Gesundheit

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. Fraunhofer-Forscher setzen
auf KI, um den Katheter autonom, computergesteuert, zuverlässig und
schnell zum Ort des Eingriffs zu navigieren. Erste Tests im
Simulationsmodell und am Prüfstand sind vielversprechend. Vom 18. bis 21.
November präsentiert die Forschergruppe die Funktionsweise ihrer neuen
Methode auf der MEDICA 2019 an einem Gefäßphantom.

Etwa 270 000 Menschen erleiden hierzulande jedes Jahr einen Schlaganfall –
eine plötzliche Durchblutungsstörung im Gehirn. Diese muss schnellstens
ärztlich behandelt werden. Andernfalls sterben so viele Gehirnzellen ab,
dass der Patient bleibende Schäden wie Lähmungen oder Sprachstörungen
davonträgt oder sogar stirbt. Ärzte therapieren den Hirnschlag immer
häufiger durch eine Thrombektomie, einen Eingriff, bei dem über einen
Gefäßzugang in der Leiste ein dünner Katheter über die Hauptschlagader bis
in das verschlossene Hirngefäß vorgeschoben wird. Im Bereich des
Gefäßverschlusses öffnet sich ein sogenannter Stent-Retriever – ein
winziges korbähnliches Geflecht – und verhakt sich mit dem Gerinnsel. Beim
Zurückziehen des Katheters bleibt der Pfropfen an der Geflechtstruktur
hängen und wird so entfernt. Dieses Verfahren dauert 45 Minuten bis zu 3,5
Stunden, je nach Expertise des Operateurs. Die Thrombektomie setzt eine
lange Ausbildung und viel Übung voraus. Allein zehn bis 90 Minuten
benötigt der Mediziner – je nach Patient –, um den Katheter zum
Blutgerinnsel zu navigieren. Diese Problematik adressieren Forscherinnen
und 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 durch Deep Reinforcement Learning

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. Die Forscher haben dazu einen zusätzlichen
Bewertungsalgorithmus entwickelt, der bewertet, ob die jeweilige Aktion
richtig oder falsch ist. Wird der Führungsdraht korrekterweise nach rechts
gedreht und an der Verzweigung in das dortige Gefäß geschoben, so erhält
der Algorithmus einen Pluspunkt beziehungsweise einen Zahlenwert von
beispielsweise »+1«. Bei einer falschen Aktion lautet der Zahlenwert
entsprechend »-1«. Auf Basis dieser Rückmeldungen lernt der Algorithmus
eigenständig, und das neuronale Netz wird laufend entsprechend angepasst
und optimiert. »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. Außerdem trainieren sie neuronale Netze
zur Extraktion des Katheters aus fluoroskopischen Bilddaten. Im nächsten
Schritt werden die im Simulationsmodell generierten Ergebnisse auf
Phantome übertragen, einer Nachbildung eines Gefäßbaums aus Kunststoff.

Steuerungsalgorithmus vereint Erfahrungswissen von vielen Ärzten

Der Steuerungsalgorithmus wird das Erfahrungswissen von vielen Ärzten
umfassen und infolgedessen ein schnelleres Navigieren durch den Körper
erlauben. Vor allem aber wird die große Streuung der sehr
unterschiedlichen Dauer der Eingriffe, bedingt durch die variierenden
Anatomien der Patienten, vermieden. Ein weiterer Vorteil: Insbesondere
kleine Kliniken, die nicht über entsprechend ausgebildete Spezialisten
verfügen, sollen künftig von dem Verfahren profitieren. 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.

Komplexes Zusammenspiel zwischen Katheter und Draht

Derzeit navigieren die Forscher in ihren Simulationstests einen
Führungsdraht, im nächsten Schritt starten die Untersuchungen mit einem
Katheter, der den Draht ummantelt. »Bei einer realen Operation ist der
Katheter über den Draht geschoben. Der Katheter wird nachgeschoben, wenn
der Führungsdraht in das richtige Gefäß navigiert wurde«, sagt Horsch.
Ziel des Teams ist der Einsatz von zwei oder drei ineinanderliegenden
Kathetern, die immer kleiner werden, um in die filigranen Blutgefäße im
Kopf zu passen, die wesentlich enger sind als die Gefäße etwa in der
Leistenregion.

