FH Dortmund: Neuronale Netzwerke für die angewandte Medizin

Das medizinische Problem, das FH-Forscher Raphael Brüngel mit seiner Promotion lösen will, ist ein sehr spezielles. Seine Lösung wird dennoch für viele weitere Bereiche einen bedeutenden Fortschritt darstellen.

Raphael Brüngels Forschung setzt bei der Wundversorgung an. Wunden können sehr komplexe Gebilde werden, insbesondere, wenn sie chronisch geworden sind. Sie bestehen aus bis zu drei Hauptgewebetypen (Granulation, Fibrinbelag und Nekrosen), deren Kombinationsvielfalt vermutlich die der Farben in Renaissancegemälden übertrifft. Jede Wunde ist einzigartig. Ihre sichere Einordnung ist komplex.

Genauso einzigartig ist ihr Heilungsverlauf. Hierbei spielen zahlreiche individuelle und medizinisch relevante Faktoren eine Rolle – Lebensalter, allgemeine Verfassung, Vorerkrankungen wie Diabetes und viele mehr. Eine Wunde, deren Heilung länger als drei Monate dauert, gilt als chronisch. Ihre Behandlung ist besonders anspruchsvoll, es drohen zum Beispiel Infektionen, die mit Gewebeverlust einhergehen können. Gegebenenfalls vorhandene Durchblutungsstörungen können die Selbstheilungsfähigkeiten weiter einschränken. Rückschläge gehören selbst bei guter Versorgung zum Alltag.

In der Praxis haben Pflegende nicht genug Zeit, um jede Wunde regelmäßig bis ins Detail zu untersuchen und den Heilungsprozess zu dokumentieren. Deswegen wird an KI-gestützten Lösungen gearbeitet, die Frühstadienerkennung, Zustands- und Gewebeklassifikation, Verlaufsanalyse und Dokumentation erleichtern.

Der wunde Punkt der Datensätze

Doch Lösungsansätze fahren bisher mit angezogener Handbremse. Ihre erlernte Expertise speist sich aus möglichst vielen und vielfältigen Fotos von Wunden mit passenden Informationen. Für die Forschung verfügbare Datensätze sind rar und von wechselhafter Güte.

Und inhaltlich unausgewogen: Bestimmte Ausprägungen wie zum Beispiel Wunden mit abgestorbenem („nekrotischem“) Gewebe sind viel zu selten vertreten, als dass die KI ihre volle Leistungsfähigkeit erreichen kann. Zudem mangelt es an dunkleren Hauttypen in medizinischen Datensätzen.

Neuronales Netzwerken

Hier setzt Brüngel an. Er will diese schlecht bestückten Bereiche der Datensätze auffüllen, und zwar mithilfe spezieller neuronaler Netze: Diese hochentwickelten Technologien heißen „Generative Adversarial Networks“ (GANs) und sind in der Lage, sich realistisch wirkende Darstellungen „auszudenken“ sowie echte Bilder in andere Darstellungen zu „übersetzen“ – und zwar für den Anwendungsfall von Wundbildern genau jene, die in den Datensätzen Mangelware sind. Solche künstlich erzeugten Bilder werden im Fachjargon als „synthetisch“ bezeichnet. Um sie zu erschaffen, müssen entsprechende GAN-Modelle gelernt und verstanden haben, was das Wesen dieser unterrepräsentierten Wunden ist. So magisch dies klingt, so bodenständig ist es letztendlich: Alles geht auf kluge Statistiken zurück.

Das ist es, was Brüngel tut: Er entwickelt einerseits Methoden und Strategien, die GANs dazu befähigen, Wund-Darstellungen zu erschaffen, die den höchsten Ansprüchen genügen. Andererseits erforscht er die Potenziale und Grenzen dieser Technologie im Kontext der Optimierung von Anwendungen.

Eine Studie von Wissenschaftler:innen des Instituts für Rechtsmedizin am
Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) liefert erstmals Daten zum
Gesundheitszustand und der medizinischen Versorgung von wohnungslosen
Menschen in Deutschland. Demnach leiden wohnungslose Menschen häufiger als
die Allgemeinbevölkerung an somatischen und psychischen Erkrankungen. Im
Vordergrund stehen Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems und des
Stoffwechsels. Hinsichtlich der vorliegenden psychischen Erkrankungen
scheinen insbesondere Suchterkrankungen eine wichtige Rolle zu spielen.
Die Migrationshistorie der Studienteilnehmenden wurde zudem als wichtiger
Faktor für Gesundheit und Versorgung identifiziert.

