Digitale Pathologie: neue Erfolge mit künstlicher Intelligenz

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© Thieme & Frohberg GmbH

Die digitale Pathologie steht seit Jahren als großer Hoffnungsträger in den Schlagzeilen medizinischer Fachmedien. Mittlerweile setzen erste Kliniken das Verfahren ein. Die Wissenschaft nutzt künstliche Intelligenz (KI) im Zusammenhang mit der virtuellen Mikroskopie und präsentiert vielversprechende Ergebnisse.

Wie funktioniert digitale Pathologie?

Im Gegensatz zur konventionellen Mikroskopie mit Lichtmikroskopen nutzen die Ärzte bei der digitalen Pathologie leistungsfähige Präparate-Scanner zum Einscannen von eingefärbten Gewebeproben. Diese werden dann auf hochauflösenden Bildschirmen dargestellt. Zur Befundung kann der Arzt die Aufnahmen beispielsweise in verschiedenen Auflösungen darstellen, unterschiedliche Filter nutzen, um bestimmte Zellstrukturen besser sichtbar zu machen, und andere Bilder zum Vergleich heranziehen. Die Daten werden über ein digitales Datenmanagement- bzw. Pathologie-Informationssystem gespeichert.

Diese moderne Form der Gewebediagnostik führt zu mehreren Vorteilen, insbesondere:

  • ortsunabhängiges Arbeiten, beispielsweise bei entsprechender Ausstattung auch im Home-Office
  • effizientere Arbeitsgestaltung, z. B. durch gezielte Verteilung innerhalb verschiedener Standorte oder eines Netzwerks
  • erleichterter und beschleunigter fachlicher Austausch, z. B. für Zweitmeinung oder Tumorkonferenzen
  • einfachere Durchführung von Messungen, z. B. Größe eines Tumors oder Menge eines bestimmten Zelltyps
  • schnellere, präzisere und zuverlässigere Ergebnisse, die zudem reproduzierbar sind
  • langfristige Archivierungsmöglichkeit von Proben

Trotzdem ist die digitale Pathologie noch nicht weit verbreitet. Zu den Vorreitern zählen die Helios Kliniken in Berlin-Buch und in Berlin-Zehlendorf. Sie haben mit dem neuen Verfahren gleich einen durchgehenden digitalen Workflow geschaffen – vom Eingang der Gewebeproben bis zum Versand des Befundberichtes.

Voraussetzungen für den Einsatz in Kliniken

Ein wesentlicher Grund für die langsame Verbreitung der digitalen Pathologie in Kliniken ist sicherlich, dass dafür umfangreiche Investitionen erforderlich sind:

  • leistungsfähige Präparate-Scanner und Bildschirme
  • Datenmanagement- bzw. Pathologie-Informationssystem
  • digitale Infrastruktur
  • umfangreiche Serverkapazitäten
  • angepasster Workflow
  • entsprechendes Knowhow der Mitarbeiter

Wie bei allen Digitalisierungsmaßnahmen verursacht die Umstellung also nicht nur Kosten, z. B. für Hard- und Software. Vielmehr gilt es auch, Mitarbeiter zu schulen sowie neue Arbeitsabläufe und Schnittstellen zu entwickeln, um die digitale Pathologie erfolgreich zu implementieren. Als Hilfestellung hat der Bundesverband Deutscher Pathologen e. V. im vergangenen Jahr dazu den Leitfaden „Pathologie: Workflow in der Digitalen Medizin“ herausgegeben.

Neue Möglichkeiten durch Künstliche Intelligenz

Die digitale Pathologie ermöglicht auch den Einsatz von KI-Algorithmen. Durch das maschinelle Lernen sollen Gewebeveränderungen schneller und besser erkannt werden, Fehlerraten sinken und die Patientensicherheit steigen.

