Künstliche Intelligenz: KI diagnostiziert Prostatakrebs sicher

Die Künst­li­che Intel­li­genz (KI) kann Pro­sta­ta­krebs mit hoher Sicher­heit iden­ti­fi­zie­ren, ergab eine neue Stu­die. Aber der spe­zi­ell trai­nier­te Algo­rith­mus kann noch mehr: Er erkennt wei­te­re Krebs­merk­ma­le, etwa die Grö­ße oder Aggres­si­vi­tät des Pro­sta­ta­tu­mors. Von Ingrid Mül­ler

Die Künst­li­che Intel­li­genz – abge­kürzt KI oder engl. AI – spielt schon heu­te in vie­len Berei­chen der Medi­zin eine wich­ti­ge Rol­le – von Apps zu Früh­erken­nung von Krank­hei­ten bis hin zu per­so­na­li­sier­ten Krebs­be­hand­lun­gen. Doch wie gut sind Maschi­nen eigent­lich, wenn es um die Dia­gnos­tik von Pro­sta­ta­krebs geht? For­scher des Uni­ver­si­ty of Pitts­burgh Medi­cal Cen­ter (UPMC) fan­den jetzt in einer Stu­die her­aus, dass die Künst­li­che Intel­li­genz hier unge­fähr genau­so gut abschnei­det wie ein Patho­lo­ge. Die KI konn­te den Pro­sta­ta­krebs mit sehr hoher Sicher­heit und Genau­ig­keit erken­nen.

Der Algo­rith­mus fand aber nicht nur her­aus, mit wel­cher Wahr­schein­lich­keit ein Pro­sta­ta­krebs vor­lag. Viel­mehr konn­te die KI erst­mals zusätz­li­che Merk­ma­le von Krebs­zel­len erken­nen, etwa den Glea­son-Score. Ihre Ergeb­nis­se ver­öf­fent­lich­ten die For­scher im Fach­ma­ga­zin The Lan­cet Digi­tal Health.

Men­schen sind gut im Erken­nen von Ver­än­de­run­gen und Auf­fäl­lig­kei­ten. Aber sie brin­gen indi­vi­du­el­le Ver­zer­run­gen, Ver­fäl­schun­gen und frü­he­re Erfah­run­gen mit ein. Maschi­nen sind dage­gen frei von die­sen Ein­flüs­sen und tra­gen daher zur Stan­dar­di­sie­rung in der Medi­zin bei.

Prof. Rajiv Dhir

Chef­pa­tho­lo­ge am UPMC und Seni­or­au­tor der Stu­die

KI: Algorithmus auf Prostatakrebs trainieren

Zunächst trai­nier­ten die For­scher die Maschi­ne dar­auf, Pro­sta­ta­krebs zu erken­nen. Sie füt­ter­ten den Rech­ner mit Bil­dern von mehr als einer Mil­li­on Gewe­be­pro­ben der Pro­sta­ta. Ärz­te hat­ten die­se im Rah­men einer Biop­sie ent­nom­men. Jede Auf­nah­me kenn­zeich­ne­ten die Patho­lo­gen als „gesund“ oder „krank“. So brach­ten sie der Künst­li­chen Intel­li­genz bei, zwi­schen nor­ma­lem und ver­än­der­tem Pro­sta­ta­ge­we­be zu unter­schei­den. Die­sen Algo­rith­mus tes­ten sie anschlie­ßend an 1.600 ande­ren Bil­dern. Sie stamm­ten von 100 Män­ner, bei denen der Ver­dacht auf Pro­sta­ta­krebs bestand.

Krebs­wahr­schein­lich­keit bei einer Gewe­be­pro­be: blau bedeu­tet nied­rig und rot hoch. Die KI stuf­te die­sen kniff­li­gen Fall kor­rekt als Pro­sta­ta­krebs ein.

