Der Doc im Smartphone
Das Mikrofon des Smartphones auf die Brust halten, wenige Sekunden warten und erste Hinweise darauf erhalten, ob Anzeichen einer Herzerkrankung vorliegen – das könnte schon bald auch von nicht medizinisch versierten Personen durchgeführt werden.
Text: Anja Brandt; Fotos: Axel Kirchhof, Anja Meyer
Grundlage dafür ist eine App, die die beiden Kardiologen Dr. Leander Melms und Dr. Maximilian Priebe, Assistenzärzte in der Klinik für Kardiologie des Universitären Herz- und Gefäßzentrums und Gründer des Start-ups „Theodor Health“, entwickelt haben. In klinischen Studien erprobt wird sie im UKE; vor allem Herzklappenerkrankungen sollen so frühzeitig erkannt werden. „Im höheren Lebensalter ist die Dunkelziffer unentdeckter Herzklappenerkrankungen hoch. Mit einem niedrigschwelligen, breit einsetzbaren Screening-Tool wie dieser App können wir perspektivisch erstmals in großem Maßstab erheben, wie verbreitet Herzklappenerkrankungen in dieser Altersgruppe tatsächlich sind“, sagt Priv.-Doz. Dr. Nils Sörensen, Studienleiter aus dem Herz- und Gefäßzentrum.
Neben Herzklappenerkrankungen sollen auch Herzrhythmusstörungen sowie auf längere Sicht chronische Lungenerkrankungen frühzeitig erkannt werden – ortsunabhängig und ohne zusätzliche Hardware. Über die Website theodor.ai steht die Anwendung bereits heute sowohl medizinischem Fachpersonal als auch Laien in einer Demo-Version zur Verfügung. Ein App-Download ist nicht notwendig: Jede und jeder kann das Verfahren direkt im Browser ausprobieren. „Wir wollen das Smartphone in ein diagnostisches Tool transformieren, das schnell und einfach jederzeit genutzt werden kann“, sagt Dr. Maximilian Priebe. Die Technologie solle die ärztliche Diagnostik aber nicht ersetzen, sondern um eine niedrigschwellige Möglichkeit zur Früherkennung ergänzen. Sie könne „Hinweise auf bislang unentdeckte Auffälligkeiten liefern und damit den Weg zu einer weiterführenden Diagnostik ebnen“, so Priebe.
Herztöne neu hören
Die App funktioniert unkompliziert: Ein handelsübliches Smartphone wird auf der linken Brustseite positioniert. Ein Knopfdruck genügt, und das integrierte Mikrofon zeichnet 15 Sekunden lang die akustischen Signale des Herzens auf. Anschließend analysiert die Theodor-Health-Software unter anderem Herzfrequenz, Herzrhythmus, Atemfrequenz und charakteristische akustische Muster. Dabei geht es insbesondere darum, Veränderungen zu erkennen, die etwa mit Herzklappenerkrankungen, Herzrhythmusstörungen, Lungenfibrose, COPD oder Asthma in Zusammenhang stehen könnten. Die Aufnahmen werden innerhalb von Sekunden ausgewertet; Nutzer:innen erhalten unmittelbar im Anschluss ein Ergebnis – verständlich aufbereitet und mit möglichen Hinweisen auf eine Erkrankung.
„Die Technologie soll die ärztliche Diagnostik nicht ersetzen, sondern um eine Möglichkeit zur Früherkennung ergänzen.“
Dr. Maximilian Priebe
Digitales Stethoskop
Mit der App haben die Kardiologen ein seit Langem etabliertes diagnostisches Prinzip digital erweitert. Bei der klassischen Auskultation, dem Abhören mit dem Stethoskop, beurteilen die Ärzt:innen unmittelbar die von ihnen wahrgenommenen Herz- und Lungengeräusche. Die digitale Variante zeichnet dagegen diese Signale zunächst auf und macht sie anschließend einer algorithmischen Analyse zugänglich. So können nicht nur einzelne Untersuchungen standardisiert erfasst, sondern auch große Mengen von Audiodaten systematisch ausgewertet und über einen längeren Zeitraum zur Verlaufskontrolle herangezogen werden.
Die Grundlage der App bildet eine umfangreiche Datenbasis: Theodor Health sammelt Herz- und Lungengeräusche und verknüpft sie – nach ausdrücklicher Einwilligung durch die Nutzenden – mit deren Angaben aus einem Anamnesebogen. Die anonymisierten Daten werden für die Entwicklung und das Training der Künstlichen Intelligenz (KI) genutzt. Auf diese Weise soll der Algorithmus lernen, charakteristische akustische Muster mit bestimmten gesundheitlichen Auffälligkeiten in Verbindung zu bringen.
Technisch läuft das in mehreren Schritten ab: Zunächst wird die Audioaufnahme in ein Spektrogramm umgewandelt – eine Art visuelles Muster, das sichtbar macht, welche Frequenzen zu welchem Zeitpunkt in der Aufnahme auftreten. Darin markieren und kategorisieren Expert:innen einzelne akustische Ereignisse, etwa ein bestimmtes Herzgeräusch. Ferner dienen Echokardiographie und Elektrokardiogramm (EKG) als Goldstandard der Analysen. Mit diesen gelabelten Daten wird ein neuronales Netzwerk trainiert – eine KI-Methode, die lernt, Muster zu erkennen und auf neue Aufnahmen zu übertragen. „Wir haben die App mit hunderttausenden Herz- und Lungenaufnahmen trainiert. Je größer und vielfältiger der Datensatz, desto besser kann der Algorithmus unterschiedliche akustische Muster erkennen und voneinander unterscheiden. Besonders auch solche, die wir mit dem menschlichen Gehör nur schwer erfassen können und für die es eine gewisse Übung und Erfahrung braucht“, sagt Dr. Leander Melms.
Erste Ergebnisse
In ersten internen Tests erreichte die KI bei der Erkennung von Herzgeräuschen bereits eine Sensitivität und Spezifität von jeweils über 90 Prozent – also mehr als neun von zehn Personen wurden richtig als gesund oder krank diagnostiziert. Diese Ergebnisse werden aktuell in klinischen Studien an einer größeren Patient:innenzahl im UKE überprüft. Aktuell laufen zudem Zertifizierungsverfahren zur Zulassung von Theodor Health als Medizinprodukt – sowohl für die CE-Kennzeichnung in Europa als auch die FDA-Zulassung in den USA.
Mehr Informationen?
Hier geht’s direkt zu Theodor Health: theodor.ai