Expertensysteme (wissensbasierte Systeme) in der Medizin. Marcus Gäßner

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1 Expertensysteme (wissensbasierte Systeme) in der Medizin

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung... 3 Einführung... 3 Definition... 3 Aufbau eines Expertensystems... 3 Expertensysteme in der Medizin... 4 Einsatzmöglichkeiten... 4 Existierende Expertensysteme in der Medizin... 4 Funktionsweise am Beispiel MYCIN... 5 Vor- und Nachteile von medizinischen Expertensystemen... 6 Vorteile... 6 Nachteile... 6 Rechtliche Überlegungen... 7 In der Praxis... 8 Fazit... 8 Literaturverzeichnis... 9 Seite 2 von 9

3 Einleitung Die Entwicklung des medizinischen Wissens ist in den letzten Jahren auf Grund immer besserer biochemischer Methoden und internationaler Vernetzung der Forschung vorangeschritten. Die Integration dieses neuen Wissens in die ärztliche Praxis hingegen gestaltet sich für den einzelnen Mediziner schwierig. Je nach Fachgebiet müssten viele tausend Veröffentlichungen pro Jahr gelesen und auf ihre Relevanz für den Alltag untersucht werden. Gleichzeitig müsste dieses Wissen im geeigneten Moment abgerufen werden können. Es ist sicherlich unstrittig, dass ein einzelner Mediziner dies nicht leisten kann. Daher gibt es wissensbasierte Systeme, die solche und viele andere Aufgabe im medizinischen Alltag unterstützen können. Einführung Definition Unter einem wissensbasierten System oder auch Expertensystem (XPS) versteht allgemein man eine Software, die das Wissen und die Schlussfolgerungen qualifizierter Fachleute (Experten) in einem Aufgabengebiet nachbildet und dem Benutzer zur Verfügung stellt. Das Expertensystem ist in der Lage, aus dem gespeicherten Wissen und vorhandenen Daten ein gegebenes Problem zu lösen. Aufbau eines Expertensystems Ein Expertensystem besteht im Grunde aus zwei Einheiten: dem Steuerungssystem und der Wissensbasis. Das Steuerungssystem bietet zwei Möglichkeiten des In- und Outputs. Zum einen stellt es dem Experten Möglichkeiten zur Verfügung, mit der Wissensbasis zu arbeiten, um diese zu erweitern oder zu modifizieren. Auf der anderen Seite kann der alltägliche Benutzer mit dem System interagieren. Er muss Daten zum zu lösenden Problem eingeben, wobei Eingabeaufforderungen und (Zwischen-) Lösungen ihm in verständlicher Form dargeboten werden sollten. Zu jeder Frage, die das System stellt als auch zu jeder Antwort muss das Expertensystem eine für den Nutzer befriedigende und verständliche Erklärung abgeben können, da ansonsten die Akzeptanz des Benutzers auf Grund von Nichtnachvollziehbarkeit der Vorgänge sinkt. Abbildung 1: Schema eines Expertensystems nach Heß und Henrich Innerhalb des Steuerungssystems ist das Herzstück des Systems: die Interferenzoder Problemlösungskomponente. In ihr sind sämtliche Regeln bzgl. Schlussfolgerungen gespeichert. Sie verarbeitet Falldaten und Wissen nach den Seite 3 von 9

