30.10.2023

Sleep Disorder: AI aus Innsbruck entdeckt gesundheitsgefährdende Schlafstörungen

Nächtliche Ausbrüche sind eine Folge von einer gestörten REM-Phase. Diese Schlafstörungen können erhebliche gesundheitsgefährdende Auswirkungen haben. Ein österreichisches Forschungsteam setzt daher auf künstliche Intelligenz, um Hinweise auf mögliche neurologische Erkrankungen zu finden.
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(c) Med Uni Innsbruck - Ein Innsbrucker Team hat einen KI-basierten Ansatz zur Erkennung von REM-Schlaf-Verhaltensstörungen entwickelt.

Es ist ein großes Thema in der Startup-Szene: Schlaf. Während sich manche damit brüsten, so wenig wie möglich zu schlafen, da es zum Wesen von Entrepreneurship gehöre, warnt die Forschung, nicht erst seit gestern, vor den Folgen von schlechter Schlafqualität. Dass dazu aber mehr gehört als die Anzahl an Stunden, die man schlafend verbringt, zeigt nun ein Innsbrucker Forschungsteam, das sich mit Schlafstörungen befasst.

Alptraum Schlafstörung

Schlafstörungen können die Nacht zum Alptraum werden lassen und sind auch ein zuverlässiger Vorbote für Parkinson und andere Erkrankungen des Nervensystems. Die Tiroler Schlafexperten haben daher diverse Technologien in einem neuen Diagnoseinstrument kombiniert und ein System entwickelt, das sogar auf EU-Ebene weiter entwickelt werden soll.

Menschen, die an einer Schlafstörung leiden, seien nicht sie selbst, wenn sie schlafen oder träumen, sagt Birgit Högl, Neurologin und Leiterin der Abteilung für Schlafstörungen an der Medizinischen Universität Innsbruck: „Sie werden zum Beispiel aggressiv oder gefährlich. Jeder, der mit ihnen das Bett teilt, kann mit einer aufgeplatzten Lippe oder einem blauen Auge enden. Und sie neigen auch dazu, sich selbst zu verletzen, zum Beispiel wenn sie aus dem Bett fallen“, sagt sie.

Isolierte REM-Schlaf-Verhaltensstörung

Diese nächtlichen Ausbrüche werden in der Regel durch eine sogenannte isolierte REM-Schlaf-Verhaltensstörung (iRBD) verursacht. REM, oder Rapid Eye Movement, bezeichnet das Schlafstadium, in dem sich ein gesunder Mensch normalerweise überhaupt nicht bewegt. Högl schätzt, dass einer von 100 Menschen an iRBD leidet, die Männer und Frauen gleichermaßen betrifft und häufiger bei älteren Menschen diagnostiziert wird. Genaue Zahlen seien allerdings schwer zu ermitteln, da die Betroffenen oft nichts von ihrer Erkrankung wissen und Patienten:innen, die mit entsprechenden Symptomen vorstellig werden, meist lange auf eine Untersuchung warten müssen.

Vor diesem Hintergrund hat Högls Forschungsgruppe ein Werkzeug entwickelt. In Zusammenarbeit mit Heinrich Garn und Bernhard Kohn vom Austrian Institute of Technology (AIT) wurde eine Hightech-Kamera mit Künstlicher Intelligenz ausgestattet, um iRBD-spezifische Bewegungen zu erkennen.

„Die Methode hat sich als so genau erwiesen, dass sie für den Einsatz im Krankenhaus geeignet ist“, sagt Matteo Cesari, Bioingenieur und Erstautor einer aktuellen Studie, die Teil des Projekts ist. Der österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) finanzierte das Projekt, das mittlerweile zu einem EU-Projekt geworden ist, in dem die Forscher:innen die Technologie weiterentwickeln, um sie für Massenscreenings tauglich zu machen.

Neurodegenerativer Prozess

Die isolierte REM-Schlaf-Verhaltensstörung stellt nicht nur eine Gefahr für die Betroffenen und die in ihrer Nähe schlafenden Menschen dar, es gilt auch als empfindlichster und spezifischster Marker für absterbende Nervenzellen. Um diesen neurodegenerativen Prozess zu verlangsamen, sei es wichtig, ihn so früh wie möglich zu diagnostizieren.

