Zum Hauptinhalt springen

Hautkrebserkennung: Software schlägt Doktor

Allmählich müssen Hautärzte (Dermatologen) sich Sorgen machen, dass Kollege Computer ihnen Konkurrenz macht. Grund dafür ist die zunehmende Leistungsfähigkeit von Programmen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI), die selbstständig lernen können. Das Ergebnis eines, vom Bundesministerium für Gesundheit finanzierten Projektes lässt jedenfalls Staunen: Nachdem die Software mit mehr als 12000 Bildern von klinisch bestätigtem schwarzem Hautkrebs (Melanom) und gutartigen Veränderungen (Naevi) „gefüttert“ wurde, trat das System in der zweiten Runde gegen 157 Dermatologen von zwölf deutschen Universitätskliniken an – und schlug die meisten von ihnen.

In einer Art Wettkampf waren Bilder von 80 harmlosen Muttermalen und 20 bösartigen Melanomen einzuordnen. Den Autoren der im European Journal of Cancer erschienenen Studie waren die Untersuchungsergebnisse der zugehörigen Patienten bekannt, die KI-Software sollte sich dagegen auf ihre „Erfahrungen“ aus der Trainingsrunde stützen.

Dabei schnitt sie besser ab als 136 ihrer 157 menschlichen Konkurrenten. Vom Assistenz- bis zum Chefarzt waren unter den Dermatologen alle Ränge vertreten – und doch schafften es in der Einzelwertung nur sieben von ihnen, genauer zu sein als die Software und weniger Fehler zu machen. Immerhin weitere 14 Ärzte waren aber gleich gut wie die Software.

Kein Zweifel, „der Einsatz von künstlicher Intelligenz wird in der Dermatologie zukünftig wichtiger werden, um präzise Diagnosen zu erstellen“, kommentierte Jochen Sven Utikal, Leiter der Klinischen Kooperationseinheit des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ), in einer begleitenden Pressemitteilung. Der Computer, bzw. das KI-Programm wird also zum Kollegen, ersetzen wird er den Hautarzt vorläufig aber nicht. Denn in der Praxis sind die Probleme oftmals komplizierter. Dort gilt es, zwischen mehr als 100 verschiedenen Hautveränderungen zu unterscheiden, und nicht nur zwischen Muttermalen und schwarzem Hautkrebs. Studienleiter Titus Brinker macht sich um die Zukunft offenbar keine Sorgen: „“Es ist ähnlich wie beim Autopiloten im Flugzeug: Bei gutem Flugwetter und häufigen Strecken ist das Assistenzsystem hilfreich. Bei schwierigen Landungen muss ein erfahrener Pilot hingegen Verantwortung übernehmen. Das kann ein Computer so allein nicht leisten.“

Brinker TJ et al.: Deep learning outperformed 136 of 157 dermatologists in a head-to-head dermoscopic melanoma image classification task. Eur J Cancer. 2019 Apr 10;113:47-54. doi: 10.1016/j.ejca.2019.04.001.

Mit Computeraugen auf Entdeckerreise im Gehirn

Diagnose und Operationen von Krebserkrankungen sollen mit einem neuen Computerverfahren verbessert werden, das am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg entwickelt wurde. Dreidimensionale Abbildungen- erzeugt von einem schnellen Elektronenrechner – werden es dem behandelnden Arzt erlauben, Größe und Lage von Tumoren im Gehirn besser einzuschätzen.

Einer Arbeitsgruppe der Abteilung für Medizinische und Biologische Informatik unter Leitung des Physikers Hans-Peter Meinzer gelang es, diese „Entdeckerreise“ in das Innere der Organe lebender Menschen zu ermöglichen. Hiermit wird es möglich, Organe und deren Inhalt, die sich bisher nur unscharf im Bild abgrenzen lassen, genau darzustellen.

Heutzutage werden Schnittbilder des menschlichen Körpers, die mit Hilfe der Computer- und Kernspintomografie gewonnen werden, noch auf Filmmaterial kopiert und vom Arzt auf einer Leuchtwand analysiert. Vor einer Operation steht der Mediziner dann vor der schwierigen Aufgabe, sich aus einer Fülle von zweidimensionalen Fotos eine räumliche Vorstellung über den Sitz der Geschwulst zu machen. Diese Abschätzung verlangt große Erfahrung.

