Wie Technik-Geeks die Diabetes-Therapie mit IoT revolutionieren

Internet of Things – keineswegs nur eine Sache von Aktivitätstrackern, Sportuhren, Waagen oder Blutdruckmessgeräten mit Bluetooth-Anbindung. Diese Technologie wird die Medizin revolutionieren, auch wenn es aktuell kaum noch Anwendungen im kommerziellen Bereich gibt. Aber: Es wird an etlichen quelloffenen IoT Projekten gearbeitet, die das wahre Potential von IoT in der Medizin aufzeigen, wie z.B. im Diabetes Bereich. Solche Projekte unterstütze ich als aktiver Anwender, nicht zuletzt darum, weil ich selbst ein betroffener Diabetes-Patient bin. Im folgenden Artikel möchte ich Ihnen einige dieser höchst interessanten IoT Projekte vorstellen, welche die Behandlung von Diabetes Typ 1 vereinfachen und gemeinsam im Verbund vollkommen neuartige und vielversprechende Therapiemöglichkeiten bieten.

#WeAreNotWaiting – was steckt dahinter?

Unter dem Motto "We Are Not Waiting" werden Hardware- und Softwareprojekte entwickelt, die sich die Medizinindustrie mit allen rechtlichen Verantwortungen noch nicht zu entwickeln wagt. Da die technischen Voraussetzungen für bessere Behandlungsmethoden schon länger gegeben sind, aber bisher wenig wahrgenommen werden, haben sich Betroffene rund um den Erdball zusammengeschlossen, um den Status Quo zu verbessern - kurzum: Sie wollen nicht mehr länger warten.

Das Motto der "We Are Not Waiting" Bewegung ist also die Do-It-Yourself (DIY) Mentalität. Es gibt keine fertigen Apps aus dem Store, sondern nur den Quellcode der einzelnen Bausteine. Hardware kann selbst gebastelt werden, aber oftmals auch direkt bei der Community zum Selbstkostenpreis bestellt werden. Der Code wird inklusive Kompilierungs- und Deploymentanleitungen auf Github bereitgestellt, kommuniziert wird direkt mit den Entwicklern und freiwilligen Helfern, die blutige, meist nicht technik-affine Anfänger in die Materie einschulen.

DIY heißt aber auch Eigenverantwortlichkeit. Da niemand für Komplikationen haften kann, weil die Software ja vom Patienten selbst installiert und gewartet werden muss, ist es umso wichtiger sich mit seiner Krankheit und den in der Software abgebildeten Algorithmen auseinanderzusetzen. Ärztlicher Ratschlag kann meistens nicht eingeholt werden, denn zurzeit muss man von Glück sprechen, wenn der eigene Diabetologe mit diesen Entwicklungen vertraut ist. Und wenn ja, dann muss er von diesen modernen Ansätzen auch überzeugt sein. Sollten die Blutzuckerwerte aus dem Ruder laufen, was auch mit konventionellen Therapieformen leicht passieren kann, gilt es auf jeden Fall rechtzeitig und selbstständig wieder für Stabilität zu sorgen.

Diabetesbehandlung heute

Um Ihnen nahe zu bringen, worum es bei der Diabetesbehandlung geht, möchte ich Ihnen kurz Diabetes Typ 1 erklären. Es ist eine Autoimmunerkrankung, die den Blutzuckerspiegel beeinträchtigt, indem das Immunsystem des Körpers die insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse zerstört. Dadurch muss der Patient von außen Insulin in den Körper zuführen, um den Blutzucker wieder in geordnete Bahnen zu bringen. Dafür gibt es verschiedene Methoden:

• Seit der Entdeckung des Insulins in den 1920er Jahren wird das Blutzucker-senkende Hormon mittels Spritzen in den Körper injiziert;
• ab den 1980er Jahren mit Hilfe von sogenannten Pens, die den Vorgang erheblich vereinfachen.
• Neben der Insulinpumpe gibt es seit Ende der 1990er Jahren Zuckermess-Sensoren (contiuous glucose monitor, CGM), die mittels eines 5 Millimeter langen und haardünnen Sensorfadens den Zuckergehalt des Unterhautgewebes messen können.

• Parallel dazu werden in den 1960er Jahre Insulinpumpen entwickelt. Dabei handelt es sich um ein Injektionsgerät, das im Prinzip wie eine Spritze funktioniert und über die Unterhaut (subkutan) Insulin in den Körper abgibt. Dazu wird eine Katheterstelle gesetzt per Nadel, über die für ungefähr drei Tage das Hormon Insulin zugeführt wird.

