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Diagnose per Algorithmus


Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 8/2018 vom 06.07.2018

SCHLAGANFALL Ein niederländisches Unternehmen tüftelt an einem Computerprogramm, das Hirnscans von Schlaganfallpatienten automatisch auswertet. Doch ist der digitale Doktor wirklich besser als der echte?


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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 8/2018

Auf einen Blick: Digitale Entscheidungshilfe

1 Schlaganfälle werden – je nach Auslöser – unterschiedlich therapiert. Was dem einen Patienten hilft, kann beim nächsten schwer wiegende Schäden verursachen.

2 Bevor Ärzte eingreifen, müssen sie schnellstmöglich klären, wie es zur Erkrankung gekommen ist. Anhand von Hirnscans entscheiden sie, welche Behandlung der Patient bekommen soll.

3 Ein Computerprogramm, ...

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... das verschiedene Merkmale in den Bildern vollautomatisch auswertet, könnte Mediziner in Zukunft bei der Suche nach der optimalen Therapie unterstützen.

Es geschieht oft ohne Vorwarnung: Ein Äderchen reißt oder wird blockiert, und der Blutfluss in einem Teil des Gehirns stockt. In jeder Minute, die folgt, sterben im betroffenen Areal bis zu zwei Millionen Neurone. Vielleicht merkt es der Betroffene gar nicht sofort – doch plötzlich auftretende Symptome wie Schwindel, einseitige Lähmungserscheinungen und Kopfschmerzen deuten auf den Schlaganfall hin. Die Folgeschäden sind oftmals irreparabel. In vielen Fällen endet die Attacke sogar tödlich. Weltweit sind Schlaganfälle laut WHO die zweithäufigste Todesursache; übertroffen werden sie nur von Herzkrankheiten.

Selbst wenn die Beschwerden zunächst mild erscheinen, muss ein Schlaganfall immer als lebensbedrohlich eingestuft werden. Ärzten in der Notaufnahme bleibt bestenfalls ein Zeitfenster von wenigen Stunden, um mit einer Therapie zu beginnen. Je schneller sie handeln, desto besser die Prognose. Falsche Entscheidungen können Betroffene hingegen das Leben kosten oder bleibende Behinderungen verursachen. Da die Erkrankung verschiedene Ursachen haben kann, die unterschiedliche Therapien erfordern, müssen die Mediziner rasch mehr über das geschädigte Gewebe in Erfahrung bringen. Sie scannen deshalb bei Verdacht auf einen Schlaganfall gleich das Gehirn des Patienten. Anhand der entstandenen Aufnahmen entscheiden sie, ob und wie sie die Person behandeln können.

Wenn es nach Merel Boers geht, soll ihnen dabei bald ein digitaler Assistent zur Seite stehen. Aufbauend auf ihrer Doktorarbeit an der niederländischen Universität Twente und dem Universitätsklinikum AMC in Amsterdam hat die Wissenschaftlerin zusammen mit Kollegen das Start-up Nico.lab (kurz für: Neuro Imaging Core Laboratory) gegründet, das Software zur Schlaganfalldiagnose entwickelt. Viele Informationen aus Hirnscans werden bisher nämlich nur grob oder gar nicht erfasst, sagt Boers. »Die Schlaganfalldiagnostik ist subjektiv und ungenau. Die Ärzte schauen sich die Hirnbilder lediglich an; manche Werte schätzen sie mit ein paar Mausklicks auf dem Hirnscan ab. Präzise Berechnungen fehlen völlig. Deswegen unterscheiden sich die Auswertungen von Arzt zu Arzt zum Teil stark.«

Frühe Anzeichen eines Schlaganfalls im Hirnscan erkennen selbst Personen mit geübtem Blick nicht immer zuverlässig. Für eine Studie des Universitätsklinikums Rotterdam wurden jeweils zwei von insgesamt fünf erfahrenen Medizinern gebeten, sich Hirnbilder von 260 Patienten anzusehen, die mit Verdacht auf Schlaganfall ins Krankenhaus eingeliefert worden waren. Nur in zwei von drei Fällen waren sie sich in ihrer Diagnose einig, das heißt, bei jedem dritten Patienten schätzte einer der Ärzte die Situation falsch ein.