Einige Beispiele dafür stellen wir Ihnen hier vor:

Aignostics

Wissenschaftler vom Pathologischen Institut der Charité in Berlin haben gemeinsam mit Kollegen von der TU Berlin ein digitales Bildanalyse-System zur Beurteilung mikroskopischer Aufnahmen entwickelt. Die Software „Aignostics“ kann u. a. bereits zuverlässig Lungen-, Brust und Darmkrebs erkennen, außerdem Immunzellen im Tumorgewebe sowie verschiedene Tumormarker. Dabei visualisiert das System anhand von „Heatmaps“, welche Zellen oder Bildbereiche für die Analyse entscheidend waren. Dadurch kann der Pathologe das Resultat der KI verifizieren. „Aignostics“ wird bereits am Institut für Pathologie der Charité in der Diagnostik eingesetzt, die Zertifizierung für eine breite Anwendung ist in Arbeit.

Abhängig davon, womit das System trainiert wird, ergeben sich weitere mögliche Einsatzgebiete der Technologie. Dazu zählt beispielsweise die Bestimmung von neuen Biomarkern, anhand derer der Erfolg einer Therapie vorhergesagt werden kann. Zudem gibt es bereits Kooperationen mit Pharmaunternehmen, die „Aignostics“ für pathologische Untersuchungen im Rahmen der Zulassungsverfahren von neuen Medikamenten nutzen.

Personalisierte Krebstherapie mit KI-Einsatz

Das Institut für Pathologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) führt ein Forschungsprojekt durch, bei dem KI und digitale Pathologie kombiniert werden, um die Diagnostik von Krebserkrankungen zu verbessern und den Weg für die personalisierte Krebstherapie zu ebnen. Das Forschungsvorhaben mit dem Titel „Cancer Scout“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 9,6 Millionen Euro für eine Laufzeit von drei Jahren gefördert.

Die Forscher wollen in Zusammenarbeit mit Siemens Healthineers herausfinden, ob es möglich ist, mit Hilfe einer „digitalen Biopsie“ molekulare Veränderungen in Tumoren vorherzusagen. Denn bei der personalisierten Krebstherapie können Medikamente nur wirken, wenn der Tumor dazu passende Veränderungen in seinen Molekülen aufweist. Um mindestens eine wirksame „Schlüssel-Schloss“-Kombination zu entdecken, müssen derzeit noch viele aufwändige, zeitintensive Tests durchgeführt werden. Ziel ist es, mittels der neuen Technik wesentlich schneller Ergebnisse zu erhalten. Dadurch könnten Krebspatienten auch in wesentlich kürzerer Zeit als bisher gezielt behandelt sowie Kosten eingespart werden.

KI in der Molekularpathologie

Auch für die Molekularpathologie erforschen Wissenschaftler den Einsatz von KI. So haben Forscher der Charité, des Deutschen Krebskonsortiums und der TU Berlin ein neuronales Netzwerk geschaffen, dass in der Lage ist, zu unterscheiden, ob es sich bei entarteten Gewebe in der Lunge um ein Lungenkarzinom oder um Metastasen von Kopf-Hals-Tumoren handelt. Zur Ermittlung der Herkunft nutzt das KI-Verfahren chemische Veränderungen der DNA und erreicht damit eine Genauigkeit von über 99 Prozent.

Weitere Forschungsprojekte an der Schnittstelle von histologischer und molekularer Pathologie sollen folgen.

Veranstaltungshinweis

„Digitale Pathologie und Informatik in der Pathologie“ ist auch eines der Hauptthemen der 104. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Pathologie. Sie findet vom 04. bis 07. Juni 2020 als virtuelle und digitale Tagung statt. Zusätzlich wird ein umfangreiches On-Demand-Angebot bis zum 6. September 2020 verfügbar sein. Sowohl Mitglieder als auch Nichtmitglieder der DGP können sich zu vergünstigten Preisen anmelden.

ep/kwm

Quellen:

Helios Klinikum Emil von Behring

Bundesverband deutscher Pathologen e. V.

Berlin Institut of Health

Universitätsmedizin Göttingen

Bundesministerium für Forschung und Bildung

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