WEBVTT 00:00.000 --> 00:03.500 Wenn das Herz aus dem Tritt gerät, ist das bei gesunden Menschen 00:03.500 --> 00:05.400 meistens ein Zeichen von Stress. 00:05.940 --> 00:09.640 Aber ein stolperndes Herz kann auch ein Warnsignal für eine ernsthafte 00:09.640 --> 00:10.700 Erkrankung sein. 00:11.200 --> 00:15.080 Ursache für die Störung des normalen Herzrhythmus, sogenannte 00:15.080 --> 00:19.840 Extrasystolen, kann das gefürchtete Vorhofflimmern sein, das das 00:19.840 --> 00:23.220 Risiko eines plötzlichen Herzstillstands erhöht. 00:23.620 --> 00:28.380 In Deutschland erliegen jedes Jahr 65.000 Menschen diesem plötzlichen 00:28.380 --> 00:29.280 Herztod. 00:29.800 --> 00:33.140 Entscheidend für eine erfolgreiche Behandlung ist eine möglichst 00:33.140 --> 00:38.520 genaue Lokalisierung, wo die Extrasystolen im Herzen ausgelöst werden. 00:39.160 --> 00:43.440 Ein Forschungsprojekt am Kasseler Institut für Technologie setzt auf 00:43.440 --> 00:47.940 künstliche Intelligenz, um allein auf der Grundlage eines Standard 00:47.940 --> 00:52.500 -EKGs den Ursprung des Herzstolperns zu lokalisieren. 00:52.620 --> 00:55.840 Der normale Herzschlag, der sogenannte Sinusrhythmus, entsteht beim 00:55.840 --> 00:59.980 Sinusknoten, der im rechten Vorhof sitzt und wird dann kontrolliert 00:59.980 --> 01:03.420 übergeleitet an die Hauptkammern des Herzens und sorgt dann dort für 01:03.420 --> 01:06.980 eine sehr koordinierte elektrische Aktivierung, die dann auch zu einer 01:06.980 --> 01:09.100 effektiven mechanischen Pumpfunktion führt. 01:09.300 --> 01:13.420 Das heißt, das Blut wird, so wie es soll, effektiv durch das Herz 01:13.420 --> 01:14.020 gepumpt. 01:14.680 --> 01:18.440 Und diese Extrasystolen, die dann nicht in den Vorhöfen entstehen, wie 01:18.440 --> 01:21.940 der normale Herzschlag, sondern in den Herzkammern selbst, können an 01:21.940 --> 01:24.260 unterschiedlichsten Orten entstehen und natürlich auch zu 01:24.260 --> 01:25.300 unterschiedlichsten Zeiten. 01:25.740 --> 01:31.260 Und dieses Zusammenspiel aus Ort und Zeit entscheidet darüber, was die 01:31.260 --> 01:34.940 Konsequenz ist und ob das eventuell gar nicht wahrgenommen wird, ob es 01:34.940 --> 01:38.580 als unangenehmes Herzstolpern wahrgenommen wird oder ob es dann eben 01:38.580 --> 01:41.760 auch zu diesem lebensbedrohlichen Kammerflattern, Kammerflimmern und 01:41.760 --> 01:43.240 plötzlichen Herztod führen kann. 01:43.300 --> 01:47.700 Dr. Axel Löwe leitet das Forschungsteam zur digitalen Modellierung des 01:47.700 --> 01:51.600 Herzens am Institut für Biomedizinische Technik des Karlsruher 01:51.600 --> 01:53.360 Instituts für Technologie. 01:53.880 --> 01:58.080 Zu wissen, wo genau die arrhythmischen Schläge des Herzens ausgelöst 01:58.080 --> 02:01.980 werden, ist die wichtigste Voraussetzung für eine erfolgreiche 02:01.980 --> 02:02.740 Behandlung. 02:03.280 --> 02:07.580 Diese besteht in einer Verödung oder Applation der entsprechenden 02:07.580 --> 02:10.400 Stellen im Muskelgewebe des Herzens. 02:10.700 --> 02:14.940 Das heißt, Kardiologinnen und Kardiologen führen einen Katheter durch 02:14.940 --> 02:20.960 die Beinblutgefäße ein, dringen dann damit ins Herz vor und veröden 02:20.960 --> 02:26.840 minimalinvasiv genau den Teil des Herzgewebes, der diese störenden 02:26.840 --> 02:28.360 Extrasystolen auslöst. 