Uhren, Daten, Algorithmen – die Zukunft der Gesundheit ist digital

Ein Algorithmus, der Hautkrebs erkennt, und ein Armband, das vor Herzinfarkten warnt: Große Player und kleine Start-ups liefern sich ein Rennen um die Zukunft der Gesundheit. Allgegenwärtig: Digitalisierung und Big Data. Ein Überblick über Gesundheitstechnologien der Zukunft – die schon heute in Laboren existieren.

Von Alexander Zimmermann

(veröffentlicht in Ausgabe 01|2021)

Mit künstlicher Intelligenz aus Heidelberg gegen Hautkrebs

Arzt versus Algorithmus – wer gewinnt? Schaut man auf eine künstliche Intelligenz, die in Heidelberg gemeinsam vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ), der Universitäts-Hautklinik und dem Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) entwickelt wurde, geht der Punkt klar an den Algorithmus. Dieser ist zwar noch visionär, jedoch schon mehr als bloße Zukunftsmusik.

Im Jahr 2019 veröffentlichten NCT und DKFZ bereits die Ergebnisse eines Experiments, das nicht nur die Präzision, sondern zugleich die Funktionsweise des Algorithmus demonstriert. Die künstliche Logik analysiert dabei mit einer einfachen Kamera aufgenommene Bilder von Hautveränderungen wie etwa Leberflecken oder Muttermalen Pixel für Pixel und bewertet sie nach verschiedenen Kriterien wie Farbe, Beschaffenheit der Ränder, Regelmäßigkeit und anderem. Handelt es sich um ein einfaches Muttermal oder möglicherweise um Hautkrebs? Für das Experiment wurden 100 Bilder von Hautveränderungen sowohl durch den Algorithmus als auch durch 157 Hautärzte an zwölf deutschen Unikliniken bewertet. Das Ergebnis: Nur sieben Dermatologen schnitten besser ab als der „digitale Hautarzt“ – 14 lagen genauso häufig richtig wie der Algorithmus, und 136 Hautärzte schnitten schlechter ab.

Die Möglichkeiten einer solchen Technologie liegen auf der Hand: Der Algorithmus kann eine gute erste Einschätzung geben, ob sich die Kontrolle durch einen Dermatologen empfiehlt. Ersetzen kann er einen echten Arzt, so die Einschätzung der Mediziner, in den nächsten zehn Jahren sicherlich nicht. Denn wo das Programm nur zwischen schwarzem Hautkrebs und Muttermal unterscheidet, gibt es in der Realität noch zahlreiche Abstufungen und weitere Diagnosen. Sei es durch Tasten, durch das Betrachten unter dem Mikroskop oder durch eine Biopsie – die Analyse durch einen Hautarzt hat deutlich mehr Facetten als die rein oberflächliche Betrachtung. Dennoch könnte auf lange Sicht sogar ein App-basierter Einsatz denkbar sein. Jochen Sven Utikal, Leiter der Klinischen Kooperationseinheit des DKFZ, fasst es so zusammen: „Der Einsatz von künstlicher Intelligenz wird in der Dermatologie zukünftig wichtiger werden, um präzise Diagnosen zu erstellen. Der Algorithmus könnte die klinische Beurteilung von Hauttumoren sinnvoll ergänzen.“

Big Data, Wearables und die Intelligenz der Masse

Medizin- und Pharmaunternehmen, Apple, Google, Facebook, Start-ups wie Medopad, Somatix oder Ybrain – das Rennen um die Gesundheitsdaten der Menschen hat längst begonnen. Nicht nur bei Arztbesuchen werden digitale Daten über unsere Gesundheit oder Krankheit erfasst. Vor allem der Markt der Wearables bringt Hardware jeder Art hervor, die in der Lage ist, Daten zu sammeln: von Fitness-Armbändern (kleiner Reminder: Google kaufte Ende 2019 den Fitness-Armband-Hersteller Fitbit für 2,1 Milliarden Dollar auf) über Schuh-Sensoren und Smartwatches bis hin zu Bluetooth-Kopfhörern, die den Puls messen. Das sind Unmengen von Daten. Doch abgesehen von der Sicherheits-Debatte sowie allgemeinem Zukunftspessimismus und der Sorge, die Daten könnten in falsche Hände gelangen (ein durchaus realistisches Szenario), können diese Informationen auch helfen, die Wissenschaft und damit unsere Gesundheit in den nächsten Jahren und Jahrzehnten signifikant voranzubringen. Zahlreiche Unternehmen beschäftigen sich mit der bestmöglichen Nutzung, Auswertung und Interpretation dieser Daten. Es geht um die Deutungshoheit: Das frühzeitige Erkennen von Herzinfarkten, Schlaganfällen, Krebs und zahlreichen anderen Krankheiten ist daran gekoppelt.

