Mit Künstlicher Intelligenz gegen den Enddarmkrebs

Darmkrebs ist sowohl bei Männern als auch bei Frauen eine der häufigsten Krebserkrankung. Nach Angaben des Robert Koch Instituts erkranken daran in Deutschland jedes Jahr rund 60.400 Menschen. Etwa ein Drittel von ihnen leidet unter einem Tumor im Bereich des Enddarms. Für den Großteil der Patienten ist eine Operation die wichtigste Behandlungsmöglichkeit. Wenn sich der Tumor vollständig entfernen lässt, ist eine dauerhafte Heilung möglich.

Dr. Fiona Kolbinger (links) und Prof. Jürgen Weitz, VTG-Chirurgie, Uniklinik Dresden, am Robotik-OP-System. Das Assistenzsystem blendet in die Kamerabilder aus dem Bauchraum des Patienten weitere Informationen ein: etwa die Lage wichtiger Nerven oder die optimale Schnittlinie.

© Uniklinik Dresden/Marc Eisele

„Wie auch bei anderen Krebsarten gilt: Je schneller man operiert, desto besser die Prognose, auch im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit, dass sich Metastasen bilden“, sagt Prof. Stefanie Speidel, Professorin für Translationale Chirurgische Onkologie am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC). Neben der erfolgreichen Behandlung des Krebses spiele aber auch die anschließende Lebensqualität der Patientinnen und Patienten eine wichtige Rolle. „Bei der Entfernung von Tumoren im Enddarm ist Millimeterarbeit gefragt. Denn hier besteht die Gefahr, dass umliegende Nerven geschädigt werden“, erklärt die Informatikerin. Die Folge könnten dann Blasen- oder Stuhlinkontinenz, Erektionsprobleme oder andere Sexualprobleme wie Missempfindungen beim Geschlechtsverkehr sein.

Ein Blick auf die moderne Medizin zeigt, dass die Tumorchirurgie im Bereich des Enddarms in den vergangenen Jahren deutliche Fortschritte gemacht hat: Dabei wurden hoch präzise Operationstechniken weiter verfeinert und standardisiert. In vielen Fällen kann der Chirurg auch ohne einen großen Bauchschnitt operieren – das verbessert die Wundheilung und verkürzt den Krankenhausaufenthalt. „Hier kommen seit einiger Zeit auch robotische Methoden zum Einsatz“, sagt Speidel. So werden an der Klinik für Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie des Universitätsklinikums Dresden pro Jahr rund 60 Enddarmkrebsoperationen vorgenommen, der weitaus größte Teil der Eingriffe erfolgt mithilfe des robotischen Assistenzsystems „Da Vinci“. „Ein gutes Instrument, bei dem man auch sehr feine Bewegungen machen kann“, sagt Speidel und erklärt: „Dabei sitzt der Chirurg an einer Konsole und sieht die zu operierende Region im Bauchraum in dreidimensionalen Aufnahmen, die eine eingeführte Kamera in Echtzeit liefert.“ Das Da-Vinci-System sei eine gute mechanische Hilfe, resümiert Speidel „Es erleichtert dem Chirurgen das direkte Halten und Bewegen der Instrumente ab. Außerdem übersetzt es größere Handbewegungen, die der Arzt über zwei joystickartige Griffe ausführt, in kleinste präzise Schnitte.“ Trotz dieser ausgeklügelten Technik würde die Qualität des Eingriffs in hohem Maße von der Erfahrung des einzelnen Chirurgen abhängen. Es gehe also darum, den Operateur künftig noch stärker bei seiner schwierigen Aufgabe zu unterstützen, um die Qualität der Behandlung zu verbessern.

