor gebaut. Der Benutzer drückt die Seite seines Fingers gegen den Druck-/PPG-Sensor und drückt so eine kleine Arterie im Finger zusammen. Eine Bildschirmschnittstelle führt sie dann durch die Anwendung des richtigen Drucks (analog zu einer Blutdruckmanschette), während der PPG-Sensor (analog zu einem Pulsdrucksensor) ihre Pulswelle verfolgt.

Auch wenn diese Forschung zu diesem Zeitpunkt bereits fünf Jahre alt ist, könnte die Technologie bald vor unserer Haustür stehen. Bereits im Januar meldete Fitbit ein Patent für eine Smartwatch mit integrierter Technologie an. Bezeichnenderweise hat eine der Autoren des Artikels von 2018, Keerthana Natarajan, inzwischen die akademische Welt verlassen, um sich dem Fitbit-Team in San Francisco anzuschließen.

Omrons HeartGuide ist eines der wenigen Wearables, das dank der im Armband der Uhr integrierten Aufblasmanschette eine einigermaßen genaue Blutdruckmessung durchführen kann. Der HeartGuide ist in zwei Handgelenkgrößen Ihrer Wahl erhältlich und kann wertvolle Daten zu Ihren Bemühungen zur Gesundheitsüberwachung hinzufügen.

Ab 2023 ist die Omron HeartGuide die einzige für Verbraucher verfügbare Smartwatch mit FDA-Zulassung zur Blutdruckmessung, die tatsächlich eine winzige aufblasbare Manschette verwendet. Was noch erreicht werden muss und wovon Experten des öffentlichen Gesundheitswesens träumen, ist eine manschettenlose Smartwatch, die eine bedarfsgesteuerte oder kontinuierliche Blutdrucküberwachung ermöglicht. Wenn ein solches Gerät verfügbar würde, „könnte es erheblich dazu beitragen, Bluthochdruck und Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu senken“, sagt Dr. Brady. Angesichts des Zusammenspiels von bahnbrechender Forschung, Spitzentechnologie und maschinellem Lernen könnte dieser Traum schon vor der Tür stehen.

Daniel schreibt Leitfäden, Erklärungen und Technologie-News. Er mag es besonders, tief in Nischenthemen einzutauchen, die mehr erfordern, als nur an der Oberfläche zu kratzen. Er schreibt seit über 20 Jahren in Zeitungen, Magazinen und Blogs und schreibt wichtige Nachrichten, Unterhaltungs- und Wissenschaftsgeschichten. Wenn er nicht gerade schreibt, liest er gerne Science-Fiction, spielt Musik und zieht ein wildes Kleinkind groß. Die Geräte, die er täglich nutzt, sind sein Pixel 4a, das Acer 311 Chromebook und das Amazon Fire HD 10. Sobald er etwas Geld gespart hat, kauft er sich einen 3D-Drucker.