Big Data ist schon heute ein großes Thema der Healthcare-Industrie und wird es laut einer 2019 veröffentlichten Deloitte-Studie garantiert auch in den nächsten Jahrzehnten bleiben. Das Jahr 2040, heißt es in der Studie, wird in dieser Hinsicht Welten von dem entfernt sein, was wir heute kennen. Grund für die schnelle Entwicklung ist das exponentielle Wachstum – nicht nur im Bereich der Gesundheitsdaten, sondern auch bei den Innovationen. Sogenannte „Always-on-Sensoren“, die kontinuierlich Daten aufzeichnen und zu denen beispielsweise auch Smartwatches gehören, sorgen dafür, dass über immer mehr Menschen immer mehr Daten vorliegen und der Wissenschaft zur Verfügung stehen. Die Kunst wird es sein, diese durch die richtigen Algorithmen sinnvoll auszuwerten und zu nutzen. Oder anders ausgedrückt: Die Digitalisierung ist heute einer der größten Treiber für den Gesundheitsbereich. Die Sicherheitsfrage und der Schutz der Daten werden dabei eine große Rolle spielen (müssen). Wer mehr über das Thema Big Data und Healthcare erfahren möchte, kann die Deloitte-Studie („Forces of change – The Future of Health“, The Deloitte Center for Health Solutions) lesen.

BCI – die Schnittstelle zwischen Gehirn und Technik

Während der Algorithmus aus Heidelberg eher dazu dient, Krankheiten frühzeitig zu erkennen, geht es bei der BCI-Forschung insbesondere darum, erkrankten und körperlich eingeschränkten Menschen zu helfen und das Leben zu erleichtern. BCI steht hierbei für Brain-Computer-Interface, also eine Schnittstelle vom Gehirn zu einem Computer oder einer Recheneinheit. Vereinfacht ausgedrückt messen dabei Sensoren die elektrischen Ströme der Synapsen im Gehirn und geben diese an eine Recheneinheit weiter, die die Signale verarbeitet. Die unterschiedlichsten Einsatzgebiete sind möglich – so lassen sich beispielsweise ein Mauszeiger oder auch eine Tastatur komplett durch die Gedanken und die BCI steuern. Ein querschnittgelähmter Mensch kann damit also einen Rechner bedienen. Unter anderem beschäftigt sich die Hochschule Rhein-Waal im nordrhein-westfälischen Kleve mit diesem Thema. „EEG-based brain-computer interfaces for use in health care“ heißt ihr Projekt, bei dem Gehirnaktivität in Computerbefehle umgewandelt wird. Aber auch die Übertragung von Bewegungen ist möglich – hiermit beschäftigt sich etwa das französische Unternehmen „Clinatec“. Exo-Skelette und Prothesen können durch die Gedanken an Bewegung und eine entsprechende BCI-Technologie gesteuert werden. In den Versuchen werden zunächst die Signale gemessen, die das Gehirn durchwandern, wenn ein Mensch beispielsweise nach vorne oder nach hinten laufen, den Arm heben oder die Hand schließen will. Diese werden später vom BCI erkannt und über elektrische und mechanische Impulse an das Exo-Skelett, eine Art Ganzkörperanzug, weitergegeben. Die Beine bewegen sich, der Arm hebt sich, die Hand schließt sich zur Faust. Wie das funktioniert, ist unter anderem in einem Video zu „Brain-Controlled Exoskeleton“ von Bloomberg zu sehen.

Analysten gehen davon aus, dass sich im BCI-Bereich in den kommenden Jahren noch extrem viel bewegen wird. Neben den bisherigen Errungenschaften hat die Forschung auch schon einige spielerische Nebenaspekte hervorgebracht. So lassen sich schon heute Drohnen nur via Gedankenkontrolle steuern.

