ArchivDÄ-TitelSupplement: PRAXiSPraxis Computer 4/2001Lexmed: Diagnosesystem für Blinddarmentzündung

Supplement: Praxis Computer

Lexmed: Diagnosesystem für Blinddarmentzündung

Dtsch Arztebl 2001; 98(36): [10]

Schramm, Manfred; Rampf, Walter

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LNSLNS Seit zwei Jahren ist Lexmed, ein Computerprogramm zur Diagnose akuter Appendizitis, im klinischen Einsatz. In einer prospektiven Studie mit 200 Patienten wurde eine, mit etwa zwölf Prozent sehr geringe, Fehldiagnoserate erreicht. Lexmed steht unter www.lexmed.de jedem Arzt kostenfrei zur Verfügung.
Die häufigste ernsthafte Ursache für akute Bauchschmerzen (4) bildet die Appendizitis. Auch heute noch ist die Diagnose in vielen Fällen schwierig (1). Zum Beispiel sind bis zu circa 20 Prozent der entfernten Appendizes unauffällig, das heißt, die entsprechenden Operationen waren unnötig. Ebenso gibt es regelmäßig Fälle, in denen ein entzündeter Appendix nicht als solcher erkannt wird.
Schon seit Anfang der siebziger Jahre gibt es Bestrebungen, die Appendizitisdiagnose zu automatisieren, um die Fehldiagnoserate zu verringern (5, 2, 1). Alle bekannten, bisher publizierten Ansätze basieren auf Scores, die sich zwar einfach handhaben lassen, jedoch für die Modellierung komplexer Zusammenhänge, wie sie in der Medizin häufig auftreten, wenig geeignet sind.
Mit dem Programm Lexmed sind diese Zusammenhänge gut modellierbar und schnell berechenbar. Das Projekt wurde im Rahmen „Innovative Projekte“ vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst in Baden-Württemberg von 1997 bis 1999 unterstützt. Wesentlich für das System ist die Verwendung von Wahrscheinlichkeitsaussagen, mit denen sich auf intuitive und mathematisch fundierte Weise unsichere und unvollständige Informationen ausdrücken und durch das Software-System PIT (www.pit-systems.de) verarbeiten lassen.
Lexmed liegt eine Datenbank appendektomierter Patienten zugrunde. Mit statistischen Methoden wurden daraus rund 400 Regeln generiert, die das in der Datenbank enthaltene Wissen abstrahieren und verfügbar machen. Ergänzt werden diese Regeln durch weitere etwa 100 Regeln von Ärzten und aus der Fachliteratur.
Anwendung
Die Benutzung des Programms ist einfach und selbsterklärend. Der Arzt wählt per Internet die Lexmed-Homepage unter www.lexmed.de an und authentifiziert sich mit seinem Passwort. (Eine Version mit eingeschränkter Funktionalität ist auch ohne Passwort zugänglich.) Dann gibt der Arzt die Ergebnisse seiner Untersuchung ein. Fehlen bei der Eingabe in das Internet-Formular einzelne Untersuchungsergebnisse, beispielsweise der Sonographiebefund, so wählt der Arzt den Eintrag „nicht untersucht“. Nach ein bis zwei Sekunden erhält er als Antwort die Wahrscheinlichkeiten für drei verschiedene Befunde („entzündet“, „perforiert“, „NSAP“ = non specific abdominal pain; siehe Tabelle Seite 12) sowie auf Verlangen einen Behandlungsvorschlag.
Die aktuelle Version des Programms verwendet die in der Tabelle aufgelisteten 14 Symptome, wobei unter Symptome der Einfachheit halber körperliche und technische Untersuchungsergebnisse sowie die Angaben zu Alter und Geschlecht verstanden werden.
Aufbau des Programms
Das in Lexmed eingebrachte Wissen wird mithilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen formalisiert, zum Beispiel: „Die Häufigkeit für einen Leukozytenwert von mehr als 20 000 liegt bei einem Patienten mit Appendizitis bei fünf bis neun Prozent.“ Solche Aussagen werden in Lexmed automatisisiert aus einer Datenbank beziehungsweise durch Befragung von Chirurgen gewonnen.
Die verwendete Datenbank wurde im Rahmen einer Qualitätssicherungsaktion der Lan­des­ärz­te­kam­mer Baden-Württemberg an den Krankenhäusern des Landes 1995 erstellt. Sie enthält die Daten von 14 646 Patienten, denen der Appendix operativ entfernt wurde. Von den in der Datenbank verwendeten 54 Attributen wurden nach einer statistischen Analyse die in der Tabelle dargestellten 14 Symptome ausgewählt. Aus dieser Datenbank wird zunächst die Abhängigkeitsstruktur der Symptome ermittelt und sodann diese Struktur mit den entsprechenden Wahrscheinlichkeitsregeln formuliert.
Da die Appendektomie-Datenbank nur die operierten Patienten enthält, werden die Regeln für unspezifische Bauchschmerzen (non specific abdominal pain, NSAP) durch Wahrscheinlichkeitsaussagen von Ärzten beschrieben. Die Erfahrungen mit Lexmed zeigen, dass die verwendeten Wahrscheinlichkeitsaussagen einfach zu lesen und direkt in die Umgangssprache zu übersetzen sind. Aussagen von Ärzten über Häufigkeitsbeziehungen bestimmter Symptome und Befunde, sei es aus der Literatur oder als Ergebnis einer Befragung, konnten daher ohne großen Aufwand in die Regelbasis aufgenommen werden.
