Internet of Things
Daten verteilen
In Krankenhäusern passieren unzählige Fehler. Bald aber sollen vernetzte Medizinsysteme Besserung bringen: Das Internet of Things (IoT) will für die Sicherheit der Patienten sorgen – mithilfe des DDS-Standards, der sich auf das Problem der Echtzeit-Datendistribution und -steuerung konzentriert.
Fehler im Krankenhaus stehen in den USA an sechster Stelle der vermeidbaren Todesursachen. Mehr als 50.000 Patienten sterben allein in den USA daran, und vermutlich zehnmal mehr weltweit. Jeder siebte Mensch, der stationär im Krankenhaus behandelt wird, ist davon betroffen. Dieses Problem frustriert Ärzte und Pflegepersonal, dabei ist es keineswegs neu. Vor dreißig Jahren verbesserte die letzte grundlegende technische Neuerung im Gesundheitswesen die Versorgung der Patienten durch eine einfache Maßnahme: ihre Überwachung. Deshalb findet man heute in Krankenzimmern Dutzende von Geräten, von Pulsoximetern über Multiparameter-Überwachungsgeräte bis hin zu EKG-Geräten. In den folgenden Jahren verbesserten die Technik und intelligente Algorithmen medizinische Geräte weiter, ob Infusionspumpen oder Beatmungsgeräte. So hat sich die gesundheitliche Versorgung bis heute deutlich verbessert. Aber es kommt nach wie vor zu Fehlern.
Grund dafür ist, dass alle diese Geräte unabhängig voneinander arbeiten. Üblicherweise werden die Informationen mehrerer Geräte nicht kombiniert, um so den Zustand eines Patienten auf »intelligente« Art zu überwachen. Folglich lösen die Geräte viele Fehlalarme aus. Das übermüdete Pflegepersonal schaltet die Alarme ab, Fehlkonfigurationen und echte gefährliche Situationen bleiben unbemerkt.
Gefahren bei der Herzoperation
Einem einzigen Patienten verabreichen beispielsweise vierzehn Infusionspumpen jeweils ein bestimmtes Medikament. Alle Pumpen arbeiten völlig isoliert voneinander ebenso von den anderen Geräten und Überwachungseinrichtungen, ob auf einer Intensivstation oder im Operationssaal (OP). Bei einer Herzoperation etwa dienen bestimmte Medikamente dazu, den Patienten zu sedieren, das Herz anzuhalten oder wieder zu starten. Für jedes Medikament ist ein eigenes Gerät erforderlich, dazu kommen Überwachungs- und Beatmungsgeräte. Während der Operation koordiniert ein Anästhesist die Verabreichung der verschiedenen Medikamente und überwacht den Zustand des Patienten. Das Team ist ausgelastet.
Wird der Patient nach der Operation auf die Intensivstation verlegt, entsteht ebenfalls ein riskanter Moment: Die Einstellungen der Systeme zur Medikamentenverabreichung und Überwachung müssen vom OP aus an die Intensivstation übermittelt werden. Dafür gibt die zuständige OP-Schwester per Anruf die schriftlich festgehaltenen Anweisungen durch. Dem Personal obliegt es dann, die richtigen Geräte aufzustellen und korrekt zu konfigurieren. Bereits kleine Fehler beim Notieren der Anweisungen unter Zeitdruck können zu einem tödlichen Ausgang führen.
Würden die Geräte stattdessen in Echtzeit zusammenarbeiten, könnten die mit einem »intelligenten« Algorithmen-Prozessor ausgestatteten OP-Instrumente die genaue Medikamentenzusammensetzung an die elektronische Patientenakte übermitteln. Anschließend könnten die Geräte in der Intensivstation ihre Einstellungen mit diesen Daten abgleichen. So eliminiert das vernetzte System Dutzende von Fehlerquellen aufgrund manueller Konfiguration.
Vernetzung für die Nachbehandlung
Aber auch während der Nachbehandlung im Anschluss an die Operation ist die Gefahr nicht gebannt. Häufig kommt die patientengesteuerte Analgesie (patient-controlled Analgesia, PCA) zum Einsatz, hier können Patienten per Knopfdruck selbst die Dosierung schmerzstillender Medikamente bestimmen (Bild 1). Diese Methode soll verhindern, dass Patienten mit ausreichender Medikation den Knopf drücken und somit keine Gefahr der Überdosierung besteht. Tatsächlich ist PCA eine effiziente und erfolgreiche Technik, die jährlich von Millionen genutzt wird. Trotzdem tötet eine PCA-Überdosierung in den USA durchschnittlich 1 bis 3 Menschen pro Tag. Denn das scheinbar einfache System schützt nicht vor Fehlbedienungen durch Besucher, unerwarteten Zuständen des Patienten und insbesondere vor der Abgeklärtheit vor Fehlalarmen.