Computertomografische Aufnahme des menschlichen Körpers (2011)

Computertomografische Aufnahme des menschlichen Körpers (2011)

Bei dem neuen Verfahren hingegen werden die Schnittbilder in eine computerlesbare Form verwandelt (digitalisiert) und im Rechner „aufeinandergestapelt“. Aus den Aufnahmen – bei einer Tomographie des Kopfes sind es beispielsweise 128 Schnittbilder- wird das Organ im Rechenmodell wieder zusammengesetzt und erscheint ganz auf dem Computerbildschirm.

Ein von dem Heidelberger Team erarbeiteter Demonstrationsfilm zeigt einen solchen Kopf, der scheinbar im Raum schwebt und von einem – auch nur im Rechenmodell existierenden -Lichtstrahl angeleuchtet wird. Mit dem „ray-tracing“ genannten Verfahren kann der Lichtstrahl auch tieferliegende Schichten darstellen. So wird ein Tumor innerhalb des Gehirns sichtbar. Die Darstellung ist dabei so wirklichkeitsnah, als sehe sich der Betrachter selbst im Kopf des Patienten um.

Die dreidimensionale Darstellung von Knochenstrukturen ist schon vorher in Hamburg, Berlin und in den USA gelungen. Die Methode beruht auf der „Grauwertanalyse“, bei der verschiedene Helligkeitsstufen der Schnittbilder vom Computer mit Haut oder Knochen gleichgesetzt werden. Hüft- und Kniegelenke, auch gebrochene Kiefer- und Beckenknochen werden daher an einigen Kliniken in der Bundesrepublik und den USA bereits recht plastisch auf dem Bildschirm präsentiert.

Große Probleme entstanden aber bei der Abbildung „weicher“ Organe. So haben Gehirn, Nasenschleimhaut, Augen oder Tumorgewebe auf den Schnittbildern fast identische Grautöne, die der Computer kaum unterscheiden kann. Zudem sind Tumoren in der Regel nicht eindeutig von ihrer Umgebung abgegrenzt.

Das Team des Krebsforschungszentrums ergänzte nun das Programm um ein weiteres computerlesbares Merkmal: eine Beschreibung der unterschiedlichen Formen und Strukturen der Weichteile liefert dem Computer gewissermaßen anatomische Kenntnisse.

Auf dem Bildschirm des elektronischen Helfers können so auch Weichteile unterschieden werden, die sich in ihren Graustufen sehr ähnlich sind. Daraus ergibt sich dann die Möglichkeit, die definierten Strukturen durch Rechenoperationen an den einzelnen Bildpunkten zu löschen. Auf dem Computerfilm verschwinden so nach und nach Haut und Haare von dem sich drehenden Kopf, bis nur noch die Knochenoberfläche des Schädels zu sehen ist.

Im Demonstrationsfilm gelingt es auch, die Schädelknochen verschwinden zu lassen – das Gehirn liegt nun frei. Während das „Auge“ des Computers weiter ins Innere des Gehirns vordringt, wird ein heller Fleck sichtbar, der als Geschwulst erkannt wird. Millimetergenau sind Position, Größe und Form des Tumors zu sehen.

Noch handelt es sich hier um Grundlagenforschung. Die Trennung der Organweichteile ist noch nicht perfekt, der Rechner braucht zu viel Zeit zum Aufbau des Computermodells. Notwendig sei auch, so Meinzer, eine enge Zusammenarbeit mit Kliniken, um Bildmaterial und Hinweise für eine optimale Anpassung des Verfahrens an die Bedürfnisse der klinischen Praxis zu erhalten. Es müssen Rechner mit hoher Leistung entwickelt werden, die gleichwohl für eine Klinik noch bezahlbar sind. Meinzer glaubt aber dennoch, dass das Verfahren in einigen Jahren Routine sein wird.

(erschienen in der WELT am 21. November 1989)

Was ist daraus geworden? Meinzer sollte Recht behalten: Die Rechner sind schneller geworden und billiger. Computertomografen sind heute in jeder Klinik Standard. Das Verfahren wurde und wird ständig weiterentwickelt, die Auflösung ebenfalls verbessert. Laut Wikipedia erhielten im Jahr 2009 in Deutschland fast 5 Millionen Menschen eine Computertomografie.