Der Gesundheitszustand wohnungsloser Menschen in Deutschland und
international ist in der Forschung bislang nur lückenhaft beschrieben
worden. In einer nationalen multizentrischen Querschnittsstudie haben die
UKE-Wissenschaftler:innen 651 wohnungslose Menschen in den
Metropolregionen Hamburg, Frankfurt, Leipzig und München untersucht.
Fragebögen, laborchemische und klinische Untersuchungen bestätigen das
zumeist häufigere Vorliegen von psychischen und körperlichen Erkrankungen
bei wohnungslosen Menschen im Vergleich zur Allgemeinbevölkerung.
Besonders häufig zeigten sich Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems und
des Stoffwechsels.

„Darüber hinaus berichteten rund 23 Prozent der Studienteilnehmenden von
einer ärztlich diagnostizierten psychischen Erkrankung. Bei rund 70
Prozent der wohnungslosen Menschen gab es zudem Hinweise auf das Vorliegen
einer möglichen unbekannten psychischen Erkrankung“, erläutert
Studienleiter Fabian Heinrich vom Institut für Rechtsmedizin des UKE.

Die Studienteilnehmenden wurden außerdem nach ihrer Migrationshistorie
befragt: Allgemein sind wohnungslose Menschen nicht deutscher Herkunft
häufiger ohne Obdach und ohne Krankenversicherung, Menschen aus dem EU-
Ausland weisen zudem häufiger körperliche Erkrankungen auf. Psychische
Erkrankungen treten wiederum eher unter wohnungslosen Menschen auf, die in
Deutschland geboren wurden.

„Unsere Studie unterstreicht die Vulnerabilität wohnungsloser Menschen in
Deutschland und legt einen ungedeckten Bedarf an psychiatrischen und
psychotherapeutischen Behandlungsangeboten nahe. Programme zur
Verbesserung der Gesundheitsversorgung wohnungsloser Menschen sollten
insbesondere wohnungslose Migrant:innen berücksichtigen“, sagt
Studienleiterin Franziska Bertram.

Prof. Dr. Stephan Schubert, Klinikdirektor der Klinik für
Kinderkardiologie und angeborene Herzfehler, und sein Team am Herz- und
Diabeteszentrum NRW (HDZ NRW), Bad Oeynhausen, haben die weltweit einzige
Herzklappe bei besonderer Anatomie der rechten Herzkammer jetzt erstmals
einer 21-jährigen Patientin erfolgreich implantiert. Deutschlandweit
wurden erst drei kathetergeführte Klappenimplantationen dieser Art
durchgeführt.

„Mit einer neuen Transkatheter-Pulmonalklappe können wir jetzt auch einer
besonderen Patientengruppe helfen, für die herkömmliche Klappenmodelle
bisher nicht groß genug waren“, sagt Professor Dr. Stephan Schubert,
Klinikdirektor am Zentrum für angeborene Herzfehler und Kinderherzzentrum,
der die erfolgreiche Premiere einer solchen Implantation jetzt am Herz-
und Diabeteszentrum NRW (HDZ NRW), Bad Oeynhausen, durchführte.
Die Implantation einer Herzklappe mittels Kathetertechnik zählt zu den
bekannten und - im Vergleich zu einer großen herzchirurgischen Operation –
schonenden Verfahren der Interventionellen Kardiologie. Bei Patienten mit
einer angeborenen Fehlbildung des Herzens ist häufig die Herzklappe an der
Lungenschlagader (Pulmonalklappe) auf der rechten Seite des Herzens
beeinträchtigt und muss im Laufe des Lebens mehrfach durch einen Eingriff
ersetzt werden.

Schubert und sein Team haben die neue Herzklappe (Hersteller Venus
Medtech) einer 21-jährigen Patientin im Herzkatheterlabor eingesetzt.
Aufgrund ihrer Größe und Struktur ist die neue Pulmonalklappe erstmals
auch bei komplexen anatomischen Besonderheiten - vor allem bei großem
Durchmesser der rechten Herzkammer  - geeignet. Das haben
wissenschaftlichen Studien belegt, die der diesjährigen Zulassung als
Medizinprodukt für den europäischen Markt vorangegangen sind. Bei
vorherigen Implantationen, die bisher in Berlin durchgeführt wurden, war
Professor Schubert als ausgewiesener Spezialist für interventionelle
Katheterverfahren ebenfalls beteiligt. Diese erst dritte Implantation in
Deutschland wurde begleitet von einem internationalen Expertenteam der
Firma Venus Medtech, um eine optimale Vorbereitung der Klappe zu
gewährleisten.
Professor Schuberts Patientin ist wohlauf und konnte bereits vier Tage
nach dem Eingriff aus dem HDZ NRW nach Hause entlassen werden.

