COVID-19 und Smartwatches

Smartwatches können einen bedeutsamen Beitrag zu Prävention und bei Diagnose der COVID-19 Pandemie leisten. Im Folgenden wird der Beitrag von Smartwatches zur COVID-19 Diagnose und für eine zeitgemäße Handhygiene näher beschrieben. Jetzt mit Updates zur neuen Samsung Galaxy Watch3™ und Apple Watch 6™.

Bedeutung der Sauerstoffsättigung als COVID-19 Symptom

Bereits seit Längerem ist bekannt, dass ein Absinken der arteriellen Sauerstoffsättigung des Blutes ein signifikantes Symptom für eine sich verschlechternde COVID-19 Erkrankung ist, obwohl sich die Patienten noch subjektiv gut fühlen (vgl. Notfallmediziner Dr. R. Levitan in der NYT am 20. April 2020, [1]). Ein Grund für diese Situation ist, dass Menschen physiologisch zwar eine zunehmende Kohlendioxid (CO₂) Sättigung ihres Blutes schmerzhaft wahrnehmen, nicht jedoch eine abnehmende Sauerstoffsättigung (vgl. [2]). Die arterielle Sauerstoffsättigung wird für Erwachsene typischerweise kosteneffizient mit dem Verfahren der Pulsoxymetrie (SpO₂) an den Fingerspitzen bestimmt. Dabei werden die Fingerspitzen mit roten LED Licht durchstrahlt. Aus dem Verlauf und dem Ausmaß des durchdringenden Lichtes lassen sich Puls und Sauerstoffsättigung bestimmen. Diese liegen normalerweise in einem Bereich von 90-99%, abhängig von der Intensität der körperlichen Bewegung und der barometrischen Höhe des Aufenthaltsortes.

Smartwatches können mit ihrem integrierten digitalen Barometer Sensor und 3D Beschleunigungs-, Lagesensoren die jeweilige Aufenthaltshöhe und physischen Aktivitäten ihres Trägers in der letzten Zeit exakt bestimmen. Damit lassen sich pulsoxymetrische Messwerte im Ursachenkontext besser interpretieren. Mit verbesserter Beleuchtungs-, Kamera- und Bildinterpretationstechnologie erscheint es möglich, die arterielle Sauerstoffsättigung SpO₂ nun auch reflexiv auf der Rückseite der Smartwatch am Handgelenk zu bestimmen. Dass dies nicht nur bei aufwendigen Sportuhren wie der Garmin Fenix 6™, Fenix 5™ möglich ist, zeigt Huawei. Mit der neuen GT2e™ Smartwatch ist jetzt insbesondere auch eine Bestimmung der SpO₂ Sauerstoffsättigung am Handgelenk möglich. Der Sensor der Huawei Smartwatch besitzt (noch) nicht die erforderliche Präzision eines Medizinproduktes. Wir erwarten aber, dass insbesondere die diesjährigen Smartwatch Modelle von Samsung und Apple leistungsfähige SpO₂ Sensoren als eine der Produktinnovationen des Jahres 2020 haben werden. Im August / September erfolgt typischerweise die Vorstellung der neuen Modelle dieser Hersteller. Der französische Hersteller Withings hatte bereits auf der CES 2020 seine hybride Smartwatch ScanWatch™ angekündigt, die neben einem 1-Kanal EKG auch eine SpO₂ Messung in Medizinproduktqualität liefern soll.

Zur medizinischen Einordnung ist natürlich festzustellen, dass eine reduzierte Blutsauerstoffsättigung nicht ausschließliches Symptom für eine COVID-19 Erkrankung ist. Das Symptom tritt bei einer Vielzahl anderer Kreislaufinsuffizienzen auf, insbesondere bei COPD, schwerem Bronchialasthma, Lungenemphysemen oder  -embolien. Jede dieser Erkrankungen ist so erheblich, dass eine nicht durch körperliche Aktivität oder Höhenaufenthalt erklärliche reduzierte arterielle Sauerstoffsättigung der sehr kurzfristigen ärztlichen Abklärung bedarf.  Smartwatches liefern daher mit dem neuen SpO₂ Sensor – neben dem Pulssensor – einen zweiten „Universalsensor“ zum Monitoring der Gesundheit ihres Trägers. Hoffen wir, dass dieses im jähr 2020 so Realität wird!

