Neue Technologien für die Gastroenterologie von morgen. Wie die Arbeitsgruppe InExEn am UKW mit KI, Simulation, Gamification und Teamarbeit die Gastroenterologie weiterent-wickelt.

Ein Interview mit Alexander Hann, Professor für Digitale Transformation in der Gastroen-terologie am Uniklinikum Würzburg (UKW) und Leiter der Arbeitsgruppe InExEn – Inter-ventional and Experimental Endoscopy und Jana Theile, Ärztin und wissenschaftliche Mitarbeiterin der AG InExEn über KI-gestützte Diagnostik, Angiodysplasien und digitale Trainingskonzepte.

Bild: Die von Alexander Hann geleitete Arbeitsgruppe InExEn (Interventional and Experimental Endoscopy) entwickelt am UKW mit KI, Simulation, Gamification und Teamarbeit die Gastroenterologie weiter. Foto: © Daniel Peter / UKW

Herr Hann, Sie haben die AG InExEn im Jahr 2019 gegründet, als Sie ans UKW kamen. Womit beschäftigt sich die AG?

Alexander Hann: Wir sind inzwischen ein Dutzend engagierte Leute, die gemeinsam an innovativen diagnostischen Verfahren und therapeutischen Lösungen für Erkrankungen im Bereich der Gastroenterologie arbeiten. Mit jedem angenommenen Förderantrag wächst das Team weiter. Zur Arbeitsgruppe gehören erfahrene Ärztinnen und Ärzte mit Spezialisierung in der Gastroenterologie sowie Ingenieurinnen und Ingenieure und Informatikerinnen und Informatiker. Wir haben sogar eine Game-Developerin. Genau das ist das Spannende: Durch diesen interdisziplinären Ansatz können wir die Medizin voranbringen.

Bild: Alexander Hann, Professor für Digitale Transformation in der Gastroenterologie am Uniklinikum Würzburg (UKW) und Leiter der Arbeitsgruppe InExEn, und Jana Theile, Ärztin und wissenschaftliche Mitarbeiterin der Arbeitsgruppe InExEn. © Daniel Peter / UKW / Collage mit Canva

Frau Theile, Sie sind nach Ihrem Medizinstudium direkt in die Forschung gegangen und promovieren derzeit in der Arbeitsgruppe InExEn. Wie sind Sie zur Medizininformatik gekommen?

Jana Theile: Ich war tatsächlich schon immer von Technik begeistert und programmiere auch in meiner Freizeit mit meinem Freund, der Informatiker ist. Deshalb finde ich die Arbeit in der InExEn-AG extrem spannend. Es ist toll, in so einem interdisziplinären Team zusammenzuarbeiten.

Worum geht es in Ihrer Doktorarbeit?

In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit Angiodysplasien, also Gefäßfehlbildungen im Darm. Manche Patientinnen und Patienten kommen mit dem Verdacht auf eine untere gastrointestinale Blutung in unsere Klinik. Gerade bei älteren Personen sind Angiodysplasien eine häufige Ursache für solche Blutungen. Ich konzentriere mich auf die Ursachenforschung von Blutungen im Dickdarm. Entstehen diese Blutungen durch Angiodysplasien oder durch andere Ursachen? Kann die KI die Diagnostik verbessern?

Welche Symptome zeigen sich bei einer Blutung im Darm?

Hann: Manche Patientinnen und Patienten haben etwas Blut im Stuhl. Es kann aber auch zu einer Anämie, also Blutarmut, kommen. Die Betroffenen sind blass, müde, weniger leistungsfähig und klagen über Schwindel.

Können die Blutungen bei einer Routine-Darmspiegelung erkannt werden?

Theile: Genau das ist der Punkt. Einige der Gefäßfehlbildungen fallen auf und es wird ein Bild davon gemacht. Aber später tauchen diese im Bericht nicht auf. Manchmal wird vergessen, die Angiodysplasien, die wie kleine Netze aussehen, zu erwähnen. Das kann daran liegen, dass sie harmlos erscheinen, aus ihnen kein Blut sickert oder man sich bei der Koloskopie einfach auf die Polypen konzentriert.

Wie kommt jetzt die KI ins Spiel? Wie kann sie die Erfassung von Angiodysplasien verbessern?

