Schmerz, Künstliche Intelligenz
Die Pro­ban­din ist ganz ent­spannt. Noch ist kein zu spü­ren.idw/Sektion Medi­zi­ni­sche Psy­cho­lo­gie

Um unser Schmerz­er­le­ben ande­ren gegen­über zum Aus­druck zu brin­gen, bedarf es eigent­lich der Spra­che. Der Arzt ist bei der Schmerz­dia­gno­se des­halb dar­auf ange­wie­sen, dass der Pati­ent in einem Ana­mne­se-Gespräch mög­lichst genau Aus­kunft über sein per­sön­li­ches Emp­fin­den gibt. Doch was ist, wenn der Pati­ent dazu nicht in der Lage ist, wenn er über sei­nen nicht reden kann? Ulmer Wis­sen­schaft­ler set­zen in die­sem Fall auf . Ihr Ziel: die auto­ma­ti­sier­te Schmerz­er­ken­nung.

Subjektive Schmerzreize sollen objektiviert werden

Gemein­sam mit For­schern der Uni­ver­si­tät Mag­de­burg arbei­ten Wis­sen­schaft­ler der Medi­zi­ni­schen Psy­cho­lo­gie der Ulmer Uni­ver­si­täts­kli­nik dar­an, mit tech­ni­schen Mit­teln das sub­jek­ti­ve Schmerz­er­le­ben objek­tiv mess­bar zu machen. Unter­stützt wer­den sie dabei von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG). „Manch­mal gibt es sprach­li­che Ver­stän­di­gungs­pro­ble­me. Kin­der bei­spiels­wei­se kön­nen Schmerz oft nicht genau beschrei­ben. Pati­en­ten mit Demenz oder ande­ren kogni­ti­ven Ein­schrän­kun­gen haben eben­falls Pro­ble­me, Aus­kunft zu geben über die Inten­si­tät und Qua­li­tät von Schmer­zen“, erläu­tert Pro­fes­sor Harald C. Traue die Aus­gangs­la­ge. Der Wis­sen­schaft­ler lei­tet die Sek­ti­on Medi­zi­ni­sche Psy­cho­lo­gie am Uni­ver­si­täts­kli­ni­kum Ulm.

„Bei der auto­ma­ti­sier­ten Schmerz­mes­sung wer­den maschi­nel­le Erken­nungs­ver­fah­ren ein­ge­setzt, um aus psycho­bio­lo­gi­schen Reak­tio­nen auf Schmerz­rei­ze das sub­jek­ti­ve Schmerz­er­le­ben zu bestim­men“, erklärt Dr. Stef­fen Wal­ter, Wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter in der Sek­ti­on für Medi­zi­ni­sche Psy­cho­lo­gie. Mit hoch auf­lö­sen­den Sen­so­ren wird dabei die kör­per­li­che Schmer­z­ant­wort gemes­sen. Dazu zäh­len die Reak­tio­nen der Haut, der Mus­ku­la­tur, der Atmung und des Kreis­laufs genau­so wie das schmerz­re­ak­ti­ve mimi­sche Ver­hal­ten. „Dadurch ent­steht ein sehr gro­ßer Daten­strom, des­sen Bedeu­tung für den Schmerz nur mit kom­ple­xer Bio­si­gnal­ana­ly­se und der Ver­ar­bei­tung mit Metho­den der Künst­li­chen Intel­li­genz bewäl­tigt wer­den kann“, so der Sta­tis­tik-Exper­te Dr. Sascha Gruss.

