Künstliche Intelligenz in der Echokardiographie

Die Echokardiographie ist ein gängiges und unverzichtbares Instrument bei der Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Unter Verwendung von Ultraschall ermöglicht diese Technik eine nicht-invasive Beurteilung der Herzfunktion, einschließlich der systolischen Funktion, der diastolischen Funktion, der Quantifizierung der Herzkammer und der Diagnose und Quantifizierung von Klappenanomalien. Die Nutzung der Echokardiographie hat jedes Jahr zugenommen; Allein in der Medicare-Population wurden 2011 über 7 Millionen Echokardiogramme durchgeführt. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit nach wie vor die häufigste Todesursache, und die Ermöglichung einer weit verbreiteten Nutzung der Echokardiographie könnte zu einer früheren Diagnose und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und einer potenziellen Verringerung der Ungleichheiten in der Gesundheitsversorgung führen.

Das Verfahren eines Echokardiogramms erfordert zunächst eine Bilderfassung, der dann eine Bildanalyse und -interpretation folgt. Die Bilderfassung wird traditionell von Herzsonographen (Technikern) oder Ärzten durchgeführt. Die Bildbetrachtung und -interpretation wird von Fachärzten, typischerweise Kardiologen oder Radiologen, durchgeführt. Jeder Schritt in diesem Prozess erfordert traditionell ein hohes Maß an Schulung und Spezialausrüstung, was den Einsatz in Bereichen mit unzureichenden Ressourcen einschränkt. Angesichts des hohen Qualifikationsniveaus, das zum Bedienen dieser Ausrüstung erforderlich ist, besteht jedoch weiterhin Bedarf an zusätzlichen Technologien, um die Erfassung und Interpretation von Bildgebung zu unterstützen. Mit der Verbesserung der Ultraschalltechnologie sind jedoch die Kosten und die Größe der Geräte gesunken, und die Verwendung von bettseitigem Ultraschall zur Unterstützung der klinischen Entscheidungsfindung wird immer häufiger. Dieser bettseitige Ultraschall konzentriert sich auf spezifische Fragestellungen, wie z. B. die Diagnose eines Pleura- oder Perikardergusses, und kann auch Laien leicht beigebracht werden.

Eines der potenziellen Werkzeuge zur Überwindung dieser Einschränkungen ist künstliche Intelligenz (KI). KI ist die Verwendung von Computerprogrammen, um die kognitive Funktion des menschlichen Geistes nachzuahmen, um zu lernen und Probleme zu lösen. Die Echokardiologie ist ein besonders reifes Gebiet, das vom Einsatz künstlicher Intelligenz profitieren könnte. Aufgrund anatomischer Unterschiede und dynamischer klinischer Situationen kann der Prozess der Bilderfassung und -analyse von Patient zu Patient stark variieren. Obwohl einfache Computeralgorithmen diese Unterschiede nicht integrieren können, kann künstliche Intelligenz eine maschinengestützte Bilderfassung und -analyse ermöglichen. In den letzten Jahren gab es zahlreiche Studien zur computergestützten Analyse der Echokardiographie. Die Verwendung dieser Technologie kann die Erfassung echokardiografischer Bilder beschleunigen, den Schulungsaufwand für die Erfassung und Analyse von Bildern verringern, die diagnostische Qualität verbessern und die Variabilität zwischen Beobachtern bei der Analyse echokardiografischer Bilder verringern.

Durch die Integration von künstlicher Intelligenz unterstützter Bilderfassung und -analyse mit Ultraschalltechnologie kann es für minimal geschulte Bediener in unterversorgten Gebieten möglich sein, die Echokardiographie zur genauen Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen einzusetzen.

Diese Studie wird vom Echocardiography Laboratory und dem Internal Medicine Residency Program in der medizinischen Fakultät des New York Presbyterian Columbia University Medical Center betreut. Die Studie wird in den stationären kardiologischen Stationsdiensten der Assistenzärzte durchgeführt, die hauptsächlich in der südlichen Station des Milstein Hospital 5 Garden untergebracht sind. Hauptgegenstand der Studie sind die Assistenzärzte der Medizinischen Klinik, die durch die stationären kardiologischen Stationsdienste rotieren.

Während dieser Studie werden die Assistenzärzte einer Schulungssitzung unterzogen, in der sie in die grundlegenden Konzepte der Echokardiographie und die Verwendung entweder des Echokardiologie-KI-Ultraschallsystems von Bay Labs oder eines Standard-Echokardiographiesystems (eines nativen Terason-Echokardiographiegeräts) eingeführt werden. In diesem Protokoll werden die echokardiographischen Bilder, die sie mit diesen Werkzeugen erhalten, als „Studienechokardiogramm“ bezeichnet. Dies steht im Gegensatz zu einem "formalen Echokardiogramm", das von Herzsonographen, Kardiologen oder Kardiologen durchgeführt und von auf Echokardiographie spezialisierten Kardiologen analysiert wird. Die Assistenzärzte werden entweder das Bay Labs-System oder das native Terason-System verwenden, um Echokardiogramme bei Patienten durchzuführen, die in die Teams der Kardiologiestationen aufgenommen wurden, die sich entweder einem formellen Echokardiogramm unterzogen haben oder innerhalb eines Tages nach dem Echokardiogramm der Studie einem formellen Echokardiogramm unterzogen werden sollen. Die expliziten Ziele dieses Projekts sind (1) zu bestimmen, ob es für die Mediziner als unerfahrene Benutzer möglich ist, echokardiographische Bilder zu erfassen und zu interpretieren, und (2) ob die Verwendung des Bay Labs-Systems die Ausbildung gegenüber dem Standardsystem unterstützt. Das Echokardiogramm von Bay Labs, das im Rahmen dieser Studie durchgeführt wird, ist nicht von der FDA zur Unterstützung der klinischen Entscheidungsfindung zugelassen, und daher werden die Ergebnisse der Echokardiogramme der Studie nicht zur Änderung des klinischen Managements verwendet.