Bis zum Projektende im September 2020 werden die Forscherinnen und
Forscher in präklinischen Untersuchungen den Steuerungsalgorithmus am
Silikonphantom perfektionieren, das den gesamten Gefäßbaum von der Leiste
bis zum Kopf nachbildet. In Anschlussprojekten soll das System
insbesondere hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Sicherheit
weiterentwickelt werden. Daran anschließend sind für klinische Studien zum
Nachweis der Sicherheit und Wirksamkeit etwa vier bis fünf Jahre
anberaumt. »Es wird sicher noch zehn bis 15 Jahre dauern, bis das System
kommerziell in Kliniken eingesetzt werden kann, zuvor sind umfangreiche
Forschungsarbeiten sowie klinische Studien erforderlich. Von
Gesetzgeberseite ist darüber hinaus die rechtliche regulatorische
Zulassung von neuronalen Netzen in der Medizin zu klären«, resümiert der
Wissenschaftler. Den Stand ihrer Forschung demonstrieren der Ingenieur und
seine Kollegen vom 18. bis 21. November auf der MEDICA in Düsseldorf
(Halle 10, Stand G05).

Eine Fachtagung am 13. Dezember 2019 zum Forschungsprojekt ZipA bringt
Akteure aus Kommunen, von Kassen und Selbsthilfegruppen sowie pflegende
Angehörige zukunftsweisend zusammen -  Anmeldung jetzt möglich

Am 13. Dezember 2019 findet von 09:30 bis 14:30 Uhr die Fachtagung zum
Forschungsprojekt „Zielgruppenorientierte Unterstützungsangebote für
pflegende Angehörige“ (ZipA) in der Universität Witten/ Herdecke statt.
Pflegeberaterinnen und –berater der Städte, Kreise und Kommunen, der
gesetzlichen und privaten Kassen wie auch der Selbsthilfe und natürlich
interessierte pflegende Angehörige können sich ab sofort zur Tagung
anmelden.

Das Forschungsprojekt ZipA betrachtet die Gesamtgruppe pflegender
Angehöriger und untersucht die Zusammenhänge zwischen Pflegesituation,
Bedürfnissen und Belastungen, um Profile zu identifizieren, die in der
Entwicklung und Kommunikation von Unterstützungsangeboten besonders
berücksichtigt werden können. Das Projekt wird vom Ministerium für Arbeit,
Gesundheit und Soziales des Landes Nordrhein-Westfalen und den
Pflegekassen gefördert, es stellt die Grundlagenforschung für viele der
aktuell an den Start gehenden Unterstützungsmaßnahmen des Landes für
pflegende Angehörige dar.

Im Fokus der Studie stehen die Bedürfnisse pflegender Angehöriger, also
die Wünsche, die nicht allein der Bewältigung der Pflegesituation dienen.
Dazu gehören die Vereinbarkeit von Pflege und Beruf, der Erhalt der
eigenen Gesundheit, aber auch soziale Kontakte abseits der
Betreuungssituation. Untersucht wird auch, ob bestehende
Unterstützungsangebote bekannt sind und genutzt werden. Zu diesen
Kernfragen wurde anhand eines standardisierten Online- und
Papierfragebogens in der Zeit zwischen November 2018 und März 2019 eine
Erhebung bei pflegenden Angehörigen durchgeführt. Befragt wurden
volljährige Personen, die einen Familienangehörigen, Freund oder Nachbarn
regelmäßig pflegen oder betreuen, und zwar unabhängig davon, ob die
pflegebedürftige Person einen Pflegegrad hat. Insgesamt beteiligten sich
1.429 pflegende Angehörige an der Studie, es handelt sich damit um eine
der größten Untersuchungen in Deutschland zu diesem Thema.

