Schmerzfreie Behandlung von Frühgeborenen

In Österreich kommen jedes Jahr rund 6.000 Babys zu früh zur Welt. Als Frühgeborene gelten dabei Kinder, die vor der 37. Schwangerschaftswoche geboren werden. Viele dieser Babys benötigen eine intensive medizinische Versorgung – und teilweise auch Medikamente zur Schmerzbehandlung oder Sedierung. Denn Prozeduren wie Intubieren, das Legen eines Zentralkatheters oder die postoperative Versorgung sollen für die kleinen Patient:innen möglichst schmerzfrei ablaufen, sagt Vito Giordano von der Medizinischen Universität Wien. Der Neurowissenschaftler hat sich auf die Gehirnentwicklung von Früh- und Neugeborenen spezialisiert.

Im Schnitt seien Frühgeborene während ihres Krankenhausaufenthalts etwa 3.000 schmerzhaften Reizen ausgesetzt: „Zu früh geborene Säuglinge durchleben eine beträchtliche Anzahl von diagnostischen, therapeutischen und routinemäßigen Untersuchungen. Dabei ist es enorm wichtig, ein Gleichgewicht zwischen der Vermeidung von Schmerzen und einer übermäßigen Sedierung zu finden.“ Doch die bisherigen Methoden, so der Forscher, machen eine präzise Abwägung schwierig, da sie letztlich auf subjektiven Entscheidungen basieren.
Subjektive Einschätzung

Säuglinge können Schmerzen – im Gegensatz zu Erwachsenen – nicht verbal äußern oder einordnen. Deshalb muss medizinisches Personal auf indirekte Zeichen vertrauen. Besonders häufig kommen dabei klinische Beobachtungsskalen zum Einsatz. Zum Beispiel der sogenannte „N-PASS“ (engl. für „Neonatal Pain, Agitation and Sedation Scale“), ein Scoring-System, das insgesamt fünf Kategorien anhand eines Punktesystems bewertet.

Die Kategorien berücksichtigen dabei sowohl Verhaltensreaktionen wie Weinen als auch physiologisch messbare Parameter, etwa den Herzschlag. Die errechnete Punktezahl spiegelt dann das geschätzte Schmerzlevel wider. So soll das Behandlungsteam die Wirkung von Analgetika und Sedativa einschätzen und eine Über- oder Unterbehandlung frühzeitig erkennen können.

Das Problem: Klinische Scores ermöglichen keine kontinuierliche Erfassung des Zustands. Veränderungen werden häufig erst dann dokumentiert, wenn sie klinisch erkennbar sind und eine erneute Bewertung erfolgt ist. Zudem sind einzelne Parameter nicht spezifisch für Schmerz oder Sedierung – ein schneller Herzschlag kann beispielsweise auch durch Hunger oder Stress verursacht werden. Die etablierten Skalen seien daher wichtige klinische Instrumente, sollten jedoch durch kontinuierlich verfügbare und physiologisch fundierte Messgrößen ergänzt werden, sagt Giordano. „Deshalb wird kontinuierlich daran gearbeitet, objektivere Parameter zu entwickeln, die Veränderungen des klinischen Zustands möglichst früh und kontinuierlich erfassen können.“

Forschung für Frühgeborene

Der Neurowissenschaftler Vito Giordano erforscht, wie klinische und umweltbedingte Faktoren die Gehirnentwicklung von Frühgeborenen beeinflussen. In seinem Weiss-Projekt entwickelt er mithilfe von Gehirnmessungen und KI neue Methoden, um Pflegeteams bei der Schmerzbehandlung der Frühgeborenen besser zu unterstützen.

