08.06.2017

Virtual und Augmented Reality bei der Therapie und im Operationssaal

Im Gesundheitsbereich wird derzeit am Einsatz von Virtual und Augmented Reality gearbeitet. Bei komplizierten chirurgischen Eingriffen, bei der Psychotherapie und der Pflegerausbildung soll die Technologie künftig eingesetzt werden.
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(c) asawinklabma -fotolia.com

Seit mehr als 40 Jahren leidet ein Mann unter Schmerzen im rechten Arm – jede Stunde und jeden Tag. Und das, obwohl er gar keinen rechten Arm mehr hat. Es sind Phantomschmerzen, die den 72-Jährigen seit der Amputation plagen. Nach unzähligen gescheiterten Therapieversuchen können ihm Ärzte in Göteborg endlich helfen. Sie schließen Elektroden an den Armstumpf an. Der Patient sieht sich derweil wie in einem Spiegel auf einem Bildschirm, nur dass der fehlende Arm durch einen virtuellen ersetzt wird. Eine Software misst die gesendeten Muskelsignale und macht es so möglich, den virtuellen Arm unabhängig zu bewegen. Nach einigen Wochen verschwinden die Phantomschmerzen – zum ersten Mal seit vielen, vielen Jahren.

„Wir haben diese Technologie entwickelt, um Patienten und Wissenschafter im Kampf gegen den Schmerz zu unterstützen“, sagt Max Ortiz Catalan, der Erfinder der Software. Sie ist aber nur ein Beispiel dafür, wie Virtual und Augmented Reality im Gesundheitsbereich eingesetzt werden können. Ideen dazu gibt es schon seit einigen Jahren, praxistauglich werden sie aber erst allmählich.

Die künstliche Spinne

Ein Bereich, in dem sich die Forschung bald große Erfolge durch Augmented Reality verspricht, ist die Psychotherapie, genauer gesagt die Konfrontationstherapie zur Behandlung von Angststörungen. Mittels der Technologie können künstliche Objekte in eine reelle Situation eingebunden werden. Ohne einen Ausflug in die Zoohandlung ist es so beispielsweise möglich, Menschen mit Angst vor Spinnen eines der haarigen, achtbeinigen Tiere über den Arm laufen zu lassen. Personen mit Flugangst können über eine Virtual-Reality-Brille in ein Flugzeug steigen und Start und Landung miterleben, obwohl sie eigentlich bequem auf dem Sofa sitzen. Wie wirksam diese Therapien tatsächlich sind, dazu ist man sich in der Forschung derzeit noch nicht einig. Sollte die Methode als allgemein erfolgversprechend eingestuft werden, könnte sie eine enorme Kostenerleichterung für die Patienten und die Therapeuten bedeuten.

Redaktionstipps

Ähnlich verhält es sich bei der Ausbildung von Ärzten und Pflegekräften. So bietet etwa die Plattform Medical Realities eine umfangreiche Sammlung an 360-Grad-Lehrvideos für zukünftige Chirurgen an. Das Programm würde somit „Ausbildungskosten reduzieren, ein breiteres Publikum erreichen und eine sichere Lernumgebung für Medizinstudenten bieten“, heißt es von den Entwicklern.

Second Life

Auch Krankenpfleger ler- nen während ihrer Ausbildung virtuelle Umgebungen kennen. Die Nursery University of Texas at Arlington hat sich auf Erfahrungen aus dem Spiel „Second Life“ spezialisiert. Seit 2015 setzt man bei der Ausbildung des Pflegepersonals auf die Erforschung von Anwendungsfällen mit VR-Brillen zum Erlernen eines korrekten Umgangs mit Patienten.

Schwierige Eingriffe

Selbst bei komplizierteren Operationen könnten VR- und AR-Technologien künftig helfen: Für diese sind derzeit noch viele Röntgenbilder nötig, die vor, während und nach dem Eingriff gemacht werden. Das kostet Zeit und bedeutet eine hohe Strahlenbelastung für die Patienten. An der Uniklinik München haben Forscher den sogenannten Camera Augmented Mobile C-Arm, kurz CAMC, entwickelt. Die Kamera zeigt in Echtzeit, wo sich die Hände des Chirurgen während des Eingriffs befinden. Derzeit ist dafür noch ein Bildschirm notwendig. Doch bald soll der Operateur einfach eine Datenbrille aufgesetzt bekommen. Die Entwickler des CAMC schätzen, dass ihre Technologie in den nächsten drei bis fünf Jahren in mehreren Krankenhäusern eingesetzt werden wird.

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Apollo, KI, Altgiechisch, Mistral
© Österreichische Nationalbibliothek/ÖAW/Daniel Hinterramskogler - Papyrus aus der römischen Kaiserzeit mit einer griechischen Geburtsanzeige, von Apollo rekonstruiert (Römisches Ägypten, 149 n. Chr.) und Anna Dolganov, Forscherin am Österreichischen Archäologischen Institut der ÖAW.

In Museen und Bibliotheken weltweit lagern hunderttausende Inschriften und über eine Million Papyrusfragmente aus der Antike. Der Großteil des Materials ist fragmentarisch und schwer lesbar. „92 Prozent der Papyri warten bis heute auf ihre Entzifferung. Ein gigantischer, unerschlossener Schatz der Geschichte“, heißt es per Aussendung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Genau hier möchte Apollo ansetzen.