02:29.120 --> 02:33.920 Und das natürlich zu lokalisieren, genau den Teil des Herzens zu 02:33.920 --> 02:38.320 finden, in dem diese automatischen Erregungen entstehen, das ist sehr 02:38.320 --> 02:43.300 zeitaufwendig, weil man natürlich Punkt für Punkt schauen muss und 02:43.300 --> 02:46.820 dann natürlich auch den richtigen Zeitpunkt erwischen, in dem dieses 02:46.820 --> 02:49.420 häufig doch relativ seltene Ereignis dann auch tatsächlich 02:49.420 --> 02:50.120 stattfindet. 02:50.780 --> 02:53.640 Das ist die Herausforderung bei der minimalinvasiven 02:53.640 --> 02:54.720 Applationstherapie. 02:54.860 --> 02:59.440 Eine grobe Lokalisierung war auch bisher schon durch ein EKG des 02:59.440 --> 03:01.280 betroffenen Herzens möglich. 03:01.600 --> 03:06.400 Erfahrene Klinikerinnen und Kliniker schauen sich die EKGs an und 03:06.400 --> 03:09.660 haben dann häufig schon eine ganz gute Vermutung, in welcher groben 03:09.660 --> 03:14.020 Region des Herzens diese Extrasystolen ausgelöst werden und müssen 03:14.020 --> 03:17.160 dann aber natürlich die entsprechende Herzkammer Punkt für Punkt 03:17.160 --> 03:20.640 absuchen und versuchen, diese Herzrhythmusstörung auch zu provozieren, 03:20.700 --> 03:24.040 um wirklich sicher zu sein, dass sie jetzt am richtigen Punkt sind und 03:24.040 --> 03:27.100 dann diese Herzrhythmusstörung langfristig auch behandeln können. 03:27.180 --> 03:31.240 Ziel des Forschungsvorhabens am Institut für Biomedizinische Technik 03:31.240 --> 03:35.500 war der Nachweis, dass sich mithilfe von künstlicher Intelligenz eine 03:35.500 --> 03:39.760 relativ genaue Lokalisierung der Extrasystolen erreichen lässt. 03:39.960 --> 03:42.680 Der Ansatz, den wir verfolgen, ist, dass wir eigentlich aus dieser 03:42.680 --> 03:48.040 Beobachtung einer Extrasystole im EKG das meiste herausholen möchten. 03:48.560 --> 03:52.480 Das ist eine routinemäßige Untersuchung, die ist nicht invasiv. 03:52.940 --> 03:56.160 Die Patientinnen und Patienten, die solche Herzrhythmusstörungen 03:56.160 --> 04:00.720 haben, bekommen eine LangzeiteKG-Aufnahme und man sieht dann im EKG 04:00.720 --> 04:04.860 diese Herzrhythmusstörungen und wir wollen jetzt die maximale 04:04.860 --> 04:09.340 Information dieses EKGs nutzen, um bereits vor der minimalinvasiven 04:09.340 --> 04:12.840 Prozedur, bevor man mit dem Katheter ins Herz geht, möglichst präzise 04:12.840 --> 04:17.940 zu lokalisieren, wo liegt diese Herzrhythmusstörung, um die Suche dann 04:17.940 --> 04:21.680 entsprechend zu beschleunigen und auch, um möglichst sicher sein zu 04:21.680 --> 04:25.240 können, dass man jetzt nicht nur irgendeine Extrasystole beobachtet 04:25.240 --> 04:29.220 hat und diesen Ort verödet, sondern dass man wirklich an dem Ort ist, 04:29.580 --> 04:33.440 der auch im Alltag die Probleme bereitet, weil man ja das Signal dann 04:33.440 --> 04:37.180 wieder vergleichen kann mit dem Signal, das man in der LangzeiteKG 04:37.180 --> 04:38.500 -Aufnahme beobachtet hat. 04:39.500 --> 04:42.640 Selbstlernende Maschinenprogramme aber müssen trainiert werden, damit 04:42.640 --> 04:46.520 sie besser als der Mensch mit den Daten des EKGs die störenden 04:46.520 --> 04:48.440 Herzschläge lokalisieren können. 04:48.900 --> 04:52.900 Die Forschenden am KIT konnten als Trainingsmaterial einen riesigen 04:52.900 --> 04:58.160 Datensatz von 1,8 Millionen EKGs mit Herzstolpersymptomen nutzen. 