Anders Ynnerman: Visualisierung der medizinischen Datenflut

Bildgebende medizinische Verfahren liefern heute in Sekundenschnelle Tausende von Aufnahmen und Terabytes an Daten für einen einzigen Patienten. Aber wie analysieren Ärzte diese Datenmenge und wie entscheiden sie, was davon brauchbar ist? Auf der TEDxGöteborg zeigt der Wissenschaftler und Visualisierungsexperte Anders Ynnerman hochentwickelte neue Werkzeuge wie virtuelle Autopsien, mit denen komplexe Daten analysiert werden können. Außerdem ermöglicht er uns einen Einblick in futuristisch anmutende medizinische Technologien, die derzeit noch in der Entwicklung sind. Warnung: Dieser Vortrag enthält drastisches und für einige möglicherweise schockierendes medizinisches Bildmaterial.

Ich möchte zu Beginn eine kleine Herausforderung darstellen:

die Analyse von Daten.

Daten, mit denen wir

in medizinischem Kontext zu tun haben.

Das ist wirklich eine sehr große Herausforderung für uns.

Das hier ist unser Lasttier.

Es ist ein Computertomograph,

ein CT-Gerät.

Es ist eine fantastische Apparatur.

Sie benutzt Röntgenstrahlen,

die sehr schnell um den menschlichen Körper kreisen.

Es dauert ungefähr 30 Sekunden, bis man einmal durch die gesamte Maschine durch ist.

Dabei werden ungeheure Mengen von Daten

in der Maschine erzeugt.

Das ist also ein fantastisches Gerät,

das uns helfen kann,

die medizinische Versorgung zu verbessern.

Wie ich aber schon sagte: Es ist auch eine Herausforderung für uns.

Auf diesem Foto können Sie diese Herausforderung sehen.

Es geht um die ungeheure Zunahme an medizinischen Daten,

die wir im Moment erleben.

Das ist das Problem, dem wir uns stellen müssen.

Lassen Sie mich ein paar Jahre zurück gehen.

Lassen Sie uns ein paar Jahre zurück gehen und sehen, was damals los war.

Diese Geräte, die zuerst so

um 1970 auf den Markt kamen,

sie scannten menschliche Körper

und machten ungefähr 100 Aufnahmen

des menschlichen Körpers.

Ich habe mir die Freiheit genommen, der Deutlichkeit zuliebe,

das in Bildschichten zu übersetzen.

Das entspricht ungefähr 50 MB an Daten,

was nicht viel ist,

wenn man an die Datenmengen denkt,

die heute ein einfaches Mobiltelefon verarbeiten kann.

Wenn wir das auf Telefonbücher übertragen,

kämen wir auf einen Stapel von ungefähr einem Meter Höhe .

Betrachten wir das, was wir heute

mit den Geräten, die uns zur Verfügung stehen, machen.

Wir erhalten in nur wenigen Sekunden

24.000 Aufnahmen eines Körper.

Das entspricht ungefähr 20 GB Daten

oder 800 Telefonbüchern.

Und der Stapel wäre 200 Meter hoch.

Was passieren wird

(und wir sehen es schon jetzt, es geht gerade los),

ist ein aktueller Technologietrend:

Wir haben begonnen, Ergebnisse im Verlauf zu betrachten.

Wir erhalten also auch dynamische Informationen über einen Körper.

Nehmen wir an,

dass wir Daten über einen Zeitraum von fünf Sekunden sammeln.

Das würde einem Terabyte Daten entsprechen.

Das sind 800.000 Bücher

und 16 km Telefonbücher.

Das ist ein Patient, ein einziger Datensatz.

Das ist es, womit wir es zu tun haben.

Das ist also die ungeheure Herausforderung, die vor uns liegt.

Und schon heute: Das hier sind 25.000 Aufnahmen.

Denken Sie daran, wie es war,

als wir das noch von Radiologen haben machen lassen.