Apollo: „Neues Fenster zu unserem gemeinsamen kulturellen Erbe“

Entwickelt wurde das Large Language Model (LLM) in einer Kooperation zwischen der ÖAW und den europäischen KI-Unternehmen Mistral AI und SAIL Reply. Am gestrigen Mittwoch präsentierten die Forschungspartner die erste Stufe des Apollo-KI-Systems, das ab sofort der Wissenschaft und der Öffentlichkeit zur Verfügung steht.

„Apollo zeigt, was europäische Zusammenarbeit leisten kann, wenn KI, die gezielt an wissenschaftliche Anforderungen angepasst werden kann, auf jahrhundertealtes wissenschaftliches Wissen trifft“, sagt Guillaume Lample, Co-Founder und Chief Scientist von Mistral. „Indem Mistrals Technologie dabei hilft, Texte wiederherzustellen, die seit zweitausend Jahren nur fragmentarisch überliefert sind, eröffnet sie ein neues Fenster zu unserem gemeinsamen kulturellen Erbe – und das ist erst der Anfang.“

600 Millionen Wörter

Die meisten Texte der Antike sind nur unvollständig überliefert und es fehlen einzelne Wörter oder sogar ganze Textpassagen. Das Sprachmodell Apollo könne fehlende Inhalte von Fragmenten eigenständig ergänzen und dabei helfen, das Verständnis und die historische Einordnung eines Schriftstückes zu verbessern.

Obwohl für das Training der KI in Altgriechisch nur 600 Millionen Wörter zur Verfügung standen – mehrere zehn Milliarden Wörter gelten üblicherweise als der Standard für LLMs – sei eigenen Angaben nach Apollo treffsicher.

„Bei einem vorhandenen Originaltext auf Papyrus erreicht das Modell bei maskierten, also bewusst versteckten Passagen eine Trefferquote von rund 80 Prozent“, erklärt Anna Dolganov, Forscherin am Österreichischen Archäologischen Institut der ÖAW und Mastermind hinter dem Projekt. Bei tatsächlich unbekannten Textlücken bewerteten internationale Fachexpert:innen, die das KI-System im Rahmen einer Blindstudie evaluiert haben, Apollos Vorschläge in 77 Prozent der Fälle als mindestens ebenso gut wie durch Menschen vorgenommene Ergänzungen und in 16–20 Prozent der Fälle sogar besser, heißt es.

Apollo erkennt Sprachstufen

Besonders beeindruckend sei zudem, wie präzise Apollo zwischen verschiedenen Sprachstufen des Griechischen unterscheiden kann, betont Dolganov: „Unser LLM kann mit vergleichsweise geringem Wissen über einen Kontext weitreichende Schlüsse ziehen. Anhand von Satzbau und Vokabular erkennt Apollo präzise, ob ein Text zum Beispiel aus Homers ‚Odyssee‘ stammt, und ergänzt ihn im passenden Sprachregister.“

Als Beweis zeigte Dolganov bei der Präsentation von Apollo etwa eine antike Geburtsurkunde, die vollständig rekonstruiert wurde. Zudem wurde eine beim Ausbruch des Vesuvs verkohlte Schriftrolle an entscheidenden Stellen „vollständig lesbar gemacht“. Und mit der Rekonstruktion einer fragmentarischen Inschrift aus dem Schwarzmeerraum hat sich der Forscherin zufolge belegen lassen, dass in einer bestimmten Region bereits römisches Recht galt. Die Aussendung sprach hierbei von einer „weitreichenden Erkenntnis, die durch einen Beleg für die römische Prostitutionssteuer untermauert wird.“

Weitere Stufen geplant

„Mithilfe der KI entsteht ein neues Bild der antiken Sozial- und Wirtschaftsgeschichte, da sich viele Erkenntnisse erst aus der Masse der Dokumente ergeben – etwa bei Steuerquittungen“, präzisiert Dolganov.

Und Heinz Faßmann, Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, ergänzt: „Apollo bringt die Erforschung von historischen Schriftstücken und Dokumenten in ein neues Zeitalter. Der Einsatz des neuen Sprachmodells wird völlig neue Forschungsfragen zulassen und unser historisches Wissen erweitern. Wir sind stolz, dass die ÖAW gemeinsam mit dem europäischen KI-Unternehmen Mistral diese wegweisende Technologie entwickelt hat. Für die Zukunft streben wir eine vertiefte Zusammenarbeit mit Mistral an.“

© ÖAW/Daniel Hinterramskogler – Heinz Faßmann, Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, bei der öffentlichen Vorstellung von Apollo.

Der ersten Stufe des Modells sollen bald noch weitere folgen. „Das Ziel ist ambitioniert, aber machbar“, wie Dolganov betont: Die KI soll künftig unerschlossene Papyri sowohl entziffern als auch rekonstruieren können. Geplant ist außerdem eine Erweiterung, mit der das Modell thematische und semantische Suchen in der gesamten griechischen Textüberlieferung durchführen sowie Parallelstellen suchen soll und so die passende Evidenz für Ergänzungsvorschläge gleich mitliefert.

Dolganov, die ÖAW und Mistral wollen jedoch bei Altgriechisch nicht aufhören. Aufbauend auf den Erfahrungen soll die KI künftig auch mit einem lateinischen Textkorpus trainiert werden. Dafür stehen dann rund zwölf Milliarden Wörter zur Verfügung. Was für das Projekt noch fehlt, sei ein passender Name.

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