04:58.680 --> 05:02.920 Eine Zahl, die mit der Nutzung realer, klinischer Daten kaum zu 05:02.920 --> 05:03.860 erreichen wäre. 05:04.240 --> 05:08.220 Selbst wenn wir sämtliche klinischen Daten nutzen könnten, was in 05:08.220 --> 05:12.040 Deutschland tatsächlich sehr, sehr schwierig nur möglich ist, selbst 05:12.040 --> 05:17.300 dann wären 1,8 Millionen EKGs von Extrasystolen fast unmöglich zu 05:17.300 --> 05:22.000 bekommen, weil glücklicherweise bei den meisten Menschen, die gesund 05:22.000 --> 05:24.480 sind, diese Extrasystolen sehr, sehr selten auftreten und 05:24.480 --> 05:27.220 dementsprechend auch nicht in der Standard-EKG-Aufnahme enthalten 05:27.220 --> 05:30.120 sind, die wir beim Hausarzt vielleicht machen oder beim Kardiologen 05:30.120 --> 05:30.860 beim Check-up. 05:31.460 --> 05:35.360 Dementsprechend mussten wir uns andere Wege überlegen, wie wir an 05:35.360 --> 05:38.900 ausreichend große und qualitativ gute Daten kommen können. 05:39.320 --> 05:43.000 Dies dann erlauben auch solche modernen Methoden des maschinellen 05:43.000 --> 05:45.200 Lernens, tiefe neuronale Netze zu nutzen. 05:45.860 --> 05:52.460 Und da hatten wir das Glück, auf eine etablierte Simulationsumgebung, 05:52.500 --> 05:55.260 die hier bei unserem Institut in den letzten Jahrzehnten entstanden 05:55.260 --> 05:56.780 ist, zurückgreifen zu können. 05:57.220 --> 06:00.900 Die es uns wirklich erlaubt, ausgehend von einzelnen Zellen, Geweben, 06:01.220 --> 06:07.060 geometrischen Formen des Herzens, des Torsos auch EKG-Signale in 06:07.060 --> 06:11.280 realistischer Art und Weise zu simulieren, bei denen wir aber ganz 06:11.280 --> 06:15.820 gezielt die einzelnen Parameter so beeinflussen können, dass wir 06:15.820 --> 06:17.920 wissen, was eigentlich tatsächlich passiert ist. 06:18.040 --> 06:22.040 Das heißt, wir können im Computermodell ein bestimmtes Herz, eine 06:22.040 --> 06:25.640 bestimmte Herzanatomie nehmen und dann sagen, okay, jetzt probieren 06:25.640 --> 06:29.860 wir mal 600 verschiedene Orte von Extrasystolen in diesem Herzen aus. 06:30.440 --> 06:33.700 Und dann nehmen wir das nächste Herz und packen da auch wieder 600 06:33.700 --> 06:34.920 verschiedene Orte rein. 06:35.520 --> 06:39.080 Und dann nehmen wir jedes dieser Herzmodelle und packen das an leicht 06:39.080 --> 06:42.900 unterschiedliche Orte im Oberkörper und drehen das auch ein bisschen 06:42.900 --> 06:46.840 in dem Bereich, wie das bei Menschen eben rotiert ist im Körper. 06:47.280 --> 06:50.400 Und wenn man all diese Freiheitsgrade miteinander kombiniert, dann 06:50.400 --> 06:52.180 landet man sehr schnell bei sehr großen Zahlen. 06:52.320 --> 06:55.400 Und so sind wir dann bei diesen 1,8 Millionen simulierten EKGs 06:55.400 --> 06:59.660 gelandet, die dann die Grundlage dafür waren, dieses maschinelle 06:59.660 --> 07:03.180 Lernverfahren zu trainieren, initial zu evaluieren, zu schauen, 07:03.300 --> 07:04.300 funktioniert das gut. 07:04.760 --> 07:09.400 Natürlich mit dem Ziel, das dann auf klinische Daten anzuwenden und 07:09.400 --> 07:11.920 auch zu schauen, funktioniert das dann bei den tatsächlichen 07:11.920 --> 07:15.800 gemessenen EKGs auch, waren unsere synthetischen simulierten Daten gut 07:15.800 --> 07:16.460 genug dafür. 07:16.620 --> 07:20.760 Die so trainierten KI-Programme können den Ursprung der Extrasystolen 07:20.760 --> 07:24.360 im Herzen mit erstaunlicher Genauigkeit angeben. 