4 vorher vom Experten festgelegten Regeln, um das Problem zu lösen. Dabei kann man sich abstrakt und vereinfacht diese Regeln als Logikaussagen (WENN X DANN Y) vorstellen, wobei in weiterentwickelten Systemen mit komplexeren Problemstellungen unscharfe Logik (Fuzzy Logic) zum Einsatz kommt. Dabei werden Aussagen nicht mit WAHR oder FALSCH ausgewertet, sondern mit einer Wahrheitswahrscheinlichkeit (WENN X DANN 50% Y), so dass eine oder mehrere sehr differenzierte Lösungen aus einem gegebenen Problem resultieren. Hochgradig ausgearbeitete Systeme dieser Art sind in der Lage, selbst komplizierte Prozesse wie die Steuerung eines U-Bahn-Netzes zu lösen und dabei energetisch effizienter als herkömmliche System mit menschlichen Fahrern (z.b. in Sendai/Japan seit 1987). Expertensysteme in der Medizin Einsatzmöglichkeiten Die Möglichkeiten, Expertensysteme im medizinischen Alltag zu benutzen, sind vielfältig. So bietet es sich an, mit einem Expertensystem einen Arzt bei der Diagnose zu unterstützen. Gerade auf Grund des immer umfangreicher werdenden Wissens und der immer tieferen Spezialisierung ist es für den einzelnen Arzt unmöglich, in seinem Fachgebiet ein allgemeiner Experte zu sein. Ein Expertensystem könnte hier den Arzt auf neues Wissen, das eventuell zur Diagnosefindung einbezogen werden sollte, aufmerksam machen und so einen eventuell konsultierten Experten ersetzen ( Schiedsrichter - oder Konsiliar - Funktion). Eine weitere Möglichkeit, Expertensysteme in der Medizin zu nutzen, ist der Einsatz als Überwachungstool für bestimmte Messungen. So könnten die vom Patienten gewonnenen Daten (Laborwerte, EEG, EKG etc.) durch ein Expertensystem überwacht werden, um bei Abweichungen den Arzt zu informieren ( Wachhund - Funktion). Auch der Einsatz in der Ausbildung von Ärzten ist vorstellbar. An Hand (konstruierter) Daten kann der angehende Arzt lernen, Diagnosen zu stellen (s.o.) bzw. die Folgen von Entscheidungen zu simulieren ( Simulator -Funktion). In Apotheken (oder auch schon in der Arztpraxis) könnten Expertensysteme den Apotheker auf Neben- und Wechselwirkungen von Medikamenten, die er einem Kunden aushändigt hinweisen bzw. die Unverträglichkeit von Wirkstoffen beanstanden. Existierende Expertensysteme in der Medizin Schon seit den 1970er Jahren gibt es in der Medizin Bestrebungen, Expertensysteme einzusetzen. Die ersten funktionierenden Expertensysteme stammen aus dieser Zeit, wobei bis heute jedes System auf ein relativ enges Teilgebiet eines medizinischen Fachs beschränkt ist. Ein kleiner Überblick über existierende wissensbasierte Systeme in der Medizin ist der folgenden Tabelle zu entnehmen. Seite 4 von 9

5 Name Entwicklungsjahr MYCIN VM 1984 INTERNIST CADUCEUS 1982 EXAMINER 1977 FuzzyARDS 1997 Aufgabe / Fachgebiet Diagnose / Blutinfektionen & Meningitis Überwachung / Intensivpflege, Patienten mit Eiserner Lunge Diagnose / Innere Medizin Diagnose / Innere Medizin Lehrsystem / Innere Medizin Konsultation / Lungenversagen Anmerkungen Erstes großes Expertensystem überhaupt Überwacht 30 Parameter, die alle zwei Minuten gemessen werden Enthält 70% des Wissens über innere Medizin Nachfolger von INTERNIST-2, eines der größten Systeme mit Regeln Basiert auf INTERNIST-1 Nutzt sogenannte Fuzzy Automaten, die auf den Grundsätzen der unscharfen Logik basieren Tabelle 1: Auswahl medizinischer Expertensysteme nach Heß und Henrich Funktionsweise am Beispiel MYCIN MYCIN war das erste große Expertensystem, auch über die Grenzen der Medizin hinaus. Ziel des Systems war es, die Diagnose und Behandlung von bakteriellen Infektekten und Meningitis zu unterstützen. Die Benutzung läuft in zwei Phasen ab. Der erste Teil ist die Erstellung der Diagnose. Dazu werden die Falldaten erhoben. Zuerst werden die Daten des Patienten (Name, Geburtsdatum, Geschlecht, Befunde aus vorherigen Untersuchungen) abgefragt. Danach stellt das System Fragen zum aktuellen Fallverlauf. Darunter sind Fragen zur entnommenen Kultur, den darin enthaltenen Organismen, wie die Erreger vermutlich zum Patienten gekommen sind und vieles mehr. Bis zu 90 Fragen kann dieser Teil umfassen. Der zweite Teil folgt auf die Diagnosestellung und enthält den Therapievorschlag. Hierbei schlägt MYCIN sehr konkret Medikament, Dosierung und Verabreichungsdauer vor. Dabei sind die internen Regeln so, dass Risiken wie Neben- und/oder Wechselwirkungen minimiert werden. Seite 5 von 9