Mit diesem Ziel entwickeln die Wissenschaftler am NCT/UCC, der VTG-Chirurgie des Uniklinikums Dresden und der Fakultät Elektro- und Informationstechnik der TU Dresden im Projekt „CoBot“ ein computerbasiertes Assistenzsystem für robotergestützte Eingriffe am Enddarm. Das Projekt wird vom Else Kröner Fresenius Zentrum (EKFZ) für Digitale Gesundheit gefördert. „Bei dem computerbasierten Assistenzsystem geht es um Entscheidungshilfen“, erklärt Speidel. „Dabei sieht der Chirurg während der Operation beim Blick auf den Monitor wie gewohnt die Kamerabilder aus dem Bauchraum des Patienten. Doch zusätzlich spielt das System in die Kamerabilder weitere Informationen ein: zum Beispiel die Lage wichtiger Nerven, die nicht verletzt werden dürfen und die optimale Schnittlinie.“

Besonders wichtig sei dabei, dass die richtige Information zur richtigen Zeit zur Verfügung steht, so Speidel. „Der Operateur trifft jederzeit selbst die Entscheidung. Das System unterstützt ihn nur, ähnlich wie ein Navigationssystem im Auto“, erklärt die Leiterin der Abteilung Translationale Chirurgische Onkologie am NCT/UCC.

Hier kommt die Künstliche Intelligenz zum Einsatz: Denn die Wissenschaftler nutzen zur Entwicklung des Systems ein künstliches neuronales Netz, das die Fähigkeit des Menschen nachahmt, anhand von Beispielen zu lernen. Der intelligente Algorithmus wird dabei mit einer mathematisch formulierter Aufgabenstellung versehen: Ausgehend von der kontinuierlichen Analyse der Video-Bilder einer Operation sollen spezielle Strukturen in bestimmten Phasen der Operation angezeigt werden. „Das Assistenzsystem wird mit Erfahrungswissen angereichert, es lernt also“, beschreibt Speidel die Verfahrensweise.

Zurzeit trainieren die Wissenschaftler das neuronale Netz mit rund 40 Operations-Videos, die standardmäßig über ein optisches Instrument im Bauchraum aufgenommen werden. In den Aufnahmen werden die zentralen Operationsphasen sowie Ziel- und Risikostrukturen markiert, beispielsweise die für die zu schonenden Nerven wichtig sind und der sensiblen Bereich, in dem geschnitten werden darf. Speidel: „In den kommenden Monaten soll das System mit weiteren Daten gefüttert werden und für Ende des Jahres planen wir die ersten Pilotversuche bei Live-OPs.“ 

Speidel ist von dem computerbasierten Assistenzsystem überzeugt: „Chirurgen können schneller und vor allem präziser arbeiten – dadurch verringert sich das Risiko der Komplikationen, die eine Enddarm-OP mit sich bringen kann“, fasst sie zusammen. Außerdem könne durch das computerbasierte Assistenzsystem Wissen demokratisiert werden. „Man kann anderen Ärzten OP-Erfahrungen zur Verfügung stellen, die sie selbst nicht gemacht haben.“

Profil:

Stefanie Speidel ist Professorin für „Translationale Chirurgische Onkologie“ am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Dresden. Die Informatikerin forscht an intelligenten Assistenzsystemen für den Operationssaal. Stefanie Speidel, geboren 1978, studierte an der Universität Karlsruhe (TU) sowie am Royal Institute of Technology Stockholm (Schweden). Sie promovierte 2009 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Rahmen des Graduiertenkollegs "Intelligente Chirurgie" (KIT, Universität Heidelberg, DKFZ) mit Auszeichnung und leitete von 2012 - 2016 die Nachwuchsgruppe „Computergestützte Chirurgie“ am KIT. Stefanie Speidel konnte bereits eine Reihe wissenschaftlicher Auszeichnungen sammeln, darunter den Technology Award der European Association for Endoscopic Surgery (2007), den Maria Gräfin von Linden Preis (2011) und ein Margarete-von-Wrangell-Fellowship (2011). Außerdem wurde sie zweimal für hervorragende Lehre ausgezeichnet und erhielt mehrere Best Paper Awards.

18.03.2021

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