Fraunhofer IZM verbindet Wearable und KI Sensorsystem unterstützt kardiologische Diagnostik

Ein am Fraunhofer IZM entwickeltes Wearable erfasst rund 240 kardiologisch relevante Parameter und lässt die Daten KI-gestützt validieren und auswerten. Wiederverwendbare Sensorpflaster, Edge Computing und Cloud-Analyse sollen die Früherkennung und Langzeitbeobachtung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen revolutionieren.

Das am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) entwickelte Sensorsystem basiert auf wiederverwendbaren Pflastern und integriert einen tragbaren Rechner, der die KI-gestützte Auswertung der gesammelten Daten ermöglicht. Mithilfe von KI können medizinische Daten so effizienter und genauer ausgewertet werden.

Auch für die erfahrensten Ärztinnen und Ärzte ist es kaum möglich, in der Diagnostik den kompletten Durchblick zu behalten: Laut WHO lassen sich 55'000 Krankheiten mit 13'000 Symptomen unterscheiden. Herz-Kreislauf-Erkrankungen, zum Beispiel Bluthochdruck, Herzschwäche und Herzrhythmusstörungen, gehören zu den häufigsten. Ein Grossteil der weltweiten Todesfälle ist auf sie zurückzuführen.

Aber sie sind gut erforscht und erkennbar. In Wearables, etwa in Smartwatches, sind oft Sensoren verbaut, die ihre Trägerinnen und Träger bei Warnzeichen alarmieren. Die umfangreiche kardiologische Diagnostik ersetzen sie nicht. Jedoch ist ein fachärztlicher Termin oft nur mit langer Wartezeit zu bekommen, und in der Praxis selbst bleibt nur wenig Zeit für die einzelnen Patientinnen und Patienten.

Um unter diesen Umständen ein vollständiges Bild vom Krankheitszustand und eine verlässliche Diagnostik zu bekommen, bietet sich die Unterstützung von Künstlicher Intelligenz (KI) an. Bei der Etablierung eines KI-Frameworks für die kardiologische Diagnostik stiess man bisher jedoch auf ein Henne-Ei-Problem: Da es kein Gerät gab, das eine Messung aller relevanten Parameter gewährleistet, gibt es keine speziell auf kardiologische Parameter trainierten KIs. Ohne eine spezialisierte KI ist jedoch auch kein vollständiges Diagnose-System möglich.

Durch das am Fraunhofer IZM entwickelte Sensorsystem rückt die Lösung dieses Problems in greifbare Nähe. Die gesammelten Daten werden von einem in das Wearable integrierten Edge-PC an die Cloud weitergegeben und dort mit Unterstützung der KI ausgewertet.

Von der Messung bis zur Diagnose

Aus den Messungen der verbauten Sensoren lassen sich etwa 240 kardiologisch relevante Parameter ableiten. Zudem können die Messergebnisse von externen Geräten, etwa Ultraschall-Geräten, eingespeist werden. Die Daten werden zur Optimierung der Zuverlässigkeit erst durch klassische Verfahren zur Signalverarbeitung und dann durch darauf trainierte KI-Modelle validiert.

Anschliessend können neuronale Netze die Morphologie der Datenkurven, also etwa die Form der EKG-Linie, auswerten, um dort Auffälligkeiten festzustellen. Diese Auswertung passiert heute oft noch händisch und stellt eine notwendige, aber zeitfressende Fleissarbeit in der klinischen Praxis dar. Dabei haben Untersuchungen mehrfach gezeigt, dass spezialisierte KIs die Auswertung sehr präzise durchführen können.

Hinzu kommen die Erkenntnisse aus der Anamnese – etwa zur familiären Krankheitsgeschichte oder zum tagesaktuellen Befinden. Durch den Einsatz von genau abgestimmten Large Language Models (LLMs), Sprachmodellen mit einem Fokus auf medizinische Themen, können diese Befragungen detailliert durchgeführt und zur Langzeitbeobachtung täglich wiederholt werden. Die Beantwortung des an kardiologischen Leitlinien orientierten Fragebogens ist per Text- und Spracheingabe möglich. Auch bei der Aufbereitung der Untersuchungsergebnisse kommen LLMs zum Einsatz. Angepasst auf die jeweilige Nutzung werden in verständlicher Sprache Auffälligkeiten, Risikofaktoren und Diagnosevorschläge ausgegeben. Dazu arbeiten im Hintergrund mehrere medizinische LLMs, darunter Googles MedGemini, deren Ergebnisse von einem übergeordneten KI-Agenten abgeglichen und auf Widersprüche überprüft werden.

Medizin der Zukunft

Durch eine solche Unterstützung von Standardprozessen könnte die fachärztliche Versorgung in Zukunft effizienter organisiert werden. Spezialisierte Systeme würden Hausärztinnen bei der ersten Früherkennung von Symptomen und Risiken zur Seite stehen und eine patientengerechte Überweisung an die richtige Stelle fördern. Fachärztinnen könnten auf ein weitaus umfangreicheres Datenset zurückgreifen und erhielten Unterstützung bei der Auswertung und Interpretation. Patientinnen und Patienten, die mit einer Herz-Kreislauf-Krankheit leben, könnte das System perspektivisch durch die Ermittlung der optimalen Medikamentendosis, angepasst an die Tagesform, unterstützen.

Die Weiterentwicklung des Sensorsystems hin zu einer KI-gestützten Validierung, Auswertung und Aufbereitung der Messungen gewährt einen spannenden Blick auf die Medizin der Zukunft. Perspektivisch ist der Einsatz von ähnlichen Systemen auch über die Kardiologie hinaus denkbar, etwa in der Lungenmedizin.