6 Vor- und Nachteile von medizinischen Expertensystemen Vorteile Computer arbeiten nach strengen Regeln und in jeder Situation gleich gut. Der menschliche Faktor wird durch medizinische Expertensysteme eliminiert. Stress durch zuviel Arbeit, Müdigkeit wegen zu langer Dienstzeiten oder fachlicher Irrtum werden durch den Einsatz eines Expertensystems als Fehlerquellen aufgehoben. Da menschliche Experten diese Systeme regelmäßig pflegen und überprüfen, steht dem Patienten so immer der neueste Wissensstand zur Verfügung, den der behandelnde Arzt häufig gar nicht kennt. Gerade im Bereich der Diagnose und der Therapie können Expertensysteme sehr spezifische Therapien vorschlagen, die Risiken minimieren und die Erfolgschance maximieren. Da der Computer garantiert alle Daten des Patienten im Auge behält, ist das Ergebnis des Expertensystems nie eine Standardlösung, sondern bietet dem Patienten eine maßgeschneiderte Diagnose und/oder Therapie. Dabei könnte der Arzt gleichzeitig neue Erkenntnisse gewinnen, was gewissermaßen einen Learningon-the-job -Effekt bedeuten würde. Aber auch in der Überwachung von Daten als Wachhund können Expertensysteme den Patienten Sicherheit geben. Je mehr Daten überwacht werden müssen, desto effizienter arbeitet ein Expertensystem im Vergleich zu einem menschlichen Beobachter, der eventuell Verläufe falsch interpretiert. Gerade der letzte Vorteil zeigt einen weiteren Vorteil auf. Menschliche Ressourcen können durch den Einsatz von Expertensystemen in der Medizin freigesetzt werden. So müsste z.b. kein Pfleger oder Arzt mehr regelmäßig EKG-Kurven von Patienten kontrollieren oder andere Kontrollabläufe durchführen. Im Angesicht von sich häufenden Sparmaßnahmen im Gesundheitswesen wäre für Kontrollen der Einsatz von Expertensystemen nur konsequent. Nachteile Die Anwendung von Expertensystemen birgt eine Menge an Gefahren. Auch und gerade im Zeitalter des Computers ist die Zahl der ungeschulten Benutzer immer noch erschreckend hoch, so dass eine Fehlbedienung des Expertensystems zu befürchten ist, womit das Ergebnis in Zweifel gezogen werden kann. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass der Benutzer sich auf das System verlässt und unkritisch die Ergebnisse übernimmt. Gerade in der Medizin, wo vieles auch auf menschlicher Ebene berücksichtigt werden muss und viele Faktoren in Wechselwirkung stehen, kann auch ein noch so gutes System nicht alle Möglichkeiten und Eventualitäten erfassen und berücksichtigen. Auch sollte man berücksichtigen, dass Expertensysteme zwar durch die Pflege von Experten aktuell sind, eine Garantie für die Richtigkeit des Wissens gibt es nicht. Damit im Zusammenhang steht die Tatsache, dass es in vielen Fachgebieten verschiedene Lehrmeinungen von unterschiedlichen Experten gibt. Diese verschiedenen Meinungen könnten bei ihrer Anwendung zu unterschiedlichen Beurteilungen eines Falles kommen. Hier stellt sich die Frage nach der richtigen Expertenmeinung für das Expertensystem, wobei ein solches System wahrscheinlich nur von den Anhängern der verwendeten Meinung positiv gesehen würde. Daher Seite 6 von 9