Technologiepark Heidelberg: Aus Forschern werden Unternehmer

Der „schnelle Transfer innovativen Wissens zu modernsten Produktionsmethoden“ wurde von Ministerpräsident Lothar Späth als eines der Hauptziele bei der Gründung des Technologieparks Heidelberg im November 1985 beschrieben: Anwendungsorientierte Forschung zum Wohle von Wirtschaft und Wissenschaft. Erste Früchte hat dieses Projekt bereits getragen. Die Wahl des Standortes Heidelberg mit seiner Vielzahl an internationalen Forschungsinstituten und der ältesten Universität auf deutschem Boden hat Manager und Wissenschaftler beflügelt.

Rund 180 Arbeitsplätze haben die Firmen geschaffen, die sich am Rande des Universitätsgeländes niedergelassen haben. Doch der Geschäftsführer der Technologiepark Heidelberg GmbH, Karsten Schröder, kann einen weiteren Erfolg vorweisen. Da die Forschung auch schon erste Früchte trägt, wurde zusätzlich ein „Produktionspark“ erschlossen, in dem ebenfalls mehr als 150 Angestellte arbeiten.

Die Stadt Heidelberg betreibt, so Schröder, keine direkte Firmenförderung, stellt aber Räume bereit, hilft beim Überwinden bürokratischer Hürden und vermittelt Kontakte nach außen. Geht alles nach Plan, wird der zweite Bauabschnitt gegen Ende 1990 fertig gestellt.

Ein Mann der ersten Stunde ist Professor Christian Birr, der mit der Gründung seiner Firma Orpegen im Herbst 1982 der Eröffnung des Technologieparks um Jahre zuvorkam. Birr ist ehemaliger Angehöriger des Max-Planck-Institutes für medizinische Forschung, von dem er sich Ende 1983 trennte. Die Patentrechte, die er während seiner Karriere als Forscher erwarb, bilden einen wichtigen Teil des Know-hows, auf dem der Erfolg der Biotechnologie-Firma ruht.

Die Firma Heidelberg Instruments überträgt Erkenntnisse, die am Institut für angewandte Physik der Universität gewonnen wurden, in die Praxis. Ein Ergebnis dieser Zusammenarbeit: der erste Laseraugentomograph, mit dem Schnittbilder des menschlichen Auges erzeugt werden können.

Prominentes Gesicht: Auch Peter Gruss, langjähriger Präsident der Max-Planck-Gesellschaft war Unternehmer im Technologiepark Heidelberg (Foto: Axel Griesch via Wikimedia Commons)

Prominentes Gesicht: Auch Peter Gruss, langjähriger Präsident der Max-Planck-Gesellschaft war Unternehmer im Technologiepark Heidelberg (Foto: Axel Griesch via Wikimedia Commons)

Werner Franke, Ekkehard Bautz, Peter Gruß und Günter Hämmerling taten sich 1983 zusammen, um die Progen Biotechnik GmbH zu gründen. Die Wissenschaftler und Professoren der Universität und des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) wollten gemeinsam mit industriellen Investoren Reagenzien und Testverfahren für Diagnostik und Therapie entwickeln.

„Biologische Altlastensanierung“ nennt sich ein Verfahren, bei dem Mikroorganismen, die im verseuchten Boden leben, aktiviert werden, um giftige Lösungsmittel und Kohlenwasserstoffe zu beseitigen. Anfang dieser Woche begannen auf dem Gelände der ehemaligen Chemiefabrik Dr. Freund in Sandhausen bei Heidelberg Bohrarbeiten für das bisher größte Projekt dieser Art in Deutschland. Entwickelt wurde das Verfahren unter Förderung des Bundesministeriums für Forschung und Technologie (BMFT) durch die International Biotechnology Laboratories GmbH (lBL).