Die Generalisierung von rund 500 Regeln zu einem vollständigen Wahrscheinlichkeitsmodell erfolgt in dem Expertensystem mit dem theoretisch gut fundierten Verfahren der „maximalen Entropie“. Dieses hat gegenüber anderen Verfahren zum Schließen mit Wahrscheinlichkeiten den Vorteil, bei unvollständiger Regelmenge die vorhandenen Lücken so zu ergänzen, dass die Entropie der resultierenden Wahrscheinlichkeitsverteilung maximal ist. Diese Vorgehensweise ist nachweisbar optimal (9). Mit dem effizient abgespeicherten Modell lässt sich computergestützt innerhalb weniger Sekunden aus den eingegebenen Symptomwerten die Wahrscheinlichkeit einer Appendizitis abschätzen. Diese Wahrscheinlichkeiten werden mit den möglichen Folgen von Fehlentscheidungen gewichtet (8), und daraus wird ein Behandlungsvorschlag generiert.
Vergleich mit Scoresystemen
Bei der Verwendung von Scoresystemen notiert der Arzt für jeden Wert eines Symptoms eine bestimmte Anzahl an Punkten. Liegt die Summe dieser Punkte über einem festgelegten Schwellwert, wird eine bestimmte Entscheidung vorgeschlagen (zum Beispiel Operation). Da der Punktwert eines Symptoms unabhängig von den Werten anderer Symptome vergeben wird, können Scoresysteme keine „Kontexte“ berücksichtigen. Sie können prinzipiell nicht zwischen Kombinationen der Untersuchungsergebnisse unterscheiden, also zum Beispiel nicht zwischen dem Leukozytenwert eines älteren Menschen und dem eines jüngeren.
Ebenso ist ein Score implizit für eine einzige Krankheit beziehungsweise verschiedene Schweregrade einer Krankheit angelegt und nicht dafür geeignet, beliebige Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Symptomen und Krankheiten zu formulieren. Dagegen ist dies mit bedingten Wahrscheinlichkeiten sehr gut möglich (6).
Da Scorewerte mit statistischen Methoden aus Datenbanken gewonnen werden, müssen an die verwendeten Datenbanken hohe Anforderungen gestellt werden. Sie müssen insbesondere für die Menge der Patienten im jeweiligen Einsatzbereich des zu erstellenden Systems repräsentativ sein. Dies zu gewährleisten, ist oft sehr schwierig oder sogar unmöglich. Durch die Verwendung von Wahrscheinlichkeitsaussagen bietet Lexmed jedoch die Möglichkeit, auch Informationen aus nicht repräsentativen Datenbanken zu nutzen, da diese Informationen durch andere Quellen geeignet ergänzt werden können.
Leistung und Einsatzgebiete
Im Rahmen einer prospektiven Studie im städtischen Krankenhaus Weingarten von Juni 1999 bis Oktober 2000 wurde Lexmed an 200 Fällen getestet. Erfasst wurden diejenigen Patienten des Krankenhauses, die nach mehreren Stunden akuter Bauchschmerzen mit Verdacht auf Appendizitis in die Klinik kamen. Von diesen Patienten wurden die Symptome und (im Falle einer Operation) der histologisch gesicherte Befund notiert.
Um die Darstellung der Ergebnisse zu vereinfachen und eine bessere Vergleichbarkeit mit ähnlichen Studien zu erreichen, wurde das System auf die zweiwertige Unterscheidung zwischen Appendizitis und unspezifischen Bauchschmerzen eingeschränkt. Für eine genauere Beschreibung der Studie siehe (8). Bei einer Sensitivität von 88 Prozent ist eine Spezifität von 87 Prozent erreichbar.
Lexmed kann und soll das Urteil eines erfahrenen Chirurgen nicht ersetzen. Da jedoch ein Spezialist selbst in klinischen Einrichtungen nicht immer verfügbar ist, bietet sich eine Lexmed-Anfrage als begründete Zweitmeinung an. Besonders interessant und lohnend ist daher der Einsatz in der klinischen Ambulanz und beim niedergelassenen Arzt. Durch die gleichzeitige Dokumentation unterstützt das Expertensystem darüber hinaus auch aktuelle Maßnahmen der Qualitätssicherung.
Resümee
Lexmed liefert für jede Kombination von Symptomen eines Patienten (auch bei nicht ganz vollständigen Angaben) eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit einer Appendizitis. Darüber hinaus kann das Programm nichtrepräsentative Daten in der zugrunde liegenden Datenbank verarbeiten. Die mächtige Eingabesprache für die Regeln und die theoretisch gut fundierten Algorithmen ermöglichen die Behandlung komplexer medizinischer Zusammenhänge. Insbesondere werden die bekannten Beschränkungen der Scoresysteme überwunden. Das Programm zeigt einen neuen Weg zur Konstruktion von automatisierten Systemen zur Risikoabschätzung auf. Mithilfe der Sprache der Wahrscheinlichkeitstheorie und ergänzender mathematischer Verfahren wird statistisch abgeleitetes Wissen kombiniert mit medizinischem Fachwissen. Der auf Wahrscheinlichkeiten basierende Ansatz ist theoretisch elegant, allgemein anwendbar und liefert in einer Studie (200 Patienten) sehr gute Ergebnisse. Wolfgang Ertel,
Manfred Schramm,
Walter Rampf
Anschrift für die Verfasser: Prof. Dr. rer. nat., Dipl.-Phys. Wolfgang Ertel, Institut für Informatik, Fachhochschule Ravensburg-Weingarten, Postfach 1261, 88241 Weingarten, Telefon: 07 51/5 01-97 21, Fax: 5 01-98 76, E-Mail: ertel@fh-weingarten.de, Internet: www.fh-weingarten.de/~ertel


