Sztuczna inteligencja dla technologii medycznej

Wydrukowany fantom naczyniowy z wprowadzonym przewodzącym przewodem do cewnika. (Źródło: Fraunhofer IPA; Zdjęcie: Vanessa Stachel)

Struktur do treningu i walidacji sztucznej inteligencji do autonomicznej nawigacji przewodu prowadzącego. (Źródło: Fraunhofer IPA; Zdjęcie: Vanessa Stachel)

Średnie przedsiębiorstwa medyczne w Badenii-Wirtembergii wkrótce będą mogły korzystać z metod sztucznej inteligencji (SI) do dalszego rozwoju lub nowego opracowywania swoich produktów. Wiedzę w tym zakresie zapewniają grupa projektowa ds. automatyzacji w medycynie i biotechnologii PAMB Fraunhofer IPA oraz medyczne centrum uniwersyteckie Mannheim w Centrum zastosowań dla inteligentnych maszyn w technice medycznej (ANIMMED). W ramach forum dla lokalizacji zdrowotnej Badenia-Wirtembergia land wspiera ANIMMED i kolejne siedem projektów łącznym budżetem 13,9 miliona euro.

Metody sztucznej inteligencji (SI lub AI – Artificial Intelligence) pozwalają maszynom na automatyczną analizę, decyzje lub sterowanie w złożonych sytuacjach. Te właściwości czynią systemy SI szczególnie istotnymi w zastosowaniach medycznych: inteligentne metody już dziś umożliwiają w praktyce analizę ogromnych ilości danych w diagnostyce, które człowiek nie jest w stanie już opanować.

Również urządzenia medyczne mogą być dzięki zastosowaniu inteligentnych metod zautomatyzowane. W ten sposób urządzenia mogą znacznie zwiększyć efektywność zastosowań klinicznych i skuteczniej wspierać lekarzy. Jednak bez użycia SI automatyzacja urządzeń medycznych w większości zastosowań klinicznych wydaje się dziś niemal niemożliwa. Przyczyną jest naturalna różnorodność ludzkiego organizmu, jego podatność i złożona biologia ciała ludzkiego. Człowiek opanował tę złożoność i zmienność. Podejmuje częściowe decyzje i reguluje elementy procesu medycznego, ale jego zasoby mogą być znacznie rozszerzone przy pomocy inteligentnych maszyn. Automatyzacja za pomocą systemów SI jest więc dziś postrzegana jako klucz techniczny dla przyszłej efektywnej medycyny precyzyjnej.

Pomimo tych oczekiwań, oprócz kilku dziedzin diagnostycznych, takich jak radiologia i dermatologia, tylko sporadyczne, ograniczone zastosowania SI stoją przed wdrożeniem w praktyce klinicznej. Możliwości SI w sterowaniu urządzeniami i instrumentami medycznymi pozostają dziś w dużej mierze niewykorzystane w praktyce klinicznej.

Przy tym warunki do wdrożenia rozwiązań SI w technice medycznej są już spełnione. Biblioteki oprogramowania SI i algorytmy, wystarczająca pojemność pamięci i konieczna moc obliczeniowa są już dostępne. Do tego dochodzi wydajna technika pomiarowa i dostępne komputery, a także nowe materiały, koncepcje napędowe, a także nowe podejścia kliniczne, dzięki czemu inteligentne maszyny w formie urządzeń lub instrumentów mogą być realizowane w medycynie.

Zalety SI w technice medycznej

Różne projekty grupy projektowej z Mannheim pokazały, że SI jest kluczową technologią dla inteligentnego sterowania maszynami, tj. instrumentami, urządzeniami lub systemami, takimi jak roboty, w klinice. Dzięki SI maszyny mogą w przyszłości wspierać lekarzy także przy krytycznych zadaniach i sterowaniu złożonymi procesami w klinice, automatyzując nawet niektóre procesy i odciążając personel w sposób dostosowany do potrzeb. Umożliwia to optymalne dopasowanie procesów opieki, diagnostyki i interwencji do indywidualnej sytuacji pacjenta, przy jednoczesnym zachowaniu efektywności. Dzięki temu opieka medyczna pozostanie w przyszłości dostępna mimo dodatkowych kosztów związanych z niezbędną infrastrukturą cyfrową.

