»Vier Augen sehen mehr als zwei«, heißt es. Je intensiver ein Vorgang beobachtet und analysiert werden kann, desto wahrscheinlicher ist in der Regel der Erfolg eines gewünschten Prozesses. Das gilt für technische Verfahren ebenso wie für menschliche Handlungen. Besondere Tragweite hat dieses Prinzip in der Medizin. Forscher am Fraunhofer IOSB arbeiten deshalb unter anderem an Möglichkeiten, wie eine KI die Vorgänge bei einer Operation richtig interpretieren und den Chirurgen punktgenaue Hilfestellungen geben kann.  

Hallo Frau Fischer, hallo Herr Robert, am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB arbeitet Ihr Team an medizinischen Expertensystemen. Allerdings scheint mir an diesen Systemen bislang wenig besonders. Letztlich könnte man sie wohl als Abwandlungen stets aktualisierter, elektronischer Lexika beschreiben, die über einen klassischen Desktop abgerufen werden können…

…mit all den damit verbundenen Nachteilen: Der Arzt muss seinen Arbeitsrhythmus unterbrechen, er muss eine Tastatur und eine Maus nutzen und verursacht dabei hygienische Probleme. Und in komplexeren Fällen wie etwa einer Operation haben die Ärzte Wichtigeres zu tun, als am Computer zu sitzen - obwohl zusätzlicher fachlicher Input auch hier natürlich sinnvoll wäre. 

In Ihrem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekt »Kontextsensitive Assistenz im aufmerksamen OP«, kurz »KonsensOP«, setzen Sie genau an dieser Stelle an: Im Operationsraum.

An KonsensOP arbeitet ein Konsortium, dass neben dem Fraunhofer IOSB auch aus dem Karlsruher Institut für Technologie KIT und die Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Medizinische Fakultät Mannheim beteiligt sind. Unser Ziel ist es, ein Assistenzsystem zu entwickeln, das mehr leistet, als Informationen zur Verfügung zu stellen. Wir wollen beispielsweise bei Operationen relevantes Wissen zum jeweils »passenden« Zeitpunkt automatisch bereithalten können. Im Rahmen der Grundlagenforschung haben wir deshalb ein System entwickelt, dass lernen kann, wie weit eine Operation bereits fortgeschritten ist. Basierend darauf können über Bildschirme relevante Hinweise oder Schaubilder einblendet werden, um den Arzt im Operationsraum optimal zu unterstützen.

Aber wie erkennt Ihr System, in welcher Phase sich eine Operation befindet?

Es beobachtet! Anhand der Arbeitsabläufe – dazu gehört vor allem die Position der behandelnden Personen im Raum - kann KonsensOP Rückschlüsse auf den Fortschritt der Operation ziehen. Wir arbeiten mit fünf Kameras, die unter anderem Positionen und Positionswechsel überwachen. So können wir feststellen, in welcher Phase der Operation sich die Ärzte gerade befinden. In der Praxis werden wichtige Zusatzinformationen dann laufend angepasst und auf Bildschirmen eingeblendet.

Dabei kommt es Ihnen vermutlich entgegen, dass die meisten Routineoperationen standardisiert sind?

Das ist ein wichtiger Faktor. Eine Hüft-OP beispielsweise läuft in charakteristischen Phasen ab. Dazu gehören beispielsweise die Arbeitsschritte Hautschnitt, Zugangsweg freipräparieren, Kapselpräparation, Luxation, Schenkelhalsosteotomie, Pfannenpräparation, Pfannenimplantation bis hin zum finalen schichtweisen Wundverschluss. In jeder der Phasen finden bestimmte Handlungen des Chirurgen und Assistenten statt, die in ihrem zeitlichen Verlauf für das Bestimmen der aktuellen Phase der Operation genutzt werden.

Jeder wird also »erkannt«, um dann anhand seiner Handlungen den Fortgang der OP ermitteln zu können?

