Bilddiagnostik – die Zukunft heißt Web 3.0

3. März 2008
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Web 2.0 bescherte uns YouTube, Second Life, massenweise Chatrooms und Foren. Das war gestern. Eine neue Technologie wird alle bisherigen Suchmaschinen in den Schatten stellen. Und das Wissensmanagement in der Medizin revolutionieren: Der zukünftige digitale Arzthelfer agiert im Semantic Web.

Web 3.0 – Weg aus dem Labyrinth

Theseus, einer der bekanntesten Helden der griechischen Mythologie, ist der Namensgeber für das größte deutsche Forschungsprojekt. So wie er einen Weg aus dem Labyrinth des Minotaurus gefunden hat, sollen Internet-Nutzer in Zukunft vom Daten-Dschungel befreit werden. Das Ziel des Forschungsprojekts ist eine einfache und intelligente internetbasierte Wissensinfrastruktur. Die Zauberformel heißt Web 3.0. Das ehrgeizige Projekt, das aus Mitteln von Bund, Industrie und Forschung finanziert wird, soll auch dazu beitragen, endlich einmal den Amerikanern den Rang der Technologieführerschaft im Internet abzulaufen.

Medico wertet Röntgenbilder und CTs aus

Insgesamt 30 Forschungseinrichtungen sind im Theseus-Projekt mit im Boot, u.a. das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, die TU München, die Universität Karlsruhe, Softwarespezialisten wie SAP, empolis GmbH oder Lycos, aber auch das Radiologische Institut der Uniklinik Erlangen. Hier entwickeln Mediziner zusammen mit 13 Spitzenwissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen ein computergestütztes Assistenzsystem für die Erkennung und Diagnose von Krankheiten. Das Projekt heißt Medico und ist eines von sechs Anwendungsszenarien im Rahmen von Theseus. Wenn alles so läuft, wie sich die Erlanger das vorstellen, wird es in fünf Jahren eine Software geben, die Röntgenbilder und CTs ohne Menschenhilfe auf der Basis von Web 3.0-Technologien auswerten kann. Durch Vernetzung mit Vergleichsbildern und Behandlungsberichten aus weltweiten Datenbanken könnten dann wertvolle Diagnose- und Therapievorschläge für den behandelnden Arzt aufbereitet werden.

… auf der Basis semantischer Annotationen

Das Herzstück der Web 3.0-Technologien sind semantische Annotationen. Dabei handelt es sich, vereinfacht dargestellt, um erklärende Ergänzungen. Sie schaffen die Voraussetzung, dass der Computer beispielsweise in einem Text mit dem Begriff "Golf" unterscheiden kann, ob es sich um ein Auto, eine Sportart oder eine Meeresbucht handelt. Mit seinem "kognitiven Verständnis" wird der Rechner außerdem in der Lage sein, selbständig Zusammenhänge zu korrespondierenden Webinhalten herzustellen. Beispielsweise zum Golfturnier, Golfplatz oder Golfausstatter. Verstanden. Aber wie lässt sich das auf medizinische Bilddatenbanken übertragen? DocCheck fragte an der Quelle nach. Dr. Jörg Freund, Mediziner im Healthcare Sector der Siemens AG in Erlangen und Leiter des Use Case Medico im Rahmen des Theseus-Projekts beantwortete uns unsere Fragen.

DC: Wie kann man sich eine semantische Annotation für ein CT-Bild vorstellen? Was wird bisher gespeichert und was könnte es morgen sein?

Freund: Bisher werden mit CT-Bildern nur technische und vom Arzt manuell eingegebene Daten wie z.B. Hersteller des CT-Scanners oder Alter und Geschlecht des Patienten abgespeichert. In Zukunft wird es möglich sein, semantische Informationen über den Inhalt der Bilder automatisch zu erschließen und abzuspeichern. Dazu gibt es verschiedene semantische Sichten wie z.B. Anatomie, Krankheit oder Therapie. Aus Sicht der "Anatomie" wird dann z.B. beschrieben, welche Organe und anatomische Strukturen im Bild wo zu finden sind. Unter der semantischen Sicht "Krankheit" sind Erkrankungen im Bild markiert und die zugehörigen Diagnosen verfügbar. Zum Beispiel sind für einen Patienten mit Lymphoma der Ort aller erkrankten Lymphknoten und deren Charakteristika gespeichert. Unter "Therapie" wird ein einfacher Zugang zu Krankheits- bzw. Therapieverläufen gewährt. Für einen Lymphoma-Patienten können damit z.B. Informationen zu Veränderungen einzelner Lymphknoten über einen längeren Zeitraum erfasst und gespeichert werden.

Diese verschiedenen semantischen Sichten werden es dem Arzt erlauben, präzisere Entscheidungen schneller zu treffen. Es wird außerdem möglich sein, ähnliche Fälle sehr schnell zu identifizieren und anhand von Diagnose, Krankheitsverlauf und Therapieerfolg dieser Fälle eine individualisierte Therapie für den Patienten zu planen.

DC: Dazu müssen Algorithmen, Architekturen, etc. entwickelt werden. Wer macht das im Rahmen des Medico-Projekts?

