Einführung
Künstliche Intelligenz (KI) revolutioniert die chirurgische Methoden, indem sie die Präzision, die Sicherheit und die Behandlungsergebnisse für Patienten verbessert und gleichzeitig die Solarpunk Ideale Nachhaltigkeit und Harmonie zwischen Technologie und Mensch aufgreift. KI trägt auch zur Gesundheitsvorsorge bei (siehe Salutogenese), durch schnellere und genauere Auswertung diagnostischer Datenquellen.
Kurze Historie chirurgischer Technologieevolution
Der chirurgische Fortschritt hat sich von rudimentären Techniken zu hochentwickelten Verfahren entwickelt. Im 20. Jahrhundert wurden aseptische Methoden, Anästhesie und bildgebende Technologien wie Röntgenstrahlen eingeführt, welche die chirurgische Sicherheit und Effektivität erheblich verbesserten. In den 1970ern kamen die ersten minimal-invasive Operationen auf, gefolgt von roboterunterstützter Chirurgie. Beide Verfahren waren Meilensteine für noch höhere Präzision und Sicherheit bei chirurgischen Eingriffen sowie der Verkürzung von Genesungszeiten.
Die robotergestützte Chirurgie hat ihre Wurzeln im Jahr 1983 mit der Einführung von Arthrobot, einer bahnbrechenden Innovation, die im kanadischen Vancouver entwickelt wurde.[1] Arthrobot war der erste chirurgische Roboter, der in einer klinischen Umgebung assistierte und wurde entwickelt, um genauer und effizienter zu arbeiten. Er „operierte“ Seite an Seite von Chirurgen und unterstützte vor allem orthopädische Eingriffe, indem er Aufgaben wie die Positionierung und Führung von Instrumenten automatisierte.
Der Erfolg von Arthrobot legte den Grundstein für weitere fortschrittliche Roboterplattformen, die wir heute kennen, wie zum Beispiel das da Vinci Surgical System. Bei diesem System handelt es sich um eine robotergestützte chirurgische Plattform, die minimalinvasive Eingriffe ermöglicht. Es verwendet Roboterarme und hochauflösende 3D Bildgebungstechnologien zur Steigerung der Tiefenwahrnehmung während der Operation.
KI-Anwendungen in Chirurgie und Diagnostik
Mikrochirurgie-Roboter:
Das von Medical Microinstruments (MMI) entwickelte Symani Surgical System ist eine bahnbrechende Roboterplattform zur Verbesserung der Präzision bei mikrochirurgischen Eingriffen.[2] Es verfügt über Roboterarme mit sieben Freiheitsgraden und wurde im April 2024 als erster Roboter für die Mikrochirurgie von der US-amerikanischen FDA Behörde zugelassen. Während das aktuelle System über fortschrittliche Funktionen wie Tremor-Reduktion und Bewegungsskalierung verfügt, arbeitet MMI aktiv an der Integration von künstlicher Intelligenz (KI), um seine Fähigkeiten noch weiter zu verbessern. Zu den aktuellen Funktionen gehören:
- Tremor-Reduktion: Das System minimiert die Auswirkungen des Zitterns der menschlichen Hand und ermöglicht so stabilere und präzisere Bewegungen während der Operation.
- Bewegungsskalierung: Diese Funktion übersetzt die makroskopischen Handbewegungen des Chirurgen in mikroskopische Instrumentenbewegungen und ermöglicht so die behutsame Operation winziger anatomischer Strukturen.
MMI entwickelt erweiterte KI-gestützte Funktionen zur Automatisierung chirurgischer Routineaufgaben. So werden beispielsweise KI-Algorithmen entwickelt, die beim Nähen von Blutgefäßen helfen und dadurch bestimmte Verfahren standardisieren, welche potentiell die Operationszeiten verkürzen.
Digitale Zwillingstechnologie („Digital Twin“):
Forscher der Johns Hopkins University haben Pionierarbeit bei der Verwendung der Digital Twin Technologie geleistet, um personalisierte, dreidimensionale Modelle der Herzen von Patienten zu erstellen. Diese digitalen „Avatare“ werden anhand von Daten aus kontrastverstärkten Magnetresonanztomographien (MRT) erstellt, welche detaillierte Bilder der Herzstruktur, einschließlich vernarbter Bereiche und beschädigter Zellen, liefern. [3]
Indem diese Modelle mit virtuellen Zellen bestückt werden, die in der Lage sind, elektrische Signale zu erzeugen, können Mediziner Herzschläge simulieren und beurteilen, wie das Herz auf verschiedene Reize reagiert. Der Einsatz digitaler Zwillinge ermöglicht es, Behandlungen in einer virtuellen Umgebung zu testen, bevor sie tatsächlich durchgeführt werden. Dies führt zu maßgeschneiderten Behandlungsplänen, welche Risiken reduzieren und Therapieergebnisse der Patienten verbessern.