»Flecken« im CT-Scan: Schattierung entscheidet
In der Notaufnahme sind Computertomografie(CT)- Scans oft die erste Wahl bei mutmaßlichen Schlaganfallpatienten. Einige Ärzte entscheiden sich aber dazu, den Patienten stattdessen mit Hilfe der Magnetresonanztomografie (MRT) zu untersuchen. Die Methode liefert zwar detailreichere Aufnahmen, doch sie nimmt auch mehr Zeit als eine CT-Aufnahme in Anspruch, und sie ist teurer.

Bei beiden Verfahren analysieren die Ärzte die Bilder, während der Patient noch im Scanner liegt. Ein dunkelgrauer, keilförmiger Fleck im CT-Bild, der sich deutlich vom hellgrau dargestellten Gehirn des Patienten absetzt, weist auf einen »ischämischen« Schlaganfall hin (siehe Bild rechts). Die Erkrankung wird hier durch eine verstopfte Arterie ausgelöst. Ein Blutgerinnsel – der so genannte Thrombus – verringert die Blutzufuhr in dahinterliegendes Gewebe oder unterbricht den Blutfluss vollständig. Der ischämische Schlaganfall trifft ungefähr 85 Prozent der Patienten. Bei den restlichen 15 Prozent führt eine Hirnblutung zur Störung. Hirnbereiche, die das geplatzte Gefäß zuvor versorgt hatte, erleiden, ebenso wie beim ischämischen Schlaganfall, einen Sauer- und Nährstoffmangel. Zudem übt das entwichene Blut massiven Druck auf das umgebende Hirngewebe aus, was zu weiteren Funktionsstörungen und zu Gewebeschäden führen kann.

Eine Therapie, die beim ischämischen Schlaganfall hilft, bringt einen Patienten mit Hirnblutung in höchste Lebensgefahr. Deshalb müssen die Mediziner erst klären, welcher der beiden Fälle vorliegt. Da ein Blutgefäß auch infolge eines ischämischen Schlaganfalls reißen kann, schließt ein entdecktes Blutgerinnsel eine Hirnblutung nicht automatisch aus. Jede Stunde, die nach dem Schlaganfall vergeht, erhöht außerdem das Risiko für Hirnblutungen. Aus diesem Grund existieren Vorschriften darüber, wie lange ein Arzt nach Auftreten der ersten Schlaganfallsymptome eingreifen darf. Für 95 Prozent der Betroffenen kommt die Diagnose allerdings zu spät; die Ärzte können diesen Menschen kaum noch helfen.

UNSERE AUTORIN

Katharina Müller hat kognitive Neurowissenschaften studiert und ist Projektmitarbeiterin bei der niederländischen Stiftung VHTO, die sich für Frauen in den Naturwissenschaften einsetzt.

Ein »ischämischer« Schlaganfall, ausgelöst durch eine verstopfte Ader, äußert sich im CT-Scan als dunkler Fleck (Fadenkreuz, siehe Pfeil) auf dem hellgrau dargestellten Hirngewebe.


STOCKDEVIL / STOCK.ADOBE.COM; BEARBEITUNG: GEHIRN&GEIST

Damit mehr Patienten eine Chance auf eine geeignete Therapie bekommen, hat Boers’ Firma Nico.lab ein Computerprogramm namens StrokeViewer entwickelt. Die Software verspricht eine schnelle und akkurate Auswertung von CT-Aufnahmen. Noch während der Patient im Scanner liegt, sollen seine Hirnbilder direkt über das Internet in eine virtuelle Cloud geschickt werden, in der das Programm sie auswertet. Nach drei Minuten erscheinen die Testergebnisse auf dem Tablet, Handy oder Computer des behandelnden Arztes. Dadurch will das Nico.lab die Zeit, nach der ein Patient behandelt werden kann, um etwa eine Stunde zu verkürzen.

Bisher analysiert die Software vier Biomarker. Das sind Eigenschaften des geschädigten Gehirns oder des Blutpfropfens, die möglicherweise diagnostische Aussagekraft besitzen. Sie sollen das Team auf der Intensivstation dabei unterstützen, die optimale Behandlung für jeden Patienten zu finden.