07:24.500 --> 07:28.660 Ein gutes Maß für den Erfolg der Methode oder die Genauigkeit ist der 07:28.660 --> 07:29.720 Lokalisierungsfehler. 07:29.780 --> 07:30.920 Wie weit liegen wir daneben? 07:31.580 --> 07:35.060 Und bei den simulierten Daten konnten wir das bis auf wenige 07:35.060 --> 07:36.920 Millimeter genau lokalisieren. 07:37.480 --> 07:41.260 Das hat uns sehr überrascht, dass das so gut funktioniert. 07:41.900 --> 07:45.000 Wenn man das dann auf klinische Daten anwendet, wird das ein gutes 07:45.000 --> 07:47.240 Stück schlechter, eine Größenordnung ungefähr. 07:47.800 --> 07:50.540 Da sind wir dann häufig auch im Bereich von so drei bis vier 07:50.540 --> 07:55.580 Zentimetern Abweichung, was erstmal deutlich mehr ist als in den 07:55.580 --> 07:59.320 simulierten Daten und auch zeigt, wo noch Potenziale sind in der 07:59.320 --> 08:04.840 Verbesserung der Modelle, aber einen deutlichen Gewinn in der 08:04.840 --> 08:09.120 klinischen Praxis bringen kann, weil vier Zentimeter Abweichung auf 08:09.120 --> 08:12.260 der Herzoberfläche, also nicht durch das Blut, sondern wirklich nur 08:12.260 --> 08:15.660 entlang der Herzwand, grenzt den Suchbereich schon entscheidend ein. 08:16.000 --> 08:20.060 Dr. König ist überzeugt, dass sich die Genauigkeit weiter steigern 08:20.060 --> 08:20.380 lässt. 08:20.840 --> 08:24.380 Dafür müsse die Computersimulation die Besonderheiten der 08:24.380 --> 08:28.920 individuellen Anatomien des Herzens und der umliegenden Organe noch 08:28.920 --> 08:30.340 besser berücksichtigen. 08:30.600 --> 08:35.420 Wir haben die Vermutung, dass die Variabilität, die wir abbilden, in 08:35.420 --> 08:38.580 vielen Aspekten schon ausreichend ist, zum Beispiel bei der Herzform. 08:38.740 --> 08:42.780 Da gibt es sehr ausgefeilte Methoden über sogenannte statistische 08:42.780 --> 08:47.560 Formmodelle, die Variabilität abzubilden mit der Rotation im Körper 08:47.560 --> 08:49.820 und der Position des Herzens im Oberkörper. 08:50.400 --> 08:53.600 Was Herzformen angeht, was Herzgrößen angeht, was 08:53.600 --> 08:56.760 Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Herzen angeht, das haben wir alles 08:56.760 --> 08:57.620 gut abgebildet. 08:58.360 --> 09:02.820 Und mein Eindruck und die Diskussion dieser Arbeit auch ist, dass wir 09:02.820 --> 09:04.960 im Herzen das schon relativ gut sind. 09:05.160 --> 09:09.060 Wo wir noch mehr Variabilität abdecken müssen, ist im Bereich zwischen 09:09.060 --> 09:10.240 Herz - und Körperoberfläche. 09:10.420 --> 09:15.300 Also die Variabilität der Oberkörperformen, der Organe, dazwischen ist 09:15.300 --> 09:18.500 die Lunge, die eine stark andere elektrische Leitfähigkeit hat als das 09:18.500 --> 09:21.020 Herzgewebe oder das umgebende Gewebe. 09:21.160 --> 09:25.740 Dort haben wir noch nicht ausreichend viel Variabilität und das ist 09:25.740 --> 09:29.600 mit einen Grund meiner Überzeugung nach, warum wir noch diese 09:29.600 --> 09:33.020 Diskrepanz haben und auf den klinischen Daten noch nicht so gut sind, 09:33.160 --> 09:33.980 wie wir gern sein würden. 09:34.180 --> 09:39.200 Jetzt am KIT erfolgreich erprobte Strategie hat entscheidende Vorteile 09:39.200 --> 09:43.980 gegenüber anderen Forschungsansätzen, die ebenfalls auf eine genauere 09:43.980 --> 09:46.980 Lokalisierung der Extrasystolen zielen. 