Genau, es werden Menschen als solche erkannt und deren Handlungen interpretiert. Für dieses Erkennen haben wir ein neuronales Netz trainiert. Und für die Interpretation der Position nutzen wir eine KI, die mit einem wahrscheinlichkeitstheoretischen Modell arbeitet. 

Für das Training des neuronalen Netzes brauchen Sie in der Regel eine Unzahl an Testdurchläufen!

Theoretisch ja, aber die Ärzte haben natürlich Wichtigeres zu tun, als uns dafür zur Verfügung zu stehen. Und das Trainieren mit Statisten wäre kaum zweckmäßig. Wir haben uns deshalb mit einer Art Trick beholfen und die Arbeitsabläufe mit kleinen Varianzen virtuell simuliert und Expertenwissen formalisiert. So wird das System durch »Anschauung« trainiert und expertenbasiert parametrisiert, ohne dass wir echte Menschen dafür einsetzen mussten.

Sind die Informationen, die Sie über KonsensOP bereitstellen, patientenspezifisch? Werden also individuelle Besonderheiten bei der Auswahl der Mitteilungen berücksichtigt?

Im Moment haben wir nicht vor, personalisierte Patienteninformation in das System einzuspeisen. Aber natürlich wollen wir unerfahrenen Ärzten nicht nur eine allgemeine Hilfestellung geben, sondern auch eine Art Notfallinformationssystem bereitstellen, wenn Komplikationen auftreten. Das System erkennt deshalb auch, wenn signifikante Abweichungen vom Arbeitsablauf stattfinden. Sobald es beispielsweise detektiert, dass ein wichtiger Arbeitsschritt ausgelassen wurde, informiert es die Behandelnden sofort.

Welche Informationen werden während eines normalen Verlaufs angezeigt?

In der Regel werden die aktuelle Phase und die noch anstehenden Phasen der Operation angezeigt – ähnlich einer Haltestellenanzeige in der Straßenbahn. Zur aktuellen Phase können Informationen, etwa in Form von möglichen Handlungsoptionen oder Texten, bedarfsgerecht eingeblendet werden. Wichtig ist es aber, das medizinische Personal nicht durch eine Flut an Informationen zu überlasten. Wir wollen zur richtigen Zeit die richtige Information anbieten – man kann sich das wie einen elektronischen Butler vorstellen, der Rücksicht auf den Fortschritt der Operation und die handelnden Personen nimmt.

Parallel dazu arbeiten Sie auch am Projekt OnkoLeit. Hier sollen Ärzte bei der Behandlung onkologischer Erkrankungen unterstützt werden.

Dabei geht es allerdings nicht darum, dass neuronale Netze den Stand einer Behandlung erkennen. Wir werden ein eher klassisches Expertensystem optimieren: Ärzte wollen Grundlagen der aktuellen medizinischen Forschung mit in ihre Behandlung einbeziehen. Die von uns entwickelte Software ermöglicht es nun, Daten, die in Patientenverwaltungssystemen digital hinterlegt sind, besser zu nutzen. Diese Daten verwenden wir beispielsweise, um sie mit Expertenwissen abzugleichen, das wir im System hinterlegt haben. Unsere Algorithmen ermöglichen dann ein Matching, sodass der Arzt bereits im Vorfeld am PC Informationen abrufen kann, die sowohl aktuellste Erkenntnisse betreffen als auch passend auf den Patienten zugeschnitten sind.

Wie weit sind die Forschungen an KonsensOP und OnkoLeit fortgeschritten?

KonsensOP ist eher dem Bereich der Grundlagenforschung zuzuordnen. Es dürfte also noch dauern, bis Ergebnisse Einzug in den Markt finden. Aber mit OnkoLeit werden wir schon Anfang des Jahres 2018 in die Praxisphase gehen.

(aku)

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Dr. Sebastian Robert
  • Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
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