Die hätten 25.000 Aufnahmen aufgehängt,

die hätten das so gemacht: »25.0000, gut, gut.

Hier ist das Problem.«

Die können das nicht mehr leisten; das ist unmöglich.

Wir müssen uns also etwas Schlaueres ausdenken.

Was wir also tun, ist Folgendes: Wir legen alle diese Schichten aufeinander.

Stellen Sie sich vor, dass Sie einen Körper in alle diese Richtungen zerschneiden

und dann versuchen, diese Scheiben wieder

zu einem Stapel von Daten zusammenzufügen, zu einem Datenblock.

Das ist also, was wir wirklich tun.

Wir nehmen ein Giga- oder Terabyte Daten und packen es auf einen Stapel.

Aber natürlich beinhaltet dieser Datensatz

nur die Anzahl an Röntgenstrahlung,

die an einem bestimmtem Punkt des menschlichen Körper absorbiert wurde.

Wir müssen also einen Weg finden,

die Dinge zu sehen, die wir sehen möchten.

und Dinge, die wir nicht sehen wollen, auszublenden.

Den Datensatz zu verwandeln,

in etwas, das so aussieht.

Und das ist eine Herausforderung.

Es ist eine ungeheure Herausforderung.

Selbst mit Computern, die immer schneller und besser werden,

ist es eine Herausforderung, mit Gigabytes an Daten,

Terabytes an Daten, zu arbeiten

und die relevanten Informationen herauszufischen.

Ich will das Herz sehen können,

Ich will die Blutgefässe sehen, die Leber.

Vielleicht kann ich sogar einen Tumor

finden.

Hier kommt dieser kleine Spatz ins Spiel.

Das ist meine Tochter.

Das ist von heute früh 9:00 Uhr.

Sie spielt ein Computerspiel.

Sie ist erst zwei Jahre alt,

und sie hat einen Heidenspaß.

Sie ist die eigentliche Antriebskraft

hinter der Entwicklung von Grafikprozessoren.

Solange Kinder Computerspiele spielen,

wird deren Grafik besser und besser und besser.

Gehen Sie also nach Hause und bitten Sie Ihre Kinder, mehr Spiele zu spielen,

denn das ist es, was ich brauche.

Das, was in dieser Maschine steckt,

ermöglicht es mir, das zu tun, was ich

mit medizinischen Daten tue.

Ich benutze also diese fantastischen kleinen Geräte.

Und wissen Sie, vor zehn Jahren,

es war vor ungefähr 10 Jahren,

als ich die Fördergelder bekam,

um meinen ersten Grafikcomputer zu kaufen.

Es war eine riesige Maschine.

Es war ein Schrank voll mit Prozessoren und Speicher und allem Möglichen.

Ich habe rund eine Million Dollar für diese Maschine bezahlt.

Heute ist sie ungefähr so schnell wie mein iPhone.

Jeden Monat kommen neue Grafikkarten heraus.

Hier sind einige der neuesten:

NVIDIA, ATI, Intel ist auch dabei.

Und wissen Sie, für ein paar Hunderter

kann man diese Dinge kaufen und in einen Computer einbauen

und fantastische Sachen damit tun.

Das also ist es, was es uns wirklich erlaubt,

die Explosion von Daten in der Medizin aufzufangen;

dies und ein wenig wirklich raffinierter Arbeit

hinsichtlich Algorithmen

und Datenkompression.

So beziehen wir die relevanten Informationen aus dem, woran Menschen forschen.

Ich werde Ihnen einige Beispiele zeigen von dem, was möglich ist.

Dies hier ist ein Datensatz, der mittels eines CT-Scanners erfasst wurde.

Wie Sie sehen, ist es ein vollständiger Datensatz.

Es ist eine Frau. Sie können ihr Haar sehen.

Man kann jeden einzelnen Knochen sehen.

Man kann sehen, dass Röntgenstrahlung gestreut werden:

von den Zähnen, dem Metall in den Zähnen.

Daher kommen also diese Artefakte.

