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Mini-Sensor überwacht Herzschlag

Ein Chip und künstliche Intelligenz sollen die Medizin revolutionieren. Erste Praxistests in Dresden laufen.

Mit winzigen Chips, die mithilfe künstlicher Intelligenz funktionieren, könnten Betroffene und Ärzte schon vorab vor einem Herzinfarkt gewarnt werden.
Mit winzigen Chips, die mithilfe künstlicher Intelligenz funktionieren, könnten Betroffene und Ärzte schon vorab vor einem Herzinfarkt gewarnt werden. © mauritius images / Science Photo

Ein Stolpern, ein Rasen. Das Herz gerät aus dem Takt. Zwischen 60 und 100 Mal pro Minute schlägt das Herz, wenn es gesund ist. Doch bei zahlreichen Menschen treten Herzrhythmusstörungen auf. Sie gehören zu den häufigsten Herzerkrankungen. Zwar kann die Störung gut behandelt werden, doch muss sie dafür erst einmal diagnostiziert werden. Dresdner Forscher haben nun einen Chip entwickelt, der mithilfe künstlicher Intelligenz genau das kann. Durch ihn erfahren Arzt und Patient, ob das Herz im richtigen Takt schlägt. Der biokompatible Chip kann noch mehr: Er sagt Herzinfarkte voraus.

Der Chip ist ein Winzling, mit bloßem Auge gar nicht zu erkennen. Entwickelt wurde er am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden. Schon seit einigen Jahren sind Karl Leo, Inhaber der Professur für Optoelektronik, und sein Team auf der Suche nach den Dingen, die die Medizin der Zukunft ermöglichen. Bei der neuesten Entwicklung haben sie sich vom menschlichen Gehirn inspirieren lassen. Das erfährt täglich Neues. Unaufhörlich wird es mit frischem Wissen trainiert. Wie eine Art Computer speichert es alles ab und lernt auf diese Weise immer mehr. „Wir haben uns dieses Prinzip zunutze gemacht“, erklärt es Karl Leo. Der Chip arbeitet mit einem Netzwerk, das den menschlichen Hirnwindungen nachempfunden ist. Auf diese Informationen greift er zurück und kann gleichzeitig Neues lernen.

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Intelligente Chips lenken die City
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Ein in Dresden und Manchester entwickelter Chip ahmt das menschliche Gehirn nach – und macht neues Stadtleben möglich.

Das Forscher-Team um Karl Leo, Hans Kleemann und Matteo Cucchi trainierte den Chip mit Datensätzen von gesunden und krankhaften Herzsignalen. Der Chip selbst besteht aus Materialien, die mit dem menschlichen Körper kompatibel sind. In Echtzeit erkennt er nun den Herzschlag und analysiert diesen. Dafür verwenden die Forscher feinste Faser-Netzwerke auf Polymerbasis. Sie ähneln in ihren Strukturen dem menschlichen Gehirn. Die zufällige Anordnung der Polymer-Fasern bildet ein Netzwerk, das ihm erlaubt, Daten wie in der Schaltzentrale in unserem Kopf zu verarbeiten. Diese Komplexität ermöglicht vor allem die Verstärkung bereits kleinster Signaländerungen. Im Falle des Herzschlags sind es schon kleinste Abweichungen, die das System erkennt. Für Ärzte wäre solch eine Bewertung schwierig. Durch den neuartigen KI-Chip ist dies jedoch problemlos möglich.

Chip verschwinden von selbst wieder

Bei Versuchen an der TU Dresden konnte diese künstliche Intelligenz gesunde Herzschläge von drei häufig auftretenden Rhythmusstörungen mit einer Genauigkeit von 88 Prozent unterscheiden. Dabei verbrauchte das Polymer-Netzwerk weniger Energie als ein Herzschrittmacher. „Die Menschen könnten solch einen Mini-Sensor später als ein Pflaster auf der Brust tragen“, erklärt Leo. Die Visionen gehen aber noch weiter. Später könnte der KI-Chip auch direkt im Körper angewendet werden. Die Einsatzmöglichkeiten für solche implantierbaren KI-Systeme sind vielfältig, sagt der Professor. „Beispielsweise könnten Sensoren nach einer Operation im Körper verbleiben und die Heilung überwachen.“ Per Smartphone erhielten die Ärzte dann Informationen über den Zustand. Später würde der Chip einfach vom Körper abgebaut werden. Ein operatives Entfernen wäre nicht nötig.