„Die Pulmonalklappe funktioniert wie ein Rückschlagventil zwischen dem
rechten Herzen und der Lunge,“ erläutert Professor Schubert. „Sie musste
bei unserer Patientin in Bad Oeynhausen ersetzt werden, um die aufgrund
einer komplexen angeborenen Herzfehlbildung gestörte Klappenfunktion
wiederherzustellen.“  Herkömmliche Klappenmodelle können in diesen Fällen
aufgrund der anatomischen Zugangsmöglichkeiten und Größenverhältnisse oft
nicht eingesetzt werden bzw. nicht für die notwendige Dichtigkeit sorgen.
„Wir sind daher sehr froh und dankbar für diese Innovation, um dieser
Patientengruppe zukünftig eine schonende kathetergestützte
Therapiemöglichkeit anbieten zu können.“

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Hintergrundinformation:

Bei der neuen künstlichen Pulmonalklappe (Venus Medtech) handelt es sich
um die weltweit erste selbst expandierende interventionelle
Pulmonalklappe. Sie ist als derzeit einzige interventionelle
Pulmonalklappe zur Behandlung von Patienten mit komplexen angeborenen
Herzfehlbildungen geeignet, deren Pulmonalarterien mit einem großen
rechtsventrikulären Ausflusstrakt besondere anatomischen Strukturen
aufweisen. Bei der Implantation positioniert der Katheterspezialist einen
metallischen Stent mit der eingenähten Klappe, um sie dann an der Stelle
der erkrankten Pulmonalklappe zu entfalten.



Als Spezialklinik zur Behandlung von Herz-, Kreislauf- und
Diabeteserkrankungen zählt das Herz- und Diabeteszentrum Nordrhein-
Westfalen (HDZ NRW), Bad Oeynhausen mit 35.000 Patientinnen und Patienten
pro Jahr, davon 14.600 in stationärer Behandlung, zu den größten und
modernsten Zentren seiner Art in Europa.

Das Kinderherzzentrum und Zentrum für angeborene Herzfehler des HDZ NRW
wird von Prof. Dr. Stephan Schubert, Direktor der Klinik für
Kinderkardiologie und angeborene Herzfehler, und Prof. Univ. Dr. Eugen
Sandica, Direktor der Klinik für Kinderherzchirurgie und angeborene
Herzfehler, gemeinsam geleitet. Es zählt zu den international führenden
Kliniken zur Behandlung von Kindern und Jugendlichen mit angeborenem
Herzfehler und ist zertifiziertes Zentrum für die Behandlung von
Erwachsenen mit angeborenen Herzfehlern (EMAH). Zur ausgewiesenen
Expertise des Zentrums zählt die Therapie des gesamten Spektrums von
angeborenen Herzfehlbildungen im Neugeborenen-, Kindes-, Jugend- und
Erwachsenenalter. Jährlich werden hier über 1.000 Patienten mit
herausragenden Ergebnissen auch im internationalen Vergleich stationär
sowie 4.500 bis 5.000 Patienten ambulant betreut.

Die Deutsche Gesellschaft für Urologie e. V. (DGU) begrüßt die jüngsten
wichtigen Empfehlungen des Europäischen Rates zur Krebsfrüherkennung
verschiedener Tumoren.

Darin wird zur Früherkennung des Prostatakarzinoms konkret Stellung
bezogen: „Die an die Mitgliedsstaaten gerichteten Vorschläge sehen eine
größere Bandbreite an Screeningverfahren und Programmgestaltungen vor.
Zudem wird angeregt, bestehende Programme auf weitere Zielgruppen und
andere Krebsarten auszuweiten. Unter Berücksichtigung der vorläufigen
Evidenz und des beträchtlichen Maßes an opportunistischem Screening
sollten die Länder einen stufenweisen Ansatz in Erwägung ziehen, der
Pilotprojekte und weitere Forschungsarbeiten umfasst, um die
Durchführbarkeit und Wirksamkeit systematischer Programme mit dem Ziel der
Gewährleistung einer angemessenen Steuerung und Qualität auf der Grundlage
von Untersuchungen auf das prostataspezifische Antigen (PSA) bei Männern
in Kombination mit ergänzender Magnetresonanztomografie (MRT) als
Folgeuntersuchung zu evaluieren.“