Die KI konn­te Pro­sta­ta­krebs mit einer Sen­si­ti­vi­tät von 98 Pro­zent und Spe­zi­fi­tät von 97 Pro­zent dia­gnos­ti­zie­ren. Die­se Zah­len sei­en deut­lich höher als bei ande­ren Algo­rith­men, die in frü­he­ren Unter­su­chun­gen bei der Aus­wer­tung von Bil­dern von Gewe­be­pro­ben getes­tet wur­den.

Die Sen­si­ti­vi­tät ist ein Maß dafür, zu wel­chem Pro­zent­satz ein Test eine vor­han­de­ne Krank­heit – in die­sem Fall Pro­sta­ta­krebs – tat­säch­lich erkennt. Das Test­re­sul­tat ist hier posi­tiv. Die Spe­zi­fi­tät gibt dage­gen an, mit wel­cher Wahr­schein­lich­keit ein Test Gesun­de ohne die­se Erkran­kung – also ohne Pro­sta­ta­krebs – auch als gesund erkennt. Das Test­ergeb­nis ist dann nega­tiv. Je höher bei­de Wer­te sind, des­to siche­rer ist der Test.

KI erkennt noch weitere Krebsmerkmale

Der Algo­rith­mus habe aber noch wei­te­re Plus­punk­te: Neben der Dia­gnos­tik eines Pro­sta­ta­kreb­ses kön­nen die Künst­li­che Intel­li­genz noch mehr Infor­ma­tio­nen über die Krebs­zel­len lie­fern: die Tumor­grö­ße, das Gra­ding (wie ähn­lich sind die Krebs­zel­len den gesun­den Zel­len noch), die Aggres­si­vi­tät (Glea­son-Score), das Glea­son-Ver­tei­lungs­mus­ter oder ob der Krebs angren­zen­de Ner­ven befal­len habe. Die­se Para­me­ter flie­ßen in den patho­lo­gi­schen Befund mit ein und bestim­men über die Behand­lung mit.

Zudem erkannt die KI auf sechs Bil­dern einen Pro­sta­ta­krebs, den die Patho­lo­gen zuvor nicht gefun­den hat­ten. „Das bedeu­tet jedoch nicht, dass die Maschi­ne den Men­schen ein­deu­tig über­le­gen ist“, erklärt Dhir. So könn­te zum Bei­spiel ein Patho­lo­ge im Zuge der Aus­wer­tung der Bil­der schon genü­gend Bewei­se für die Bös­ar­tig­keit von Zel­len irgend­wo anders in den Pati­en­ten­pro­ben ent­deckt haben.

Was sind Künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Deep Learning?
  • Künst­li­che Intel­li­genz heißt abge­kürzt auch KI (engl. arti­fi­cial intel­li­gence oder AI). Die KI ist ein Teil­ge­biet der Infor­ma­tik, das sich mit der Auto­ma­ti­sie­rung intel­li­gen­ten Ver­hal­tens und dem maschi­nel­len Ler­nen beschäf­tigt. Künst­li­che Intel­li­genz setzt Metho­den ein, durch die ein Com­pu­ter Auf­ga­ben lösen soll, die – wenn ein Mensch sie lösen wür­de – Intel­li­genz erfor­dern.
  • Deep Lear­ning ist eine spe­zi­el­le Metho­de der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung und ein Teil­be­reich des maschi­nel­len Ler­nens. Es nutzt neu­ro­na­le Net­ze (künst­li­che Neu­ro­nen), ana­ly­siert gro­ße Daten­men­gen (Big Data) und spürt wie­der­keh­ren­de Mus­ter auf. Die Lern­me­tho­den ori­en­tie­ren sich an der Funk­ti­ons­wei­se des mensch­li­chen Gehirns. Auf der Basis vor­han­de­ner Infor­ma­tio­nen und des neu­ro­na­len Net­zes kann das Sys­tem das Erlern­te immer wie­der mit neu­en Inhal­ten ver­knüp­fen und dadurch erneut ler­nen. Das neu­ro­nal Netz gewinnt so die Fähig­keit, eige­ne Pro­gno­sen oder Ent­schei­dun­gen zu tref­fen.