Eigentlich ist Karl Leo Physiker. Mit seinem Team arbeitet er aber an der Zukunft der Medizin, die durch organische Elektronik möglich sein soll.
Eigentlich ist Karl Leo Physiker. Mit seinem Team arbeitet er aber an der Zukunft der Medizin, die durch organische Elektronik möglich sein soll. © ronaldbonss.com

„Die Vision, moderne Elektronik mit der Biologie zu kombinieren, ist in den letzten Jahren durch die Entwicklung sogenannter organischer Mischleiter ein großes Stück vorangekommen“, erklärt Matteo Cucchi, Doktorand und Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie zu den biokompatiblen KI-Chips. Bisher waren die Erfolge jedoch auf einfache elektronische Komponenten wie einzelne Synapsen oder Sensoren beschränkt. Das Lösen komplexer Aufgaben war bisher nicht möglich. „In unserer Arbeit haben wir nun einen entscheidenden Schritt zur Verwirklichung dieser Vision getan“, macht er deutlich.

Durch die Nutzung von Prinzipien des neuromorphen Rechnens sei es gelungen, komplexe Klassifizierungsaufgaben in Echtzeit und potenziell auch innerhalb des menschlichen Körpers zu lösen. „Mit diesem Ansatz wird es möglich, in Zukunft weitere intelligente Systeme zu entwickeln, die helfen können, Menschenleben zu retten.“

Kleiner Wächter im Ohr

Die sich daraus ergebenden neuen Chancen für Medizin und Gesundheitswesen sind vielfältig. Diagnostische Patientendaten, wie zum Beispiel von EKG, EEG oder Röntgen-Aufnahmen, könnten in Zukunft mithilfe von maschinellem Lernen analysiert werden. Krankheiten wären so schon anhand von kleinsten Veränderungen sehr frühzeitig zu erkennen. Viel schneller als das bisher möglich ist.

Gemeinsam mit dem Dresdner Else-Kröner-Fresenius-Zentrum für digitale Gesundheit und dem Universitätsklinikum Dresden arbeitet das Institut bereits an einer weiteren Idee. Es geht um winzige Sensoren im Ohr. Sie sollen in Zukunft zur Drucküberwachung im Mittelohr zur Anwendung kommen. Einsatzmöglichkeiten sind Hörstörungen, bei denen der Druck im Mittelohr unkontrolliert ansteigt. Mit aktuellen Methoden kann der Druck im Ohr nur indirekt gemessen werden. Mit der Neuentwicklung wäre eine permanente Überwachung möglich. Das wäre gerade für die Überwachung nach Operationen und für neuartige Mittelohrimplantate wichtig. „Am Ende würde der Chip rückstandslos wieder verschwinden“, sagt Leo.

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Ein vor Kurzem gestartetes Projekt soll zudem künftig Menschen helfen, bei denen aufgrund einer Erkrankung zum Beispiel Teile des Darms entfernt werden. „Es besteht die Gefahr, dass die wieder zusammengefügten Stellen undicht werden“, beschreibt es der Professor. Ein Sensor genau dort könnte das schon bald kontrollieren und bei Gefahr informieren. Karl Leos größte Vision sieht das Chip-Hirn in Zukunft auch im Menschen-Hirn. „Wir könnten bei Schädigungen des Gehirns künstliche Strukturen einsetzen.“ Sie würden den Betroffenen helfen, Dinge wieder neu zu lernen. Ein kleiner Chip mit großer Wirkung.

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