Um es den Mikroben zu ermöglichen, die Giftstoffe in unschädliches Kohlendioxid und Wasser zu zerlegen, werden spezielle Nährstoffe in den Boden eingepresst. Wie Karl Massholder mitteilte, werden im Rahmen der Zusammenarbeit mit den Instituten für Umweltphysik, Mikrobiologie und dem Chemischen Institut weitere 17 Schadensfälle bearbeitet. IBL ist außerdem an der Finanzierung von Doktorarbeiten beteiligt, die zu neuen Lösungen bei Umweltproblemen führen könnten.

(erschienen in der WELT am 6. Oktober 1989)

Forschung betreibt vor allem die deutsche Industrie

Rund eine Milliarde Mark werden in der Bundesrepublik jährlich für die Krebsforschung aufgebracht. Bei dieser Summe handelt es sich um eine grobe Annäherung, da offizielle Zahlenangaben nicht erhältlich sind. Das liegt nicht etwa daran, dass man Zahlen für die Krebsforschung hierzulande nicht veröffentlichen will.

Vielmehr lässt sich bei einem Großteil aller Forschungsgelder nicht von vornherein sagen, zu welchen praktischen Anwendungen sie später führen werden. Das betrifft besonders die Grundlagenforschung: So kommen zum Beispiel Fortschritte auf dem Gebiet der Molekularbiologie außer der Krebsforschung unter anderem auch der Herz-Kreislauf-Forschung sowie der Arzneimittel- und Impfstoffherstellung zugute.

DKFZ-Hauptgebäude

Flagschiff der Forschung: Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg. (Foto: Tobias Schwerdt)

Mit einer Milliarde Mark aber fließt in die Krebsforschung weniger als ein Fünfzigstel dessen, was Wirtschaft, Bund und Länder insgesamt für Forschung und Entwicklung ausgeben. Die Bundesregierung finanziert Krebsforschung im weitesten Sinne mit über 250 Millionen Mark, die vornehmlich über das Bundesforschungsministerium verteilt werden.

Die größten Summen werden allerdings von der Industrie ausgegeben. Allein die deutschen Pharmakonzerne lassen sich in diesem Jahr die Erforschung von Medikamenten zur Krebsbehandlung 400 Millionen Mark kosten. Hier geht es vor allem um die Verbesserung und Neuentwicklung von Wirkstoffen zur Hemmung des Zellwachstums (Zytostatika). Auch Substanzen, die an der Regulation des Immunsystems beteiligt sind, und solche mit hormonartiger Wirkung werden untersucht.

Andere Wirtschaftsbereiche forschen kräftig mit. So war vom Elektroriesen Siemens zu erfahren, dass die Neu- und Weiterentwicklung von Geräten, die vorwiegend in der Krebserkennung und -behandlung eingesetzt werden, jährlich zwischen 150 und 200 Millionen Mark verschlingt. Es handelt sich hier um Computertomographen, Mammographiegeräte sowie Systeme für Strahlentherapie und Ultraschalldiagnose.

Der Bund fördert vor allem die Grundlagenforschung: Von der Biotechnologie erwarte man sich entscheidende Hilfen für die menschliche Gesundheit. Besonders gelte dies für die weitere Aufklärung der Tumorentstehung und der Struktur-Funktionsbeziehungen in der Immunologie und Virologie, heißt es im Bundesbericht Forschung 1988.

Der größte Posten staatlicher Förderung entfällt dabei auf das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg, eine der 13 Großforschungseinrichtungen des Bundes. Die Arbeit der 1200 Forscher wird im laufenden Jahr 119 Millionen Mark kosten. Es folgt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit über 35 Millionen Mark sowie die Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung (GSF) in Neuherberg bei München, die 22,5 Millionen für die Krebsforschung ausgibt.

Der Beitrag gemeinnütziger Vereine, die ihre Mittel aus Spenden beziehen, darf nicht unterschätzt werden. Sie springen vor allem dort in die Bresche, wo eine schnelle und unbürokratische Hilfe nötig ist. Hier ist zum Beispiel der Verein zur Förderung der Krebsforschung in Deutschland zu nennen, der 1958 gegründet wurde mit dem primären Ziel, an der Universität Heidelberg ein Krebsforschungszentrum zu errichten. Aus Spendenmitteln wurde die Betriebsstufe I des Institutes finanziert, das später zur größten Forschungseinrichtung auf diesem Gebiet in der ganzen Bundesrepublik avancierte – dem DKFZ. Dieser Initialzündung sind mittlerweile mehr als eine halbe Milliarde Mark gefolgt.

