Vom Kristall zur Kurve

Hebammen sollten über die physikalische Funktionsweise des CTG Bescheid wissen, um die Herausforderungen in der Herztonmessung zu kennen. Denn verschiedene Störfaktoren können das Ergebnis beeinflussen. Wo liegen die technischen Unterschiede der einzelnen Verfahren? Was bedeutet das für die praktische Anwendung? Ein Update.

Die Cardiotokografie (CTG) hat sich zu einem unverzichtbaren Instrument in der Pränataldiagnostik und Geburtshilfe entwickelt, das sowohl die fetale Herzfrequenz als auch die Wehentätigkeit überwachen kann. Moderne CTG-Geräte bieten mehr diagnostische Feinheiten als je zuvor und wurden in den letzten Jahren erheblich verbessert. Dennoch können technische Artefakte und Signalstörungen auftreten, die eine präzise Interpretation der Ergebnisse erschweren und ein fundiertes Verständnis der Funktionsweise der Geräte erfordern (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Der piezoelektrische Effekt und Ultraschall

Schall bezeichnet mechanische Schwingungen und Wellen, die sich durch ein elastisches Medium wie Wasser, Gewebe oder Luft ausbreiten können. In der medizinischen Diagnostik wird zwischen verschiedenen Arten von Schall unterschieden, je nach Frequenzbereich: Infraschall (unter 16 Hz), hörbarer Schall (16 Hz bis 20 kHz) und Ultraschall (über 20 kHz) (Niemz & Sonderegger, 2021, 208). Für die Messung der fetalen Herzfrequenz wird hauptsächlich Ultraschall verwendet, da dieser hochfrequente Schall eine präzise und nicht-invasive Untersuchung ermöglicht. Ultraschallwellen haben den Vorteil, dass sie eine hohe Frequenz besitzen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar ist. Sie sind jedoch in der Lage, Gewebe zu durchdringen und von verschiedenen Strukturen im Körper reflektiert zu werden.

Im Kern eines CTG-Geräts spielt der sogenannte piezoelektrische Effekt eine zentrale Rolle. Dieser physikalische Effekt wird in piezoelektrischen Kristallen oder Keramiken genutzt, um Ultraschallwellen zu erzeugen und zu empfangen. Kristalle, wie sie in vielen Feststoffen vorkommen – etwa in Quarzen oder Metallen – zeichnen sich grundsätzlich durch ihre regelmäßige Gitterstruktur aus. Einige von ihnen besitzen die besondere Fähigkeit, bei mechanischer Verformung elektrische Spannungen an ihrer Oberfläche zu erzeugen. Dies wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

Umgekehrt kann sich der Kristall bei elektrischer Spannung verformen. Die elektrische Spannung wird in einer Frequenz angelegt, so dass die Verformung des Kristalls Schallwellen (Druckwellen) im Ultraschallbereich erzeugt.

Im Fall des CTG-Geräts wird dieser Effekt genutzt, um mechanische Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln – und umgekehrt. Die mechanischen Schwingungen werden erzeugt, indem elektrische Spannung an die piezoelektrischen Kristalle in der Sonde angelegt wird, wodurch diese sich verformen und Ultraschallwellen im Hochfrequenzbereich aussenden. Bei der Anwendung wird ein Ultraschallgel als Übertragungsmedium auf die Haut der Schwangeren aufgetragen.

Die erzeugten Ultraschallwellen dringen in das Gewebe ein und treffen dabei auf das fetale Herzgewebe. Von dort werden die Wellen reflektiert und zurück zur Sonde geleitet. Das CTG-Gerät wandelt die reflektierten Ultraschallsignale wieder in elektrische Impulse um, die analysiert werden, um die Herzfrequenz des Fetus zu berechnen. Durch die präzise Nutzung des piezoelektrischen Effekts in der Kristallstruktur wird eine zuverlässige und nicht-invasive Überwachung der fetalen Herztätigkeit ermöglicht. Dieses Prinzip kommt nicht nur im CTG, sondern auch in anderen medizintechnischen Anwendungen wie dem Dopton zum Einsatz (Gruber & Pfeifenberger, 2022; Jonas, 2020).