Der X-Faktor – wie künstliche Haut vor Herzinfarkten schützt

X (zuvor Google X) heißt die Forschungsabteilung des Internet-Riesen Alphabet Inc., des Mutterkonzerns von Google. Hier werden unterschiedlichste Zukunftsprojekte angestoßen und erforscht. Einige von ihnen werden realisiert, andere werden eingestellt, und ihre Unterlagen landen im Aktenvernichter (ein besonders spannendes, aber gescheitertes Projekt stellen wir weiter unten vor). Während aktuell vor allem „luftige“ Themen dominieren (etwa die Auslieferung von Post und Lebensmitteln mit Drohnen, die flächendeckende Internet-Abdeckung durch Heißluftballons mit Funksendern oder auch die Energiegewinnung durch riesige, schwebende Solar-Drachen), wurde vor einiger Zeit auch ein ganz besonderes Projekt bekannt, an dem in den X-Laboren geforscht wird: die synthetische Herstellung menschlicher Haut. Dabei geht es gar nicht wirklich um die Haut, sie dient vielmehr dazu, einen menschlichen Arm „nachbauen“ zu können. Denn das eigentliche Interesse der Wissenschaftler gilt einem Armband, das später in der Lage sein soll, Herzinfarkte und Krebs frühzeitig zu erkennen. Getestet werden die Prototypen des Armbands an einem Arm, der in Teilen mit synthetisch hergestellter Haut, zum anderen mit echter Spenderhaut überzogen ist. Anders als bei „normalen“ Fitness-Armbändern bedarf es für die Früherkennung hier noch einer zweiten Maßnahme: Patienten müssen eine Tablette mit Nano-Partikeln schlucken, die sich im Körper verbreiten. Die Partikel setzen sich ausschließlich an Krebszellen ab und werden dort aktiviert, sie leuchten sozusagen auf, sobald sie eine Verbindung mit einer Krebszelle eingegangen sind. Das Armband empfängt dieses Signal und schlägt Alarm. Wann ein solches Armband marktreif sein könnte, ist aktuell noch nicht bekannt. Ein Interview des Magazins „The Atlantic“ mit X-Abteilungs-Chef Dr. Andrew Conrad zu der Technologie gibt es hier.

Smarte Kontaktlinsen statt Insulinspritzen?

Dieses ehrgeizige Forschungsprojekt musste Google mittlerweile wieder verwerfen

Bis zum Jahr 2018 war eines der wichtigsten Projekte in Googles X Labs ziemlich klein, durchsichtig und auf den ersten Blick unscheinbar: eine Kontaktlinse. Genauer gesagt war es eine smarte Kontaktlinse, die kontinuierlich über die Tränenflüssigkeit den Blutzuckerspiegel des Trägers messen sollte. Gedacht war das Projekt für Diabetiker und Zuckerkranke, um ihnen ein möglichst normales Leben ohne Einschränkungen und vor allem ohne die regelmäßig selbst zu verabreichenden Insulin-Spritzen zu ermöglichen. Der Gedanke dahinter klang vielversprechend: Sensoren messen kontinuierlich den Zuckergehalt der Tränenflüssigkeit und geben den Wert über einen Sender an ein Implantat weiter, das darauf mit geringsten Mengen und feinsten Dosierungen reagieren und den Insulingehalt im Körper stets auf dem gleichen Level halten kann. Doch nach vier Jahren Entwicklungszeit kam das Team der Google-Tocher Verily, die mit der weiteren Entwicklung betraut worden war, zu dem Ergebnis, dass die Ziele zu ehrgeizig waren und die Umsetzung nicht möglich sei. Die größte Hürde war das verlässliche Messen des Blutzuckergehalts – die Glukosewerte in der Tränenflüssigkeit schwankten zu stark, die Bedingungen waren durch äußere Einflüsse zu variabel für genaue Testergebnisse. Also wurde das Projekt eingestellt. Das bedeutet allerdings nicht, dass bei Google die Themen Mikro-Messgeräte und Kontaktlinsen komplett vom Tisch sind. An beidem wird nach wie vor weitergeforscht: Neben Miniatur-Sonden, die unter der Haut den Blutzuckerspiegel messen, entwickelt Verily derzeit sowohl eine Linse, die nach einer Operation gegen Grauen Star (Katarakt-OP) implantiert werden kann, als auch ein Modell, das – ähnlich einem Kameraobjektiv – eine verstellbare Tiefenschärfe haben soll, um die sich mit den Jahren verändernde Alterssehschwäche individuell ausgleichen zu können.

Dieser Beitrag erscheint mit freundlicher Genehmigung des Jahreszeiten-Verlags, der unter anderem das Zukunfts-Magazin verlegt.

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