Aber wirklich interaktiv wird es

mit Standard-Grafikkarten in ganz normalen Rechnern.

Ich kann einfach eine Schnittebene anlegen

Und natürlich stecken alle Daten da drin.

Ich kann anfangen, sie zu drehen, ich kann sie von verschiedenen Winkeln betrachten,

und ich kann sehen, dass diese Frau ein Problem hatte.

Sie hatte eine Blutung im Gehirn,

und die wurde mit ein kleinen Stent repariert,

einer Metallklammer, die das Gefäß zusammenpresst.

Und nur dadurch, dass ich die Einstellungen verändere,

kann ich dann entscheiden, was transparent

und was sichtbar sein wird.

Ich kann die Schädelknochen betrachten.

Das sieht okay aus, hier haben sie den Schädel dieser Frau geöffnet,

und hier sind sie reingegangen.

Dies sind also fantastische Aufnahmen

mit einer wirklich guten Auflösung.

Sie zeigen uns, was wir

heute mit Standard-Grafikkarten alles machen können.

Wir haben versucht, das auszunutzen, so gut es geht,

und wir haben versucht, eine große Menge Daten ins

System zu bekommen.

Eine der Anwendungen, mit denen wir gearbeitet haben

(und das hat weltweit immerhin für etwas Wirbel gesorgt),

sind virtuelle Autopsien.

Also nochmal, es geht um sehr, sehr große Datenmengen:

Sie haben ja diese Ganzkörperscans gesehen, die wir machen können.

Wir schicken den Körper einfach nur durch den gesamten CT-Scanner

und in nur wenigen Sekunden erhalten wir einen Datensatz für einen kompletten Körper.

Diese Aufnahmen stammen von einer virtuellen Autopsie.

Sie können sehen, wie ich Schicht um Schicht ablöse.

Zuerst haben Sie den Leichensack mit dem Körper gesehen.

Nun löse ich die Haut ab. Sie können die Muskeln sehen.

Schließlich sehen Sie die Knochenstruktur dieser Frau.

An dieser Stelle möchte ich betonen,

dass ich mit dem allergrößten Respekt

für die Menschen, die ich Ihnen gleich zeigen werde

(Ich werde Ihnen einige Beispiele von virtuelle Autopsien zeigen),

es geschieht also mit großen Respekt für die Menschen,

die unter gewalttätigen Umständen gestorben sind,

dass ich Ihnen die folgenden Aufnahmen zeige.

In einem forensischen Fall ...

und davon

gab es bis jetzt ungefähr 400 Fälle,

allein in dem Teil von Schweden, woher ich komme,

bei denen in den letzten vier Jahren

virtuelle Autopsien durchgeführt wurden.

So sieht also ein typischer Arbeitsablauf aus.

Die Polizei wird entscheiden

(am selben Abend, wenn ein Fall hereinkommt)

werden sie entscheiden, okay, das ist ein Fall, bei dem wir eine Autopsie durchführen müssen.

Am Morgen, so zwischen sechs und sieben Uhr,

wird der Körper dann im Leichensack

zu unserer Abteilung gebracht

und in einem der CT-Scanner gescannt.

Dann sieht sich ein Radiologe zusammen mit einem Pathologen

und manchmal auch ein forensicher Wissenschaftler,

die Daten an, die dabei herauskommen.

Gemeinsam entscheiden sie,

was in der anschließenden echten Autopsie getan werden muss.

Lassen Sie uns einige Fälle ansehen;

dies ist einer unserer ersten Fälle.

Sie können die genauen Einzelheiten sehen,

es ist eine Aufnahme mit wirklich hoher Auflösung.

Und es sind unsere Algorithmen, die es uns ermöglichen

an diese Details heranzuzoomen.

Noch mal, es ist komplett interaktiv,

man kann es drehen und sich die Dinge in Echtzeit ansehen

auf diesen Systemen.