Keinen Prostatakrebs übersehen dank KI

Für weni­ger erfah­re­ne Patho­lo­gen könn­te die Künst­li­che Intel­li­genz als eine „Aus­fall­si­che­rung“ die­nen, hof­fen die For­scher. Die KI könn­te dabei mit­hel­fen, sol­che Fäl­le von Pro­sta­ta­krebs auf­zu­de­cken, die sonst womög­lich über­se­hen wor­den wären. „Algo­rith­men wie die­se sind beson­ders hilf­reich bei Zell­ver­än­de­run­gen, die aty­pisch sind“, sagt Dhir. „Eine Per­son, die nicht dar­auf spe­zia­li­siert ist, kann hier even­tu­ell kei­ne kor­rek­te Ein­schät­zung lie­fern. Das ist der größ­te Vor­teil der KI.“

Auch wenn die Ergeb­nis­se der Stu­die viel­ver­spre­chend sind. Die neu­en Algo­rith­men müss­ten jetzt dar­auf trai­niert wer­den, ver­schie­de­ne Arten von Krebs auf­spü­ren zu kön­nen. Die patho­lo­gi­schen Mar­ker – also die Cha­rak­te­ris­ti­ka von Krebs­zel­len – sei­en zwar von Tumor­art zu Tumor­art sehr ver­schie­den. Es gebe jedoch kei­nen Grund, war­um die Künst­li­che Intel­li­genz nicht auch zum Bei­spiel bei Brust­krebs funk­tio­nie­ren soll­te.

Warum die KI für Pathologen wichtig ist

Die Ent­wick­lung ver­läss­li­cher Werk­zeu­ge zur Krebs­dia­gnos­tik, die auf dem Ein­satz Künst­li­cher Intel­li­genz basie­ren, ist aus ver­schie­de­nen Grün­den nötig. Pro­sta­ta­krebs ist die häu­figs­te Krebs­art bei Män­nern welt­weit – und die Zah­len wer­den in Zukunft stei­gen, pro­gnos­ti­zie­ren Exper­ten. Tat­sa­che ist, dass die Bevöl­ke­rung – ein­schließ­lich der Män­ner – immer älter wird.

Für Patho­lo­gen bedeu­te­te dies, dass sie immer mehr Gewe­be­pro­ben ana­ly­sie­ren müs­sen. In den USA sei deren Arbeits­be­las­tung schon jetzt um 41 bis 73 Pro­zent gestie­gen – und es gebe einen wei­te­ren Auf­wärts­trend bei gleich­zei­ti­gem Per­so­nal­rück­gang. So wer­de die Krebs­dia­gno­se oft erst ver­spä­tet gestellt und es könn­te zu Feh­lern in der Dia­gnos­tik kom­men. Man­che Patho­lo­gen über­se­hen einen vor­han­de­nen Pro­sta­ta­krebs oder stu­fen den Glea­son-Score nicht rich­tig ein, der Rück­schlüs­se über die Aggres­si­vi­tät des Tumors zulässt. Hier könn­te die KI als „digi­ta­ler Assis­tent“ hel­fen.

Quellen
  • Pan­t­a­no­witz L. et al. An arti­fi­cial intel­li­gence algo­rithm for pro­sta­te can­cer dia­gno­sis in who­le sli­de images of core need­le biop­sies: a blin­ded cli­ni­cal vali­da­ti­on and deploy­ment stu­dy, The Lan­cet Digi­tal Health, Volu­me 2, ISSUE 8, e407-e416, 1. August 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/S2589-7500(20)30159‑X, https://www.thelancet.com/journals/landig/article/PIIS2589-7500(20)30159‑X/fulltext
  • Uni­ver­si­ty of Pitts­burgh, https://www.upmc.com/media/news/072720-dhir-prostate-ai-lancet

Datum: 17.8.2020

Künstliche Intelligenz: KI diagnostiziert Prostatakrebs sicher

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