Während des Herzschlags verändert sich die Position der Herzscheidewand und der Herzklappen in Abhängigkeit von der jeweiligen Phase im Herzzyklus, was die Frequenz der zurückgesandten Ultraschallwellen beeinflusst. Durch diesen Doppler-Effekt lässt sich aus den Veränderungen die Frequenz und Richtung des Blutflusses im Herzen bestimmen. Der piezoelektrische Kristall empfängt das reflektierte Signal und erzeugt erneut eine elektrische Spannung, die das CTG-Gerät in die Herzfrequenz des Fetus umwandelt und als Kurve darstellt. Diese Techniken sind Grundlage für die heutigen CTG-Geräte, die auch durch automatische Algorithmen Signale identifizieren und Störsignale ausfiltern (Gruber & Pfeifenberger, 2022; Ayres-de-Campos et al., 2015; Gruber et al., 2020).

Technologische Fortschritte

Verglichen mit älteren Modellen verfügen heutige CTG-Geräte über eine erhöhte Anzahl piezoelektrischer Kristalle in der Sonde. Dies erweitert die Breite des Ultraschallkegels und erlaubt es, die Herzfrequenz zuverlässiger zu erfassen, auch wenn das Kind seine Position kurzfristig verändert oder aus dem zentralen Bereich des Messkegels gerät. Die Technik hat den Vorteil, dass sie auch auf Störungen reagiert, die durch Bewegungen des Fetus oder der Mutter verursacht werden, und versucht, diese auszufiltern. Die hohe Sensibilität moderner Geräte erhöht jedoch auch die Wahrscheinlichkeit, dass Artefakte – also unerwünschte Störungen oder Verfälschungen, die durch technische oder äußere Einflüsse entstehen und nicht der tatsächlichen Beschaffenheit des untersuchten Objekts entsprechen – oder Störsignale, etwa durch Bewegungen oder den mütterlichen Puls, fälschlicherweise als fetale Herzfrequenz interpretiert werden.

Moderne CTG-Geräte nutzen mathematische Algorithmen, um aus mehreren Herzschlägen einen Mittelwert zu berechnen und die Grundfrequenz der fetalen Herzfrequenz stabiler darzustellen. In der Regel werden fünf bis zehn Herzschläge gemittelt, was die Darstellung der Herzfrequenz glättet und die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Schwankungen reduziert. Allerdings bleibt die genaue Anzahl der Herzschläge, die in einem Mittelwert zusammengefasst werden, oft intransparent, da Hersteller in der Regel keine detaillierten Informationen zu den verwendeten Algorithmen und deren Parametern bereitstellen. Diese Glättung hat jedoch den Nachteil, dass plötzliche und kurzfristige Veränderungen in der fetalen Herzfrequenz schwerer erkennbar sind. Schnelle Schwankungen, wie zum Beispiel plötzliche Beschleunigungen oder kleinere Abweichungen, werden durch die Glättung abgeschwächt und sind daher weniger deutlich sichtbar (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Mütterlicher und kindlicher Puls

Ein gängiges Problem bei der Nutzung des CTG-Geräts ist die Differenzierung zwischen mütterlichem und kindlichem Puls. Vor allem bei starken Wehen oder wenn das Gerät vorübergehend falsch positioniert ist, kann es vorkommen, dass das Gerät den Puls der Mutter erfasst, obwohl die fetale Herzfrequenz gemessen werden soll. Dieser Fehler wird verstärkt, wenn das Gerät eine »logische« Verbindung zwischen Signalen herstellt, um Signal­unterbrechungen zu vermeiden, was jedoch dazu führen kann, dass der Herzschlag der Mutter fälschlicherweise als fetale Herzfrequenz dargestellt wird. Beispielsweise könnte die fetale Herzfrequenz bei 120 SpM liegen, die mütterliche Herzfrequenz bei 60 SpM. Wird in diesem Beispiel zwischen den Herzschlägen des Feten die mütterliche Herzfrequenz aufgezeichnet, erscheint es für manche Geräte »logischer«, dass die mütterliche Herzfrequenz doppelt gerechnet und als fetale Herzfrequenz interpretiert wird.