Ohne zu viel über diesen Fall zu sagen,

dies ist ein Verkehrsunfall:

Ein betrunkener Fahrer überfuhr eine Frau.

Und es ist sehr, sehr leicht, die Schäden an der Knochenstruktur zu sehen.

Die Todesursache ist der gebrochene Hals.

Und diese Frau ist auch unter das Auto geraten,

sie ist wirklich schwer zugerichtet worden

durch diese Verletzung.

Hier ist ein anderer Fall, eine Messerstecherei.

Und das zeigt uns noch mal, was wir tun können.

Metallartefakte können

im Körper sehr leicht nachgewiesen werden.

Sie können auch einige der Artefakte sehen, die durch die Zähne verursacht werden,

besser gesagt, die Zahnfüllungen.

Aber weil ich die Einstellungen so vorgenommen habe, dass sie mir Metall zeigen,

und alles andere unsichtbar wird ...

Hier ist noch ein sehr brutaler Fall. Das Opfer wurde aber nicht umgebracht.

Dieses Opfer wurde durch Stiche ins Herz getötet,

Aber die Täter ließen das Messer zurück.

Sie bohrten es durch einen der Augäpfel.

Hier ist noch ein Fall.

Es ist sehr interessant für uns,

Verbrechen wie Messerstechereien zu analysieren.

Hier können Sie sehen, wie das Messer ins Herz eingedrungen ist.

Man kann leicht sehen, wie Luft

von einem Teil zum anderen gewandert ist,

was in einer normalen, klassischen Autopsie schwer auszumachen ist.

Dieses Vorgehen hilft also

bei einer kriminellen Untersuchung wirklich sehr,

die Todesursache festzustellen,

und in einigen Fällen die Untersuchung in die richtige Richtung zu lenken,

und herauszufinden, wer wirklich der Mörder ist.

Hier ist noch ein Fall, den ich interessant finde.

Hier sehen Sie eine Gewehrkugel,

die dicht neben der Wirbelsäule dieses Menschen eingedrungen ist.

Was wir also gemacht haben, war, diese Gewehrkugel in eine Lichtquelle zu verwandeln,

so dass die Gewehrkugel richtig leuchtet.

Das macht es sehr leicht, diese Fragmente

während einer physischen Autopsie zu finden,

Wenn Sie sich durch den Körper wühlen müssten, um diese Fragmente zu finden,

Das ist schon ziemlich schwierig.

Eines der Dinge, die ich Ihnen hier und heute

wirklich gerne zeige,

ist unser virtueller Autopsietisch.

Es ist ein Touch-Device, das wir

mit Standard-Grafikkarten basierend auf diesen Algorithmen entwickelt haben.

Es sieht so aus:

nur um Ihnen ein Gefühl zu geben dafür, wie es aussieht.

Es funktioniert eigentlich so wie ein großes iPhone.

Wir haben also

alle diese Gesten, die man direkt auf dem Tisch machen kann,

und Sie können es als ein riesiges Touch-Screen-Interface betrachten.

Falls Sie also ein iPad kaufen wollen,

vergessen Sie es; das hier ist, was Sie wirklich wollen.

Steve, ich hoffe, dass du dir das hier anhörst, okay?

Es ist also ein sehr nettes, kleines Gerät.

Falls Sie jemals die Gelegenheit haben, dann probieren Sie es bitte aus.

Es ist wirklich eine praktische Erfahrung.

Es gibt schon einiges Interesse daran und wir wollen es auf den Markt zu bringen

und für Lehrzwecke einsetzen.

Vielleicht können wir es auch auch demnächst

in einer eher klinischen Situation anwenden.

Es gibt ein YouTube-Video, das Sie herunterladen und angucken können,

falls Sie Informationen über virtuelle Autopsien

an andere Menschen weitergeben wollen.

Okay, jetzt da wir über »Berühren« reden,

lassen Sie mich über die wirklich anrührende Daten reden.

Das ist jetzt ein bisschen Science Fiction.

Wir bewegen uns also wirklich in die Zukunft.

