Mit Künstlicher Intelligenz unter die Haut

17.05.2022
Ein Gastbeitrag von Dr. med. Minu Tizabi, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) Heidelberg

Die moderne Medizin sucht dringend nach Bildgebungsverfahren, die in Echtzeit und strahlenfrei Einblicke in die Funktionalität von Geweben bieten. Die sogenannte Photoakustik ist in dieser Hinsicht vielversprechend, doch in der Informationsverarbeitung sehr schwierig. Künstliche Intelligenz ist im Begriff, das Verfahren dennoch klinisch anwendbar zu machen.

Von außen in den lebenden Körper hineinzusehen ist ein jahrhundertealter Traum der Menschheit. Moderne Bildgebungsverfahren wie die Computertomographie erlauben zwar, verschiedene Organe und Gewebe im Inneren eines Körpers abzubilden. Doch dies geschieht oft auf Kosten schädlicher Strahlenbelastung. Zudem kann man anhand der Bilder oft nur das Aussehen eines Gewebes beurteilen, nicht aber, wie gut es funktioniert.

Die moderne Medizin sucht daher nach Verfahren, die das Körperinnere nicht nur abbilden, sondern Ärztinnen und Ärzten auch etwas über Funktion und Zustand verraten. Wäre es zum Beispiel während einer laufenden Krebs-OP möglich, die Durchblutung des betreffenden Organes live zu beobachten, wäre es viel leichter, den Tumor zu entfernen.
 

Licht rein, Schall raus

Die Photoakustik ist ein Bildgebungsverfahren, welches genau das versucht: von außen in den Körper hineinzuschauen, und zwar in Echtzeit und vollkommen strahlungsfrei. Oder vielmehr: hineinzuhorchen! Denn das Verfahren nutzt das physikalische Phänomen aus, dass Gewebe, wenn es von kurzen Lichtpulsen beschienen wird, Schallwellen zurückwirft, welche wir mit einer Art Kamera messen können. Aus diesen Messungen können wir mittels Computern, die für jeden Bildpunkt die Verteilung der Schallwellen berechnen, dann Live-Bilder rekonstruieren. Der Clou: Unter verschiedenen Bedingungen werfen die Gewebe verschiedene Schallwellen zurück. Gut mit Blut und Sauerstoff versorgtes Gewebe „hört“ sich zum Beispiel anders an als Gewebe, welches unter Blut- und Sauerstoffmangel leidet. Mit der Photoakustik lassen sich also im wahrsten Sinne des Wortes Zustand und Funktion verschiedener Gewebe im Körperinneren „beleuchten“.
 

Eine klinische Herausforderung

Wollten wir mit diesem Verfahren nur relative Unterschiede zwischen Geweben aufdecken, wäre das kein großes Problem. Doch in der modernen Medizin reicht das nicht aus. Für eine Vielzahl von Anwendungen und Erkrankungen müssen wir die absoluten Konzentrationen von Molekülen wie zum Beispiel Sauerstoff oder dem roten Blutfarbstoff Hämoglobin in Geweben wissen – und das in Echtzeit für jeden einzelnen Bildpunkt, bei einer hohen Bildauflösung. Diese absoluten Werte aus der Schallwellenverteilung zu bestimmen, ist jedoch aus mathematischen Gründen ein schwieriges Unterfangen und hindert das Verfahren aktuell noch am Einzug in die Klinik.
 

Maschinelles Lernen als Lösung

Hier kommt die künstliche Intelligenz (KI) ins Spiel. Wenn wir von KI sprechen, meinen wir damit eigentlich maschinelles Lernen: die Fähigkeit von Computern, durch schrittweises Auswerten und Verbessern der eigenen Leistung selbstständig Aufgaben zu erlernen. Basierend auf bereits vorhandenen Daten – entweder von echten oder simulierten Messungen – versucht die Forschung zurzeit mit verschiedenen Kniffen, Computern beizubringen, diese schwierigen Berechnungen zuverlässig zu erlernen. Würde das gelingen, könnte es die Erkennung und Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen wesentlich verbessern.


Die hier veröffentlichten Inhalte und Meinungen der Autorinnen und Autoren entsprechen nicht notwendigerweise der Meinung des Wissenschaftsjahres 2022 – Nachgefragt!​

 

Weitere Informationen:

Website des Deutschen Krebsforschungszentrums

Pressemitteilung "Künstliche Intelligenz ermöglicht neue Bildgebungsmethoden"

Twitter-Account des Deutschen Krebsforschungszentrums

 

 

 

Vita

Dr. med. Minu Tizabi, Wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Intelligente Medizinische Systeme (Leitung: Prof. Lena Maier-Hein) am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg, machte mit 14 Jahren Abitur. Anschließend begann sie an der Universität Heidelberg ein Medizinstudium, das sie mit 22 Jahren als Deutschlands jüngste Ärztin abschloss. Neben ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit ist sie Schriftstellerin; 2021 erschien ihr Debütroman.

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