Die Deutsche Gesellschaft für Urologie e.V. unterstützt die Empfehlung der
EU und sieht diese als Bestätigung der eigenen jahrelangen Bemühungen, das
wichtige Thema der Früherkennung des Prostatakarzinoms auf nationaler
Ebene voranzubringen. „Wir fordern basierend auf neuesten evidenzbasierten
Studiendaten bereits seit Längerem, endlich ein zeitgemäßes Verfahren auf
den Weg zu bringen, welches nicht ausschließlich auf der Tastuntersuchung
der Prostata beruht“, sagt DGU-Generalsekretär Prof. Dr. med. Maurice
Stephan Michel. Der PSA-Test gekoppelt mit einem modernen mpMRT als
weiterführende Untersuchung bei Karzinomverdacht sei hier auch nach
Ansicht der DGU ein äußerst vielversprechender Ansatz, der die häufig
kritisierten Übertherapien vermeiden kann.

Zur Unterstützung ihrer Argumente weist die DGU auf Ergebnisse der
PROBASE-Studie hin. Dort wurde bei mehr als 23.000 Männern im Alter von 45
Jahren ein Baseline-PSA-Wert bestimmt. Bei einem PSA > 3ng/ml und einer
bioptischen Abklärung mit Zuhilfenahme des mpMRT wurden schließlich 48
Prostatakarzinome entdeckt. Das entspricht einer Detektionsrate von 0,2 %.
Der Kontrollarm verzichtete auf die initiale PSA-Bestimmung, sodass die
Indikation zur Prostatastanzbiopsie alleinig auf Basis der digital
rektalen Untersuchung gestellt wurde. Diese erfolgte bei 6.537 Männern.
Bei einem auffälligen Tastbefund wurde biopsiert, bei 2 Männern wurde
schließlich ein Karzinom detektiert (2/6537 = 0,03 %).

„Der Unterschied in der Detektionsrate mit und ohne Basis-PSA-Wert ist
offensichtlich und unterstützt unsere Fortschrittsforderung in der
Früherkennung des Prostatakarzinoms mittels PSA-Wert und
multiparametrischem MRT der Prostata (mpMRT) als adäquate
Folgeuntersuchung“, erklärt der Leiter der PROBASE-Studie Prof. Dr. med.
Peter Albers diese aktuelle Datenlage.

Aus den USA gibt es ebenfalls unterstützende Studiendaten für die
Anwendung des PSA-Wertes in der Früherkennung: Wurden mehr ehemalige US-
Soldaten PSA-basiert untersucht und behandelt, so war die Anzahl
metastasierter Erkrankungen nach 5 Jahren signifikant geringer als bei
Patienten, die weniger oder gar keine PSA-basierten Untersuchungen
erhalten hatten. „Das ist ein weiteres Indiz dafür, dass die PSA-
Untersuchung sinnvoll ist, denn sie reduziert die Anzahl metastasierter
Erkrankungsstadien“, ergänzt DGU-Präsident Prof. Dr. med. Martin
Kriegmair.

Daher ergeht in Richtung des G-BA sowie des Bundesgesundheitsministeriums,
vertreten durch den Bundesgesundheitsminister Prof. Dr. med. Karl
Lauterbach, der eindringliche Appell der Deutschen Gesellschaft für
Urologie e. V., nun endlich den Baseline-PSA und bei entsprechender
Befundkonstellation das mpMRT der Prostata als Früherkennungsleistung in
Deutschland zu verankern. Andernfalls drohe Deutschland mit Blick auf die
Früherkennung des Prostatakarzinoms zum Entwicklungsland in der EU zu
werden, betont Prof. Dr. med. Maurice Stephan Michel.

„Hinsichtlich der Mortalität steht das Prostatakarzinom in Deutschland
noch immer an zweiter Stelle der Krebserkrankungen des Mannes: Im Jahr
2019 wurden hierzulande 68.579 Neuerkrankungen dokumentiert; im gleichen
Jahr verstarben 15.040 Männer an diesem Tumor“, gibt der Pressesprecher
der DGU, Prof. Dr. med. Axel Merseburger, zu bedenken.

Weitere Informationen und Vermittlung von Experten-Interviews über die
Pressestelle der DGU.