7 versuchen verschiedene Systeme inzwischen, möglichst viele unterschiedliche Expertenmeinungen in ihre Arbeit zu integrieren. Der Benutzer kann dann wählen, auf Grund welcher Meinung z.b. Diagnosen erstellt werden. Entscheidender Nachteil für die Akzeptanz aktueller Expertensysteme ist momentan noch die sehr aufwändige Bedienung vieler Systeme. Wenn MYCIN 90 Fragen an den Arzt stellt, so ist das sehr zeitraubend und auf breiter Basis im beruflichen Alltag schlicht nicht durchführbar. Dieser Nachteil trifft auf alle Systeme zu, die aktiv eine Zusammenarbeit mit dem Benutzer erfordern. Passive Systeme, die Daten automatisch, z.b. von Geräten beziehen, haben dieses Problem nicht. Ein weiteres Akzeptanzproblem ist der vermeintliche Kompetenzverlust, den Mediziner befürchten, wenn sie Expertensysteme benutzen. Der Wille, eigene Entscheidungen auf Grund bisher erworbenen Wissens, und die Vorstellung, nur noch Handlanger einer Maschine zu sein, lässt viele Ärzte skeptisch gegenüber Expertensystemen bleiben. Erschwerend kommt hinzu, dass gerade bei niedergelassenen Ärzten die informationstechnische Erfassung von Patienten sich auf das notwendigste beschränkt, so dass dort der Einsatz eines Expertensystems eine Abkehr von gewohnten Arbeitsabläufen bedeuten würde. Rechtliche Überlegungen 4 der Musterberufsordnung für Ärzte verlangt eine für die Berufausübung notwendige Fortbildung, die auch nachzuweisen ist. Nimmt man 276 BGB hinzu, der eine gewisse Sorgfalt bei der Berufsausübung verlangt, kommt man schnell zu dem Schlagwort des medizinischen Standards, innerhalb dessen ein Arzt zu arbeiten hat. Die Kenntnis dieses Standards zu erlangen, wird so zum Ziel der Fortbildungspflicht. Doch die schnell fortschreitende Entwicklung macht dies zu einem Aufwand, der zu groß wäre, um ihn neben der Ausübung des Berufs ernsthaft und umfassend zu betreiben. Da aber jeder Verstoß gegen das Gebot des medizinischen Standards rechtlich als fahrlässige Handlung zu sehen ist, ist es im Interesse des Arztes, Unterstützung zu bekommen, die einerseits den Fortbildungsaufwand minimiert und andererseits den aktuellen Standard garantiert. Dies kann durchaus auf Expertensysteme zutreffen. Da aber der Arzt letzten Endes rechtlich selbst verantwortlich für seine Handlungen ist, treffen Expertensysteme auf Vorbehalte von Seiten der Ärzte. Der Vorteil, neuestes Wissen bereitzustellen, wird durch die Tatsache, dass der Arzt für Therapien verantwortlich gemacht würde, die ihm unbekannt sind, aufgehoben. Daher ist der Einsatz von Expertensystemen momentan rein beratender Natur, der Arzt kann die Entwickler oder Experten dieser Systeme nicht für die Konsequenzen aus der Nutzung haftbar machen, sondern muss selbst die rechtliche Verantwortung übernehmen. Im Gegenzug könnte man durchaus einen Fahrlässigkeitsvorwurf aus der Tatsache ableiten, dass ein vorhandenes Expertensystem, welches z.b. in einem Krankenhaus zur Verfügung steht, nicht genutzt wird bzw. sein Therapievorschlag unbeachtet bleibt, obwohl er indiziert gewesen wäre. Führt dies zum Nachteil des Patienten, könnte sich ein interessanter Rechtsstreit entwickeln. Die rechtliche Situation ist daher leider als nicht ganz eindeutig zu bewerten, eine Lösung erscheint schwierig. Seite 7 von 9

8 In der Praxis Die Überschrift ist eigentlich falsch, denn in der Praxis des niedergelassenen Arztes finden medizinische Expertensysteme nur selten Einsatz. Zumeist beschränkt sich ihr Einsatzgebiet auf Laborwerte- und andere Messdaten-Überprüfung. In Krankenhäusern ist der Einsatz solcher Systeme häufiger anzutreffen, wobei sich dort sehr schön zeigt, wie es überhaupt nur denkbar ist, Akzeptanz zu schaffen. Die Expertensysteme sind allesamt in andere Programme und Abläufe eingebunden, meistens in das Krankenhausinformationssystem, so dass der Mediziner die Benutzung von Expertensystemen über weite Strecken gar nicht bemerkt, sondern sie in seinem normalen Arbeitsablauf integriert sind. Dabei sind Die Expertensysteme meistens auf ihre Funktion als Wachhund beschränkt, wenn es darum geht, Patientendaten und ihre Entwicklung zu überwachen. Eventuell kommen noch Erinnerungsfunktionen hinzu, z.b. x Tage nach Operation Y muss noch Behandlung Z am Patienten vorgenommen werden. Systeme zur Stellung einer Diagnose oder zur Empfehlung einer Therapie finden noch sehr selten Einsatz, da ihnen zum fehlerfreien Funktionieren eine Vielzahl von Daten zur Verfügung gestellt werden müssten, deren elektronische Erfassung sehr zeitaufwändig ist. Dabei spielt freilich der Stand der Technik in Krankenhäusern eine Rolle. Durchgängige Vernetzung in allen Bereichen und das Mitführen von Kleincomputern wie PDAs bei der Visite würden es sicherlich erleichtern, für Expertensysteme relevante Daten zu erfassen. Fazit Ohne jede Frage sind die Möglichkeiten, die wissensbasierte Systeme der Medizin eröffnen, riesig. Die Qualität der medizinischen Behandlung könnte durch eine von einem Expertensystem gestützte Diagnose- und Therapiefindung deutlich gesteigert werden. Gleichzeitig ist die Chance, dass durch die Minimierung von Fehlern Kosten an verschiedenen Stellen (geringere Behandlungsdauer, geringerer Ausfall von Arbeitszeit) gesenkt werden könnten, groß. All dies funktioniert aber nur auf der Basis der konsequenten Nutzung von elektronischer Datenverarbeitung. Und da gibt es noch viel Nachholbedarf im deutschen Gesundheitswesen. Viele niedergelassene Ärzte nutzen elektronische Datenverarbeitung kaum, meistens nur gerade so weit, dass alle für die Abrechnung mit den Kassen erforderlichen Daten vorhanden sind. Expertensysteme können ihre ganze Stärke aber nur zum Ausdruck bringen, wenn konsequent an jeder Stelle der Behandlung Daten zur Verfügung gestellt werden. Letzteres ist das Hemmnis in Krankenhäuser, wo zwar schon einige Daten mehr elektronisch erfasst werden, der Arzt mit PDA in der Tasche hat aber noch Seltenheitswert. Da aber nur die durchgehende Erfassung von Daten die Integration eines Expertensystems in den medizinischen Alltag ermöglicht, lässt sich die geringe Verbreitung solcher Systeme bzw. ihre partielle Nutzung zur reinen Überwachung von Werten leicht erklären. Es erscheint im Angesicht von Budgetierungen und Einsparungen aller Art im Gesundheitswesen eigentlich utopisch, dass irgendwann überhaupt die Investitionen für die technische Basis gemacht werden könnten, um konsequent Expertensysteme in der Medizin zu nutzen. Seite 8 von 9