FreeStyle Libre Gewebeglukosesensor

Der Vorteil einer Insulinpumpe liegt für den Patienten auf der Hand: Die Therapie gestaltet sich wesentlich flexibler als mittels Spritze oder Pen. So kann der Patient rasch, ohne viel Aufwand und diskret Insulin zu sich nehmen, um so seinen Blutzuckerspiegel im Gleichgewicht zu halten. Ebenso kann durch Drosselung der Insulindosierung schneller auf Änderungen im Tagesablauf reagiert werden, denn Sport oder Stress bringen oftmals den Blutzuckerspiegel durcheinander und beeinflussen jeden Menschen individuell.

Insulinpumpen waren ursprünglich so groß wie Rucksäcke, mittlerweile sind die Geräte kleiner als Mobiltelefone oder kleben als Wegwerfprodukte nur mehr für drei Tage am Körper. Es drängt sich also fast auf, eine moderne Insulinpumpe ins IoT anzuschließen. Doch welche Vorteile ergeben sich dadurch? Fernbedienbarkeit per Smartphone hört sich doch sehr fortschrittlich an im Vergleich zur Insulin-Pen.

Im Verbund mit einem Sensor, der kontinuierlich Blutzuckerwerte liefert, oder genauer gesagt Gewebezuckerwerte, zahlt sich der Schritt ins IoT endgültig aus. Trotz Zeitverzögerung von 15-20 Minuten zum Blutzucker ist der Gewebezucker dennoch ein äußerst zuverlässiger Lieferant für den aktuellen Glukosewert eines Patienten. Diese Werte gelangen vom Sensorfaden über einen wieder verwertbaren Bluetooth-Transmitter, der auf den Sensor aufgeklippst wird, zum Smartphone oder zur Smartwatch. Patienten werden dann im 5-Minuten-Takt über ihre Gewebezuckerwerte informiert und bei kritischen Werten gnadenlos - wenn es sein muss im Schlaf - alarmiert.

Die halbautomatische, künstliche Bauchspeicheldrüse

Insulinpumpe und Glukosesensor sind nun schon länger am Markt und verbesserten die Behandlung von Typ 1 Diabetes ungemein. Diese beiden Errungenschaften der Medizintechnik sind zwar zuverlässig und steigern die Lebensqualität eines Diabetikers enorm, sie wirken aber noch immer wie ein Relikt der 2000er Jahre. Die Geräte sind klobig und schlecht bedienbar - es fehlt der Einsatz von künstlicher Intelligenz und die Intuitivität eines modernen, kompakten Smartphones.

Dank der Community lassen sich bereits heute aus Insulinpumpe und Glukosesensor eine halb-automatische Bauchspeicheldrüse basteln. Mit den beiden Geräten und einem Computer als Schaltzentrale ist es möglich eine geschlossene Kontrollschleife ("Closed Loop") zu erstellen, die aufgrund des Feedbacks des Glukosesensors die Basalrate der Insulinpumpe reguliert.

So eine Feedbackschleife ist im Prinzip nichts anderes als das was der brave Diabetiker manuell macht: Blutzuckermessgerät raus, kurzer Stich, Blutzuckerteststreifen mit der soeben gewonnenen Blutprobe versehen und aus dem am Gerät angezeigten Wert seine Schlüsse ziehen. Passt der Wert kann sich der Patient zurücklehnen, ist der Wert zu hoch ist eine Korrektur mit Insulin notwendig (Hyperglykämie). Bei zu niedrigen Werten darf ein wenig genascht werden (Hypoglykämie), damit der Zuckerwert wieder in den Zielbereich steigt.

Abb. Vereinfachte Darstellung eines geschlossenen Kreislaufes

Dieses Kunststück gelingt bereits halb-automatisch. "Halb" deswegen, weil mit den vorliegenden Medikamenten nur der Basalbedarf eines Menschen automatisch gesteuert werden kann - das ist der Insulinbedarf, den der Körper ohne Essensaufnahme braucht. Sobald Mahlzeiten eingenommen werden, muss trotzdem weiterhin der Essensmenge entsprechend Insulin gespritzt werden. Hier ist also immer noch die Erfahrung des Patienten gefragt, da bei großen Mengen an Kohlenhydraten nicht so schnell auf das rasante Ansteigen des Blutzuckerspiegels reagiert werden kann.

Die Limitierung liegt hier also nicht in der Software, sondern ist dem pharmazeutischen Stand der Technik geschuldet. Entweder muss zukünftig Insulin schneller wirken oder Insulinpumpen geben das Medikament direkt ins Blut (intravenös) anstatt wie vorher beschrieben über die Haut ab.