Theile: Mit meinem Kollegen Dr. Ioannis Kafetzis entwickeln wir eine KI, die Angiodysplasien im Bild- und Videomaterial zuverlässig erkennt. Das heißt, wir erstellen ein sogenanntes Computer Vision Model, also ein System, das die bildbasierte Analyse durchführt. Dieses Modell kombinieren wir mit einem zweiten textbasierten KI-Modell, einem sogenannten Large Language Model (LLM), das die Befunde parallel durchgeht und abgleicht. Wenn das Computer-Vision-Modell eine Angiodysplasie erkennt, das Large-Language-Modell diese aber nicht im Bericht findet, wird dem Untersuchenden diese Ungleichheit mit der Frage „Möchten Sie diese Angiodysplasie nicht im Bericht erwähnen?" angezeigt.  

Kann die KI dann in Untersuchungsprogramme integriert werden?

Hann: Untersuchungsprogramme sind ja auch Medizinprodukte der Klasse 1, das heißt, man müsste mit den Herstellern sprechen, damit sie das einbauen.

Wir müssen die KI also so entwickeln, dass sie mit anderen Programmen kompatibel ist und zugelassen wird. Aktuell ist es noch ein Konzept. Wir haben die KI jedoch bereits getestet und Daten aus zwei Zentren, dem UKW und dem Katharinenhospital am Klinikum Stuttgart, erhoben. Es funktioniert.

Inwiefern ist es wichtig, auch unauffällige Angiodysplasien als Befund im Bericht zu erwähnen?

Theile: Sollte es später einmal zu einer Blutung kommen, weiß man durch die vorherigen Endoskopien, dass die Person Angiodysplasien hatte, und kann entsprechend gezielter therapieren.

Sie erwähnten, dass seit neuestem eine Game-Developerin die Arbeitsgruppe verstärkt. Soll durch den Gamification-Ansatz die Anwendungstechnik spielerischer und intuitiver werden?

Hann: Dieser Aspekt konzentriert sich eher auf das Training endoskopischer Untersuchungen und ist daher für Medizinstudierende oder medizinisches Personal in der Aus- und Weiterbildung relevant. Mithilfe von VR-Simulatoren, mit denen sich beispielsweise eine virtuelle Magenspiegelung üben lässt, können wir das Training an Tieren, in diesem Fall an Schweinen, reduzieren.

Wie funktioniert eine Magenspiegelung in virtueller Realität (VR)?

Hann: Wir haben einen virtuellen Endoskopieraum und ein virtuelles Magenmodell, mit dem wir interagieren. Allerdings gibt es einen festen, haptischen Punkt: ein echtes Endoskop, das wir steuern. Über Sensoren wird die Steuerung des Endoskops in die virtuelle Realität übertragen. Über die VR-Brille sehen wir den Raum, den Monitor und das, was die Kamera des Endoskops sieht. In der virtuellen Welt können wir auch Behandlungen durchführen, beispielsweise eine Angiodysplasie veröden.

Bild: VR-Training: Game-Developerin Annika Köhler arbeitet mit dem InExEn-Team daran, möglichst viele endoskopische Untersuchungen und Behandlungen in die virtuelle Welt zu übertragen, was das Training an Tiermodellen reduziert. Hier zeigt sie einen Simulator, bei dem Untersuchende während des virtuellen Trainings ihr eigenes Endoskop zur Steuerung der Untersuchung nutzen können. © Daniel Peter / UKW

Und wie gut lässt sich dieses VR-Training auf die Realität übertragen?

Hann: Unser Ziel ist es, dass die Leute am Simulator mindestens genauso gut trainiert werden wie am Tiermodell, das derzeit noch Standard ist. Für Dickdarmspiegelungen liegen uns bereits Daten von Checklisten vor, die zeigen, dass ärztliches Personal, welche zuvor allein am Simulator geübt haben, signifikant bessere Ergebnisse erzielen.

Eine Alternative für Tierversuche haben Sie gerade erfolgreich auf der Endoskopie-Jahrestagung präsentiert und live testen lassen.

