Kunstmatige intelligentie voor de medische technologie

Gedrucktes Gefäßphantom mit eingeführtem Führungsdraht für einen Katheter. (Quelle: Fraunhofer IPA; Foto: Vanessa Stachel)

Opbouw voor het trainen en valideren van een AI voor de autonome navigatie van een leiddraad. (Bron: Fraunhofer IPA; Foto: Vanessa Stachel)

Middelgrote medische technologiebedrijven in Baden-Württemberg zullen binnenkort methoden van Kunstmatige Intelligentie (KI) gebruiken voor de verdere ontwikkeling of nieuwe ontwikkeling van hun producten. De knowhow hiervoor wordt geleverd door de projectgroep voor automatisering in de geneeskunde en biotechnologie PAMB van het Fraunhofer IPA en de Universitair Medisch Centrum Mannheim in het toepassingscentrum voor intelligente machines in de medische technologie (ANIMMED). In het kader van het forum Gezondheidslocatie Baden-Württemberg ondersteunt de staat ANIMMED en zeven andere projecten met in totaal 13,9 miljoen euro.

Met methoden van Kunstmatige Intelligentie (KI of AI – Artificial Intelligence) kunnen machines in complexe situaties automatisch analyseren, beslissen of sturen. Deze eigenschappen maken KI-systemen bijzonder relevant voor gebruik in de geneeskunde: slimme methoden maken het vandaag de dag al mogelijk om enorme hoeveelheden gegevens te analyseren in de diagnostiek, die een mens niet meer aankan.

Ook medische apparaten kunnen door het gebruik van intelligente methoden geautomatiseerd worden. Zo kunnen apparaten de klinische toepassingen aanzienlijk efficiënter maken en artsen effectiever ondersteunen. Zonder het gebruik van KI lijkt automatisering van medische apparaten vandaag de dag echter nauwelijks mogelijk in de meeste klinische toepassingen. De reden ligt in de natuurlijke diversiteit van het menselijk organisme, de kwetsbaarheid ervan en de complexe biologie van het menselijk lichaam. De mens beheerst deze complexiteit en variabiliteit. Hij neemt deelbeslissingen en regelt elementen in het medische proces, maar zijn middelen kunnen door de hulp van intelligente machines aanzienlijk worden uitgebreid. Automatisering door KI-systemen wordt daarom vandaag de dag beschouwd als een technische sleutel voor een toekomstige efficiënte precisiegeneeskunde.

Trotz dieser Erwartungen stehen außer in wenigen diagnostische Bereiche, beispielsweise der Radiologie und Dermatologie, nur vereinzelte, eingeschränkte KI-Anwendungen vor dem Einsatz in der klinischen Anwendung. Die Möglichkeiten der KI im Einsatz für die Steuerung medizintechnischer Geräte und Instrumente bleiben heute in der klinischen Praxis noch weitgehend unerschlossen.

Dabei sind die Voraussetzungen für die Umsetzung von KI-Lösungen in der Medizintechnik geschaffen. KI-Softwarebibliotheken und Algorithmen, eine ausreichende Speicherkapazität und die notwendige Rechnerleistung stehen heute bereits zur Verfügung. Hinzu kommen eine leistungsfähige Messtechnik und bezahlbare Computertechnik zusammen mit neuen Materialien, Antriebskonzepten, aber auch neuen klinischen Ansätzen, sodass intelligente Maschinen in Form von Geräten oder Instrumenten für die Medizin realisiert werden könnten.

Vorteile von KI in der Medizintechnik

Verschiedene Projekte der Mannheimer Projektgruppe haben gezeigt, dass KI in der Klinik als Schlüsseltechnologie für die intelligente Steuerung von Maschinen, d. h. Instrumenten, Geräten oder Systemen wie Robotern von zentraler Bedeutung ist. Mit Hilfe von KI können Maschinen zukünftig Ärzte auch bei kritischen Aufgaben und der Steuerung komplexer Abläufe in der Klinik unterstützen, indem sie Prozesse sogar automatisch übernehmen und das Personal bedarfsgerecht entlasten. So wird es möglich, Prozesse der Pflege, Diagnose und Intervention optimal auf die individuelle Situation des Patienten abzustimmen und gleichzeitig effizient zu gestalten. Damit bleibt die medizinische Versorgung trotz zusätzlicher Kosten für die erforderliche digitale Infrastruktur auch in Zukunft bezahlbar.