Eine Schlafstörung ansich sei, dem Team nach, leicht zu erkennen; bei Störungen wie iRBD ist eine Diagnose viel schwieriger zu stellen. Im zweiten Fall sind die Muskeln während der REM-Phase nicht gelähmt, wie bei gesunden Menschen: „Die Beine und Arme von iRBD-Patienten neigen zu schnellen Zuckungen. Außerdem bewegen sie sich so, als würden sie im Liegen ihre Träume nachspielen“, beschreibt Högl die Symptome.

Die Schlafexpertin vermutet, dass es soziale Gründe hat, dass iRBD häufiger bei Männern diagnostiziert wird: Während viele Frauen alleinstehend sind und in späteren Lebensabschnitten alleine schlafen, teilen ältere Männer häufiger ihr Bett, sodass die Störung leichter gefunden wird. Im Allgemeinen bleibt sie jedoch oft unerkannt: „Manche Menschen wissen gar nicht, dass es nicht normal ist, all die Bewegungen, von denen man träumt, auch im Schlaf auszuführen“, erklärt Högl.

Ihr Tipp: Wer über 50 Jahre alt ist und sich plötzlich im Schlaf bewegt oder seltsam verhält (mit oder ohne Träume), ist gut beraten, ein Schlaflabor aufzusuchen. Zum einen könne der Arzt Medikamente verschreiben, die die Symptome der iRBD lindern. Zum anderen sei die Störung ein deutlicher Hinweis auf den Verlust von Nervenzellen und werde daher oft mit anderen Krankheiten in Verbindung gebracht.

Schlafstörungen bisher nur in Laboren diagnostizierbar

„Neunzig Prozent aller Patienten mit iRBD entwickeln eine neurodegenerative Erkrankung wie Parkinson, Lewy-Körperchen-Demenz oder multiple Systematrophie (MSA)“, sagt Högl. Oft geschieht dies im Laufe mehrerer Jahre.

Zurzeit wird auf diesem Gebiet viel geforscht, unter anderem von Ambra Stefani und ihren Kollegen aus Högls Abteilung. Sie alle wissen, dass bei Patient:innen, die an einer der oben genannten Krankheiten leiden, viele ihrer Nervenzellen bereits abgestorben sind. „Eine iRBD-Diagnose kann uns einen Vorsprung von zehn Jahren verschaffen. Aber das Schlaflabor ist derzeit das Nadelöhr“, weist die Neurologin auf die Schwachstelle im System hin, denn Schlafstörungen können aktuell nur dort zuverlässig diagnostiziert werden.

Zur Erklärung: Bei einer Polysomnographie werden bei einem schlafenden Menschen verschiedene Signale überwacht, unter anderem Gehirnaktivität (EEG), Augenbewegungen, Atemmuster, Geräusche, Muskeltonus und Körperhaltung. Die Daten werden gesammelt und manuell den verschiedenen Schlafstadien zugeordnet. Da dies sehr personal- und zeitaufwendig ist, müssen Patient:innen in Österreich ein Jahr oder länger auf einen Termin in einem Schlaflabor warten.

KI und eine Xbox-Kamera

Högls Forschungsgruppe hat sich dieses Mankos angenommen und eine automatisierte Lösung für die Diagnose von iRBD entwickelt. Ihr Ziel war es, ein Instrument zu entwickeln, das auch für das Screening gesunder Menschen verwendet werden kann, um das Risiko der Entwicklung einer neurodegenerativen Erkrankung frühzeitig zu erkennen.

„Die Time-of-Flight-Kamera, die wir für unsere Methode verwenden, wird auch als Kinect-Sensor in der Xbox-Konsole eingesetzt“, erklärt Cesari die Konstruktion. Die 3D-Kamera sendet Infrarotstrahlung aus, die vom Körper der schlafenden Person reflektiert wird.