Vernetzung wäre hier die Lösung. Viele Alarme werden durch niedrige Oximeterwerte ausgelöst, die jedoch nur zusammen mit einer niedrigen Atemfrequenz auf ein wirkliches Problem hindeuten. Ein »intelligenter« Alarm, der sowohl die Sauerstoffsättigung als auch den CO2-Gehalt prüft, könnte unnötige Fehlalarme vermeiden. Eine Infusionspumpe, die unter solchen Umständen keine Medikamente verabreicht, könnte Leben retten. Die Liste der Behandlungen, bei denen es zu unerwünschten Folgen kommt, ist lang. Denn das derzeitige System fortschrittlicher Geräte steckt voller Fehlermöglichkeiten, jedes Gerät arbeitet eigenständig. Werden die Messwerte der einzelnen Geräte nicht verifiziert, lösen diese zu viele Fehlalarme aus. Ohne Vergleich der Messwerte bleiben Fehler unbemerkt. Das macht lebensrettende Aktionen von der Interpretation und dem Einschreiten des Klinikpersonals abhängig.
Der DDS-Standard
Die führende Initiative zum Aufbau eines vernetzten Systems stellt der ICE-Standard (Integrated Clinical Environment) ASTM F2761 dar, der mehrere Normen kombiniert. Datendefinitionen und die Nomenklatur werden aus der IEEE-Norm 11073 (x73) für Gesundheitsinformatik bezogen, während die ICE-Datenkommunikation den DDS-Standard (Data Distribution Service) nutzt. Dazu definiert der ICE-Standard die Kontroll-, Datenaufzeichnungs- und Überwachungsfunktion mit dem Ziel einer Basis für »intelligente« vernetzte klinische Systeme. Beispielsweise kombiniert die Überwachungseinheit die Oximeter- und Atemwerte, um die Häufigkeit von Fehlalarmen zu reduzieren und die Medikamentenverabreichung zur Verhinderung einer Überdosis zu stoppen. Der DDS-DataBus verbindet sämtliche Komponenten durch zuverlässige Echtzeit-Übertragung (Bild 2).
DDS ist ein IoT-Protokoll der Object Management Group (OMG). Während die meisten IoT-Protokolle der Übertragung von Daten in die Cloud dienen, legt die DDS-Data-Bus-Architektur das Hauptaugenmerk auf die korrekte Interaktion zwischen den beteiligten Geräten. Der Fokus liegt auf dem Problem der Echtzeit-Datendistribution und -steuerung. Zusätzlich ist die Integration mit der Cloud oder die Anbindung an andere Protokolle möglich, um ein komplettes, vernetztes System zu realisieren. Mit seinen spezifischen Fähigkeiten eignet sich DDS bestens für die Vernetzung medizinischer Geräte.
Klinische Herausforderungen
Die Vernetzung medizinischer Geräte in einem klinischen Umfeld stellt eine gewisse Herausforderung dar. Denn der Informationsfluss kombiniert langsame Datenaktualisierungen mit schnellen Signalverläufen, die zeitliche Steuerung der Medikamentenverabreichung ist kritisch. Daten in der elektronischen Patientenakte müssen Informationen zu den Patienten bereitstellen und zudem die Werte der Patientenüberwachungssysteme sowie die Behandlungshistorie enthalten. In großen Krankenhäusern gilt es überdies, die Datenströme den richtigen Patienten zuzuordnen, auch wenn sich deren physischer Ort sowie der Netzwerktransport bei deren Verlegung in einen anderen Raum ändern. Nicht zuletzt ist es unbedingt erforderlich, die Geräte verschiedener Hersteller miteinander zu koordinieren.
Das ICE-Konzept nutzt DDS zur Bewältigung dieser Herausforderungen im Klinikbetrieb. Die Tatsache, dass DDS das komplexe Array von Variablen als einen einfachen globalen Datenraum modelliert, erleichtert die Integration der Geräte. Innerhalb des Datenraums identifiziert das datenorientierte Modell die Programme zum Austausch der eigentlichen Daten anstelle primitiver Meldungen. Es kann Tausende von Betten und Hunderttausende von Geräten durchsuchen, um ungeachtet etwaiger Verlegungen den richtigen Patienten zu finden. DDS ist schnell, echtzeitfähig und kommt mit EKGs, Bilddaten und zeitkritischen Notalarmen zurecht.
Der praktizierende Anästhesist Dr. Julian Goldman leitet das ICE und lehrt an der Harvard Medical School, zudem ist er Direktor der Krankenhauskette »Bioengineering at the Partners«. Sein Projekt »Medical Device Plug-n-Play« (MDPnP) am Center for Integration of Medicine and Innovative Technology (CIMIT) vernetzt Dutzende medizinischer Geräte. MDPnP stellt unentgeltlich eine Open-Source-Referenzplattform für das ICE bereit. Darüber hinaus gibt es auch kommerzielle Implementierungen, beispielsweise von DocBox. Diese Implementierungen werden vom CIMIT-Labor für das Prototyping verschiedener realistischer Szenarien genutzt, zu denen auch die zuvor beschriebenen zählen. Auf diese Weise lässt sich demonstrieren, was mithilfe des IoT alles möglich ist. Dabei wird die »Connext DDS«-Technik von Real-Time Innovations (RTI) als Konnektivitätsplattform genutzt.
Über den Autor:
Reiner Duwe ist Sales Manager EMEA bei Real-Time Innovations (RTI).
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