Oben: Die Website von Lexmed
Rechts: Die Appendizitis ist oft schwierig zu diagnostizieren.


Literatur
1. Ohmann C, Franke C, Yang Q, Margulies M, Chan M, van Elk PJ, de Dombal FT, Röher HD: Diagnosescore für akute Appendizitis. Der Chirurg 1995; 66: 135-141.
2. Ohmann C, Platen C, Belenky G: Computerunterstützte Diagnose bei akuten Bauchschmerzen. Der Chirurg, 1994; 63: 113-123.
3. Ohmann C, Moustakis V, Yang Q, Lang K: Evaluation of automatic knowledge acquisition techniques in the diagnosis of acute abdominal pain. Art. Intelligence in Medicine 1996; 8:23-36.
4. de Dombal FT: Diagnosis of Acute Abdominal Pain. Churchill Livingstone 1991.
5. de Dombal FT, Leaper DJ, Staniland JR, McCann AP, Horrocks JC: Computer aided diagnosis of acute abdominal pain. BMJ 1972; 2: 9-13.
6. Schramm M, Fronhöfer B: On Translations of Score Systems into Probabilistic Systems. 2001 (submitted).
7. Schramm M, Ertel W: Reasoning with Probabilities and Maximum Entropy: The System PIT and its Application in LEXMED. In: Inderfurth K (Hrsg.): Operations Research Proceedings. Springer: 1999.
8. Schramm M, Ertel W, Rampf: Automatische Diagnose von Appendizitis mit LEXMED. Technical report, Fachhochschule Ravensburg Weingarten, März 2000.
9. Paris JB, Vencovska A: A Note on the Inevitability of Maximum Entropy. Int. Journal of Approximate Reasoning 1990; 3: 183-223.



Tabelle: Zur Abfrage in LEXMED benutzte Symptome und deren Werte
Symptom Werte #*
Geschlecht männlich, weiblich 2
Alter 0-5, 6-10, 11-15, 16-20, 21-25, 26-35, 36-45, 46-55, 56-65, 65- 10
Schmerz 1. Quadrant ja, nein 2
Schmerz 2. Quadrant ja, nein 2
Schmerz 3. Quadrant ja, nein 2
Schmerz 4. Quadrant ja, nein 2
Abwehrspannung lokal, global, keine 3
Loslassschmerz ja, nein 2
Erschütterungsschmerz ja, nein 2
Rektalschmerz ja, nein 2
Darmgeräusche schwach, normal, vermehrt, keine 4
Pos. Sonographiebefund ja, nein 2
Pathol. Urinsediment ja, nein 2
Fieber rektal -37.3, 37.4-37.6, 37.7-38.0, 38.1-38.4, 38.5-38.9, 39.0- 6
Leukozyten 0-6k, 6k-8k, 8k-10k, 10k-12k, 12k-15k, 15k-20k, 20k- 7
Befund entzündet, perforiert, NSAP 3
* In der Spalte # ist die Anzahl der Werte des jeweiligen Symptoms angegeben.
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