Unterstützung der Handhygiene durch Smartwatches

Bereits 2016 konnten wir zeigen ( Beitrag R.Lutze / K. Waldhör zur Internat. Healthcom 2016 Konferenz in München, vgl. [3]), dass die Geste des Händewaschens durch eine Smartwatch App auf Basis eines künstlichen neuronalen Netzwerks zuverlässig und mit hoher Wahrscheinlich von 83% erkannt werden kann. Apple hat dies in seinem neuesten Betriebssystem WatchOS7 aufgegriffen und die Erkennungspräzision durch eine zusätzliche Akustikanalyse der Waschgeräusche weiter erhöht (vgl. [4]). Ab Herbst dieses Jahres wird es einen visuellen Hinweis auf der Apple Watch™ geben (vgl. Pressefoto Apple), bis die Aktivität des Händewaschens die empfohlene Dauer von 20 Sekunden erreicht. Die in unserer Smartwatch Assistenztechnologie für Ältere integrierte Smart Home Technologie (vgl. [5]) würde eine weitere Optimierung erlauben. Dort wird das Verlassen sowie die Rückkehr in das Zuhause durch die Smartwatch überwacht (z.B. für die Ab- und Anschauung kritischer elektrischer Verbraucher). Bei der Rückkehr des Uhrenträgers in sein Zuhause ist es deshalb ein Leichtes, ihn aufzufordern und zu verfolgen, sich jetzt für ausreichende Zeit die Hände zu waschen.

Für industrielle Hygienekontrolle beim Händewaschen wurde von Fujitsu (vgl. [6]) ein kamerabasiertes System vorgeschlagen, bei dem eine KI basierte Erkennung des Händewasch Prozesses zum Einsatz kommt. Den wesentlich höheren Investitionen eines solchen stationäres Systems stehen die entfallenden Kosten für die mobilen Endgeräte, Smartwatches, gegenüber. Damit eignet sich die Fujitsu Lösung vor allem für große Nutzerzahlen, etwa in Lebensmittel verarbeitenden Gewerbebetrieben, medizinischen Einrichtungen. Für die Lösung spricht dafür vor allem, dass damit auch der bestimmungsgemäße Gebrauch der Seife bzw. des Desinfektionsmittels erkannt werden kann. Ein nicht unkritisches Merkmal dieser Lösung ist, dass mit entsprechender Kameraqualität auch eine individuelle Personenerkennung anhand ihres individuellen Handbildes möglich sein sollte.

Update: Samsung Galaxy Watch3™

Am 5. August 2020 hat Samsung seine neue Galaxy Watch3 vorgestellt (vgl. [7]).  Die neue Smartwatch ist mit Aluminiumgehäuse in zwei Größen von 41 und 45 mm ab sofort verfügbar. Das Markenkennzeichen – und Alleinstellungsmerkmal der Samsung Uhren seit der Gear S2™ aus dem Jahr 2015 – ist die Bedienung per drehbarer Lünette (wir berichteten hier). Diese Lünette ist jetzt wieder physikalisch bei der Galaxy Watch3 vorhanden! Die kleinere 41mm Uhr hat ein 1,2“ AMOLED Display mit 360×360 Pixeln Auflösung mit einem Touchscreen aus Corning Gorilla Glas DX. Mit dem 247 mAh Akku kommt sie auf ein Gewicht von 48,2 gr. Die größere 45 mm Uhr hat ein 1,4“ Display gleicher Auflösung und einen 340 mAh Akku und kommt auf ein Gewicht von 53,8 gr. Erstmalig haben die neuen Smartwatches ein Display, das immer eingeschaltet ist („always on“). Die Akkus werden kontaktlos induktiv gemäß Qi Standard geladen. Sie haben unter Nutzung des vom Hersteller definierten Verwendungsprofils eine typische Nutzungszeit von 2 Tagen bis zu einer erforderlichen Aufladung. Die Uhren werden von einem Exynox 9110 Prozessor mit zwei Rechnerkernen angetrieben, der auf 1 GB RAM und 8 GB Flash Speicher zugreifen kann.

Ausführungen. Die Smartwatches sind optional mit oder ohne 4G Mobilfunk verfügbar. Die Preise liegen bei €467,– für das 41 mm LTE Modell bzw. €496,– für das größere 45mm Modell. Später soll ein um 10,8 gr leichteres Titangehäuse für das 45mm Modell folgen.  Die Smartwatches sind nach IP68 und MIL-STD-810G hinsichtlich ihrer Umweltfestigkeit zertifiziert.

Sensoren. Erwartungsgemäß enthält die Galaxy Watch3 auch eine neue Messfunktion für die arterielle Sauerstoffsättigung (SpO₂). Dabei kommen 8 (rote) LEDs auf der Rückseite der Smartwatch zum Einsatz. Samsung spricht in seiner Pressemitteilung von einer nicht medizinischen Zweckbestimmung der SpO₂ Messung für Fitness und Wellness. Die SpO₂ Messung soll in ausgewählten Ländern im Q3 2020 softwareseitig aktiviert werden. Das genaue Zusammenwirken des Sensors mit der Samsung Health Monitor™ App, für die Samsung bereits eine Zertifizierung als Medizinprodukt für Südkorea erhalten hat (vgl. [8]), steht noch aus. Die Health Monitor App beinhaltet neben einer 1-Kanal-EKG Funktion ( für die  letztjährige Galaxy Watch Active2™  und Galaxy Watch3™ ) auch eine innovative Blutdruckmessung. Sie wird über eine Pulsanalyse am Handgelenk ausgeführt. Eine monatliche Kalibrierung der App mit einem konventionellen medizinischen Blutdruckmessgerät ist erforderlich, um die Sensorwerte korrekt interpretieren zu können. Samsung hat die Verfügbarkeit der App für Deutschland, die nach unserem Verständnis eine CE Zertifizierung als reguliertes Medizinprodukt voraussetzt, für März 2021 angekündigt. Aktuell wird berichtet, dass Samsung für seine 1-Kanal-EKG Messung auch die Zulassung der FDA für einen Einsatz in den USA erhalten habe.

