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„Künstliche Intelligenz“ schneller als Augenärzte bei Bildauswertung

Augenspezialisten des Universitätsklinikums Freiburg haben eine Software entwickelt, die Zell-Aufnahmen der Hornhaut so präzise auswertet wie ein Mensch – in einem Bruchteil der Zeit

Gleich gut, aber schneller: Aus Mikroskop-Bildern unterschiedlicher Qualität mussten trainierte Augenärzte und die am Universitätsklinikum Freiburg entwickelte Software Zellen zählen. Die Software war dabei deutlich effizienter.  Bildquelle: rdcu.be/brYSJ / Universitätsklinikum Freiburg
Gleich gut, aber schneller: Aus Mikroskop-Bildern unterschiedlicher Qualität mussten trainierte Augenärzte und die am Universitätsklinikum Freiburg entwickelte Software Zellen zählen. Die Software war dabei deutlich effizienter. Bildquelle: rdcu.be/brYSJ / Universitätsklinikum Freiburg

Sie sorgen für einen klaren Blick: Die Endothelzellen im Auge pumpen kontinuierlich Wasser aus der Hornhaut und halten sie so durchsichtig. Sterben die Zellen ab, trübt die Hornhaut ein. Um eine Behandlung zum richtigen Zeitpunkt beginnen zu können, mussten Augenärzte bislang mikroskopische Aufnahmen der Endothelschicht auswerten und die Zellen von Hand zählen. Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Universitätsklinikums Freiburg eine selbstlernende Software entwickelt, die diese Aufgabe sehr zuverlässig übernimmt. „Wofür selbst ein geübter Mensch mehrere Minuten benötigt, schafft die selbstlernende Software in wenigen Sekunden“, sagt Prof. Dr. Daniel Böhringer, Leiter des Schwerpunkts Klinische Studien an der Klinik für Augenheilkunde am Universitätsklinikum Freiburg. Die Studie zur Software wurde im zur Nature-Gruppe gehörenden Open-Access-Journal Scientific Reports veröffentlicht.

Gemeinsam mit seinem Team hat Prof. Böhringer die eine Auswertungsmethode entwickelt. Grundlage war die an der Albert-Ludwigs-Universität entwickelte Software „U-Net“. Sie basiert damit auf dem für Künstliche Intelligenz (KI) klassischen Ansatz neuronaler Netze, die selbstlernende Fähigkeiten haben. Im Rahmen der Studie wurden 385 Mikroskopbilder gesunder und kranker Augen ausgewertet. Obwohl die Bilder stark in der Qualität variierten, ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der automatisierten Bildanalyse und den „von Hand“ gezählten Messwerten. Dies war auch bei Bildern von schlechter Qualität der Fall. Zusätzlich wurden nahezu alle nicht-auswertbaren Bilder als solche markiert.

„Mit dem U-Net ist es uns gelungen, die zeitaufwändige Aufgabe der Gewebeanalyse zu automatisieren. Diese neue Methode erweitert die Forschungsmöglichkeiten in der Augenheilkunde enorm“, sagt Prof Dr. Thomas Reinhard, Ärztlicher Direktor der Klinik für Augenheilkunde am Universitätsklinikum Freiburg. „Damit können wir archivierte Bilder neu auswerten und in künftigen Studien deutlich mehr Bilder untersuchen.“ Um die Software auch in der Diagnostik bei Patienten einsetzen zu können, ist eine CE-Zertifizierung notwendig. Dies prüfen die Freiburger Forscher derzeit.

Endothelzellen zählen für die Früherkennung

Bei der Geburt lassen sich etwa 3.000 bis 5.000 Endothelzellen pro Quadratmillimeter zählen. Mit dem Alter sterben die Zellen nach und nach ab. Erst wenn in Folge von Krankheiten oder einer Operationen mehr als 90 Prozent der Endothelzellen abgestorben sind, sinkt das Sehvermögen und es können sich starke Schmerzen einstellen. Dies kann nur noch mit einer Hornhautübertragung behandelt werden, da die Endothelzellen nicht nachwachsen. „Wenn wir krankhafte Veränderungen rechtzeitig erkennen, können wir den Patienten oft helfen“, sagt Prof. Reinhard.

Original-Titel der Studie: Automated segmentation of the corneal endothelium in a large set of ‘real-world’ specular microscopy images using the U-Net architecture

DOI: 10.1038/s41598-019-41034-2

Link zur Studie: https://rdcu.be/brYSJ

Sehschwäche bei Kindern dank Smartphone & Co

Smartphone & Co: Experten erwarten deutlichen Anstieg der Kurzsichtigkeit

Berlin – Ganze Schulklassen voller Brillenträger? Augenärzte rechnen in Deutschland mit einem deutlichen Anstieg von Kurzsichtigkeit bei Kindern. Ursachen sind vermutlich veränderte Spiel- und Freizeitaktivitäten. Warum der Nachwuchs mehr Spielplatz und weniger Smartphone braucht und welche Augentropfen vor dicken Brillengläsern schützen können, erläutern Experten auf dem diesjährigen Kongress der Deutschen Ophthalmologischen Gesellschaft (DOG).