Die Idee diesen Vorgang zu automatisieren und einem Gerät zu überlassen ist nicht neu, aber ist trotzdem komplexer als man denkt, da jeder Körper anders auf Insulin, Bewegung und Stress reagiert. Auch die Dauer der Kohlenhydrataufnahme des Verdauungstraktes ist ein Faktor, der bei jedem Menschen individuell ist.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist aber hier die rechtliche Komponente der springende Punkt, um als Patient eine kommerzielle und offiziell abgesegnete Lösung zu bekommen: Schon oftmals kündigten Pharmakonzerne und Medizingerätehersteller die ultimative Therapielösung für Typ 1 Diabetiker an, aber die strengen Regeln und Abnahmekriterien im medizinischen Bereich drosseln den Fortschritt erheblich.

Sämtliche Softwareupdates für Messgeräte und Insulinpumpen durchlaufen mehrfach langwierige Abnahmen und müssen jedes Mal aufs Neue zertifiziert werden. Neben der Sorgfaltspflicht ist es im Angesicht der US-amerikanischen Justiz verständlich, dass sich die Herstellerfirmen penibel genau absichern wollen. Eine professionelle Verbesserung der Technik ist deshalb kurzfristig gesehen nicht in Sicht - aber genau hier springen die Projekte der "We Are Not Waiting" Bewegung ein.

Closed Loop Architekturen

Ein Closed Loop kann auf Basis von verschiedenen Technologie Stacks aufgebaut werden. Es gibt zurzeit drei verschiedene Architekturen:

1. Open APS (Artificial Pancreas System) läuft auf einem sogenannten "Rig", ein Computer zum Mitnehmen, der über einen Funksender und -empfänger verfügt, mit dem die Insulinpumpe gesteuert werden kann. Im Prinzip ist es egal welcher Rechner oder welches Betriebssystem verwendet wird. Das Rig ist aber meistens ein kompakter Computer wie ein Raspberry Pi oder ein Intel Edison. Open APS unterstützt zurzeit nur alte Medtronic Insulinpumpen, die leider nur mehr gebraucht erhältlich sind.
   
   
2. Loop ist eine App, die nur auf iPhones läuft und anstatt einem kompletten Rechner in der Hosentasche mitzuführen, benötigt der Patient nur ein Streichholzschachtel-großes Gerät zur Verbindungsherstellung zur Insulinpumpe, den sogenannten RileyLink. In diesem Fall ist das iPhone die Schaltzentrale und nutzt via Bluetooth Low Energy (BLE) den RileyLink zur Kommunikation mit der Pumpe. Neben der aufgeräumten iPhone App, gibt es auch eine Variante für die Apple Watch, mit der schnell und diskret auch ein Essensbolus angefordert werden kann. Statt Insulin mit einer Pen zu spritzen genügen also nur mehr ein paar Taps auf der Smartwatch. Die Verbindungseinheit RileyLink spricht wie Open APS leider ebenso nur mit alten Medtronic Insulinpumpen; an einer Unterstützung für die schlauchlose OmniPod Pumpe wird eifrig gearbeitet.
   
   
   
   

   Abb. v.l.n.r. Loop, Apple Watch, RileyLink, OmniPod Insulinpumpe und Dexcom G5 CGM

3. Die dritte und neueste Implementierung im Bunde ist Android APS für Android und basiert auf den Algorithmen von Open APS. Im Gegensatz dazu ist Android APS analog zu Loop lauffähig auf Smartphones und spricht aktuell ausschließlich mit Insulinpumpen, die von sich aus schon ein Bluetooth Interface mitbringen wie die DANA*RS und die Accu Chek Combo. Der große Vorteil hierbei ist, dass kein Zusatzgerät notwendig ist. Für alte Medtronic Pumpen und den OmniPod ist ein RileyLink Treiber in Arbeit.
   Die Glukosesensor Systeme kommunizieren entweder per Funk (Medtronic) oder per Bluetooth (Dexcom, FreeStyle Libre mit zusätzlichem Transmitter) mit den jeweiligen Schaltzentralen.

Automatische Dokumentation mit Nightscout

Damit die Behandlungserfolge auch sichtbar werden, braucht der Diabeter eine gute Dokumentation, denn ohne den Verlauf der Blutzuckerkurve und Kenntnis über Ernährung und Medikation, ist es für den behandelnden Arzt nicht möglich seinen Patienten richtig einzustellen. Zu diesem Zweck gibt es Softwarelösungen wie beispielsweise Nightscout, die sich in das Closed Loop Ökosystem einklinken.

Nightscout läuft als Webanwendung in der Cloud und kann kostenlos in Azure und Heroku betrieben werden. Die Webservices von Nightscout dienen als Diabetes Datengrab und können von allen vorgestellten Closed Loop Systemen verwendet werden. Nightscout arbeitet außerdem auch mit Apps zusammen, die nur der Aufzeichnung von Zuckerwerten dienen und keine Insulinpumpen steuern wie beispielsweise Spike oder xDrip. So kann auch ein Patient, der mit Insulinpens und einem kontinuierlichen Glukosemesssensor unterwegs ist, seine Daten lückenlos aufzeichnen.