Update: Apple Watch 6™

Eine wesentliche Neuerung der am 15.09.2020 vorgestellten Apple Watch 6 ist die erwartete Messung der arteriellen Blutsauerstoffsättigung (SpO₂) am Handgelenk. Sie dauert mit der Apple Smartwatch 15 Sekunden und erfordert eine extreme Ruhigstellung der Hand in dieser Periode. Am besten gelingt die Messung durch Auflegen des Unterarms auf einen unbeweglichen Gegenstand ( Tisch, … ). Auch die Varianz der Messergebnisse ist ungewöhnlich hoch. Für eine Verwendung der Messergebnisse für medizinische Zecke ist die Smartwatch deshalb noch ungeeignet. Apple weist darauf auch deutlich hin. Ein robusteres Messverfahren, das der üblichen mobilen Verwendung von Smartwatches entgegen kommt, ist für die Zukunft wünschenswert. Und präzisere Meßergebnisse „ohne Ausreißer“, denn natürlich ist die medizinische Verwendung der SpO₂ Werte das eigentliche Ziel. Nicht nur als Symptom einer möglichen COVID-19 Erkrankung. Zusammen mit Puls- und Blutdruckwerten erlaubt der Wert der arteriellen Sauerstoffsättigung eine wichtige, nicht-invasive Einschätzung des aktuellen Gesundheitszustandes einer Person für eine Erstversorgung.

Ansonsten erhöht die Apple Watch 6 – nach Angaben des Herstellers – die Beleuchtung des LTPO OLED Displays um den Faktor 2,5 gegenüber dem Vorjahresmodell Watch 5.  Dies kommt insbesondere der Lesbarkeit der Smartwatch im Freien entgegen. Mit der Apple Watch 5 wurde bereits in 2019 die durchgängige Beleuchtung des Uhrendisplays eingefügt („always on“). Mit einem Drehen und Heben des Arms in das Gesichtsfeld des Nutzers erhöht die Uhr dann die Beleuchtung des Displays auf Maximalstärke. Sie blendet gleichzeitig Dynamikelemente in der Anzeige, wie den Sekundenzeiger, ein. Neu ist auch eine Schlafanalyse als Standard App der Smartwatch, die zusammen mit Watch OS™ 7.0 verfügbar wird. Die zusätzliche Kommunikation der Smartwatch im Ultrabreitbandverfahren (UWB) wird die Lokalisierung von Gegenständen zusammen mit den Apple AirTags™ unterstützen. Sie wird auch zur Optimierung der Bluetooth Übertagung verwendet. Geblieben bei der Apple Watch 6 ist der Premium Preis, den Apple für seine Smartwatches aufruft. In der Ausführung des größeren 44mm Modells mit goldfarbenem Aluminiumgehäuse und mit 4G Mobilfunk ist die Apple Watch 6 etwa ab €559,– sofort erhältlich.

Referenzen

[1] R. Levitan: „The Infection That’s Silently Killing Coranvirus Patients“, New York Times (NYT) vom 20. April 2020

[2] J. Couzin-Frankel: „Why don’t some coronavirus patients sense their alarmingly low oxygen levels?“, Science Magazine, 28. April 2020

[3] R. Lutze / K. Waldhör: “Smartwatch Based Tumble Recognition – A Data Mining Model Comparision Study”, 18. IEEE International Conference on E-Health Networking, Application & Services (HealthCom), 14.-17.9.2016, München, p. 1-6, DOI: 10.1109/HealthCom.2016.7749464

[4] Pressemitteilung Apple Inc. vom 22. Juni 2020: watchOS 7 erweitert die Apple Watch um wichtige Personalisierungs-, Gesundheits- und Fitnessfunktionen

[5] R.Lutze and K.Waldhör: “Integration of Stationary and Wearable Support Services for an Actively Assisted Liiving of Elderly People: Capabilities, Achievements, Limitations, Prospects – A Case Study”, in: Wichert,R., Mand,E. (Hrsg.) “Ambient Assisted Living”,  Springer Verlag 2017, pp. 3-26, DOI: 10.1007/978-3-319-52322-4_1

[6] Pressemitteilung Fujitsu Limited vom 20. Mai 2020: Fujitsu Develops AI-Video Recognition Technology to Promote Hand Washing Etiquette and Hygiene in the Workplace

[7] Pressemitteilung Samsung vom 5.August 2020: Galaxy Watch3 and Galaxy Buds Live Now Available

[8] Pressemitteilung Samsung vom 18.Juni 2020: Samsung Launches the Samsung Health Monitor Application with Blood Pressure Measurement