Durch die Messung der reflektierten Signale kann der Abstand zwischen der Kamera und der Person berechnet werden. „Wir nehmen 30 Bilder pro Sekunde auf und ermitteln den Abstand für jedes Pixel. Wenn sich der Abstand ändert, wissen wir, dass sich die Person im Schlaf bewegt hat“, erklärt der Bioingenieur.

Vorhersagen mit einer Trefferquote von 87 Prozent

Für die Analyse dieser Kameradaten entwickelten die Forscher eine KI-basierte Lösung, um die manuellen Schritte so weit wie möglich zu minimieren. In ihrer Studie stellten Cesari und seine Kollegen die neueste Version des Systems vor, das die Analysedaten mehrerer Körperteile mithilfe eines maschinellen Lernmechanismus zusammenführt.

„Wir fassen die Bewegungen der Beine, des Rumpfes, der Hände und des Kopfes einer Person während des REM-Schlafs zusammen. Indem wir die Daten übereinanderlegen, erhalten wir die besten Ergebnisse“, erklärt der Forscher.

Die Erkennungsrate des Systems für iRBD-Patient:innen liegt bei 87 Prozent, was der – wesentlich ressourcenintensiveren – multifaktoriellen Untersuchung im Schlaflabor nahe komme. Für die Diagnose von iRBD muss das System allerdings die Bewegungsdaten aus der REM-Phase ermitteln. Zurzeit sind für diesen Schritt noch zusätzliche Messungen erforderlich.

Internationale Schlafstörungen-Allianz

„Wir arbeiten derzeit daran, daraus eine eigenständige Methode zu machen. Zu diesem Zweck koordinieren wir eine Studie mit 300 Probanden“, erläutert Cesari das Projekt, an dem Schlaflabore aus Deutschland, Italien, Spanien und Frankreich teilnehmen. Das Team versucht auch, die Hardware von derzeit zwei Kilogramm auf 13 Gramm zu verkleinern, um sie zu einem mobilen Gerät zu machen.

Die Vision des Teams ist es nämlich, ein „automatisiertes Schlaflabor für den Hausgebrauch“ zu entwickeln, das für umfassende Untersuchungen in der Bevölkerung eingesetzt werden könnte.

„Ein Mensch, der an iRBD erkrankt, braucht eine solide Diagnose, Beratung und Kontrolluntersuchungen“, betont Högl. „Sie sollten ihren Zustand verstehen und wissen, dass es möglich ist, das Fortschreiten einer neurodegenerativen Erkrankung zu verzögern.“

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brutkasten hat Paul Blaguss zum Interview getroffen | (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Das Wiener Familienunternehmen Blaguss hat zwölf batterieelektrische Reisebusse in den Regelbetrieb genommen und zählt damit zu den ersten Anbietern Österreichs, die E-Fahrzeuge im Reise- und Linienverkehr einsetzen. Geschäftsführer Paul Blaguss, der in seinem Berufsleben über 2.500 Busse gekauft und verkauft hat, spricht im brutkasten-Interview über die Wahl des chinesischen Herstellers Yutong, über ein hartes Zeugnis für die europäische Industrie und die EU-Industriepolitik, über Millioneninvestitionen in Lade- und Energieinfrastruktur und darüber, warum die Zukunft der Mobilität für ihn elektrisch, digital und perspektivisch autonom ist. Ein Gespräch über Standortfragen, Startup-Beteiligungen und die Frage, wann der letzte Buslenker in Pension geht.

Blaguss hat 2024 und 2025 einen zweistelligen Millionenbetrag in die Elektrifizierung der Flotte investiert. Was war der ausschlaggebende Grund?

Überall dort, wo es technologisch und produktseitig schon so weit ist, hat die Elektromobilität deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Antrieben. Das fängt bei ganz banalen Dingen an: Standklimaanlage und Standheizung. Wenn ein Bus in der Nacht bei 40 Grad auf den Fahrer wartet, ist er vorgekühlt, ohne dass ein Motor läuft. Dazu kommt, dass wir in Österreich sehr viel Strom aus erneuerbarer Energie gewinnen, das hat einen enormen Impact. Für mich ist hundertprozentig klar, dass Elektromobilität die Zukunft ist.