Um Babys zukünftig noch zuverlässiger eine schmerzfreie Behandlung zu ermöglichen, arbeiten Giordano und sein Team an einem neuen Ansatz, den der Wissenschaftsfonds FWF unterstützt. Hierfür werden die Hirnströme des Babys mithilfe einer Elektroenzephalografie, kurz EEG, gemessen. Dabei messen die Forschenden elektrische Signale, die von den Nervenzellen im Gehirn ausgelöst werden. Denn Sedativa und Analgetika verändern die Hirnaktivität von Menschen. Das EEG eines Babys unterscheidet sich allerdings erheblich von dem eines Erwachsenen.

Um die Hirnaktivität auch bei Säuglingen richtig einordnen zu können, ist es entscheidend, den Entwicklungsstand des Gehirns zu ermitteln. „Vor allem bei Frühgeborenen kann der mittels EEG erfasste funktionelle Reifezustand des Gehirns unter bestimmten klinischen Bedingungen vom für das jeweilige Alter erwarteten Muster abweichen. Auch Medikamente zur Sedierung können charakteristische Veränderungen der EEG-Aktivität hervorrufen“, erklärt Giordano. Das EEG von Frühgeborenen durchläuft somit tiefgreifende reifungsbedingte Veränderungen. Folglich erfordert eine genaue Interpretation Ansätze, die speziell für das Gehirn eines Neugeborenen entwickelt wurden.

Maschinelles Lernen kann helfen 

Konkret heißt das: Für eine verlässliche Einschätzung braucht es genügend EEG-Referenzdaten von Säuglingen, um wiederkehrende Muster zu erkennen. Genau das wollte die Forschungsgruppe mithilfe des vom FWF geförderten Projekts erreichen. Dabei konnten sie zeigen, dass sich die Hirnaktivität bei sedierten Neugeborenen auf eine charakteristische Weise verändert: Bei unregelmäßigen EEG-Mustern können beispielsweise die Phasen einer verminderten Hintergrundaktivität länger werden. Diese Veränderungen können Hinweise darauf geben, wie stark Medikamente die Aktivität des unreifen Gehirns beeinflussen.

Für das menschliche Auge sind solche Veränderungen im EEG allerdings oft nicht eindeutig. Statt die Hirnströme rein visuell zu beurteilen, werden deshalb inzwischen auch quantitative Messgrößen herangezogen. In den vergangenen Jahren gab es etwa rasante Fortschritte in puncto Algorithmen, die in der Lage sind, EEG-Muster automatisch zu identifizieren – begünstigt durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz. „Die zunehmende Verfügbarkeit großer EEG-Datensätze von Neugeborenen ermöglicht es uns, immer robustere Algorithmen des maschinellen Lernens zu trainieren und zu validieren“, so der Forscher.

Mehr Daten nötig

Langfristig könnte ein Algorithmus die Veränderungen der Hirnaktivität automatisiert erkennen und möglichst in Echtzeit anzeigen, wie stark das Baby sediert ist. Die erste Auswertung der gesammelten Daten ist jedenfalls vielversprechend: Mithilfe des maschinellen Lernmodells konnten die Forschenden unterschiedliche EEG-Hintergrundmuster zuverlässig erkennen und Veränderungen erfassen. Ziel ist es, daraus künftig objektivere Informationen über den Sedierungszustand eines Neugeborenen abzuleiten.

Für eine praktische Anwendung im klinischen Alltag sind jedoch weitere Messungen und Validierungen notwendig, betont Giordano. Dafür will das Forschungsteam das EEG künftig mit weiteren Messmethoden kombinieren, etwa zur Erfassung der Sauerstoffversorgung des Gehirns, der Herzratenvariabilität oder der Hautleitfähigkeit. Auch standardisierte Abläufe für kurze medizinische Eingriffe sollen dabei helfen, die Wirkung verschiedener Medikamente besser zu vergleichen. Ziel ist eine möglichst umfassende Einschätzung des Zustands der kleinen Patientinnen und Patienten. Denn Frühgeborene sollen möglichst wenig Schmerzen erleben – aber auch nicht stärker sediert werden als nötig.