Experten beobachten weltweit eine deutliche Zunahme der Kurzsichtigkeit, auch Myopie genannt. „Besonders die asiatischen Länder sind von dem unscharfen Sehen in der Ferne betroffen“, sagt Professor Dr. med. Karl Ulrich Bartz-Schmidt, Kongress-Präsident und Ärztlicher Direktor der Universitäts-Augenklinik Tübingen. In China etwa sind in manchen Regionen bis zu 90 Prozent der Jugendlichen und jungen Erwachsenen kurzsichtig.

In Deutschland beträgt der Anteil derzeit 35 bis 40 Prozent. „Wir rechnen aber auch hierzulande mit einem starken Anstieg“, erklärt Professor Dr. med. Wolf Lagrèze, Leitender Arzt der Sektion Neuroophthalmologie, Kinderophthalmologie und Schielbehandlung von der Universitäts-Augenklinik Freiburg. „Die Gründe sind vermutlich veränderte Spiel- und Freizeitaktivitäten mit vermehrter Nutzung von Smartphones und iPads, verbunden mit intensivem Lernverhalten in Räumen, die wenig Tageslicht bieten“, so Lagrèze. In Asien verbringen Kinder viele Stunden täglich am Schreibtisch, um den Anschluss im Bildungsbereich nicht zu verpassen.

Aus der Analyse leiten sich Gegenmaßnahmen ab. So zeigt eine Studie in Taiwan, dass Schulkinder weniger kurzsichtig werden, wenn sie die Pausen draußen statt drinnen verbringen – Tageslicht schützt vor Brillenbedürftigkeit. „Untersuchungen belegen, dass es mindestens zwei Stunden Aufenhalt im Freien pro Tag sein sollten, wobei Lichtstärken von mindestens 10.000 Lux erreicht werden sollten“, erklärt Lagrèze. Zum Vergleich: Ein bewölkter Tag kann diesen Wert unterschreiten, ein gut beleuchteter Klassenraum bringt es auf maximal 500 Lux. „Um die Lichtintensität zu erhöhen, werden deshalb etwa in Singapur taghelle Schulzimmer erprobt“, so Lagrèze.

Ein zweiter Hebel setzt am Nutzungsverhalten von Smartphone & Co an. „Die Nutzung erfordert eine Nahsicht und findet häufig in Innenräumen statt – zwei Faktoren, die Kurzsichtigkeit fördern können“, erläutert Lagrèze. „Eltern sollten die Online-Nutzung ihrer Kinder deshalb kontrollieren und gegebenenfalls dosieren, in dem sie Alternativen anbieten und ermöglichen“, rät Lagrèze. Nach aktuellen Schätzungen sind in Deutschland zehn Prozent der Dreijährigen und 50 Prozent der Achtjährigen regelmäßig online.

Zusätzlich können medizinische Maßnahmen ergriffen werden, um das Fortschreiten der Kurzsichtigkeit aufzuhalten. Zum einen hilft das Präparat Atropin, das aus der Tollkirsche gewonnen wird und das Augenärzte in einer Konzentration von 0,5 Prozent zur Weitstellung der Pupille nutzen. Jeweils ein Tropfen Atropin in einer Konzentration von 0,01 Prozent abends in beide Augen verlangsamt die Sehschwäche, wie inzwischen mehrere Studien nachgewiesen haben. „In dieser schwachen Konzentration erweitert Atropin die Pupille nicht“, betont Lagrèze.

Zum anderen steht für Jugendliche als Alternative zur Brille eine multifokale Kontaktlinse zur Verfügung, die das Fortschreiten der Myopie ebenfalls mindert. Ein Aufhalten stark voranschreitender Kurzsichtigkeit ist sinnvoll, weil eine Fehlsichtigkeit von mehr als minus sechs Dioptrien das Risiko für andere Augenerkrankungen wie Netzhautablösung, Glaukom und Altersbedingte Makuladegeneration (AMD) stark erhöht.

„Zusammengefasst lautet die wichtigste Empfehlung: mehr Spielplatz, weniger Smartphone“, so Lagrèze. Zumal dieses Freizeitverhalten noch weitere positive Effekte hat – es verbessert die Stimmung und schützt vor Übergewicht. „Eine wirkungsvolle Maßnahme, die nichts kostet“, freut sich der DOG-Experte.

DOG: Forschung – Lehre – Krankenversorgung
Die DOG ist die medizinisch-wissenschaftliche Fachgesellschaft für Augenheilkunde in Deutschland. Sie vereint unter ihrem Dach mehr als 6000 Ärzte und Wissenschaftler, die augenheilkundlich forschen, lehren und behandeln. Wesentliches Anliegen der DOG ist es, die Forschung in der Augenheilkunde zu fördern: Sie unterstützt wissenschaftliche Projekte und Studien, veranstaltet Kongresse und gibt wissenschaftliche Fachzeitschriften heraus. Darüber hinaus setzt sich die DOG für den wissenschaftlichen Nachwuchs in der Augenheilkunde ein, indem sie zum Beispiel Stipendien vor allem für junge Forscher vergibt. Gegründet im Jahr 1857 in Heidelberg, ist die DOG die älteste medizinisch-wissenschaftliche Fachgesellschaft der Welt.