Die klinische Versorgung von Krebspatienten lässt in Deutschland nach Angaben von Experten noch manche Wünsche offen. Obwohl seit 1981 der Auf- und Ausbau von Tumorzentren und onkologischen Schwerpunkten gefördert wurde, sind personelle und sachliche Mittel weiterhin knapp. Über 20 Tumorzentren – sie sind meist den Universitäten angeschlossen – gibt es mittlerweile in der Bundesrepublik. Dennoch findet längst nicht jeder Krebspatient ein Bett in einer dieser spezialisierten Kliniken, wie Dr. Volker Budach vom Westdeutschen Tumorzentrum in Essen beklagte.

Die Kapazitäten der Universitäten würden von Problemfällen voll in Anspruch genommen; hier suchten vor allem Patienten mit Rückfällen (Rezidiven) Rat, deren Erstbehandlung in anderen Krankenhäusern oder durch den Hausarzt erfolgte. „Die Finanzierung reicht hinten und vorne nicht“, meinte der Oberarzt im Gespräch mit der WELT.

Ohne die finanzielle Unterstützung aus Drittmitteln wie DFG und Deutsche Krebshilfe wäre nicht einmal die klinische Routine möglich. Gerade die medizinische Versorgung von Tumorpatienten erfordere nämlich einen immensen Aufwand an Personal und Sachmitteln, der dem einer Intensivstation durchaus vergleichbar sei.

Lücken in der Patientenversorgung versuchen zahlreiche Gesellschaften, Organisationen und Selbsthilfegruppen zu schließen, die sich um direkte Hilfe für Tumorpatienten bemühen. Die Deutsche Krebshilfe – mittlerweile eine der größten Bürgerinitiativen in der Bundesrepublik – führt ihren Kampf gegen den Krebs unter bewusstem Verzicht auf die Inanspruchnahme staatlicher Subventionen. Im vorigen Jahr setzte der Verein über 50 Millionen Mark an Spendengeldern ein.

Neben umfangreichen Forschungsprojekten ist die Organisation auf vielen anderen Gebieten tätig: Selbsthilfegruppen, alternativen Möglichkeiten der Krebsbekämpfung, Schmerztherapie. Es gibt kaum ein Gebiet, das von dem Verein nicht gefördert wird. Hilfe für den Betroffenen soll durch Information und Aufklärungsprogramme über die Bedeutung von Früherkennung und Prävention geleistet werden. Dazu bietet der Verein eine Vielzahl von Broschüren an, die für jedermann kostenlos erhältlich sind.

Eine weitere wichtige Einrichtung für Kranke und deren Angehörige ist der Krebsinformationsdienst (KID), eine telefonische Auskunftsstelle am DKFZ, die vom Bundesgesundheitsamt dieses Jahr noch mit 550 000 Mark unterstützt wird. Unter der Telefonnummer 0800 – 420 30 40 geben Experten dort werktags von sieben bis 20 Uhr Auskunft über Adressen, Therapien, Nachsorge, Prävention und Diagnostik sowie staatliche und karitative Hilfe. Mittlerweile ist es zu bestimmten Zeiten sogar möglich, die Informationen in türkischer Sprache zu erhalten. Ein fachübergreifendes Team tritt in Aktion, wenn die Anfragen nicht spontan beantwortet werden können.

(erschienen in der WELT am 21. August 1989)

59-info@2xWas ist daraus geworden? Der obige Artikel war damals schwer zu recherchieren, weil es keine Statistik gibt, die Forschungsausgaben für ganz Deutschland nach Sachgebieten auflistet! Sicher scheint nur, dass die staatliche Förderung im Vergleich zu den USA beschämend niedrig ist. Und dass die jährlichen Einnahmen aus der Tabaksteuer (zuletzt ca. 14 Milliarden Euro) die Forschungsausgaben um ein Vielfaches übertreffen. Selbst der Krebsinformationsdienst – sicher eine der besten Einrichtungen auf diesem Gebiet – hatte zwischendurch Finanzierungsprobleme, die jetzt aber behoben sind. Und aus Dr. Budach ist Prof. Budach geworden 😉