ArchivDeutsches Ärzteblatt10/2009Wissensmanagement: Web 3.0 im Dienst der Medizin

THEMEN DER ZEIT

Wissensmanagement: Web 3.0 im Dienst der Medizin

Dtsch Arztebl 2009; 106(10): A-458 / B-394 / C-380

Krüger-Brand, Heike E.

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Demonstrator des Medico-Systems: Auffälligkeiten in unterschiedlichen Körperregionen eines Lymphompatienten werden angezeigt (roter Kreis bei der Milz).
Demonstrator des Medico-Systems: Auffälligkeiten in unterschiedlichen Körperregionen eines Lymphompatienten werden angezeigt (roter Kreis bei der Milz).
Was generell im Informationszeitalter beklagt wird, gilt auch für die Medizin: (Bild-)Daten ohne Ende, doch der Durchblick fehlt. Das Projekt Medico als Teil des IT-Forschungsprogramms Theseus soll mit semantischen Techniken Abhilfe schaffen.

Wohl mit Bedacht hat man Theseus, den Superhelden aus der griechischen Mythologie, als Namensgeber für das bislang größte deutsche IT-Forschungsprojekt auserkoren, denn schließlich geht es um ein ambitioniertes Ziel: den Aufbau einer intelligenten internetbasierten Wissensinfrastruktur, in der das Wissen im Internet künftig inhaltsorientiert aufbereitet und genutzt werden kann.

Seit November 2007 arbeiten unter dem Dach von Theseus rund 30 öffentliche und industrielle Forschungspartner an Basistechnologien und Standards für die nächste Generation des Internets, das Web 3.0, auch bezeichnet als semantisches Web. Die Vision ist, die Bedeutung von Informationen – gleich ob Wörter, Bilder oder Töne – für Computer verwertbar und deren inhaltliche Zusammenhänge maschinell interpretierbar zu machen. Denn damit hätte man, um im Bild der griechischen Mythologie zu bleiben, einen Ariadnefaden durch das im weltweiten Netz gespeicherte Wissenslabyrinth, der schnell zu den jeweils gewünschten Informationen führen würde.

Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Großprojekt für fünf Jahre mit rund 100 Millionen Euro, nochmals den gleichen Betrag müssen die beteiligten Partner aus Forschung und Industrie aufbringen. In sechs „Anwendungsszenarien“ (Kasten) sollen die Forschungsergebnisse prototypisch umgesetzt werden.

Im Szenario „Medico“ geht es um die Einsatzmöglichkeiten von semantischen Technologien in der Medizin. Am Projekt beteiligt sind unter anderem das Deutsche Forschungszentrum für künstliche Intelligenz in Kaiserslautern, Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, das Universitätsklinikum Erlangen und die Ludwig-Maximilians-Universität in München, die Federführung liegt bei Siemens. Entwickelt werden soll ein bildgestütztes Recherchetool für Medizindatenbanken, das Methoden der Bildverarbeitung, wissensbasierte Datenverarbeitung und maschinelles Lernen miteinander kombiniert.

Heterogene Informationen
Bildgebende Verfahren sind eine wichtige Grundlage für die medizinische Diagnose und Therapie, denn sie ermöglichen es, Krankheiten frühzeitig zu erkennen und gezielt zu behandeln. Dennoch werden die in den medizinischen Bilddaten schlummernden Informationen nur zu einem Bruchteil in der klinischen Routine genutzt – zu zeit- und arbeitsaufwendig im Hinblick auf verfügbare Ressourcen erscheint das Durchforsten riesiger Datenmassen, um etwa Krankheitsverläufe verschiedener Tumorpatienten zu vergleichen. Bislang gibt es außerdem kein Werkzeug, das all die heterogenen Informationen klinischer Datensätze – Texte, Bilder, Labordaten – intelligent strukturieren und gezielt zugänglich machen könnte.