Jochen Fiebach, Leiter der Neuroradiologie im Centrum für Schlaganfallforschung an der Berliner Charité, zweifelt jedoch am Nutzen einer derartigen automatisierten Software: »Der Hirnscan ist eindeutig. Ein dunkelgrauer Fleck auf einem hellgrauen Bild – das ist die Minderdurchblutung. Oder noch deutlicher, ein weißer Fleck auf einem grauen Bild: die Hirnblutung. Dafür brauche ich keine Software. Man muss die Sache nicht komplizierter machen, als sie ist.«

Die richtige Therapie, vorprogrammiert

Doch selbst wenn der Auslöser bekannt ist, kann das Programm vielleicht manche ärztliche Entscheidung erleichtern, hofft Boers. Bis vor wenigen Jahren gab es nur eine Möglichkeit, um Arterienverschlüsse zu lösen: die Thrombolyse. Hier wird dem Patienten ein Medikament gespritzt, das den Blutpfropf angreift und zerstört. Die Behandlung blockiert allerdings auch die Blutgerinnung und macht jegliche Blutung damit lebensgefährlich. Deshalb müssen die Ärzte vor der Anwendung sichergehen, dass keine Risiken vorliegen, die gegen die Behandlung sprechen. Dazu zählen abheilende Wunden, ein Geschwür, das bluten könnte, die Gabe bestimmter Medikamente oder ein gerade erst gerissenes Gefäß.

Seit 2015 gibt es aber eine weitere Behandlungsoption. Fünf Studien haben unabhängig voneinander gezeigt, dass ein Gefäßverschluss mechanisch aus den Hirnadern herausgezogen werden kann und dass die Behandlung ähnlich sicher und effektiv ist wie die Thrombolyse. Bei dieser »Thrombektomie« wird ein sehr dünner Katheter in die Arterien der Leistengegend eingeschleust und zu den Blutgefäßen des Gehirns geführt. Sobald das Röhrchen an dem verstopften Gefäß angelangt ist, umschließt es den Blutklumpen mit feinen, spiralförmigen Drähten. So eingepackt kann die Neuroradiologin den Katheter dann zusammen mit dem Pfropf herausziehen.

Eine Blutung im Gehirn erscheint im CT-Scan als heller Fleck (Pfeil) auf grauem Untergrund.


STOCKDEVIL / STOCK.ADOBE.COM; BEARBEITUNG: GEHIRN&GEIST

Die Ärzte haben nun also die Qual der Wahl. Sie müssen abschätzen, welche Therapie die größten Chancen auf Genesung und die niedrigsten Risiken für ihren Patienten bietet oder ob es gar besser wäre, die Ansätze zu kombinieren. Manchmal eignet sich auch keiner der Eingriffe, weil beide zu riskant für den Betroffenen wären.

Hier würde eine Biomarkeranalyse helfen, glaubt Boers: »In Hirnscans verbergen sich wertvolle Informationen, aus denen wir viel lernen können. Bis jetzt lassen Ärzte diese relativ unbeachtet.« Ihre Hoffnung: Mediziner verwenden in Zukunft das Tool dazu, die optimale Therapie für jeden ihrer Patienten maßzuschneidern.

Drei der untersuchten Biomarker wertet der StrokeViewer in nur wenigen Minuten aus. Diese Werte eignen sich vor allem für die Akutdiagnose. Der vierte Parameter liefert Informationen, mit denen Ärzte die Wirksamkeit der Therapie abschätzen könnten.

Bedeutende Biomarker

In die erste Gruppe fällt die Durchlässigkeit des Blutpfropfs. Nicht jeder Thrombus blockiert ein Gefäß vollständig – einige lassen einen Bruchteil des Blutflusses durch. Mit Hilfe der Datenauswertung des StrokeViewers demonstrierte das Team um Merel Boers, dass ein durchlässiger Thrombus sich durch mechanische oder medikamentöse Behandlung zweieinhalbmal besser als ein komplett dichter Pfropf auflösen lässt. Derzeit bestimmen Ärzte vor allem die Länge des Thrombus, die sie im Hirnscan per Mausklick abmessen. Der Wert sagt allerdings nur beschränkt voraus, ob die Therapie wirken wird. Das Nico.lab hofft, dass die Durchlässigkeitsmessung genauere Vorhersagen ermöglichen wird.

