In der Schweiz werden jährlich über eine Million Operationen durchgeführt. Die Fertigkeiten der Chirurgen beeinflussen das Ergebnis der Operation direkt: Schulung und Erfahrung, aber auch momentane Ermüdung und andere Einflussfaktoren spielen dabei eine Rolle.
KI soll den Job von Experten in der Medizin übernehmen
Heute prüfen Experten direkt während einer Operation oder durch die Auswertung von Videomaterial, wie gut der Eingriff gelaufen ist. Dieses Verfahren ist aber sehr aufwendig, und es stehen nur eine begrenzte Anzahl von Experten zur Verfügung. Ihr Urteil kann variieren und ist nicht immer vollständig reproduzierbar. Seit einiger Zeit wird versucht, die Beurteilung der Chirurgen zu automatisieren und zu objektivieren.
Einem Forschungsteam des Inselspitals, Universitätsspital Bern, und der Caresyntax GmbH, Berlin, ist der Nachweis gelungen, dass dies mit künstlicher Intelligenz (KI) gelingt. Ihre Methode beruht auf einem dreistufigen Verfahren und ordnet mit hoher Trefferquote gute und mäßige Leistungen korrekt zu. Damit ist der Weg frei für weitere Schritte in Richtung von KI-gestützten Expertensystemen.
KI zur Bewertung in der Medizin? Prinzipiell machbar
Das zentrale Resultat der Studie ist, dass die Beurteilung prinzipiell machbar ist. Die eingesetzte KI identifizierte gute sowie mäßige chirurgische Fertigkeit mit einer Treffgenauigkeit von 87 %. Erstautor Joël Lavanchy erläutert: „Überraschend war die große Genauigkeit der Algorithmen mit der gewählten Methode.“ Sie basiert auf der Analyse der Instrumentenbewegung. Die chirurgischen Instrumente wurden mittels Computeralgorithmen identifiziert und ihre Bewegung über die Zeit analysiert.
Das Forschungsteam hat seinen dreistufigen Ansatz neu entwickelt. Der Studie lagen 242 Videos von laparoskopischen Eingriffen zugrunde, in denen die Gallenblase entfernt wurde. In einem ersten Schritt wurden die verwendeten Instrumente identifiziert. Dazu wurde ein Convolutionales Neurales Netzwerk (CNN) so trainiert, dass es Instrumente erkennt. Im zweiten Schritt wurden die Bewegungen analysiert und deren Muster extrahiert. In einem dritten Schritt wurden die extrahierten Bewegungsmuster mit der Beurteilung durch Experten korreliert, wobei eine lineare Regression verwendet wurde.
Studie ist die Basis – mehr Forschung ist noch erforderlich
Die Studie ist ein erster Schritt. Bis die Technologie in der klinischen Praxis eingesetzt werden kann, sind noch vertiefende Schritte nötig. Zum einen müssen die KI-Algorithmen auf einer breiteren Datenbasis trainiert werden, um die Erkennung der Instrumente weiter zu verbessern. Weiter sind zusätzliche Operationen zu untersuchen, und mittelfristig können auch Videos von offenen Operationen sowie Eingriffe außerhalb des Bauchraums in Angriff genommen werden.
Laut Enes Hosgor, Co-Autor der Studie und Leiter der KI-Abteilung bei Caresyntax, geht die Studie weiter als bisherige Untersuchungen, bei denen KI vor allem für die Identifikation von Instrumenten oder gewissen Operationsabschnitten benutzt wurde. „In unserer Studie beurteilen wir die chirurgischen Fertigkeiten anhand des Operationsvideos.“ Der Einsatz der KI könne künftig Probleme auf mehreren Ebenen lösen: Sie sei jederzeit und auch während der Operation verfügbar und damit nicht von wenigen, schwer verfügbaren Experten abhängig. Da sie nur auf Algorithmen setze, sei sie objektiv. Und, so Hosgor: „Sie ist überregional, personen- und zeitunabhängig vergleichbar und könnte so Zertifizierungsstellen eine wichtige Entscheidungshilfe bieten.“
KI am Medizinstandort Bern: Profitieren von CAIM
Das Projekt gibt einen wichtigen Hinweis auf die künftige Entwicklung der KI in der Medizin. Von der früheren Auswertung von Bildmaterial wird sie sich künftig dahin bewegen, Expertensysteme bereitzustellen. „Die Studie ist ein erster Schritt“, sagt auch Studienleiter Prof. Guido Beldi, Leitender Arzt Viszerale und Transplantationschirurgie, Inselspital, Universitätsspital Bern. „Nachdem wir die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt haben, können wir nun die Planung von Assistenzsystemen in Angriff nehmen.“ Diese würden Chirurginnen und Chirurgen während der Operation unterstützen und zum Beispiel darauf hinweisen, wenn eine Ermüdung festgestellt wird. Das könne dazu beitragen, Komplikationen zu vermeiden.
Die weitere Entwicklung wird von der Förderung der KI am Medizinalstandort Bern profitieren können. Mit der Eröffnung am 19. März wird hier das Center for Artificial Intelligence in Medicine (CAIM) den Betrieb aufnehmen.
Mehr über die Studie:
https://doi.org/10.1038/s41598-021-84295-6
