Etappensieg bei der Langzeit-Überwachung von Herzschwäche

Gemäss der Schweizerischen Herzstiftung leiden in der Schweiz rund 150'000 Menschen an einer Herzinsuffizienz. Von einer solchen Herzschwäche spricht man, wenn der Herzmuskel nicht mehr über die nötige Kraft verfügt, den Körper mit ausreichend Blut und damit Sauerstoff zu versorgen. Typische Symptome sind eine verminderte Leistungsfähigkeit, Atemnot, Schwindel sowie Wassereinlagerungen. Die meisten Betroffenen sind über 70 Jahre alt, bei den über 65-Jährigen ist die Herzinsuffizienz der häufigste Grund für einen Spitalaufenthalt. Weil die Menschen immer älter werden, wird die Zahl der Betroffenen in Zukunft weiter ansteigen. Das alles macht Herzinsuffizienz zu einem bedeutenden gesellschaftlichen Problem und Forschungsgebiet.

«Wissenschaftlich und innovativ»

Nun hat Michael Frey mit seiner Masterarbeit an der BFH-TI einen relevanten Teil zu dieser Forschung beigetragen. Er absolvierte den Studiengang Master of Science in Engineering (MSE) im Profil Electrical Engineering. Der MSE ist ein Kooperationsmaster aller acht öffentlich-rechtlichen Fachhochschulen der Schweiz mit insgesamt 14 Profilen. Er eröffnet den Studierenden entsprechend vielfältige Karrieremöglichkeiten in Forschung und Entwicklung. Mit seiner Abschlussarbeit belegte der 27-Jährige bei der Vergabe des Styner-Preises 2025 den zweiten Platz (siehe Box). «Die Arbeit liefert neue wissenschaftliche Erkenntnisse, die das Potenzial für eine wirtschaftliche Umsetzung und klinische Anwendung haben», sagt Prof. Dr. Torsten Mähne, Co-Betreuer der Masterarbeit und Dozent am Institut für Intelligente Industrielle Systeme I3S der BFH-TI. «Er ist äusserst systematisch vorgegangen und hat dafür nur ein halbes Jahr gebraucht.»

Was genau hat Michael Frey herausgefunden? Dazu muss man wissen, dass für die Diagnose von Herzinsuffizienz die Aufzeichnung der elektrischen Herzaktivität (Elektrokardiogramm, EKG) unter körperlicher Belastung von grosser Bedeutung ist. Für ambulante Aufnahmen stehen sogenannte Holter-Monitore zur Verfügung. Das sind kleine tragbare Geräte, welche das EKG während 24 Stunden bis zu mehreren Tagen mittels Haut-Elektroden kontinuierlich aufzeichnen. Für selten auftretende Herzrhythmusstörungen oder Synkopen gibt es dazu eine elegante Alternative: Unter die Haut implantierbare Herzmonitore (Implantable Cardiac Monitor, ICM) erfassen die elektrische Herzaktivität während rund drei Jahren ohne Einschränkung der Patient*innen. Allerdings speichern sie aus Energiespargründen nur eine begrenzte Anzahl von arrhythmischen Episoden, was eine kontinuierliche Überwachung erschwert. Für die Anwendung von ICMs bei Herzinsuffizienz müssten zudem weitere Vital-Parameter wie Blutdruck und Atmung erfasst werden. Gefragt ist also eine Lösung für eine lückenlose Aufzeichnung dieser Daten über mehrere Jahre.

Das erfordert eine energieeffiziente Datenkompression und -übertragung. Genau an diesem Punkt hat Michael Frey angesetzt. Zu Beginn seiner Masterarbeit sichtete er im Rahmen einer Literaturrecherche alle relevanten Komprimieralgorithmen für EKG-Signale, wovon keiner über den nötigen Kompressionsfaktor verfügte. In der Folge kombinierte er zwei dieser Algorithmen, wodurch der Kompressionsfaktor um mehr als das Doppelte anstieg. Der neue – als anwendungsspezifische, integrierte Schaltung implementierte – Algorithmus verlängert die Batterielebensdauer im Vergleich zur unkomprimierten Variante ebenfalls um den Faktor 2. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um mehrere Vital-Parameter während rund drei Jahren kontinuierlich aufzuzeichnen.

Gesucht: ein Kooperationspartner

«Das System funktioniert auch unter realistischen Bedingungen», sagt Michael Frey. «Ich konnte zeigen, dass die in der Amplitude kleinen und oft verrauschten elektrischen Herzsignale korrekt aufgezeichnet, effizient komprimiert und periodisch auf einem externen Datenträger gespeichert werden können.» Auch Prof. Dr. Thomas Niederhauser, Leiter des Instituts Human Centered Engineering an der BFH-TI, betreute Michael Freys Masterarbeit. Er leitet das übergeordnete Forschungsprojekt ICCM, wobei das erste C für continuous steht, also die kontinuierliche Überwachung der Herzsignale. «Die Langzeitüberwachung von Patient*innen mit Herzinsuffizienz könnte etwa helfen, medizinischen Notfällen und damit verbundenen Spitalaufenthalten vorzubeugen», hält er fest. Derzeit sei man für die Entwicklung des neuen implantierbaren Monitors auf der Suche nach einem Kooperationspartner. «Die grösste Herausforderung ist die Verkapselung des Implantats ohne Metallgehäuse, damit die Batterie von ausserhalb aufgeladen werden kann. Läuft alles nach Plan, können wir in vier bis fünf Jahren eine erste Studie mit Patient*innen durchführen.»

Ob Michael Frey auf diesem Weg mit dabei sein wird, ist offen. Derzeit arbeitet er im BFH-Start-up OrthoKontrol AG an einem digitalen Belohnungssystem für das zuverlässige Tragen einer neuartigen Zahnspange. «Der Styner-Preis macht sich in meinen Lebenslauf für spätere Bewerbungen sicher gut», sagt er und schmunzelt. «Wer weiss, vielleicht werde ich später auch wieder beim Projekt ICCM mitarbeiten.»