Eine weitere Kennzahl, die die Software berechnet, ist der Kollateralwert. Er gibt an, wie viel Blut durch die großen Hirnarterien fließt. Damit könnten Ärzte abwägen, ob es im Gehirn ihres Patienten »Umleitungen« gibt, die Hirnbereiche jenseits des Thrombus mit Blut versorgen. Je höher die Kollateralwerte, desto schneller füllen sich die Adern im Gehirn eines Patienten. Forscher um Lucas Elijovich von der University of Tennessee erhoben für eine Studie Kollateralwerte von 50 Schlaganfallpatienten. Personen mit den höchsten Werten litten nach Thrombolyse und Thrombektomie unter den geringsten Folgeschäden. Über 50 Prozent dieser Patienten sprachen gut auf die Behandlung an. Bei der Gruppe mit schlechten Kollateralwerten profitierten aber nur weniger als 20 Prozent von den Maßnahmen. Das macht den Wert zum möglichen Marker für die Vorhersage des Therapieerfolgs.

Bislang schätzten Ärzte den Kollateralwert anhand der CT-Scans ab. Eine Neuroradiologin verabreicht dem Patienten dazu ein Kontrastmittel, dessen Verteilung sie im Scan beobachtet und misst. Dann vergleicht sie den Blutfluss in der gesunden Hemisphäre mit dem in derjenigen, die den Blutpfropf enthält. Eine Studie des Nico.lab-Teams belegte, dass die automatisch generierten Kollateralwerte des Computerprogramms mit den Diagnosen erfahrener Ärzte sehr gut übereinstimmten.

Die Software erkennt zudem Hinweise auf spezifische Gefäßrisse, die einem Schlaganfall zu Grunde liegen können. Sie analysiert nämlich, ob Blut in die Räume zwischen den Hirnhäuten eingedrungen ist und sich dort mit dem Hirnwasser vermengt hat. »Diese Art der Hirnblutung wird oft übersehen, weil sie im CT-Scan kaum auffällt. Wir dachten, wenn uns gelingt, sie verlässlich zu erkennen, können wir wahrscheinlich auch andere Hirnblutungen messen«, so Merel Boers. Patienten, bei denen viel Blut in den Raum zwischen den beiden weichen Hirnhäuten geflossen war, sind in den folgenden Wochen besonders gefährdet, einen weiteren Anfall zu erleiden. In Zukunft könnten diese Personen zur Beobachtung noch etwas länger im Krankenhaus bleiben.

Ist ein Hirngebiet längere Zeit von der Blutzufuhr abgeschnitten, sterben dort immer mehr Zellen ab – es kommt zum Gewebetod, dem so genannten »Infarkt«. Als Faustregel gilt: je größer die Gewebeschäden, umso höher das Risiko für bleibende Beeinträchtigungen. »Es kommt aber auch stark auf den Ort des Infarkts an. Mit dem Infarktvolumen allein kann man noch keine genaue Prognose stellen«, erläutert Andreas Meisel, leitender Direktor des Centrums für Schlaganfallforschung in Berlin und Oberarzt in der Klinik für Neurologie.

Ärzte können das Infarktgebiet auf den CT-Bildern händisch nachzeichnen, um sein Volumen zu berechnen. Der StrokeViewer macht das automatisch, doch die Analyse ist relativ zeitaufwändig: Es dauert etwa zwei Stunden, bis er die abgestorbenen Gebiete vermessen hat. Das Computerprogramm ist dabei aber zumindest so genau wie ein erfahrener Mediziner. Selbst wenn sich das Tool wegen der Bearbeitungszeit nicht für die Akutdiagnose eignet, findet es möglicherweise in der Nachsorge Anwendung: Vergleicht man das Infarktvolumen direkt nach dem Schlaganfall mit dem in einem neuen Scan aus der Folgewoche, kann man erkennen, ob noch mehr Gewebe abgestorben ist. Das lässt darauf schließen, wie erfolgreich die Behandlung weitere Schäden verhindert hat.