Paul Blaguss am Firmengelände im 23. Bezirk vor einem der neuen batterieelektrischen Reisebuss | (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Sie haben sich für den chinesischen Hersteller Yutong entschieden. Hätten Sie lieber europäisch gekauft?

Natürlich. Wir sind seit Jahren einer der Top-drei-, vier-Kunden von Daimlers Premiummarke Setra, ich kenne dort sämtliche Entwickler und den Vorstand, und wir finden die Produkte hervorragend. Aber Mercedes und MAN können heute keinen elektrischen Reisebus liefern, MAN kommt nächstes Jahr, Mercedes erst um 2030. Wir haben weltweit den Markt erkundet und sind relativ schnell in China gelandet, dort haben wir uns fünf, sechs, sieben Hersteller angesehen. Yutong erfüllt unsere Anforderungen an Qualität, Ausstattung, Erfahrung und Mindset am besten, das Fahrzeug hat eine Batteriegarantie von 15 Jahren für 1,5 Millionen Kilometer. Davon ist das, was Deutschland anbieten wird, meilenweit entfernt. Ich habe schon 2015 in Entwicklungsgesprächen gesagt, dass das kommt, das wollte man nicht hören. Die europäische Industrie ist nicht rechtzeitig auf diesen Zug aufgesprungen, das hat man schlicht verschlafen. Wasserstoff spielt im Pkw übrigens keine Rolle und im Busbereich höchstens im Fernverkehr, der Antrieb der Zukunft ist elektrisch.

Wie blicken Sie auf die Debatte rund um „Made in Europe“ und die Standortpolitik?

Made in Europe ist wichtig, wir brauchen Wertschöpfung in Österreich und in Europa. Ich finde es auch in Ordnung, ausländische Produzenten zu einer gewissen Wertschöpfung in Europa zu verpflichten. Die wesentlichen Komponenten dieses chinesischen Busses kommen ohnehin aus deutscher Industrie, da sind Bosch und ZF Friedrichshafen drinnen. Die Mobilitäts- und Industriepolitik der EU sehe ich in einigen Punkten durchaus kritisch. Man kann nicht den Import seltener Erden erschweren und gleichzeitig glauben, bei der Batterietechnologie aufzuholen. Wir können Batterien zu 99 Prozent recyceln, aber dann muss man die Voraussetzungen schaffen, dass hier wirklich geforscht werden darf, bis hinunter zu den nötigen Rohstoffen. In den vergangenen Jahren war die politische Linie zur Elektromobilität, sowohl auf Ebene der Bundesregierung als auch der EU, nicht immer konsistent. Aus meiner Sicht braucht es hier mehr Planbarkeit, Verlässlichkeit und Konsequenz.

Technologieoffenheit ist in dieser Debatte zu einem echten Buzzword geworden. Grundsätzlich ist diese Offenheit natürlich wichtig. Gleichzeitig sprechen die aktuellen Entwicklungen ganz klar dafür, dass die Elektromobilität im Pkw- und Busbereich die Zukunft ist.

Zwölf E-Reisebusse des chinesischen Herstellers Yutong hat Blaguss in den Regelbetrieb genommen | (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Parallel investieren Sie massiv in die Energieinfrastruktur. Was bedeutet das konkret?

Wir hatten am Standort ursprünglich rund 150 bis 200 kW Anschlussleistung, die haben wir auf 1,2 Megawatt versechsfacht. Die Photovoltaik haben wir in mehreren Etappen auf rund 235 kWp ausgebaut und dazu einen Batteriespeicher von 1,5 Megawatt gebaut, um am Spotmarkt besser agieren zu können. In der Nacht ist Strom günstiger, im Sommer fallen die Preise zwischen 10 und 15 Uhr bei Sonnenschein teilweise sogar ins Negative. Dann ist es sinnvoll einzuspeisen, und wenn die Busse zurückkommen, laden wir sie entsprechend. Das ist auch eine Antwort auf die Dieselpreise jenseits der zwei Euro: In Österreich produzieren wir rund 80 Prozent unseres Stroms erneuerbar, würden wir alle Pkw umstellen, bräuchten wir zehn Prozent mehr Strom, die Busse und Lkw noch einmal fünf bis sechs Prozent. Das ist machbar.