Hann: Ja, das war ein vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördertes Projekt. Gemeinsam mit unserer Game-Developerin Annika Köhler, dem Hardware-Ingenieur Irshath Syed und Jana Theile, die den medizinischen Part abdeckt, wurde ein Simulator entwickelt, bei dem Untersuchende während des virtuellen Trainings ihr eigenes Endoskop zur Steuerung der Untersuchung nutzen können. Auf dem Jahreskongress der Deutschen Gesellschaft für Endoskopie und Bildgebende Verfahren e. V. (DGE-BV), der im März in Leipzig stattfand, haben rund 30 Probandinnen und Probanden das Gerät getestet. Die Daten werten wir derzeit aus.

Theile: Am Tier werden vornehmlich fortgeschrittene Eingriffe und Komplikationen geübt, wenn beispielsweise bei einer Tumorresektion Perforationen und Blutungen entstehen. Mit unserem entwickelten Simulator können wir die Blutstillung und den Perforationsverschluss trainieren, sodass möglichst wenig Versuchstiere eingesetzt werden müssen, oder diese weniger leiden müssen.

Hann: Wir wollen weg von Tiermodellen und hin zum virtuellen Training. Außerdem soll das Training mehr Spaß machen.

Ein weiteres Projekt namens „SiMucosa" wird derzeit von der Eva Mayr-Stihl-Stiftung gefördert. Dabei geht es um simulierte Mukosa, also Schleimhaut.

Theile: In der Lehre wird das Navigieren mit dem Endoskop zunächst an Silikonmodellen von Magen und Darm geübt. Um diese Modelle realistischer zu gestalten, haben wir eine KI entwickelt, die mit echten Schleimhautbildern aus Untersuchungen trainiert wurde. Wenn die KI als Filter über die Bilder gelegt wird, kann sie die Silikonoberfläche wie Schleimhaut aussehen lassen. Dazu haben wir ebenfalls eine Studie beim Jahreskongress der DGE-BV durchgeführt.

Bild: SiMucosa: Im Projekt „SiMucosa" wurde eine KI mit echten Schleimhautbildern trainiert, sodass das Training an Silikonmodellen realistischer wird. Die simulierte Schleimhaut (Mukosa) gibt Studierenden das Gefühl einer echten Endoskopie, bei der sie vorsichtiger navigieren und genauer hinschauen müssen. © Daniel Peter / UKW

Wie kam die simulierte Schleimhaut bei den Probandinnen und Probanden an?

Theile: Das Silikonmodell haben die Leute schnell untersucht, aber wenn wir SiMucosa eingeschaltet haben, waren sie viel aufmerksamer. Die simulierte Schleimhaut gab ihnen das Gefühl einer echten Endoskopie.

Bild: Computer Vision Model / Large Language Model: Die Ärztin Jana Theile hat gemeinsam mit dem Mathematiker Dr. Ioannis Kafetzis ein Computer Vision Model entwickelt, das Angiodysplasien zuverlässig erkennt und in Kombination mit einem Large Language Model, das den Bericht des Untersuchenden abgleicht, Ungleichheiten aufdeckt. © Daniel Peter / UKW

Das Interview führte Kirstin Linkamp / Wissenschaftskommunikation

Hinweis auf ein weiteres Interview:

Sie möchten noch mehr zum Potenzial von KI in der Gastroenterologie erfahren? Zum Beispiel über EndoMind, ein von der AG InEXEn entwickeltes KI-gestütztes System (Computer-Aided Detection, CADe), welches die Detektionsrate von Adenomen (ADR) erhöhen soll. Die KI EndoMind markiert bei einer Darmspiegelung erkannte Adenome mit einem blauen Rechteck. EndoMind wurde in gastroenterologischen Schwerpunktpraxen getestet. Die Ergebnisse hat das Nature-Journal NPJ Digital Health veröffentlicht. Sie zeigen: Die KI hilft erfahrenen Gastroenterologinnen und Gastroenterologen kaum dabei, die Detektionsrate von Polypen bei einer Darmspiegelung (Koloskopie) zu verbessern. Ob Alexander Hann KI dennoch in der Vorsorge empfiehlt und was verbessert werden kann, erfahren Sie in diesem Interview: https://www.ukw.de/forschung/pressemit ... noch-nicht-uebertrifft-1/

Quelle: Universitätsklinikum Würzburg

Bildmaterial: © Daniel Peter / UKW / Collage mit Canva