Operationstechnik

Künstliche Intelligenz steuert Katheter

Künstliche_Intelligenz und Katheter_IPA
Setup mit Gefäßphantom, das zum Trainieren des neuronalen Netzes verwendet wird. (Bild: Fraunhofer IPA)
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Damit es noch schneller und sicherer geht: Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) navigiert ein OP-Roboter einen Katheter autonom, zuverlässig und schnell zum Ort des Eingriffs. Davon könnten insbesondere kleine Kliniken ohne Stroke Unit profitieren.

Bei einem Schlaganfall zählt jede Minute, durch schnelles Handeln lassen sich schwere Hirnschäden mindern. Sind große Blutgefäße im Gehirn durch Gerinnsel verstopft, entfernt der Operateur den Verschluss mithilfe eines Katheters, den er in die Leiste des Patienten einführt. Doch der komplizierte Eingriff erfordert viel Erfahrung. Allein zehn bis 90 Minuten benötigt der Operateur – je nach Patient –, um den Katheter zum Blutgerinnsel zu navigieren. Diese Problematik adressieren Forscher der Mannheimer Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB, die an das Fraunhofer-Institut für Automatisierung und Produktionstechnik IPA angegliedert ist.

Mithilfe eines robotischen Assistenzsystems – einem computergesteuerten Katheter – wollen sie eine zuverlässigere und schnellere Variante der Therapie etablieren. Die Besonderheit: Der Katheter wird durch Methoden der Künstlichen Intelligenz autonom zum Ort des Eingriffs navigiert.

„Die Operation selbst, also das Herauslösen des Blutpfropfens mithilfe des Stent-Retrievers, führt nach wie vor der Arzt durch. Aber die komplizierte Navigation dorthin, bei der schwierige Anatomien zu überwinden sind, soll künftig ein autonom gesteuerter Katheter erledigen“, sagt Johannes Horsch, Wissenschaftler der Projektgruppe. „Die autonome Intervention per Katheter eignet sich aber nicht nur bei einem Schlaganfall, sie lässt sich vielseitig anwenden, etwa bei der endovaskulären Operation von Herzinfarkten oder Lebertumoren“, betont der Ingenieur.

Autonome Navigation des Katheters durch Künstliche Intelligenz

Ermöglicht werden soll die autonome Navigation durch Deep Reinforcement Learning (DRL), eine Methode, mit der sich neuronale Netze trainieren lassen. Sie ähnelt der Art, wie Menschen lernen. Die Besonderheit von DRL: Der Algorithmus generiert die Daten zum Trainieren des neuronalen Netzes eigenständig durch permanentes Üben am Computer-Simulationsmodell – einer virtuellen Nachbildung eines Gefäßbaums und Katheters, mit der der reale Algorithmus interagieren kann. „Mit dem Modell können wir virtuell alle möglichen Bewegungen des Katheters simulieren und das neuronale Netz bis zu einem gewissen Stadium trainieren. In bisherigen Tests am Simulationsmodell waren wir in 95 Prozent der Fälle erfolgreich, sprich der Katheter konnte in einem vereinfachten Szenario problemlos autonom zum Gefäßverschluss navigiert werden. Bis zum Start der Medica wollen wir jedoch eine Erfolgsquote von 99 Prozent erzielen“, sagt Horsch.

Damit der Mediziner die autonome Navigation während des Eingriffs nutzen kann, muss der Katheter im Patienten in Echtzeit lokalisiert werden. Hieran arbeitet der Projektpartner, das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS. Dort entwickeln die Experten einen „intelligenten Katheter“, der sich mittels faser-optischer Sensorik und ohne Bildgebung im Gefäßsystem lokalisieren lässt.

Von dem System könnten insbesondere kleine Kliniken profitieren, die nicht über entsprechend ausgebildete Spezialisten verfügen. Sie wären dann in der Lage, endovaskuläre Schlaganfalltherapien durchzuführen, bei denen Katheter zum Einsatz kommen. Diese Eingriffe können in der Regel nur in spezialisierten Schlaganfallstationen – sogenannten Stroke Units – durchgeführt werden.

Den Stand ihrer Forschung demonstrieren der Ingenieur und seine Kollegen vom 18. bis 21. November auf der Messe Medica in Düsseldorf, in Halle 10, an Stand G05.

Kontakt:
Fraunhofer IPA
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart
Telefon +49 711 970–1800
www.ipa.fraunhofer.de

Weitere Informationen zum Einsatz von Kathetern in der modernen Medizin:

Katheter – Wie und wozu sich die moderne Medizin Zugang zum Körper verschafft

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