Bislang gibt es für die Schlaganfallbehandlung ein enges Zeitfenster. Nach Auftreten der ersten Symptome bleiben den Ärzten viereinhalb Stunden, um mit einer Thrombolyse zu beginnen. Weitere eineinhalb Stunden später wird auch von der Thrombektomie abgeraten. Die Richtlinien existieren, weil mit jeder vergangenen Stunde das Risiko einer Hirnblutung steigt – während die Chance, dass die Behandlung überhaupt anschlägt, gleichzeitig abnimmt.

Besonders problematisch wird das knappe Zeitbudget allerdings bei Patienten, die nicht genau wissen, wann ihre Schlaganfallsymptome zum ersten Mal auftraten. Das sind zum Beispiel Menschen, die morgens mit halbseitiger Gesichtslähmung aufgewacht sind. Auf die Frage, wann sie das letzte Mal symptomfrei waren, gibt es oft nur die Antwort: »Als ich zu Bett ging.«

Damit liegen sie jedoch weit jenseits der Sechs-Stunden-Deadline. Stünden hier Biomarker als Entscheidungshilfe zur Verfügung, könnten manche Patienten wahrscheinlich noch außerhalb des empfohlenen sechsstündigen Zeitfensters behandelt werden. Merel Boers kann sich vorstellen, dass der Kollateralwert und die Durchlässigkeit des Blutverschlusses darüber mitentscheiden, wie und ob ein Patient behandelt werden soll.

Computerhirn versus Menschenverstand

Derartige Anwendungen liegen noch in ferner Zukunft. Zuerst müssen die Forscher sinnvolle Grenzwerte für ihre Marker ermitteln, damit diese überhaupt in Behandlungsrichtlinien aufgenommen werden können. Zudem müssen sie belegen, dass der StrokeViewer zuverlässig und präzise ist, bevor das Gerät kommerziell angeboten und in niederländischen Krankenhäusern eingesetzt werden darf. Eine klinische Pilotstudie, in der die Software CT-Scans von Akutpatienten live auswertet, soll in den kommenden Jahren die nötigen Daten liefern. Wird das Programm zugelassen, rät Andreas Meisel trotzdem zur Vorsicht: Mediziner sollen bei den Ergebnissen automatisierter Programme niemals den gesunden Menschenverstand ausschalten. »Als Ärzte sind wir dazu ausgebildet, aus vielen Faktoren ein Urteil abzuleiten. Ich würde immer schauen: Passt der Wert ins Muster?«

Der Neurologe glaubt aber, dass sich die automatisierte Auswertung von Hirnscans in den nächsten Jahren schnell weiterentwickeln und Einzug in die Kliniken halten wird, »jedoch im Sinne von Assistenzsystemen, die uns Ärzten zusätzliche Informationen geben. Man darf von ihnen sicher keine Wunder erwarten. « Auch Jochen Fiebach fürchtet sich nicht davor, dass ein Computer ihn bald ersetzen wird. »Das Berufsbild der Neuroradiologen könnte sich damit allerdings durchaus verändern.«

QUELLEN

Boers, A. M. et al.: Automated Cerebral Infarct Volume Measurement in Follow-up Noncontrast CT Scans of Patients with Acute Ischemic Stroke. In:American Journal of Neuroradiology 34, S. 1522–1527, 2013

Boers, A. M. et al.: Quantitative Collateral Grading on CT Angiography in Patients with Acute Ischemic Stroke.

In: Cardoso, M. J. et al. (Hg.): Molecular Imaging, Reconstruction and Analysis of Moving Body Organs, and Stroke Imaging and Treatment. Springer International, Cham 2017, S. 176–184

Elijovich, L. et al.: CTA Collateral Score Predicts Infarct Volume and Clinical Outcome after Endovascular Therapy for Acute Ischemic Stroke: A Retrospective Chart Review.In: Journal of Neurointerventional Surgery 8, S. 559–562, 2016

Lantigua, H. et al.: Subarachnoid Hemorrhage: Who Dies, and why?In: Critical Care 19, 309, 2015

Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1570810


SERGEI LABUTIN / STOCK.ADOBE.COM; BEARBEITUNG: GEHIRN&GEIST