09:46.980 --> 09:51.660 Es gibt andere Ansätze, die genau das gleiche Ziel verfolgen, aus 09:51.660 --> 09:55.580 gemessenen Vielkanal-EKGs auf der Körperoberfläche zurückzuschließen 09:55.580 --> 09:57.080 auf die Aktivität des Herzens. 09:57.200 --> 10:00.100 Das ist ein großer Forschungsbereich, das inverse Problem der 10:00.100 --> 10:03.860 Elektrocardiographie oder auch ECG Imaging genannt, die mit 10:03.860 --> 10:07.080 klassischen Methoden der inversen Probleme Regularisierung 10:07.080 --> 10:09.740 zurückrechnet von der Körperoberfläche aufs Herz. 10:10.300 --> 10:15.080 Das ist ein aktives Forschungsfeld und diese Methoden benötigen immer 10:15.080 --> 10:20.080 eine bildgebende Aufnahme des Herzens und des Körpers. 10:20.460 --> 10:23.600 Um so eine Methode anwenden zu können, muss der Patient, die Patientin 10:23.600 --> 10:27.420 erstmal ins CT oder ins MRT, um dann ein anatomisches Modell des 10:27.420 --> 10:29.380 individuellen Patienten zu bauen. 10:30.020 --> 10:31.720 Das erfordert unsere Methode nicht. 10:32.360 --> 10:35.760 Das heißt, das war jetzt für uns erstmal der große Schritt, zum einen 10:35.760 --> 10:40.880 zu zeigen, wir können das auch ohne klassische inverse Rekonstruktion 10:40.880 --> 10:43.960 reinen Garten getrieben mit Methoden des maschinellen Lernens. 10:44.660 --> 10:48.460 Punkt zwei ist, das maschinelle Lernen kann so gut generalisieren, 10:48.700 --> 10:51.420 dass wir keine patientspezifische Bildgebung brauchen. 10:52.000 --> 10:56.200 Das heißt, eine Strahlenbelastung durch CT oder ein kostenintensives 10:56.200 --> 10:59.120 MRT ist mit dieser Methode nicht nötig. 10:59.460 --> 11:02.860 Um wirklich in die klinische Anwendung zu kommen, muss die 11:02.860 --> 11:05.520 Lokalisierungsgenauigkeit noch besser werden als diese vier 11:05.520 --> 11:06.080 Zentimeter. 11:06.620 --> 11:11.060 Das ist ungefähr auf einem Level mit dem, was mit klassischen inversen 11:11.060 --> 11:12.200 Methoden möglich ist. 11:12.680 --> 11:15.900 Diese Methoden sind zum Teil in der klinischen Forschung im Einsatz, 11:16.040 --> 11:19.860 werden dort verwendet, haben es aber noch nicht in die klinische 11:19.860 --> 11:21.120 Routineanwendung geschafft. 11:21.840 --> 11:25.280 Und der Grund dafür ist zum einen, dass es aufwendig ist, man braucht 11:25.280 --> 11:28.820 die Bildgebung und zum anderen ist es die mangelnde Verlässlichkeit 11:28.820 --> 11:32.780 oder die mangelnde Lokalisierungspräzision mit diesen mehreren 11:32.780 --> 11:33.500 Zentimetern. 11:34.140 --> 11:37.040 Und da müssen wir jetzt einfach daran arbeiten, dass unsere 11:37.040 --> 11:40.260 Vorwärtsmodelle besser werden, sodass wir diese Lücke, die wir noch 11:40.260 --> 11:43.520 zwischen der Performance auf den simulierten Daten und der Performance 11:43.520 --> 11:46.560 auf den klinischen Daten haben, dass wir die verringern können. 11:47.360 --> 11:50.520 Und ich würde sagen, wenn wir von den vier Zentimetern auf zwei 11:50.520 --> 11:54.420 Zentimeter kommen, dann wird auch der Enthusiasmus in der klinischen 11:54.420 --> 11:57.500 Community von ganz alleine kommen, weil das dann einfach ein 11:57.500 --> 12:01.080 wertvolles Werkzeug ist, das die tägliche Arbeit beschleunigt, 12:01.340 --> 12:04.740 erleichtert und damit zum einen günstige macht, zum anderen aber 12:04.740 --> 12:07.340 natürlich auch die Risiken für die Patientinnen und Patienten 12:07.340 --> 12:10.600 verringert, weil die Prozeduren nicht mehr so lange dauern.