Decydujące znaczenie danych treningowych

Kluczowym elementem zastosowania SI w wyrobach medycznych jest dostęp do danych treningowych. Ponieważ uczące się systemy SI dla inteligentnych urządzeń i instrumentów muszą być trenowane na dużych, wiarygodnych zbiorach danych. Oznacza to, że dane odzwierciedlają rzeczywistość z wystarczającą dokładnością i są możliwe do zweryfikowania pod kątem uzyskanego wyniku. Szczególnie w zastosowaniach medycznych takie duże zbiory danych można pozyskać tylko w codziennej praktyce klinicznej lub w ekstremalnie realistycznych scenariuszach i symulacjach. To wymóg często stanowi barierę dla rozwoju systemów SI w medycynie. Wysiłek dla firm jest zbyt duży. W ten sposób zamyka się błędne koło: brak konkretnych, namacalnych zastosowań uniemożliwia wykazanie możliwości i korzyści rozwiązań SI na podstawie praktycznych przykładów. W efekcie rozwój nowych zastosowań napotyka na trudności.

Przykłady najlepszych praktyk i metody rozwoju blisko kliniki

ANIMMED przełamuje to błędne koło dzięki demonstratorom najlepszych praktyk i ofercie rozwiązań rozwojowych blisko kliniki: na podstawie trzech demonstratorów systemów SI dla medycznych zastosowań ocenia własną metodykę rozwoju SI i jednocześnie wykorzystuje wyniki jako projekty referencyjne. Ścisła współpraca partnerów i ich lokalizacja na kampusie medycznym w Mannheim tworzą idealny ekosystem: lekarze i placówki UMM, Heinrich-Lanz-Zentrum (HLZ) jako specjalista od pozyskiwania danych z klinicznych źródeł oraz grupa projektowa Fraunhofer ds. automatyzacji w medycynie i biotechnologii PAMB z doświadczeniem jako twórca i operator centrum transferu medycznego M2TC, tworzą jako ugruntowana, zintegrowana struktura podstawę do sprawnego prowadzenia projektów.

Centrum zastosowań dla inteligentnych maszyn w technice medycznej (ANIMMED)

Budowa centrum rozwoju i zastosowań w istniejących placówkach grupy projektowej Fraunhofer i HLZ wspiera wdrożenie SI w technice medycznej. Na terenie kliniki uniwersyteckiej w Mannheim ANIMMED wspiera firmy medyczne w rozwoju, szkoleniu i adaptacji rozwiązań SI dla inteligentnych urządzeń i instrumentów medycznych.

13,9 milionów euro dla lokalizacji zdrowotnej Badenia-Wirtembergia

Oprócz centrum zastosowań dla inteligentnych maszyn w technice medycznej, Ministerstwo Gospodarki wspiera kolejne 7 projektów łącznie kwotą 13,9 miliona euro. Po zatwierdzeniu wsparcia przez Radę Ministrów 21 kwietnia, minister gospodarki Badenii-Wirtembergii, dr Nicole Hoffmeister-Kraut, uzasadniła decyzję: „Innowacyjne pomysły i projekty są kluczem do silnej branży zdrowotnej w kraju. Szczególnie w czasach kryzysu ważne jest, aby te kompetencje stale rozwijać i zabezpieczać na przyszłość. Pierwsze osiem projektów znacząco przyczyni się do rozwoju tych kluczowych technologii – dla dobra pacjentów i na rzecz lokalizacji gospodarczej Badenii-Wirtembergii.”