9 Ob die konsequente Nutzung gewünscht ist, bleibt eine andere Frage. Nicht nur die berechtigten Zweifel der Ärzte, eine Maschine könnte sie zu Handwerkern degradieren, stellen neben der rechtlichen Zwickmühle ein Hemmnis dar. Auch die emotional tief verwurzelte Schreckensvision von Patienten, zukünftig nur noch von Maschinen behandelt zu werden, lässt es schwer erscheinen, breite Akzeptanz für Expertensysteme in der Medizin zu schaffen. Schließlich ist gerade für ältere Menschen der Arztbesuch weniger ein medizinisch notwendiger Vorgang zur Linderung von Beschwerden, sondern vielmehr ein sozialer Event, bei dem der Arzt mehr als Seelsorger denn als Mediziner genutzt wird. Hier sind Veränderungen nur langfristig zu erreichen, eventuell erst bei einer neuen Generation von Ärzten und Patienten, die von vornherein mit einem anderen Akzeptanzlevel für EDV im allgemeinen und computergestützter Medizin im besonderen herangezogen werden. Gleichzeitig ist es Aufgabe der Politik und der Entwickler solcher Systeme, klarzustellen, dass letztlich bei allem, was geschieht, der Arzt und nicht der Computer eine Entscheidung zu fällen hat. Daher bleibt festzuhalten, dass der Einsatz von Expertensystem auf breiter Front erst langfristig geschehen wird. Zwar gibt es schon viele passive Systeme zur Überwachung von Daten, das volle Spektrum der Möglichkeiten wird aber auf lange Sicht wohl nicht genutzt werden können. Dies ist gerade im Bereich der Diagnose und Therapie bedauerlich, da hier die Chance, neues Wissen in den Alltag einfließen zu lassen, enorm ist und einen wichtigen Fortschritt bedeuten könnte. Letztlich aber bleibt die Hoffnung, dass langsam, aber sicher Expertensysteme im Zuge der Weiterentwicklung von EDV ihren Einzug in alle Bereiche des medizinischen Alltags finden werden, um so zu einer höheren Qualität der medizinischen Versorgung beizutragen. Literaturverzeichnis McNeil Daniel, Freiberger Paul: Fuzzy Logic - Die»unscharfe«Logik erobert die Technik. München, 1994 Henrich Waltraut: Expertensysteme in der Medizin. Karlsruhe, 1999 Wischnewsky, M.B.: Expertensysteme in der Medizin zur Unterstützung von Diagnose und Therapie. Bremen, 2001 Heß, Lena-Luisa: Expertensysteme in der Medizin Pfeffer, Sabine: Expertensysteme in der Medizin. In: JurPC Web-Dok. 91/2002, Abs Hartmann Dietrich, Lehner Karlheinz: Technische Expertensysteme. Berlin, 1990 Bartos Norbert: Artificial Intelligence in der Medizin. Wien, 2002 Seite 9 von 9