Dies ist nicht wirklich das, was die Ärzte momentan benutzen,

aber ich hoffe, dass sie es in Zukunft tun.

Was Sie da auf der linken Seite sehen, ist ein Touch Device.

Es ist ein kleiner, mechanischer Stift,

der in seinem Inneren sehr, sehr schnelle Schrittmotoren eingebaut hat.

Ich kann also eine Kraftrückmeldung erzeugen.

Wenn ich also Daten virtuell berühre,

kann das Kräfte in dem Stift erzeugen, so dass ich eine Rückmeldung erhalte.

Also in dieser besonderen Situation

ist das ein Scan von einer lebenden Person.

Ich habe diesen Stift und ich sehe mir die Daten an,

bewege den Stift in Richtung seines Kopfes

und plötzlich fühle ich eine Widerstand.

Ich kann Haut fühlen.

Wenn ich ein bisschen fester drücke, gehe ich durch die Haut

und kann die Knochenstruktur im Inneren fühlen.

Wenn ich noch fester drücke, werde ich durch die Knochenstruktur gehen,

besonders am Ohr, wo die Knochen sehr weich sind.

Und dann kann ich das Gehirn im Inneren fühlen, und es wird schwammig sein, so wie hier.

Dies ist also wirklich klasse.

Und um einen Schritt weiter zu gehen, haben wir hier ein Herz.

Und auch dies verdanken wir diesen fantastischen neuen Scannern,

dass wir in nur 0,3 Sekunden

das ganze Herz scannen können.

Ich kann das mit einer zeitlichen Auflösung machen.

Ich schaue nur auf das Herz

und kann ein ein Video abspielen.

Und dies ist Karl Johan, einer meiner Magisterstudenten,

der an diesem Projekt arbeitet.

Und er sitzt da vor dem haptischen Apparat, dem Kraft-Rückmelde-System

und er bewegt seinen Stift in Richtung Herz,

und das Herz schlägt direkt vor ihm.

so dass er sehen kann, wie das Herz schlägt.

Er hat den Stift genommen und er bewegt ihn in Richtung Herz

und er platziert ihn auf dem Herzen

und er kann den Herzschlag des lebenden Patienten fühlen.

Dann kann er untersuchen, wie das Herz sich bewegt.

Er kann reingehen und das Innere des Herzen drücken,

und er kann fühlen, wie die Herzklappen sich bewegen.

Dies, so glaube ich, ist die Zukunft für Herzchirurgen.

Ich glaube, das ist der feuchteTraum eines Herzchirurgen, dass er

ins Innere eines Herzens gelangt,

noch bevor es zur eigentlichen Operation kommt,

und das alles mit Daten höchster Auflösung.

Dass ist wirklich Klasse.

Jetzt gehen wir weiter in den Science-Fiction-Bereich.

Wir wissen also ein klein wenig über funktionierende Magnetresonanztomografie.

Das ist jetzt ein wirklich interessantes Projekt.

Magnetresonanztomografie benutzt Magnetfelder

und Radiowellen,

um das Gehirn oder irgendeinen Teil des Körper zu scannen.

Was wir wirklich dabei herausbekommen,

sind Informationen über den Aufbau des Gehirns,

aber wir können auch den Unterschied messen

von Blut, das sauerstoffangereichert ist,

und Blut, das nicht sauerstoffangereichert ist.

Das bedeutet, dass es möglich ist,

eine Landkarte der Gehirnaktivitäten zu entwerfen.

Das ist also etwas, woran wir an gearbeitet haben.

Und Sie haben gerade gesehen, wie Motts, der Forschungsingenieur,

in den MRT gegangen ist und dabei

eine Brille trug.

Also er kann mit dieser Brille richtig sehen.

Ich kann ihm Sachen zeigen, während er im Scanner ist.

Und das ist ein bisschen abgefahren,

weil das, was Motts sieht, das hier ist:

Er sieht sein eigenes Gehirn.

