Software liest Knochendichte per KI aus CT-Scans aus

Osteoporose verläuft über Jahre hinweg völlig schmerzfrei und schleichend – viele Betroffene erhalten die Diagnose erst dann, wenn ein Knochen gebrochen ist oder der Rücken schmerzt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Knochenabbau meist schon weit fortgeschritten. Genau hier setzt das Projekt BMDNow an: Die Software soll den Knochenschwund schon im Anfangsstadium sichtbar machen, noch bevor Frakturen entstanden sind.

Vorhandene Diagnostik intelligent weitergedacht

Der Ansatz: Aus bereits vorhandenen computertomografische (CT) Aufnahmen – etwa von Herz- oder Lungenuntersuchungen – lässt sich mithilfe der neu entwickelten Software nachträglich die Knochendichte (bone mineral density; BMD) einzelner Wirbelkörper errechnen. Bislang wird diese in der Regel erst gemessen, wenn ein konkreter Verdacht auf Knochenschwund vorliegt; Goldstandard ist dabei die Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DXA). BMDNow hingegen macht sich Aufnahmen zunutze, die ohnehin bereits vorliegen – präzise, automatisiert und ohne zusätzliches Personal oder spezielle Geräte. Grundlage ist ein Algorithmus, der neuronale Netze zur automatischen Bildsegmentierung mit modernen bildgebenden Verfahren kombiniert.

Entwickelt wird BMDNow vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in enger Zusammenarbeit mit der Goethe-Universität Frankfurt und dem IT-Unternehmen garritz online media international. Gefördert wird das Projekt von der Hessen Agentur.

»Mit unserer Software können wir vorhandene Routine-CT-Bilddaten nutzen, ohne dass zusätzliche Spezialuntersuchungen nötig sind. Auf diese Weise lässt sich die individuelle Strahlenbelastung der Patientinnen und Patienten senken, Ärzte sparen Zeit. Wir lassen unseren Algorithmus über die vorliegenden Aufnahmen laufen und erhalten quasi als Nebenprodukt eine Analyse der Knochendichte.«

Dr. Stefan Wesarg, Darmstadt – Wissenschaftler am Fraunhofer IGD

Farbcodierte Dichtekarten machen Veränderungen sichtbar

Doch wie ermöglicht die Software die automatisierten präzisen Berechnungen der Knochendichte? Zunächst wird der trabekuläre Bereich der Wirbelkörper, also das innere, schwammartige Knochengewebe, segmentiert. Hierfür testete das Team verschiedene KI-basierte Modelle unter realistischen Bedingungen an realen Patientendaten des Frankfurter Universitätsklinikums.

»Genau in diesem inneren Wirbelbereich wird unser Algorithmus angewendet, der eine dreidimensionale Dichtekarte, eine Dichteverteilung des Knochens liefert. Das KI-Modell analysiert Knochenbestandteile wie Fett und Kalzium und visualisiert die Anteile farblich.«

Dr. Stefan Wesarg, Darmstadt

Die Berechnung der Knochendichte erfolgt auf Grundlage spezifischer Kalibrierkurven, die zuvor anhand von Referenzphantomen erstellt wurden. Die berechneten Werte zeigen, ob eine Osteoporose oder eine Osteopenie (Vorstufe der Erkrankung) vorliegt, was eine frühzeitige Einleitung von erforderlichen Therapien ermöglicht.

Nächster Schritt: Zulassung als Medizinprodukt

Derzeit bestimmen die Forschenden die Knochendichte einzelner Wirbelkörper präzise aus sogenannten Dual-Energy-CT-Aufnahmen, bei denen der Körper mit 2 unterschiedlichen Röntgenenergien gescannt wird. Künftig wollen die Projektpartner ihre Algorithmen jedoch auch über normale CT-Aufnahmen (Single-Energy-CT) laufen lassen. Langfristig soll eine Referenzdatenbank entstehen. Die Software wird entsprechend trainiert und optimiert.

Gegenwärtig finalisieren und validieren die Projektpartner den Softwareprototypen. Eine Zulassung als Medizinprodukt wird in 1–2 Jahren angestrebt. Einen Preis für die innovative Software hat das Team bereits erhalten: Beim Wettbewerb »Hessen Ideen« wurde das Projekt 2025 mit dem 2. Platz ausgezeichnet. Die Jury überzeugte besonders die Senkung der individuellen Strahlenbelastung der Patientinnen und Patienten und die Effizienzsteigerung im Gesundheitswesen.