500 Kilometer Reichweite: Wo sind aktuell die Grenzen?

Wir haben das gesamte Jahr 2024 analysiert und kommen zu dem Schluss, dass wir 95 Prozent aller Fahrten elektrisch durchführen können, die Reichweite schätzen wir sogar eher über 550 Kilometer. Acht dieser Busse werden schrittweise Linien in Bratislava bedienen, das sind Fahrzeuge mit 200.000 bis 250.000 Kilometern im Jahr. Beim Song Contest hatten wir das erste große Event, das wir mehrheitlich elektrisch gefahren sind. Das Feedback von Fahrern und Kunden ist hervorragend, der Kunde merkt den Unterschied gar nicht, außer dass es ruhiger ist.

brutkasten-Chefredakteur Martin Pacher im Gespräch mit Paul Blaguss über E-Mobilität, Energieinfrastruktur und autonomes Fahren | (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Blaguss investiert auch in Startups. Mit welcher Motivation?

Vor rund neun Jahren, als die Elektromobilität noch sehr stiefmütterlich behandelt wurde und kein Hersteller sie wirklich wollte, haben wir mit VIBE begonnen. VIBE kann elektrische Großflotten managen und servicieren, das wird relevant, wenn etwa Uber mit einer autonomen Flotte nach Wien kommt: Die haben bisher Taxiunternehmen gemanagt, aber nie ein eigenes Auto, das kann VIBE. Taxi, Sharing und Firmenflotten wachsen zu einer Dienstleistung zusammen, und diese Learnings, etwa was Ladekapazität betrifft, fließen direkt in unser Kerngeschäft. Andere Beteiligungen liegen entlang unserer Wertschöpfungskette, sehr viel im Tourismus und Entertainment: Vienna Pass, immersive Shows, Virtual-Reality-Projekte, der Donauturm, das Johann-Strauß-Museum, zuletzt ein KI-Chatbot für die Hotellerie. Es muss reinpassen: Mobilität, Tourismus oder Entertainment.

Welches Innovationsthema beschäftigt Sie als Nächstes?

Das ganze Thema autonomes Fahren. Technisch ist es möglich, und ich mache mir Sorgen, dass wir eine ähnliche Verzögerung erleben wie bei der Elektromobilität. Wir sollten sehr schnell großflächig testen und selbst lernen, was diese Systeme können und was nicht, natürlich extrem abgesichert. Unser Infrastrukturminister ist sich dessen bewusst und geht in die richtige Richtung. Wir haben durch die Personalkostenentwicklung der letzten fünf Jahre rund 20 Prozent gegenüber Deutschland verloren, das erhöht den Druck enorm. Um gewisse Serviceleistungen hochzuhalten, werden wir in autonome Systeme gehen, etwa auf der letzten Meile oder bei Taxisystemen. Auch hier muss die europäische Automobilindustrie aufpassen, dass sie nicht hinten nachsteht, es kann nicht sein, dass das nur Teslas, Waymos und Baidus sind.

Abschließend: Wann erleben wir die letzten Buslenker in Österreich?

Das wird noch sehr lange dauern. Im Reisebus wollen wir den Lenker gar nicht ersetzen, er ist Begleiter und Manager der Reise und Ansprechperson für logistische Themen, ich möchte nicht, dass diese Dienstleistung zu unpersönlich wird, denn gerade dieser persönliche Kontakt macht einen wesentlichen Teil unseres Services aus. Auch im öffentlichen Nahverkehr werden wir den Buslenker noch lange sehen, weil wir viel zu viele Änderungen haben, Staus, Baustellen, Umleitungen. Im Pkw wird das autonome Fahren deutlich schneller kommen. Dass Reisebusse ohne Fahrer fahren, werde ich aber nicht mehr erleben.

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