Die Fachtagung am 13. Dezember 2019 stellt zentrale Ergebnisse des
Forschungsprojekts ZipA vor und dient insbesondere dem Austausch und der
Vernetzung zwischen pflegenden Angehörigen, Vertretern der Kommunen und
Beratenden.
Durch die Abwechslung von Fachvorträgen und Diskussionen mit der
Möglichkeit zum Netzwerken wird eine Atmosphäre geschaffen, in der sich
alle Teilnehmenden wohl fühlen und persönlich einbringen können. Die
Tagung bietet eine Gelegenheit zum Austausch über aktuelle Entwicklungen,
eigene Erfahrungen sowie Einschätzungen zu aktuellen
Unterstützungsmöglichkeiten für pflegende Angehörige.

„Wir sind gespannt, unsere Ergebnisse mit Beratenden und Betroffenen
diskutieren zu dürfen“, äußert sich Prof. Dr. Sabine Bohnet-Joschko, die
Projektleiterin und Inhaberin des Lehrstuhls für Management und Innovation
im Gesundheitswesen der Universität Witten/Herdecke. Im Projekt ZipA
kooperiert sie mit Prof. Dr. Tanja Segmüller von der Hochschule für
Gesundheit, Bochum, auch hat sie Prof. Christel Bienstein, die Vorsitzende
des Beirats für die Vereinbarkeit von Pflege und Beruf beim
Bundesministerium für Familie, Senioren, Frauen und Jugend, für einen
Impulsvortrag im Rahmen der Tagung gewonnen.

Anmeldung: Zur Fachtagung am 13. Dezember 2019 können sich Interessierte
online unter http://bit.ly/Anmeldung_Fachtagung_ZipA oder telefonisch
unter 0170 6764648 anmelden. Die Teilnahme ist kostenfrei.

Informationen: Tagungsablauf sowie weitere Informationen zum Projekt ZipA
unter https://www.angehoerigenpflege.info.

Teilnehmende erhalten vor Ort einen Tagungsband mit Zusammenfassungen der
Projektergebnisse und Ansätzen zur Entwicklung zielgruppenspezifischer
Angebote.

Ansprechpartnerin für Rückfragen:
Nina Sofie Krah
TEL: 0170 6764648
MAIL: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.

Über uns:
Die Universität Witten/Herdecke (UW/H) nimmt seit ihrer Gründung 1982 eine
Vorreiterrolle in der deutschen Bildungslandschaft ein: Als
Modelluniversität mit rund 2.600 Studierenden und innovativer Forschung in
den Bereichen Gesundheit, Wirtschaft und Kultur steht die UW/H für eine
Reform der klassischen Alma Mater. Erkenntnissuche und Wissensvermittlung
gehen an der UW/H immer Hand in Hand mit Werteorientierung und
Persönlichkeitsentwicklung.

Witten wirkt. In Forschung, Lehre und Gesellschaft.
www.uni-wh.de / #UniWH / @UniWH

In der Intensivmedizin ist die künstliche Beatmung häufig das letzte
Mittel, um das Leben eines Patienten zu retten. Leider kann sie mit akuten
oder chronischen Lungenschädigungen einhergehen – insbesondere wenn das
Beatmungsgerät gegen den Atemimpuls des Patienten arbeitet. Forscherinnen
und Forscher der Mannheimer Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung
in der Medizin und Biotechnologie entwickeln einen neuartigen Sensor, mit
dessen Hilfe gerade bei Frühgeborenen und Kindern die Beatmung sanfter
gestaltet werden soll. Ein Prototyp des Sensors ist vom 18. bis 21.
November 2019 auf der MEDICA in Düsseldorf zu sehen (Halle 10, Stand G05).