Freund: Ein interdisziplinäres Team von international führenden und erfahrenen Wissenschaftlern der LMU München, des DFKI Kaiserslautern, der FhG IGD Darmstadt und der Siemens AG arbeiten eng zusammen an der Integration modernster Algorithmen in einer skalierbaren Software-Architektur. Die Herausforderung im Medico-Projekt ist die Integration verschiedener Disziplinen aus dem IT Bereich wie z.B. medizinische Bildanalyse, Wissensrepräsentation, maschinellem Lernen, semantische Datenbanksysteme mit evidenz-basierter Medizin und klinischen Arbeitsabläufen.

DC: Welchen Part haben die Praktiker, d.h. die Radiologen?

Freund: Neben der Bereitstellung der relevanten klinischen Daten und Bildern ist eine fachgerechte Auswertung essentiell. Hierbei kommt es darauf an, Erfahrung und Fachwissen aus der Radiologie in geeigneter Form einfließen zu lassen. Bei der Erstellung der Use Cases wird besonderes Augenmerk auf klinische Prozesse gelegt um Arbeitsabläufe zu erleichtern und Einschränkungen existierender Systeme aufzuheben. Das Ziel ist die Analyse individueller Imaging-Daten auf der Basis von Populationsdatenbanken.

DC: Was ist die größte Herausforderung dabei?

Freund: Die größte Herausforderung liegt darin, dem Computer beizubringen, wie aus den medizinischen Bildern semantische Informationen gewonnen werden, die oft nur ein medizinischer Experte erkennen kann. Dazu soll der Computer, ähnlich wie das der Experte macht, sämtliche verfügbaren Informationsquellen nutzen wie klinische Patientendaten, frühere Aufnahmen und modelliertes Expertenwissen. Die optimale Integration verschiedenartiger Informationsquellen ist somit ein Schlüssel zum Erfolg von Medico.

DC: Welche Probleme wird die Einbeziehung weltweiter medizinischer Datenbanken aufwerfen?

Freund: Es ist sehr wichtig international anerkanntes und validiertes medizinisches Wissen einzubinden. Ein Beispiel hierfür sind im Internet verfügbare medizinische Datenbanken wie PubMed und Medline. Aus solchen Informationsquellen kann automatisiert computer-verständliches Wissen extrahiert werden. Dazu müssen aber erst einmal ethische, regulatorische und gesetzliche Fragestellungen hinsichtlich Datensicherheit und Datenschutz gelöst werden. Auf den Schutz der Patientenrechte legen wir allergrößten Wert. Alle Daten werden vor Verlassen der Klinik vollständig anonymisiert. Wir arbeiten mit dem Datenschutzbeauftragten des Universitätsklinikums eng zusammen.

DC: Das rechnergestützte Assistenzsystem soll in spätestens 5 Jahren entwickelt sein. Ist dies realistisch?

Freund: Produkte, die dem Arzt für spezielle Krankheiten und Anwendungen mit ähnlicher Technologie Hilfestellung leisten, sind heute schon kommerziell erhältlich und werden in der klinischen Routine angewendet. Medico ist auf eine skalierbare und flexible Lösung ausgerichtet, die für beliebige Krankheiten und Bildmodalitäten Verwendung finden kann. Dennoch werden wir uns in den ersten Jahren auf spezielle Krankheitsbilder und eine Auswahl von Organen und anatomische Regionen konzentrieren.

DC: Werden die zur Verfügung stehenden 180 Mio Euro überhaupt ausreichen?

Freund: Die einzelnen Forschungsvorhaben wie Medico sind jeweils exakt kalkuliert und werden durch die Förderbescheide, die das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) erlassen hat (Höhe für das Gesamtprogramm Theseus: 90 Mio. Euro) und durch die zusätzlichen Eigenmittel (weitere 90 Mio. Euro), die von der Industrie und den Forschungsinstituten beigesteuert werden, abgedeckt. Es ist durchaus vorstellbar, dass im Verlaufe des Forschungsprogramms, vor allem durch den Wettbewerb für kleine und mittlere Unternehmen, den das Bundeswirtschaftsministerium im April/Mai 2008 ausschreiben wird, weitere Anwendungsszenarien dazu kommen können, die dann unter Umständen auch eine weitere Förderung bekommen können.

DC: Was versprechen sich die Projektbeteiligten von Medico?

Freund: Mit einem System, wie es in Medico geplant ist, wird es möglich sein, die klinischen Arbeitsabläufe zu verbessern und dadurch die Effizienz im Krankenhaus zu steigern. Ärzte sollen in Zukunft eine optimale Unterstützung für ihre Diagnose und Therapieentscheidung erhalten. Dies führt zu verringerten Kosten bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung bei der Patientenversorgung. Letztendlich profitiert der Patient.

Die Entwicklung von Web 3.0-Technologien läuft nicht nur in Deutschland auf Hochtouren. 90 Millionen Euro will Frankreich in sein Quaero-Projekt stecken, nachdem die ursprüngliche Kooperation mit Deutschland nicht geklappt hat. Über 100 Millionen Dollar hat die australische Regierung locker gemacht. In den USA starteten das US-Verteidigungsministerium, die National Science Foundation und die Großkonzerne wie IBM, Microsoft, Yahoo, Oracle, etc. Millionenprojekte rund um das Web 3.0. Der Wettlauf um die zukünftige Internet-Dominanz hat also längst begonnen.

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