Diverse Biopotentiale wurden gemessen

Hier­für wur­de in der Medi­zi­ni­schen Psy­cho­lo­gie des Uni­ver­si­täts­kli­ni­kums Ulm eine expe­ri­men­tel­le Schmerz­stu­die mit 96 frei­wil­li­gen männ­li­chen und weib­li­chen Pro­ban­den unter­schied­li­chen Alters durch­ge­führt. Bei die­sen Test­per­so­nen wur­de mit einer Ther­mo­de am rech­ten Unter­arm ein Hit­ze­schmerz in vier Inten­si­tä­ten erzeugt. Die­se vier Schmerz­stu­fen wer­den für jede unter­such­te Per­son indi­vi­du­ell bestimmt. Man misst dafür den Hit­ze­reiz, der anfängt schmerz­haft zu sein (Schmerz­schwel­len) und den Hit­ze­reiz, den der Pro­band gera­de noch aus­hal­ten kann (Schmerz­to­le­ranz). Die Stu­fen dazwi­schen wer­den dann berech­net.

Zur Erfas­sung der kör­per­li­chen Schmer­z­ant­wort sind diver­se Bio­po­ten­tia­le gemes­sen und digi­ta­li­siert wor­den. Ein­ge­setzt wur­den dabei dia­gnos­ti­sche Ver­fah­ren wie Elek­tro­kar­dio- (EKG), Elektromyo-(EMG) und Elek­tro­en­ze­pha­logramm (EEG), aber auch Mess­ge­rä­te zur Bestim­mung der elek­tro­der­ma­len Akti­vi­tät (EDA). Gesichts­aus­druck und mimi­sches Ver­hal­ten konn­ten mit Hil­fe einer spe­zi­el­len Video­ka­me­ra (AVT Pike F145C Kame­ra) auf­ge­zeich­net wer­den. Um das Bewe­gungs­mus­ter der Pro­ban­den fest­zu­hal­ten, haben die Wis­sen­schaft­ler schließ­lich einen Kinect Sen­sor für die Auf­nah­me fron­ta­ler Tie­fen­bil­der ein­ge­setzt.

Bei leichten Schmerzen ist die Erfassung ungenau

Mit­hil­fe der Künst­li­chen Intel­li­genz – ins­be­son­de­re des maschi­nel­len Ler­nens – konn­te nun aus den bio­lo­gi­schen und mimi­schen Schmerz­re­ak­tio­nen auf das sub­jek­ti­ve Schmerz­er­le­ben geschlos­sen wer­den. Am bes­ten waren die auto­ma­ti­schen Erken­nungs­al­go­rith­men, wenn das tech­ni­sche Sys­tem auf die Erken­nung indi­vi­du­el­ler Reak­tio­nen von ein­zel­nen Pro­ban­den hin trai­niert wur­de. Bei star­ken Schmerz­rei­zen wur­den hier Genau­ig­kei­ten von 94 Pro­zent erreicht, bei schwa­chen Schmerz­rei­zen waren es immer­hin 59 Pro­zent. Wur­de die auto­ma­ti­sche Schmerz­er­ken­nung unab­hän­gig von bestimm­ten Per­so­nen durch­ge­führt, betrug die Genau­ig­keit bei star­ken Schmerz­rei­zen immer­hin noch zwi­schen 74 und 91 Pro­zent.

Bei leich­te­ren Schmer­zen war die auto­ma­ti­sche Erfas­sung aller­dings recht unge­nau. „Die Ergeb­nis­se sind also noch ziem­lich hete­ro­gen, da ver­schie­de­ne Schmerz­in­ten­si­tä­ten unter­schied­lich genau erkannt wer­den“, so die Schmerz­for­scher. Doch ein­deu­ti­ge Ergeb­nis­se fan­den die For­scher im Hin­blick auf die Aus­sa­ge­kraft ein­zel­ner Indi­ka­to­ren. „Am auf­schluss­reichs­ten im Hin­blick auf die Schmerz­in­ten­si­tät waren das Gesichts-EMG, der elek­tri­sche Haut­wi­der­stand, der Abstand zwi­schen Augen­braue und Mund­win­kel und die Fal­ten­bil­dung an der Nasen­wur­zel“, sind sich die For­scher aus Ulm und Mag­de­burg einig.