Siemens Healthineers arbeitet ebenfalls an Digital Twins und konzentriert sich dabei auf das Herz und die Leber. Auf dem Bild unten seht ihr ein mit Daten angereichertes digitales 3D-Modell des Herzens eines Patienten. „Basierend auf MR-Aufnahmen und EKG-Messungen gleichen die Digitale Zwillinge in ihren physiologischen Eigenschaften dem Herzen des realen Patienten. Das Modell ermöglicht eine Planung, die Reaktionen auf die Behandlung vor einem Eingriff zeigt. Siemens Healthineers entwickelt intelligente Algorithmen, die aus enormen Datenmengen digitale Abbilder erzeugen.“[4]
KI-gestützte Diagnosetools:
KI-gestützte Bildauswertung wird bei medizinischen Untersuchungen eingesetzt, um Krebs und Zellveränderungen in Geweben, Blut und bildgebenden Scans zu erkennen. Sie analysiert Biopsie-Objektträger, Mammogramme, CT-Scans und Endoskopie-Bilder, um Tumore, abnorme Zellen und frühe Anzeichen von Krebs in Organen wie der Brust, dem Dickdarm und der Lunge zu erkennen. KI hilft auch beim Screening bzgl. Haut- und Gebärmutterhalskrebs, weil sie Unregelmäßigkeiten in Hautläsionen und Pap-Abstrichen erkennt. KI-Technologie verbessert die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Diagnosen und ermöglicht eine noch bessere Früh-Erkennung von Erkrankungen und deren Behandlung.
Unfold AI™ von Avenda Health ist eine von der US-amerikanischen FDA Gesundheitsbehörde zugelassene Plattform, die patientenspezifische Daten und Deep-Learning-Algorithmen nutzt, um personalisierte, dreidimensionale Krebswahrscheinlichkeits-Bilder für das Prostatakrebs zu erstellen. Diese Bilder visualisieren die Position und das Ausmaß des Krebses in der Prostata und helfen den Ärzten bei der Planung gezielter Eingriffe. [5]
Eine Studie hat gezeigt, dass Unfold AI bei der Erkennung des Ausmaßes von Prostatakrebs eine Trefferquote von 84% erreicht und damit die 67%ige Trefferquote der normalen kognitiven Beurteilungen durch Ärzte deutlich übertroffen hat.[6]
KI und Solarpunk-Ideale
Solarpunk stellt sich eine Zukunft vor, in der die Menschheit die Technologie auf ethische, regenerative und integrative Weise nutzt. KI im Gesundheitswesen, insbesondere in der Chirurgie und der Präventivmedizin, ist ein gutes Beispiel dafür, wie diese Vision verwirklicht werden kann.
- Weniger Umweltbelastung:
KI-gesteuerte chirurgische Eingriffe tragen zur Nachhaltigkeit bei, indem sie Abfall, Energieverbrauch und den Einsatz medizinischer Ressourcen minimieren. Herkömmliche Operationen sind oft mit längeren Krankenhausaufenthalten, einem erhöhten Verbrauch von Einwegmaterialien (wie Kittel, Handschuhe und chirurgische Instrumente) und einem höheren Energiebedarf zur Aufrechterhaltung einer sterilen Umgebung verbunden.
In einigen Fällen optimieren KI-Algorithmen den chirurgischen Prozess selbst, weil sie die Bedarfe an notwendigen Geräten und Medikamenten vorhersagen und somit weniger Resourcen verschwenden. Diese Verbesserungen verringern insgesamt den ökologischen Fußabdruck des Gesundheitswesens und entsprechen damit der Vision von Solarpunk, die Auswirkungen des Menschen auf den Planeten zu reduzieren.
- Erweiterter Zugang zu Gesundheitsdienstleistungen:
Solarpunk betont den gleichberechtigten Zugang zu Ressourcen, und KI-basierte Gesundheitstechnologien spielen eine zentrale Rolle bei der Demokratisierung der medizinischen Versorgung. In der Vergangenheit war der Zugang zu einer hochwertigen Gesundheitsversorgung ein Privileg der wohlhabenderen, städtischen Bevölkerung. KI-gesteuerte Diagnose- und Telemedizin-Tools verändern diese Dynamik jedoch.
Mobile Gesundheitsdienstleistungen, die von KI unterstützt werden, ermöglichen es Menschen in abgelegenen oder unterversorgten Gebieten, auf medizinische Konsultationen, Diagnosen und Behandlungsempfehlungen zuzugreifen. Dieser Fortschritt reduziert den Bedarf an großen, zentralisierten Gesundheitseinrichtungen und ermöglicht eine erschwingliche, dezentrale Versorgung.