Auf den stationären kardiologischen Stationen gibt es insgesamt 4 kardiologische Assistenzteams, die nach einem Buchstabensystem benannt sind: A, B, C und D. Jedes dieser Teams besteht aus einem Assistenzarzt im ersten Jahr und einem dritten -jähriger Assistenzarzt. Die Teams A und C bilden eine Team-Dyade und die Teams B und D bilden eine zweite Team-Dyade. Die Teams werden nachts von einem separaten Team von medizinischen Assistenzärzten betreut. Jede Dyade wird in erster Linie von einem Paar Kardiologen überwacht, die die Betreuung der allgemeinen Herzpatienten beaufsichtigen. Zusätzlich zu den kardiologischen Diensten können die Teams Patienten unter der Obhut von Herzinsuffizienz-Kardiologen oder anderen privaten Kardiologen behandeln. Jedes Team kann insgesamt 10 Patienten befördern. Die Aufnahmestruktur der Teams ermöglicht die Aufnahme von 7 neuen Patienten in den kardiologischen Stationsdiensten pro 24-Stunden-Zeitraum. Tagsüber können 3 Patienten in das Long-Call-Team und 1 Patient in das Short-Call-Team aufgenommen werden. Nachts können 3 Patienten in das Nacht-(Long-Call-)Team aufgenommen werden.

Vor Beginn der Studie wird ein Zeitplan erstellt, in dem jeder 4-wöchige kardiologische Stationsrotationsblock der Nutzung der Technologie von Bay Labs oder des nativen Terason-Systems zugewiesen wird. Zu Beginn ihrer Stationsrotation in der Kardiologie werden die Assistenzärzte um ihr Einverständnis zur Teilnahme an der Studie gebeten. Die Assistenzärzte, die der Studie zustimmen, werden einem Vortest unterzogen, in dem sie nach ihrem Komfort bei der Durchführung und Interpretation der Echokardiographie gefragt werden. Anschließend absolvieren sie eine Schulung, in der sie in die Grundlagen der Echokardiographie, das Studienprotokoll und die Bedienung des Bay Labs-Echokardiographiesystems oder des nativen Terason-Echokardiographiesystems eingeführt werden. Nach Erhalt dieser Schulung können sie mit der Durchführung von Echokardiogrammen in der Studie beginnen.

Jeden Morgen kann jeder Assistenzarzt zwischen 1 und 3 Patienten in seinem Dienst bestimmen, um sich einem Echokardiogramm zu unterziehen. Die Ein- und Ausschlusskriterien sind im Protokoll aufgeführt. Die Patienten werden von einem Prüfarzt oder Forschungsassistenten angesprochen, um sie für die Studie einzuwilligen. Die Teilnehmer werden dann einem Echokardiogramm unterzogen, das von den medizinischen Bewohnern durchgeführt wird, und die Bilder werden für eine spätere Analyse gespeichert. Nach jeder Echokardiographie füllen die Assistenzärzte ein kurzes Formular aus, das die Echokardiographie dokumentiert. Die Fragen auf diesem Formular umfassen Demografie, klinische Merkmale, technische Aspekte des Tests (z. B. ob bestimmte Ansichten eingeholt werden konnten) und stellen grundlegende Fragen zur vom Bediener geschätzten Herzfunktion, die während des Tests beobachtet wurde.

Am Ende der Rotation werden die teilnehmenden Bewohner einem Nachtest zu ihrem Komfort bei der Durchführung und Interpretation der Echokardiographie unterzogen. Sie erhalten die Möglichkeit, Feedback zur Studie zu geben. Den Assistenzärzten wird während und nach der Studienzeit Feedback zu ihren Echokardiogrammen angeboten, um das Lernen zu unterstützen.

Nach Ende des Studienzeitraums werden die Daten ausgewertet. Die Ergebnisse des Vor- und Nachtests werden analysiert, um festzustellen, ob die Assistenzärzte ihre Kenntnisse der Echokardiographie während der Rotation verbessert haben. Die Echokardiogramme werden von den Prüfärzten der Studie und den behandelnden Echokardiographen analysiert und mit den formalen Echokardiogrammen verglichen, um festzustellen, ob die vorgesehenen Bildansichten erhalten werden konnten, die Zeit, die zum Erhalten der Bilder benötigt wird, und die Qualität der Bilder im Vergleich zum formalen Echokardiogramm. Die linksventrikuläre systolische Funktion, die von den medizinischen Assistenzärzten während des Studien-Echokardiogramms visuell beobachtet wurde, die autoEF, die von der Bay Labs-Software bei diesen Patienten in diesen Gruppen berechnet wurde, und die linksventrikuläre Ejektionsfraktion aus dem formalen Echokardiogramm werden verglichen.

Diese Studie ist für die eingeschlossenen Patienten nur mit einem minimalen Risiko verbunden. Der Test selbst (ein transthorakales Echokardiogramm) ist nicht invasiv und hat keine Strahlenbelastung. Darüber hinaus ist es den medizinischen Teams untersagt, klinische Entscheidungen auf der Grundlage des Echokardiogramms von Bay Labs zu treffen, das stattdessen auf dem formellen Echokardiogramm basiert. Am Ende der Studie werden die Daten dauerhaft anonymisiert.