Trainingsdaten sind entscheidend

Zu den entscheidenden Punkten der KI-Anwendung für Medizinprodukte zählt der Zugang zu den Trainingsdaten. Denn lernfähige KI-Systeme für intelligente Geräte und Instrumente sollen mit großen Datenmengen trainiert werden, die valide sind. Das bedeutet, die Daten stellen die Realität mit einer ausreichenden Genauigkeit dar und sind im Hinblick auf das berechnete Ergebnis überprüfbar. Speziell für medizintechnische Anwendungen lassen sich solche großen Datenmengen nur im klinischen Alltag oder in extrem realitätsnahen Szenarien und Simulationen gewinnen. An dieser Anforderung scheitert in den meisten Fällen die Entwicklung von KI-Systemen in der Medizin. Der Aufwand für Unternehmen wird zu groß. Damit schließt sich der fehlerhafte Kreis: Weil konkret greifbare Anwendungen fehlen, können Machbarkeit und Nutzen von KI-Lösungen aktuell durch Praxisbeispiele nicht in ausreichendem Umfang nachgewiesen werden. So kommt die Entwicklung von Anwendungen nur schwer voran.

Best-Practice-Demonstratoren und kliniknahe Entwicklungsmethoden

ANIMMED durchbricht diesen Teufelskreis mit Best-Practice-Demonstratoren und dem Angebot von kliniknahen Entwicklungsmethoden: Anhand von drei Demonstratoren für medizintechnische KI-Systeme evaluiert ANIMMED die eigene KI-Entwicklungsmethodik und nutzt gleichzeitig die Ergebnisse als Referenzprojekte. Die enge Vernetzung der Partner und deren Lage auf dem Campus der Universitätsmedizin Mannheim (UMM) bietet dafür ein optimales Ökosystem: Die Mediziner und die Einrichtungen der UMM, das Heinrich-Lanz-Zentrum (HLZ) als Spezialist für die Datengewinnung aus klinischen Quellen und die Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB mit ihrer Erfahrung als KI-Anwendungsentwickler und Betreiber des Mannheimer Medical Transfer Centers M2TC, bilden als etablierte, vernetzte Struktur die Grundlage für eine zügige operative Projektdurchführung.

Anwendungszentrum für Intelligente Maschinen in der Medizintechnik (ANIMMED)

Der Aufbau des Entwicklungs- und Anwendungszentrums in den vorhandenen Einrichtungen der Fraunhofer-Projektgruppe und des HLZ fördert den Einsatz von KI für die Medizintechnik. Auf dem Gelände des Universitätsklinikums Mannheim unterstützt ANIMMED Medizintechnikunternehmen bei der Entwicklung, dem Training und der Adaption von KI-Lösungen für intelligente medizinische Geräte und Instrumente.

13,9 Millionen Euro für den Gesundheitsstandort Baden-Württemberg

Außer dem Anwendungszentrum für Intelligente Maschinen in der Medizintechnik fördert das Wirtschaftsministerium weitere 7 Projekte mit insgesamt 13,9 Millionen Euro. Nachdem der Ministerrat am 21. April der Förderung im Rahmen des Forums Gesundheitsstandort Baden-Württemberg zugestimmt hat, begründete Baden-Württembergs Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut die Entscheidung: „Innovative Ideen und Projekte sind der Schlüssel für eine leistungsfähige Gesundheitsbranche im Land. Gerade in Krisenzeiten gilt es, diese Kompetenzen ständig weiterzuentwickeln und auch für die Zukunft zu sichern. Mit den ersten acht Projekten werden wir diese Schlüsseltechnologien maßgeblich voranbringen – zum Wohle der Patienten und zugunsten des Wirtschaftsstandortes Baden-Württemberg.“