„Im ersten Schritt wollen wir möglichst viele relevante klinische Informationen automatisiert aus den Bildern extrahieren können“, erläutert Dr. Martin Huber (Siemens), der das Medico-Projekt leitet. Gängige Bilddatenbanken wie PACS (Picture Archiving and Communications System) und RIS (Radiolologieinformationssystem) arbeiten derzeit mit einem Indexsystem auf der Basis von Schlüsselwörtern (Metadaten-Informationen), die beispielsweise angeben, wann und mit welcher Modalität die Bilder erstellt worden sind oder um welchen Patienten es sich handelt. Die Suchergebnisse sind dabei abhängig von der Qualität dieser annotierten Informationen, die Bildinhalte selbst spielen keine Rolle.

Anders Medico: Das System soll die tatsächlichen Bildinhalte bei einer Suchanfrage mit berücksichtigen und beispielsweise die Recherche nach Schlagwörtern oder Krankheitsverläufen ermöglichen. Dazu muss es zunächst lernen, anatomische Strukturen wie Knochen, Gefäße und Organe sowie deren krankhafte Veränderungen zu erkennen. Die Forscher beschränken sich bei der Organdetektion zunächst vor allem auf CT-Daten, bei der Beschreibung der Knochen kommen auch MRT-Datensätze hinzu. „Derzeit haben wir in unserer Datenbank 500 Datensätze von Lymphompatienten mit allen bildgebenden Verfahren und Befunden erfasst, die uns von der Uniklinik Erlangen zur Verfügung gestellt werden“, so Huber. Mit speziellen Softwarewerkzeugen wird das System zunächst in halb automatisierten Verfahren darauf trainiert, in den Bilddatensätzen Segmentierungen vorzunehmen und typische anatomische Strukturen sowie deren räumliche Beziehungen im Körper zu beschreiben. Die Bildverarbeitung ist jedoch nur ein Teil des Projekts. Zusätzlich soll das
System diese Daten automatisiert katalogieren und mit Vergleichsbildern und Befunden aus anderen Datenbanken verknüpfen können – der semantische Projektschwerpunkt.

Damit die intelligente Bildsuchmaschine die medizinischen Bilddatenmassen, zum Beispiel von CT- oder MRT-Bildern, automatisiert auswerten kann, müssen viele Komponenten entwickelt werden, darunter Verfahren der Mustererkennung, Ontologiemodellierung (= gemeint ist die computerverständliche Aufbereitung des Hintergrundwissens), sowie computergestützte Erkennungssysteme und klinische Entscheidungshilfen.

Zur Beschreibung der Bildinhalte dienen medizinische Ontologien wie „RadLex“ (Lexikon standardisierter Terme für die Radiologie, das vor allem beschreibt, was auf den Bildern zu sehen ist) und das komplexere, speziell für die Anatomie entwickelte „Foundational Model of Anatomy Ontology“, das mehr als 70 000 Terme und deren vielfältige Beziehungen umfasst. Ein erster Demonstrator, der das Leistungsspektrum der Technologie verdeutlichen soll, wurde beim IT-Gipfel der Bundesregierung im November 2008 vorgestellt. Als Fallbeispiel dient die Lymphomdiagnose und -therapie (Abbildung):

Ein Lymphompatient wird in einem Kreiskrankenhaus behandelt. Der behandelnde Arzt vor Ort will wissen, ob die Chemotherapie angeschlagen hat. Er vergleicht mittels Medico aktuelle CT-Bilder mit früheren, vor Therapiebeginn erstellten Aufnahmen und extrahiert daraus relevante Informationen. Das Resultat: Die Lymphknoten haben sich nicht weiter verkleinert, und es sind neue Läsionen in der Milz erkennbar. Der Patient scheint bezüglich der verwendeten Chemotherapie austherapiert. Weil dem Arzt keine vergleichbaren Fälle vorliegen, sendet er Bilder und Befunde seines Patienten digital an eine Uniklinik zur Klärung. Das Programm vergleicht die Daten des Patienten aus dem Kreiskrankenhaus mit den zahlreichen Lymphomfällen der Klinik. Auf Basis der erweiterten Informationen erhält der behandelnde Onkologe Empfehlungen zu weiterführenden Untersuchungen, Therapieoptionen sowie offenen klinischen Studien.