Um dieser Verwechslung vorzubeugen, enthalten viele moderne CTG-Geräte eine sogenannte »Koinzidenzprüfung«. Diese Technik erkennt die Synchronisierung der Herzfrequenzen von Mutter und Kind und unterbricht das Signal, wenn eine Überschneidung identifiziert wird. Zusätzlich kann eine separate Pulsoxymetrie am Finger der Schwangeren sinnvoll sein, um die beiden Herzfrequenzen voneinander zu trennen und Verwechslungen zu vermeiden (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Artefakte und Störsignale

Neben der Differenzierung der beiden Herzfrequenzen stellen Artefakte ein weiteres Problem dar. Diese entstehen oft durch äußere Störungen wie hochfrequente Funkgeräte, Smartphones, schnurlose Telefone oder Smartwatches, die ein CTG-Gerät in seiner Empfindlichkeit beeinträchtigen und zu irreführenden Signalen führen können.

In manchen Fällen wird dabei eine scheinbar regelmäßige Herzfrequenz aufgezeichnet, obwohl keine fetale Aktivität vorliegt. Einige Hersteller weisen in ihren Gebrauchsanweisungen darauf hin, dass der Nachweis kindlicher Herzfrequenz nicht automatisch die Vitalität des Kindes bestätigt, da auch Artefakte falsche Signale erzeugen können.

Bewegungen der Mutter und des Kindes wie etwa Drehen, tiefes Atmen oder Kontraktionen der Gebärmutter können ebenfalls die Signale des CTG-Geräts stören. Selbst einfache Bewegungen wie das Umdrehen oder das Nachspannen der CTG-Gurte können zu Messstörungen führen. Insbesondere bei mehrgewichtigen Patient:innen kann die Zuverlässigkeit der Wehenaufzeichnung eingeschränkt sein, da die Gewebedicke die Übertragung der Druckwellen beeinflusst. Diese Bewegungen sollten dokumentiert werden, damit eventuelle Abweichungen auf dem CTG nachvollziehbar sind (Gruber & Pfeifenberger, 2022; Dongus, 2011).

Abbildung 2: Moderne CTG-Geräte bilden einen breiteren Schall-Kegel.

Abbildung: © Hemma Pfeifenberger, 2022

Dopton und CTG im Vergleich

Ein Dopton, eine häufig verwendete Alternative zum CTG-Gerät, verwendet ebenfalls Ultraschallwellen zur Messung der fetalen Herzfrequenz, jedoch in einer einfacheren technischen Ausführung. Dopton-Geräte enthalten nur wenige piezoelektrische Kristalle und sind daher nicht in der Lage, einen umfassenden Ultraschallkegel zu erzeugen. Das bedeutet, dass die Sonde präzise auf das fetale Herz gerichtet sein muss, um eine zuverlässige Messung zu erzielen.

Die minimalistische Technik des Doptons führt auch dazu, dass das Gerät weniger störanfällig ist. Während das CTG auf mehrere Signale reagiert und diese zu einer kontinuierlichen Frequenzkurve verarbeitet, zeigt das Dopton die Frequenz in Echtzeit und reagiert weniger empfindlich auf Artefakte. Einige neuere Dopton-Geräte bieten allerdings eine Herzfrequenzkurvenanzeige, die eine Einschätzung der Herzfrequenzvariabilität ermöglicht und so eine weitere diagnostische Hilfe bietet (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Doppler-Ultraschall und fetales EKG

Neben dem CTG haben sich einige zusätzliche Verfahren in der fetalen Überwachung etabliert, die spezifische Informationen zur fetalen Herzfrequenz und zum Kreislaufsystem liefern. Hierzu gehört der Doppler-Ultraschall, bei dem die Durchflussgeschwindigkeit des Blutes in den Nabelschnurgefäßen und in bestimmten Arterien des Fetus wie der Arteria cerebri gemessen wird. Da diese Methode den Zustand der kindlichen Kreislaufversorgung detaillierter abbildet, wird sie ergänzend zu CTG und Dopton insbesondere bei Risikoschwangerschaften eingesetzt (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Ein weiteres Verfahren zur Herz­frequenzmessung ist die Ableitung eines fetalen EKGs über eine Kopfhaut-Elektrode. Diese Methode wird während der Geburt angewandt, wenn das CTG aufgrund einer erschwerten oder lückenhaften abdominalen Ableitung, etwa durch körperliche Faktoren oder starke Kindsbewegungen, keine stabile Überwachung gewährleisten kann. Die Herzfrequenz wird hierbei »beat-to-beat« gemessen, was eine präzise Überwachung der kindlichen Herztöne ermöglicht. Eine zusätzliche ST-Analyse (ST-Strecken-Analyse – STAN, siehe Seite 42ff.) kann durchgeführt werden, um die Sauerstoffversorgung des Fetus noch genauer zu beurteilen (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Praxisempfehlungen