Motts macht da also etwas im MRT.

Wahrscheinlich macht er so mit seiner rechten Hand,

weil die linke Hälfte des

motorischen Kortex aktiv ist.

Und er kann das gleichzeitig sehen.

Diese Veranschaulichungen sind brandneu.

Und das ist etwas, woran wir schon seit einer Weile forschen.

Dies ist noch eine Sequenz von Motts Gehirn.

Hier baten wir ihn, von 100 rückwärts zu zählen.

Also zählt er: 100, 97, 94.

Er zählt rückwärts.

Und Sie können sehen, wie der kleine Mathematikprozessor hier in seinem Gehirn arbeitet

und das ganze Gehirn erhellt.

Das ist fantastisch. Wir können das in Echtzeit machen.

Wir können Sachen untersuchen. Wir können ihm befehlen, Dinge zu tun.

Wir können auch sehen, dass sein visueller Kortex

am Hinterkopf aktiv ist,

denn dort sieht er, er sieht sein eigenes Gehirn.

Er hört unsere Befehle auch,

wenn wir ihm etwas befehlen.

Das Signal sitzt sehr tief im Inneren des Gehirns,

aber es leuchtet bis an die Oberfläche,

weil alle Informationen sich im Innern dieses Bereichs befinden.

Und in nur einer Sekunde hier können Sie sehen –

Okay, hier. Motts, bewege deinen linken Fuß.

Also tut er es.

20 Sekunden lang macht er so.

Dann plötzlich leuchtet es hier.

Wir haben hier also eine Aktivierung des motorischen Kortex.

Das ist also wirklich, wirklich nett.

Und ich glaube, dass dies ein fantastisches Werkzeug ist.

Um hier an den vorhergehenden Vortrag anzuknüpfen,

dies ist etwas, das uns helfen kann,

wirklich zu verstehen,

wie Neuronen funktionieren, wie das Gehirn funktioniert.

Wir können das mit sehr, sehr hoher visueller Qualität

und sehr hoher Auflösung erreichen.

Wir haben aber auch ein bisschen Spaß am Institut.

Dies ist also ein CAT-Scan – »Computertomografie«.

Dies ist eine Löwin aus dem Zoo hier

außerhalb von Norrköping in Kolmarden, Elsa.

Sie kam also zu uns ans Institut

und wurde betäubt und

dann kam sie sofort in den Scanner.

Und dann, natürlich, bekomme ich den gesamten Datensatz der Löwin.

Und ich kann sehr schöne Aufnahmen wie diese hier machen.

Ich kann die Haut der Löwin ablösen.

Ich kann in ihr Innerstes sehen.

Und damit experimentieren wir seit einiger Zeit.

Und ich glaube, dies eine der ganz großen zukünftigen Anwendungen

dieser Technologie.

Wir wissen noch sehr wenig über die Anatomie von Tieren ...

Tierärzten steht eine Art Basisinformationen zur Verfügung.

Wir können alles Mögliche scannen,

alle Arten von Tieren.

Das einzige Problem ist, wie wir sie in die Maschine bekommen.

Hier ist also ein Bär.

Es war schwer, ihn hinein zu bekommen.

Und ein Bär ist ein kuscheliges, freundliches Tier.

Und hier ist sie. Hier ist die Nase des Bären.

Und Sie wollen ihn vielleicht streicheln,

bis Sie die Einstellungen ändern und das hier sehen.

Also: Achtung vor dem Bären.

Hiermit

möchte ich gerne allen Menschen danken,

die mir geholfen haben, diese Aufnahmen zu machen.

Es hat eines ungeheuren Aufwands bedurft,

alle Daten zusammeln und die Algorithmen zu entwickeln,

die Software zu schreiben.

Also, sehr begabte Menschen.

Mein Motto ist: Ich stelle nur Leute ein, die klüger sind als ich.

Und die meisten von ihnen sind klüger als ich.

Also, vielen Dank.

(Applaus)