- Förderung der Präventivmedizin:
Ein zentrales Prinzip von Solarpunk ist die „Gestaltung der Zukunft“ durch das Fokussieren auf Prävention statt auf reaktive Lösungen. KI-gestützte Gesundheitssysteme verkörpern dieses Prinzip, indem sie den Schwerpunkt von reaktiver Behandlung auf proaktives Gesundheitsmanagement verlagern (siehe auch Salutogenese).
KI-Modelle können die Wahrscheinlichkeit von Herzerkrankungen, Krebs oder Diabetes vorhersagen, bevor Symptome auftreten. Maßgeschneiderte Empfehlungen zur Änderung des Lebensstils, zur Ernährung und zu sportlichen Aktivitäten unterstützen die Gesundheitsprävention zusätzlich. Dieser proaktive Ansatz verbessert nicht nur das individuelle Wohlbefinden, sondern entlastet auch die Gesundheitssysteme, reduziert den Ressourcenverbrauch und verringert die Notwendigkeit von Krankenhausbesuchen und Reisen.
Ausblick
Mit der Weiterentwicklung der KI-Technologien werden die Gesundheitssysteme tiefgreifende Veränderungen erfahren, die die Kernprinzipien des Solarpunk widerspiegeln – Gerechtigkeit, ökologische Harmonie und menschliches Wohlbefinden. Die folgenden neuen Entwicklungen geben einen Einblick in das Potenzial dieser Zusammenführung:
- KI-gesteuertes chirurgisches Training:
KI und Augmented Reality (AR) werden die chirurgische Ausbildung und das Training revolutionieren. Traditionell haben Chirurgen ihre Fähigkeiten durch überwachte Eingriffe an echten Patienten oder in der Pathologie verfeinert. Mit dem Aufkommen von KI und AR können Auszubildende in der Chirurgie jedoch in superrealistische, risikofreie Trainingsumgebungen eintauchen. [7]
- Personalisierte Medizin:
Eine der bahnbrechendsten Entwicklungen im Gesundheitswesen ist der Aufstieg der personalisierten Medizin, angetrieben durch die Fähigkeit der KI, riesige Datensätze und genetische Informationen zu analysieren. Die personalisierte Medizin wendet sich von der „Einheitsgröße“ für die Behandlung ab. Stattdessen nutzt sie KI-Algorithmen, um Behandlungen auf der Grundlage der genetischen Veranlagung, des Lebensstils und der medizinischen Vorgeschichte einer Person maßzuschneidern. [8]
- Ferngesteuerte Operationen:
Das Konzept der Fernchirurgie – bei dem ein Chirurg an einem Ort einen Patienten an einem anderen operiert – entwickelt sich dank der Fortschritte in der Robotik, der KI und der 5G-Konnektivität rasch von Science-Fiction zur Realität. Die Fernchirurgie baut auf KI-gestützte Robotik für Präzision und Stabilität während des Eingriffs sowie auf schnelle Datenübertragung zwischen den Standorten auf. [9][10]
Fazit
Die Synergie zwischen künstlicher Intelligenz und chirurgischer Innovation verändert das Gesundheitswesen in einem noch nie dagewesenen Tempo. Indem sie Operationen sicherer, präziser und zugänglicher macht, verbessert KI die Behandlungsergebnisse für die Patienten und verkörpert gleichzeitig die Solarpunkwerte der Nachhaltigkeit und Gerechtigkeit. Mit dem Aufkommen neuer Technologien ist das Potenzial für KI, nämlich die Chirurgie weiter zu revolutionieren, enorm und signalisiert eine Zukunft, in der die Spitzenmedizin sowohl fortschrittlich als auch mit den Bedürfnissen von Mensch und Umwelt in Einklang gebracht wird.
Referenzen
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Robot-assisted_surgery
[2] https://time.com/7094777/medical-microinstruments-symani-surgical-system/
[3] https://www.wsj.com/health/healthcare/digital-heart-surgery-patient-treatment-c35ec4be
[4] https://www.siemens-healthineers.com/press/media-gallery?search=digital%20twin
[5] https://avendahealth.com/press/new-study-proves-ai-enhances-physicians-ability-to-identify-extent-of-prostate-cancer-with-84-percent-accuracy/
[6] https://nypost.com/2024/07/20/lifestyle/ai-detects-cancer-with-17-more-accuracy-than-doctors-ucla-study/
[7] https://www.healthcareitnews.com/ai-in-surgery-training
[8] https://www.forbes.com/ai-personalized-medicine
[9] https://www.medicaldevice-network.com/analyst-comment/telehealth-ai-remote-surgical-assistance/
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Telehealth
