Künstliche Intelligenz kann Chirurgen zuverlässig bewerten

In der Schweiz werden laut der Berner Insel Gruppe jährlich über eine Million Operationen durchgeführt. Die Fertigkeit von Chirurginnen und Chirurgen hat dabei direkte Auswirkungen auf das Operationsergebnis. Beeinflusst wird diese nicht nur von der Schulung und Erfahrung, sondern auch von anderen Faktoren wie beispielsweise der momentanen Ermüdung. Geprüft wird die Fertigkeit der Mediziner durch Experten – entweder direkt während einer Operation oder durch die Auswertung von Videomaterial. Dieses Verfahren ist angeblich einerseits sehr aufwendig und andererseits steht nur eine begrenzte Anzahl von Experten zur Verfügung. Auch kann die Beurteilung variieren und ist nicht immer vollständig reproduzierbar. Seit einiger Zeit versucht man deshalb, die Beurteilung von Chirurginnen und Chirurgen zu automatisieren und zu objektivieren.

Wie die Berner Insel Gruppe mitteilt, ist es einem Forschungsteam des Inselspitals, des Universitätsspitals Bern, der Universität Bern und der Medtech-Firma Caresyntax nun gelungen den Nachweis zu erbringen, dass künstliche Intelligenz die Fertigkeiten von Chirurginnen und Chirurgen zuverlässig beurteilen kann. Sie haben hierzu eine Methode vorgestellt, die mit hoher Trefferquote gute und mässige Leistungen korrekt zuordnen kann. «Damit ist der Weg frei für weitere Schritte in Richtung von KI-gestützten Expertensystemen», schreibt die Insel Gruppe.

Laut Communiqué identifizierte die eingesetzte KI gute respektive mässige chirurgische Fertigkeit mit einer Treffgenauigkeit von 87 Prozent. Dies sei als ein sehr gutes Resultat einzustufen. «Überraschend war die grosse Genauigkeit der Algorithmen mit der gewählten Methode. Unsere Methode der Beurteilung chirurgischer Fähigkeiten basiert auf der Analyse der Instrumentenbewegung. Die chirurgischen Instrumente wurden mittels Computeralgorithmen identifiziert und ihre Bewegung über die Zeit analysiert», erläutert der Erstautor Joël Lavanchy.

Das Forschungsteam verwendete den Angaben zufolge einen neu entwickelten, dreistufigen Ansatz. In einem ersten Schritt wurden die verwendeten Instrumente identifiziert. Dazu trainierten die Forschenden ein Convolutionales Neurales Netzwerk (CNN) zur Erkennung von Instrumenten. Im zweiten Schritt wurden die Bewegungen analysiert und deren Muster extrahiert. Und in einem dritten Schritt wurden die extrahierten Bewegungsmuster unter Verwendung einer linearen Regression mit der Beurteilung durch Experten korreliert. Der Studie lagen dabei 242 Videos von laparoskopischen Eingriffen zur Entfernung der Gallenblase zugrunde.

Die Studie wird seitens der Insel Gruppe als «erster wichtiger Schritt zu einer breiteren Beurteilung der chirurgischen Leistung» bezeichnet. Und gemäss Enes Hosgor, Co-Autor der Studie und Leiter der KI-Abteilung bei Caresyntax, geht die Studie weiter als vorherige Untersuchungen in diesem Bereich – bisher kam KI seinen Angaben zufolge vor allem bei der Identifikation von Instrumenten oder gewissen Operationsabschnitten zum Einsatz. So sieht er in der Technologie gleich mehrere Vorteile: «Sie ist jederzeit und auch während der Operation verfügbar (nicht von wenigen schwer verfügbaren Experten abhängig). Sie ist nur von Algorithmen angetrieben und deshalb objektiv. Sie ist überregional, personen- und zeitunabhängig vergleichbar und könnte so Zertifizierungsstellen eine wichtige Entscheidungshilfe bieten», wird der Co-Autor der Studie in der Mitteilung zitiert.

Abschliessend heisst es, dass das Projekt «einen wichtigen Hinweis auf die künftige Entwicklung der KI in der Medizin» gibt. Von der früheren Auswertung von Bildmaterial werde sie sich künftig hin zur Bereitstellung von Expertensystemen bewegen. Allerdings gibt man relativierend zu bedenken, dass noch vertiefende Schritte nötig seien, bis die Technologie in der klinischen Praxis eingesetzt werden könne. Einerseits müssten die Algorithmen auf einer breiteren Datenbasis trainiert werden und andererseits müssten  zusätzliche Operationen untersucht werden. So geht auch die Arbeit des Forschungsteams weiter: «Nachdem wir die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt haben, können wir nun die Planung von Assistenzsystemen in Angriff nehmen. Diese werden Chirurginnen und Chirurgen während der Operation unterstützen. Sie werden sie zum Beispiel darauf hinweisen, wenn sie eine Ermüdung feststellen und so zur Vermeidung von Komplikationen beitragen», sagt der Studienleiter Guido Beldi.

Gemäss der Insel Gruppe wird die weitere Entwicklung auch von der Förderung von KI am Medizinalstandort Bern profitieren können. Denn am 19. März wird dort das «Center for Artificial Intelligence in Medicine» (CAIM) eröffnet. Dabei handelt es sich um eine Plattform für Forschung, Lehre und Translation – also der Überführung von Forschungsergebnissen in klinische Abläufe, Dienstleistungen und Produkte, im Bereich KI in der Medizin. Das CAIM ist als virtuelles Forschungszentrum organisiert und der Medizinischen Fakultät der Universität Bern angegliedert.