Für eine aussagekräftige CTG-Aufzeichnung sind einige wichtige Voraussetzungen zu beachten. Die sogenannte »Ausfallrate«, also die Zeit, in der das CTG keine validen Signale aufzeichnet, sollte unter 15 % liegen. Bei einem 30-minütigen CTG entspricht das einer Ausfallzeit von maximal vier Minuten. Diese Ausfallrate ist ein wichtiges Kriterium, um sicherzustellen, ob das CTG eine verlässliche Momentaufnahme des fetalen Gesundheitszustands liefert (Gruber & Pfeifenberger, 2022; Ayres de Campo, 2015).

Wichtig ist auch, dass hochfrequente Störsender wie Smartphones und andere mobile Geräte nicht in der Nähe des CTG-Geräts verwendet werden. Hersteller weisen ausdrücklich darauf hin, dass solche Geräte die Signalübertragung stören können. Ebenso ist Wasser ein Störfaktor für die Ultraschallübertragung: Selbst wenn spezielle wasserfeste Sonden im Einsatz sind, kann bei manchen Geräten beispielsweise das über den Wasserhahn einlaufende Wasser im Entspannungsbad die Messung beeinträchtigen. In der Praxis wurden Interferenzen durch benachbarte Elektrogeräte festgestellt – so zum Beispiel, wenn in einem angrenzenden Raum eine Kaffeemaschine betrieben wird (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Zusätzlich wird empfohlen, die CTG-Gurte richtig anzulegen und die Position während der Wehen regelmäßig anzupassen. Dies ist vor allem bei mehrgewichtigen Schwangeren von Bedeutung, bei denen Druckveränderungen an der Bauchdecke schwächer auftreten können. Die Wahrnehmung der Gebärenden, also ihre Angaben zu Wehenstärke und Schmerzempfinden, bleibt in jedem Fall entscheidend für die Interpretation der CTG-Daten (Gruber & Pfeifenberger, 2022).

Vorgaben der Leitlinien

Die im Februar 2023 veröffentlichte S3-Leitlinie zur »Fetalen Überwachung in der Schwangerschaft« bietet detaillierte Anweisungen zur Anwendung des CTG, insbesondere bei Low-Risk-Schwangeren. Dabei wird klargestellt, dass eine CTG-Überwachung nur bei spezifischen Indikationen oder Auffälligkeiten erfolgen sollte. Die Indikationen für CTG-Kontrollen während der Schwangerschaft orientieren sich an den Mutterschafts-Richtlinien (Gemeinsamer Bundesausschuss, 2023; Pfeifenberger & Kayer, 2023; Schiermeier et al., 2022).

Die bereits 2022 erschienene Leitlinie »Vaginale Geburt am Termin« gibt genaue Auskunft über die Durchführung und Interpretation der CTG-Kontrollen unter der Geburt – laut Leitlinie nach FIGO. Dabei wird klar, dass das CTG keinesfalls die einzige Entscheidungsgrundlage darstellen darf. Klinische Befunde und der Geburtsfortschritt sollten immer berücksichtigt werden. Die Leitlinie stellt die intermittierende Auskultation als Alternative bei Low-Risk-Schwangeren verstärkt in den Fokus und empfiehlt den Einsatz des CTG nur bei klaren Indikationen.

Essenzielles, aber anspruchsvolles Werkzeug

Die Cardiotokografie bleibt ein unverzichtbares Hilfsmittel, um den fetalen Gesundheitszustand zu überwachen. Mit moderner Ultraschall- und Algorithmentechnik lassen sich durch CTG-Geräte komplexe Herzfrequenzmuster aufzeichnen, die wertvolle Informationen über die Vitalität des Fetus liefern. Allerdings erfordert die richtige Anwendung ein tiefes Verständnis der Technik und möglicher Störfaktoren.

Eine fundierte Ausbildung und eine sorgfältige Anwendung sind entscheidend, um die Messwerte korrekt zu interpretieren und so das CTG weiterhin als sicheren Begleiter während Schwangerschaft und Geburt einzusetzen.