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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„Nächstes Jahr haben wir die 100 voll“, sagt Elisabeth Mayerhofer. Sie moderierte auch dieses Jahr die Vergabe des S&B Awards des Rudolf Sallinger Fonds – gemeinsam mit Philipp Horvath. Mit 100 meint Mayerhofer Finalisten-Spinoffs, die beim Award gegeneinander antreten. Stand 2026 gab es bislang nämlich 99 davon – der Award wurde nun zum zehnten Mal vergeben.

Prominente Alumni

Welchen Impact der S&B Award hat, erläuterte nicht nur die frühere Casinos-Generaldirektorin Bettina Glatz-Kremsner, die als langjährige Vorsitzende des Kuratoriums des Rudolf Sallinger Fonds im vorigen Jahrzehnt den entscheidenden Anstoß zu dessen Schaffung gegeben hatte. Auch prominente Alumni kamen bei der Award Ceremony zu Wort.

Bettina Glatz-Kremsner (m.) erzählte Moderatorin Elisabeth Mayerhofer (r.), wie alles begann | (c) Hannes Winkler

„Das Preisgeld hat uns damals die Finanzierung eines entscheidenden Patents ermöglicht und die Aufmerksamkeit, die wir bekommen haben, war gerade in der Anfangsphase enorm wichtig“, erzählt Cubicure-Gründer Robert Gmeiner, der mit seinem Spinoff im 3D-Druck-Bereich die erste Ausgabe des Awards gewonnen hat und mittlerweile auf einen 79 Millionen Euro schweren Exit zurückblickt.

Das auf Lieferketten-Monitoring spezialisierte KI-Unternehmen Prewave, das mittlerweile zu den größten Scaleups des Landes zählt, holte sich beim Antritt 2018 zwar nicht den Sieg. Profitiert habe man aber dennoch sehr – sowohl von der Sichtbarkeit als auch von der Nachschärfung des eigenen Modells und Pitchs im Rahmen der Bewerbung, erzählt Co-Founder und CEO Harald Nitschinger. Sein Tipp an die aktuellen Finalist:innen: „Think big!“

Die Alumni Harald Nitschinger (l.) und Robert Gmeiner (m.) gaben den Finalist:innen Tipps aus ihrer Erfahrung | (c) Hannes Winkler

Es ist ein Ratschlag, den sich die Forscher:innen hinter den zehn diesjährigen Finalisten-Projekten – brutkasten berichtete im Vorfeld – gewiss zu Herzen nehmen. Denn zwar sind sie mit ihren Spinoffs mitunter noch in einer sehr frühen Phase, doch die forschungsbasierten Produkte haben denkbar großes Potenzial.

„Furchtbare“ Auswahl aufgrund durchwegs hoher Qualität

Entsprechend schwer war die Auswahl für die Jury, bei der Ceremony vertreten durch Rudolf Dömötör (WU Wien), Gertraud Leimüller (winnovation) und Josef Glössl (BOKU). Juryvorsitzender Dömötör verriet mit einem Augenzwinkern: „Es war furchtbar! Also nicht die Projekte, sondern bei dieser enormen Qualität einen Sieger zu ermitteln,“ und doch habe es, wie immer, nur einen geben können.

Rudolf Dömötör fungierte als Juryvorsitzender | (c) Hannes Winkler

Hauptpreis für Diamens

Den Hauptsieg und damit ein Preisgeld von 20.000 Euro holte sich schließlich das JKU-Linz-Spinoff Diamens (brutkasten berichtete bereits mehrmals). Das HealthTech-Startup entwickelt eine neue, nicht-invasive Diagnose-Methode für Endometriose, an der weltweit rund 190 Millionen Frauen leiden. Der Weg zum Award-Sieg sei ein spannender Prozess gewesen, sagt Co-Founderin und CEO Marlene Rezk-Füreder gegenüber brutkasten: „Die Jury war sehr kompetent und hat nicht die Fragen gestellt, die man sonst immer bekommt.“ Mit dem Preisgeld habe man bereits einen konkreten Plan: „Wir werden damit unser zweites Patent einreichen, um unsere Technologie weiter schützen zu können.“

Das Gründerinnen-Team von Diamens (v.l.n.r.): Clara Ganhör, Angelika Lackner, Marlene Rezk-Füreder und Eva Scharnagl | (c) Hannes Winkler

brutkasten-Sonderpreis für Duramea

Auch dieses Jahr vergab brutkasten einen Sonderpreis über 5.000 Euro Medienvolumen, dessen Sieger per Online-Voting ermittelt wurde. Diesen holte sich das TU-Graz-Spinoff Duramea, das eine Membran-Technologie für die effiziente Erzeugung von grünem Wasserstoff entwickelt. „Wir wollen damit grünen Wasserstoff günstiger machen, als Wasserstoff, der aus Erdöl produziert wird“, erklärt Gründer Sebastian Rohde. Vom S&B Award habe man sich vor allem Sichtbarkeit versprochen. Auch wie man die zusätzliche Sichtbarkeit über das brutkasten-Medienvolumen einsetzen wolle, verrät Rohde bereits: „Wir sind aktuell noch sehr gut durch Förderungen finanziert. Aber mit der weiteren Entwicklung werden wir früher oder später auch auf Investorensuche gehen.“

Duramea vertreten durch Jean Claude Koffi (2.v.l.) und Sebastian Rohde (2.v.r.) holte sich den brutkasten-Sonderpreis | (c) Hannes Winkler

Sonderpreis von Onsight Ventures für Cairos

Und noch ein weiterer Sonderpreis wurde dieses Jahr vergeben – von Onsight Ventures rund um Tech-Pionier und Investor Hermann Hauser. Das Siegerteam erhält ein Ticket für das Hermann Hauser Frontier Lab im Oktober in Graz. Den Preis holte sich das Montanuniversität-Leoben-Spinoff Cairos, das ein Verfahren zur Herstellung von erneuerbarem synthetischen Erdgas entwickelt. „Unser nächstes großes strategisches Ziel ist die erste kommerzielle Anlage und dafür werden wir Kapital brauchen. Da wird uns die Teilnahme am Hermann Hauser Frontier Lab definitiv weiterhelfen“, kommentiert Co-Founder Martin Peham gegenüber brutkasten.

Cairos von Andreas Krammer (2.v.l.) und Martin Peham (2.v.r.) sicherte sich den Sonderpreis von Onsight Ventures | (c) Hannes Winkler
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