In einem Closed Loop System übernimmt Nightscout, neben den vom Sensor empfangenen Gewebezuckerwert, auch den Tagesverlauf der Basalrate und schreibt jede Mahlzeit und Insulinabgabe mit, die der Patient an seine Pumpe über die Schaltzentrale sendet. Ebenso können Notizen mit Hinweis auf Krankheit, Sport oder Stresssituationen ins virtuelle Tagebuch eingetragen werden.

Steht ein Termin beim Diabetologen an, generiert Nightscout einen Bericht über beliebige Zeiträume oder kann öffentlich zur Verfügung gestellt werden. Besonders interessant ist die Funktion via Nightscout den Verlauf der Zuckerwerte seines Kindes zu tracken. xDrip und Spike bieten dafür einen Follower Modus, mit dem ein Lesezugriff auf ein Nightscout Profil des Kindes mit einem Smartphone möglich ist - inklusive aller Alarmfunktionen bei zu niedrigen oder zu hohen Blutzuckerwerten. Als zusätzliches Zuckerl kann man sich mit einem Alexa Skill auch den aktuellen Glukosewert von Nightscout ansagen lassen.

Diabetesbehandlung morgen – ein Ausblick

Für Patienten ist seit der Erfindung der kontinuierlichen Glukosemessung endlich wieder ein technischer Fortschritt spürbar. Die Erfolge der Do-It-Yourself Szene lassen auch Pharmakonzerne und Gesundheitsorganisationen aufhorchen und umdenken - neben ersten Produkten haben sich einige Hersteller und NGOs bereits den neuen Paradigmen verschrieben:

• Nachdem die Insulinpumpenhersteller bisher Smartphone Kompatibilität ignoriert haben, prescht der südkoreanische Hersteller Sooil vor und bietet seit 2017 die erste Pumpe an, die sich offiziell per Bluetooth via Android (und seit 2018 via iPhone) steuern, und optional mit Hilfe des quelloffenen Android APS im Closed Loop, betreiben lässt.
  
  
• Die US-amerikanische Organisation JDFR 2017 hat die Entwicklung eines offenen Standards für Closed Loop Systeme bekanntgegeben, der das Einbinden von weiteren Insulinpumpen in eine Architektur vereinfachen soll, und will die Hersteller gemeinsam vor den Zulassungsbehörden vertreten.
  
  
• Den umgekehrten Weg mit ähnlichem Ziel verfolgt Tidepool: Seit Oktober 2018 wird Loop von der Non-Profit-Organisation vorangetrieben. Tidepool beabsichtigt die Schaffung eines Standardinterfaces für Insulinpumpen zur einfachen Anbindung an Loop sowie eine offizielle Zulassung der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde FDA zu beantragen. Im November 2018 wurde außerdem eine Partnerschaft mit dem OmniPod Hersteller Insulet bekanntgegeben.
  
  
• Die wirkliche Revolution im kommerziellen Bereich steht in den USA schon fast vor der Tür: Der OmniPod Hersteller Insulet plant in naher Zukunft die Einführung seines OmniPod Horizon Systems, das voraussichtlich ab 2020 die erste kommerzielle Closed Loop Implementierung sein wird. Weiters wird in OmniPod Horizon die intelligente Steuereinheit in die Insulinpumpe integriert und der Pod kann direkt mit dem Dexcom kommunizieren, sprich es ist dann kein Smartphone nötig für eine Closed Loop.
  
  

Obwohl Lösungen wie OmniPod Dash der Community auf den Fersen sind, hat die "We Are Not Waiting" Bewegung den großen Vorteil sich nicht den Zulassungsbehörden stellen zu müssen und ist wahrscheinlich 2020 kommerziellen Produkten noch um etliche Schritte voraus als jetzt. Was heute im Github ankommt, kann nämlich auch am selben Tag noch auf das Open APS, Loop oder Android APS Rig ausgerollt werden ;-).

Übrigens, Mitmachen kann bei der „WeAreNotWaiting“ Bewegung jeder, der Interesse hat, nicht nur Software- oder Hardwareentwickler. Auch wenn man sich nur am Erfahrungsaustausch auf Slack, Gitter oder Facebook beteiligt, hilft das Feedback dem Kollektiv ungemein. Aber auch im „richtigen“ Leben werden in Großstädten regelmäßig Stammtische organisiert, um sich dort gegenseitig zu helfen. Tutorials und vollständige Anleitungen werden mit Herzblut erstellt und immer am letzten Stand gehalten. Ich selbst beteilige mich gerne am Vorabtesten von Lösungen, bevor sie offiziell zur Verfügung gestellt werden – Freiwillige werden also in sämtlichen Bereichen gesucht.