Entscheidungshilfe für Ärzte
Der automatische Abgleich von Bilddatenbanken soll dazu beitragen, Diagnoseverfahren und Therapiemöglichkeiten zu optimieren und Ärzte bei ihren Entscheidungen in der klinischen Routine zu unterstützen. Im Rückgriff auf weitere Theseus-Technologien, wie etwa die in dem Anwendungsszenario Ordo (Ordnung digitaler Informationen) entwickelten Verfahren, könnte der Arzt zusätzlich Vergleichsdaten aus Beständen anderer Kliniken einholen und auswerten oder auf aktuell verfügbare Studien zugreifen. Dabei könnte er künftig von Theseus bereitgestellte Webdienste nutzen, um direkt mit einem Experten Kontakt aufzunehmen (siehe Anwendungsszenario Texo). Auch für die biomedizinische und epidemiologische Forschung könnte Medico nützlich sein. Bereits Ende 2009 soll der erste Testlauf der Suchmaschine für medizinische Bilder am Universitätsklinikum Erlangen starten. Dann werde sich zeigen, ob man mit semantischen Techniken Mehrwert schaffen könne, meint Huber.

Weltweit wird derzeit an Web-3.0-Technologien geforscht. So arbeitet Frankreich im Projekt Quaero an der Weiterentwicklung von Suchtechnologien für multilinguale und multimediale Abfragen. Ursprünglich war dies eine deutsch-französische Initiative, aus der aufgrund von Kooperationsschwierigkeiten das Theseus-Projekt mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung semantischer Basistechnologien entstanden ist. Auch Australien und die USA stecken Millionenbeträge in Werkzeuge für das Web 3.0, um das im Netz verborgene Wissen besser zu nutzen.
Heike E. Krüger-Brand

Leuchtturmprojekt Theseus
Die sechs Anwendungsszenarien (http://theseus-programm.de)

- Alexandria – das semantische Web: unterstützt Nutzer bei der Suche nach Inhalten. Durch die Verknüpfung von semantischen Techniken mit sozialen Suchdiensten sollen die Nutzer künftig exakte Antworten auf Fragen erhalten.
- Contentus – die digitale Bibliothek: Entstehen sollen multimediale Wissensplattformen, die Druck-, Audio-, Bild- sowie Filmmaterial bereitstellen und das Kulturerbe digital sichern.
- Medico – die intelligente Bilddatenbank: Entwickelt wird eine intelligente, universell einsetzbare Anwendung für die Bildsuche in der Medizin.
- Ordo – Ordnung digitaler Informationen: Für ein effizientes und individuelles Wissensmanagement werden Dienste und Softwareprogramme entwickelt. So können durch die Verknüpfung der Inhalte in Textdokumenten Zusammenhänge erkannt, Themenschwerpunkte herausgefiltert und automatisch Extrakte erstellt werden.
- Processus – Optimierung von Prozessen: Für eine IT-gestützte Unternehmenssteuerung, die den Vergleich von Produkten, Lösungen und Anbietern ermöglicht, werden Konzepte entwickelt, die unternehmensinterne Ressourcenplanung und das Management digitaler Inhalte von Geschäftsprozessen integrieren.
- Texo – das Dienstleistungs-Web: Webbasierte Dienstleistungen sollen serviceorientierte Angebote vermitteln. So muss man etwa bei einem Umzug nur einmal seine neuen Kontaktdaten eingeben – das An- und Abmelden bei Telekommunikationsunternehmen, Post und Behörden übernimmt die Plattform.
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