In der intensivmedizinischen Pflege von Frühchen ist eine künstliche
Beatmung aufgrund der unterentwickelten Lunge häufiger notwendig. Dabei
können verschiedene Komplikationen auftreten: Ein Volutrauma entsteht,
wenn das Beatmungsgerät zu viel Luft in die kleine Lunge presst. Zu einem
sogenannten Barotrauma kommt es, wenn der Apparat Luft mit zu hohem Druck
einleitet, besonders wenn das Frühchen eigentlich gerade ausatmen möchte.
Um beides zu vermeiden, gehen die Ärzte bei den Kleinsten besonders
vorsichtig vor. Beispielsweise wird der Tubus nicht wie beim Erwachsenen
luftdicht mit der Luftröhre abgedichtet. So kann immer ein wenig Luft
entweichen und das Risiko eines Traumas wird verringert. Die optimale
Beatmung der kleinen Patienten wird dadurch jedoch erschwert.

Jan Ringkamp und Dr. Jens Langejürgen von der Fraunhofer-Projektgruppe für
Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB des Fraunhofer-
Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA arbeiten deshalb
an einem sanfteren Verfahren. Thorax-Monitoring heißt der kleine Apparat,
den die Forscher entwickelt haben. »Im Prinzip ist das ein Messgerät, das
erkennt, ob ein künstlich beatmeter Patient gerade ein- oder ausatmen
möchte«, erklärt Ringkamp. »Damit wäre ein Beatmungsgerät in der Lage,
sich ohne Verzögerung an die Wünsche des Patienten anzupassen. Keine Volu-
oder Barotraumata mehr und eine optimale Beatmung – so die Vision.«,
ergänzt Langejürgen.

Thorax-Monitoring erkennt den Wunsch des Patienten

Das Thorax-Monitoring verwendet zwei Antennen, die sich auf oder neben dem
Brustkorb des Patienten anbringen lassen. Die eine sendet eine
elektromagnetische Welle aus, die andere empfängt sie. Dabei machen es
sich die Wissenschaftler zunutze, dass Muskeln, Fett und Gewebe andere
elektrische Eigenschaften besitzen als die Atemluft in der Lunge. Klingt
kompliziert, ist aber ganz einfach: Beim Einatmen füllen sich die
Lungenflügel mit Luft und dehnen sich aus. In der Luft kommt die
elektromagnetische Welle schneller voran als im Gewebe. Beim Ausatmen ist
es umgekehrt: Die Lungenflügel fallen in sich zusammen, die
elektromagnetische Welle muss sich vor allem durch Gewebe kämpfen und
kommt langsamer vorwärts.

Es gibt also einen deutlich messbaren Unterschied zwischen Ein- und
Ausatmen, den das Thorax-Monitoring registriert. Das funktioniert auch bei
Frühchen und anderen Patienten, die nicht selbst atmen können, dies aber
versuchen. »Selbst wenn sich die Lunge nur minimal ausdehnt oder
zusammenzieht, wirkt sich das auf den Signalverlauf aus. Wir können im
Labor nachstellen, dass wir Änderungen deutlich unter einem Milliliter
identifizieren können«, erklärt Ringkamp. »Thorax-Monitoring erkennt also
sozusagen den Wunsch des Patienten und kann das Beatmungsgerät anweisen,
ihn dabei zu unterstützen. Ein Vorteil unseres Ansatzes besteht darin,
dass wir den Patienten hierfür nicht berühren müssen. Dies ist gerade bei
der empfindlichen Haut von Frühchen wichtig«, so Langejürgen.

Einen frühen Prototyp haben die Wissenschaftler bereits gebaut und
getestet. Im November stellen sie ihn auf der MEDICA dem Fachpublikum in
Halle 10 am Stand G05 vor. Zu sehen ist auf dem Messestand eine kleine
Puppe, die an einen Beatmungsbeutel angeschlossen ist und von Besuchern
beatmet werden kann. Der Körper der Puppe ist mit Wasser gefüllt, ihre
künstliche Lunge verdrängt das Wasser im Körper, auf ihrem Brustkorb sind
die beiden Antennen angebracht. Ein Bildschirm zeigt das verarbeitete
Signal des Thorax-Monitoring.